Новые технологии охлаждения жидкостей в безнасадочных градирнях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Энергоресурсосбережение и энергоэФФективность

25 =

УДК 621.175

Новые технологии охлаждения жидкостей в безнасадочных градирнях

В. Б. Иванов,

инженер,

генеральный директор

ООО «Энергохран», г. Смоленск

Приводятся основные критерии, которыми необходимо руководствоваться при выборе способа реконструкции градирен с целью повышения эффективности их эксплуатации.

Ключевые слова: градирня, эксплуатационные характеристики, реконструкция градирни.

Введение

Градирня - теплообменный аппарат для отвода в окружающую среду тепла от различных производственных процессов за счет испарения части проходящей через нее воды. Доля испаряемой воды обычно не превышает 1,5% . Большая часть используемых в СНГ градирен сооружены 30-50 лет назад. Практически все эти установки морально и физически устарели. Кроме того, во многих старых проектах градирен часто жертвовали эффективностью охлаждения для экономии капитальных затрат на саму установку.

Эксплуатируемая градирня должна отвечать ряду требований - технических, эксплуатационных и экономических. В технологических циклах, где охлажденная вода используется для получения конечных продуктов, например химическое и нефтехимическое производство, получение минеральных удобрений, молочная промышленность, неправильно подобранный способ охлаждения или неверно спроектированная градирня могут снизить выход конечного продукта в 1,5 - 2 раза при одновременном ухудшении качества продукции. Особенную остроту эта проблема приобретает в летнее время, так как эффективность производственного процесса напрямую зависит от температуры охлажденной воды.

Существует ошибочное мнение, что любая градирня окажется оптимальной или хотя бы обеспечивающей потребности конкретного производ-

ственного процесса. При проектировании и строительстве системы охлаждения нельзя поддаваться искушению сделать быстро, дешево и «как у всех». Известно, что эксплуатационные расходы за время существования системы охлаждения (обычно этот срок составляет 15-25 лет) во много раз превышают капитальные затраты на её создание.

Основные критерии, которыми необходимо руководствоваться при выборе способа реконструкции градирни:

1) рациональный выбор типа градирни;

2) соответствие градирни технологическим требованиям производства;

3) простота и удобство технического обслуживания градирни;

4) требования энергосбережения;

5) пожаробезопасность;

6) необмерзание в холодное время года.

В соответствии с [1] области применения охладителей воды следующие (табл.1).

Перед предприятием встаёт выбор между насадоч-ной и безнасадочной (эжекционной) градирней. Эжекционные градирни привлекают своей дешевизной и экономией электроэнергии. Но глубина охлаждения в них несколько ниже, чем в вентиляторных пленочных градирнях. Объясняется это тем, что интенсивное охлаждение происходит на отрезке длиной около 1,5 м от форсунки. Далее начинает работать так называемый эффект запаривания капли. Происходит выравнивание парциальных давлений воды на поверх-

ИИВБИИИИВ

Энергобезопасность и энергосбережение

Таблица 1

Охладители Область применения охладителей воды

Удельная тепловая нагрузка, тыс. ккал/(м2/ч) Перепад температур воды, оС Разность температуры охлажденной воды и температуры атмосферного воздуха по смоченному термометру, оС

Вентиляторные градирни 80-100 и выше 3-20 4-5

Башенные градирни 60-100 5-15 8-10

Брызгальные бассейны 5-20 5-10 10-12

Водохранилища- охладители 0,2-0,4 5-10 6-8

Радиаторные (сухие) градирни - 5-10 20-35

Открытые и брызгальные 7-15 5-10 10-12

ности капли и в окружающем воздухе. Присутствие в факеле мелких капель 0,5-1 мм (для градирни рациональным является диаметр 2-3 мм) и их быстрое испарение приводят к мгновенному повышению концентрации водяных паров внутри градирни. Неиспарившиеся мелкие капли создают вторую проблему - повышенный каплеунос.

Существуют, однако, напорные форсунки с оптимальным фракционным составом капель в факеле распыла [2]. Применение таких форсунок поднимает качество охлаждения оборотной воды и уменьшает каплеунос до 1,5%. Поверхность тепломассообмена, создаваемая форсунками, больше, чем на насадке, но для эффективного охлаждения не хватает эжекти-руемого воздуха [3]. Для производств, не нуждающихся в максимальном охлаждении или имеющих избыточные площади охлаждения, более всего подходят безвентиляторные безнасадочные (эжекцион-ные) градирни. Они являются наиболее приемлемым вариантом при реконструкции. Охлаждающую спо-

собность такой градирни можно оценить по величине коэффициента интенсивности охлаждения воды Кт, равного отношению действительного перепада температур к максимальному перепаду при теоретическом пределе охлаждения т:

Кт = (Т1- Т2) / (Т1- т), (1)

где Т - температура нагретой воды, поступающей в градирню, 0С;

Т2 - температура воды на выходе, 0С;

Кт - величина, соответствующая термическому КПД.

Согласно формуле (1) для идеального процесса охлаждения (Т2= т ) Кт = 1;

для реального (Т2 > т ) Кт < 1. В диапазоне эксплуатационных параметров градирен Кт может достигать 0,53.

Сравнение эксплуатационных характеристик насадочной и безнасадочной градирен приведено в табл.2.

Таблица 2

Насадочные градирни Безнасадочные градирни

Наиболее эффективными насадочными градирнями являются пленочные градирни, в которых на поверхности насадки образуется максимально возможная площадь тепломассообмена - пленка. Ни одна из предлагаемых на рынке насадок не может обеспечить пленочный режим охлаждения, т.к. все пластики несмачиваемые Площадь теплосъема на порядок выше площади тепломассообмена в насадочной градирне

Ремонтные работы требуют останова градирни. Пожароопасны Система водораспределения, находящаяся внизу, доступна для замены форсунок или их чистки без останова градирни. Непожароопасны. При остановке вентилятора градирня продолжает работать в эжекционном режиме

Продукты деструкции пластика насадки, попадая в насосное и теплообменное оборудование, могут остановить основное производство Насадки нет

Склонны к обледенению. Промерзание насадки приводит к обрушениям металлоконструкций Не склонны к обледенению. Насадки нет

ииеияиииИ

Энергоресурсосбережение и энергоэффективность

27 =

Как видно из табл. 2, насадочные вентиляторные градирни страдают многими конструктивными недостатками: сложность технического обслуживания, а иногда и невозможность устранения неполадок без длительного останова оборудования; попадание продуктов деструкции материала насадки и биозагрязнений в теплообменное и насосное оборудование; достаточно частые возгорания во время ППР и внеплановых работ. Нередки и аварии, связанные с замерзанием насадки или стенок градирен. Сама технология охлаждения воды достаточно затратна, и энергосбережение в таких градирнях исключено.

Задача состоит в том, чтобы по возможности исключить все перечисленные недостатки и эффективно охладить воду, при этом избежать аварийных остановов и сделать градирню необмерзающей и негорючей.

В начале 90-х годов на предприятии «Акрон», г. Великий Новгород на производстве АК-72 была запущена в действие первая безнасадочная вентиляторная градирня производительностью 6000 м3/ч. Показатели охлаждения были равны или даже в некоторых ситуациях опережали по глубине охлаждения градирни, оснащенные пленочным оросителем. Кт = 0,68. В дальнейшем были реконструированы еще 4 такие же градирни. В процессе этой работы были внесены необходимые коррективы в технологическую схему установки форсунок, местоположения и типа каплеуловителя. Затем эта разработка была запатентована - патент РФ №2228501 «Способ охлаждения жидкости в градирне». Позже был получен Евразийский патент № 7724 «Вентиляторная градирня».

Краткие характеристики градирни.

• Глубина охлаждения на 2 - 4 оС выше температуры смоченного термометра или в реальных цифрах разница между входящей и охлажденной водой составляет 9 - 14 оС в зависимости от влажности окружающего воздуха.

• Удобство обслуживания - форсунки расположены в воздухозаборных окнах двумя рядами на высоте + 1,0 и 1,7 м. Доступ к ним не ограничен. Всегда можно, остановив одну из секций в течение 5 - 10 минут, заменить или прочистить форсунку. При этом вода из секции отправляется без потерь в качестве охлаждения на другие секции. Увеличившаяся площадь тепломассообмена позволяет увеличить нагрузку на градирню на 25 - 35% выше проектной величины.

• Энергосбережение - насосная группа работает в облегченном режиме, поскольку воду не нужно поднимать на высоту водораспределительной системы (7 - 11 м в зависимости от типа градирни). Это расположение форсунок обеспечивает экономию не менее 30% электроэнергии.

• При работе в зимних условиях до 70% воды отводится в градирню через зимние сливы, оставшаяся вода с малым напором подается на форсунки, что исключает обледенение. Вентиляторы при этом можно отключать.

• Пожароопасность нулевая. Насадки нет.

Как было установлено выше, динамический объем распыленной воды внутри градирни способен к интенсивному охлаждению воды при условии принудительного отвода тепла из зоны тепломассообмена потоком

воздуха, создаваемого вентилятором. Все эти положения в полной мере применимы к башенным градирням. Безнасадочная башенная градирня охлаждает воду до 6 - 8 оС выше температуры смоченного термометра, что позволяет ТЭЦ экономить до 3% топлива.

Способы реконструкции градирен

Реконструкция вентиляторной насадочной градирни (вариант 1: безнасадочная вентиляторная градирня).

Вентиляторная безнасадочная градирня позволяет за счет эффективного удаления водяных паров из зоны тепломассообмена обеспечить охлаждение воды до температур на 3 - 6 оС выше температуры мокрого термометра. Практика показала, что при этом происходит понижение температуры на 2 - 6 оС во всей циркулирующей воде водооборотного цикла. Этот способ позволяет увеличить на 20 - 40% плотность орошения в градирне, что соответственно поднимает производительность на эту же величину.

Рис. 1. Реконструкция вентиляторной насадочной градирни (вариант 1):

1 - вентилятор;

2 - каплеотбойник;

3 - форсунки;

4 - система орошения;

5 - насадка;

6 - бассейн;

7 - воздушный поток;

8 - охлажденная вода

Реконструкция вентиляторной насадочной градирни (вариант 2: эжекционная градирня).

Этот способ позволяет охладить оборотную воду до 5 - 7 оС выше температуры мокрого термометра.

В эжекционной градирне более глубокое охлаждение невозможно из-за эффекта запаривания капли.

Рис. 2. Реконструкция вентиляторной насадочной градирни (вариант 2):

1 - вентилятор;

2 - каплеотбойник;

3 - форсунки;

4 - система орошения;

5 - насадка;

6 - бассейн

7 - воздушный поток;

8 - охлажденная вода

ИИВБИВИИВ

Энергобезопасность и энергосбережение

Реконструкция башенной насадочной градирни (безнасадочная башенная градирня).

Удаление оросителя из башенных градирен и установка распылительных устройств позволяют понизить температуру охлажденной воды до 4 - 8 оС выше температуры мокрого термометра, а это, в свою очередь, позволяет экономить до 5% топлива в год.

Рис. 3. Реконструкция башенной насадочной градирни:

1 - вентилятор;

2 - каплеотбойник;

3 - форсунки;

4 - система орошения;

5 - насадка;

6 - бассейн;

7 - воздушный поток;

8 - охлажденная вода

Охлаждение оборотной воды в таких градирнях происходит за счет тепломассобмена между мелкодисперсными каплями охлаждаемой воды и воздуха, который эжектируется в факел распыла центробежно-струйной форсунки. Коэффициент теплоотдачи

от капель воды существенно выше, чем в градирнях с капельным оросителем. Оснащение существующих градирен безнасадочным распылительным охладителем наряду с повышением эффективности охлаждения оборотной воды позволит получить существенный экономический эффект благодаря следующим показателям:

• отказ от применения дефицитных, дорогостоящих и недолговечных материалов для изготовления традиционных пленочных, капельных или оросителей другого типа (дерева, полиэтилена, керамики и др.);

• исключение строительно-монтажных работ по периодической замене блоков оросителей и водо-уловительных решеток;

• исключение затрат на замены или ремонты осевых вентиляторов или их двигателей;

• значительная экономия электроэнергии, необходимой для работы осевых вентиляторов, за счет снижения потребности.

Выводы

Эксплуатация и ремонт модернизированной или вновь построенной эжекционной градирни достаточно просты и недороги, кроме того, менее затратны по времени. Следует добавить, что использование в градирне распылительного охладителя оборотной воды позволит регулировать производительность градирни в зависимости от технологических и климатических условий. Это касается и регулирования эффективности охлаждения обрабатываемой оборотной воды.

Литература

1. СНиП 2.04.02-84*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.

2. Патент РФ № 2144439. Центробежно-струйная форсунка.

3. Пономаренко В. С., Арефьев Ю. И. Градирни промышленных и энергетических предприятий: Справочное пособие / Под общ. ред. В. С. Пономаренко. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 376 с.: ил.

ииеииеииИ