Градирни

Брызгальные бассейны.

Брызгальный бассейн представляет собой искусственный или естественный водоем, над которым располагается система трубопроводов, оборудованных разбрызгивающими соплами (брызгалами). Нагретая отработавшая вода подается под напором 50-100 кН/м²к брызгалам, разбрызгивается и поступает в бассейн, из которого она вновь подается насосами к потребителям. Охлаждение воды происходит при ее разбрызгивании за счет испарения и соприкосновения капель воды с воздухом.

Брызгальные бассейны устраивают в тех случаях, когда по технологии не нужен большой перепад температур. Их удельная тепловая нагрузка колеблется в диапазоне 30-60 МДж/м²·ч (7-15тыс. ккал/м²·ч). Размеры брызгального бассейна определяются расходом охлаждаемой воды и плотностью орошения, которая принимается в пределах 0,8-1,2 м³/ч на 1 м². Брызгальные бассейны обеспечивают перепад температур не более 8-10°С и предельно низкую температуру охлажденной воды в летнее время на 5-7°С выше температуры воздуха по влажному термометру, то есть не ниже 30-32°С.

Преимущества брызгальных бассейнов:

- в 2-3 раза дешевле градирни;

- долговечны;

- просты в строительстве и эксплуатации;

Недостатки:

- низкий эффект охлаждения по сравнению с градирнями. Для создания температурного перепада Dt>10°C требуется последовательное 2-х или 3-х ступенчатое охлаждение с перекачкой больших масс воды, что неэкономично.

- значительный напор воды у сопла и потери воды на унос ветром;

- площадь в 4-5 раз больше, чем у башенных охладителей;

- наличие туманов, сырости, гололедицы требует больших строительных разрывов, что растягивает коммуникации.

Брызгальные бассейны на современных металлургических заводах не применяют, их можно встретить на старых заводах и на электростанциях с небольшим расходом воды.

Там, где необходимо в кратчайшее время соорудить охладитель воды, целесообразнее всего сделать брызгальный бассейн, который может быть целиком изготовлен из местных материалов.

По способу подвода воздуха к градирням они разделяются на: открытые, башенные, вентиляторные, а в зависимости от типа оросительного устройства брызгальные, капельные, пленочные, комбинированные.

Подаваемая для охлаждения на градирню вода распределяется над оросителем градирни по системе лотков. на дне которых предусмотрены отверстия, через которые вода тонкими струйками падает на разбрызгивающие тарелочки. На современных градирнях используется трубчатая распределительная система с разбрызгивающими соплами. Образующиеся капли воды падают на оросительное устройство. При прохождении через оросительное устройство вода соприкасается с воздухом, продуваемым через градирню, и охлаждается. Охлажденная вода стекает в резервуар, из которого она забирается для повторного использования.

Капельный ороситель состоит из большого числа деревянных реек прямоугольного или треугольного сечения, расположенных горизонтальными ярусами. При падении капель воды с верхних реек на нижние образуются факелы мелких брызг, создающих большую поверхность соприкосновения с воздухом.

Пленочный ороситель состоит из большого числа параллельных друг другу щитов, расположенных вертикально или под малым углом (15º) к вертикали. Вода, стекая по этим щитам, образует пленку толщиной 0,3-0,5 мм. Воздух соприкасается с поверхностью пленки воды и охлаждает ее.

Применяют также оросители комбинированные капельно-пленочные.

Выбор типа оросителя для градирни определяется качеством воды, требующей охлаждения.

Пленочный ороситель рекомендуется применять для чистой воды, циркулирующей через закрытые системы. Содержание в воде даже небольшого количества примесей, особенно нефтепродуктов, препятствует созданию пленки, поэтому в этих случаях следует применять градирни с капельным оросителем.

При содержании в воде более 100 мг/л взвешенных частиц, вызывающих образование отложений на оросительных устройствах, следует применять брызгальные градирни.

8.3.1. Открытая брызгальная градирня.

Представляет собой небольшой брызгальный бассейн, огороженный со всех сторон жалюзи, которые предотвращают унос воды за пределы градирни. Подвод свежего воздуха обеспечивается за счет продувания ветром через жалюзи.

Удельная тепловая нагрузка 80-120 МДж/м²·ч.

Открытые брызгальные градирни применяют, в основном, при расходе воды до 100 м³/ч для небольших холодильных установок, компрессорных станций небольшой мощности.

8.3.2. Открытая капельная градирня.

Оборудуется капельным оросителем. Применяют при расходах воды до 1000-1500 м³/ч и удельной тепловой нагрузке 120-200 МДж/м²·ч (30-50 тыс. ккал/м²·ч).

8.3.3. Башенная градирня.

Применяется в тех случаях, когда требуется достичь температурного перепада 7-10°С и температуры охлажденной воды на 7-8°С выше температуры мокрого термометра. Вытяжные башни градирен служат для создания естественной тяги за счет разности в плотности наружного воздуха, поступающего в градирню, и нагретого увлажненного воздуха, выходящего из градирни. Площадь сечения башни должна составлять не менее 30-40% площади оросителя.

Башни градирен малой и средней производительности могут быть цилиндрическими или иметь форму усеченного конуса либо усеченной многогранной пирамиды.

Башни крупных градирен выполняют, как правило, в виде оболочек гиперболической формы. Эта форма наиболее рациональна по условиям устойчивости и внутренней аэродинамики. Охлаждаемая вода подается в водораспределительное устройство по стоякам, размещенным обычно в центре градирни. Часто в связи с неравномерным распределением воздуха по площади противоточного оросителя применяют дифференцированную площадь орошения, увеличивая гидравлическую нагрузку на периферии и уменьшая ее в центральной части оросителя. Зимой, при снижении гидравлической нагрузки, орошение центральной части полностью исключают.

Поскольку применение башен-градирен возможно для любого расхода воды, то их размеры колеблются в широком диапазоне. Наибольшее применение нашли противоточные градирни производительностью до 100 тыс. м³/час охлаждаемой воды с гиперболическими башнями высотой до 150 м, выполняемыми из железобетона или в виде металлического каркаса, обшитого алюминием. Оросители общей площадью до 10 тыс. м², как правило, монтируют из асбоцементных листов, устанавливаемых на каркасе из сборных железобетонных конструкций.

Преимущества башенных градирен:

- допускают большую тепловую нагрузку 250-335 МДж/м²·ч (60-80 тыс.ккал/м²·ч);

- занимают небольшую площадь;

- не образуют туман, сырость, гололедицу;

- унос воды меньше, чем в других охлаждающих устройствах;

- испарения, благодаря высоте башни, удобно отводятся.

Недостатки башенных градирен:

- высокая стоимость в сравнении с брызгальными бассейнами и градирнями открытых типов;

- гниение древесины;

- обледенение оросительных устройств и их возможное повреждение при околке льда;

- опасность пожара, если градирня находится в резерве.

8.3.4. Вентиляторные градирни.

Характерны тем, что необходимый для охлаждения воды воздух подается в них с помощью вентилятора. Имеются два основных типа вентиляторных градирен:

- башенные, с вентиляторами большой производительности, с использованием естественной тяги воздуха и тяги, создаваемой вентилятором;

- секционные, состоящие из ряда стандартных секций, каждая из которых имеет свой вентилятор.

В зависимости от расположения вентилятора различают градирни:

- нагнетательные, где вентиляторы располагаются внизу, что позволяет легко обслуживать их. Такие градирни - в оборотных циклах коксохимического производства. Широкого распространения они не получили.

- отсасывающие, где вентилятор расположен сверху. Получили широкое применение.

Вентиляторные градирни применяются там, где требуется широкая зона охлаждения (Dt³10°C). Они имеют самую большую тепловую нагрузку 335-420 МДж/м²·час (80-100 тыс.ккал/м²·час) при минимальном уносе воды за счет устройства водоуловителей.

Благодаря большим скоростям и расходу воздуха, подаваемого вентилятором, в летнее время в градирнях можно добиться такой температуры охлаждаемой воды, которая будет равна температуре воды естественного водоема.

Вентиляторные градирни дешевле башенных, но эксплуатационные расходы значительно превосходят расходы на башенные и открытые градирни из-за высокой стоимости электроэнергии.

Требования к качеству воды для вентиляторных градирен менее строгие, в ней может содержаться больше механических и растворенных примесей.

Тема 9. Теплотехнический расчет охладителей.

Теплотехническими расчетами определяют либо необходимую площадь охладительного сооружения при заданном расходе воды и требуемой конечной температуре охлажденной воды, либо конечную температуру охлажденной воды для заданной площади охладителя и заданного расхода воды.

Количество теплоты, отдаваемое атмосфере, называют тепловой нагрузкой охладителя Q

Q=c·W₀·Dt,

где с - теплоемкость воды, кДж/ч;

W₀- гидравлическая нагрузка или количество воды, поступающей на охлаждение, м³/ч;

Dt=t₁ – t₂ - температурный перепад или ширина зоны охлаждения, °С;

t₁, t₂ - температура нагретой и охлажденной воды, °С.

Отношение W₀/F_а называется удельной гидравлической нагрузкой. Здесь F_а­- активная площадь охладителя. Удельная гидравлическая нагрузка иногда называется плотностью дождя, высотой орошения или высотой дождя.

При охлаждении воды в испарительных охладителях понижение ее температуры определяется совместным действием различных по физической природе процессов:

- теплоотдача соприкосновением - перенос теплоты путем конвекции;

- поверхностное испарение воды - превращение части ее в пар и перенос пара диффузией и конвекцией.

Удельное количество теплоты q_с, переданное при теплоотдачи соприкосновением

q_с=a(t-θ), кДж/(м²·ч),

где a -коэффициент теплоотдачи, кДж/(м²·ч·°С);

t - температура поверхности воды, °С;

θ - температура воздуха, °С.

Поверхностное испарение жидкости происходит, когда парциальное давление пара, содержащегося в воздухе, меньше давления насыщенного пара при температур поверхности жидкости.

Удельное количество теплоты q_и, которое теряет вода в результате испарения, определяется по формуле:

q_и=b(P_н-P_вп),

где b - коэффициент теплоотдачи испарением, кДж/(м² ·ч·Па);

Р_н- давление насыщенного пара при температуре поверхности воды, Па;

Р_вп - парциальное давление водяного пара в воздухе, Па.

Удельное количество теплоты q₀, передаваемое воздуху через водную поверхность в результате совместного действия теплоотдачи и поверхност-ного испарения, равно:

q₀=a(t-q)+b(Р_н-Р_вп).

Когда t>q, оба процесса действуют в одном направлении, вызывая охлаждение воды.

При t=q теплоотдача соприкосновением прекращается, и охлаждение воды происходит только благодаря поверхностному испарению.

При t<q вода будет охлаждаться до тех пор, пока количество теплоты, передаваемое воздухом воде соприкосновением, не сравняется с количеством теплоты, терямой водой в результате испарения, т.е., пока не будет соблюдено равенство:

q_с+q_и=0

Температура воды в этот момент достигнет того же значения, которое имеет температура охлаждающего воздуха t_з, измеренная смоченным термометром. Это значение температуры является теоретическим пределом охлаждения воды воздухом.

Несмотря на то, что при температуре воды t_з ее охлаждение прекратится, испарение воды и приток к ней теплоты будет продолжаться.

В действительности вода в охладителях не охлаждается до теоретического предела. Например, температура воды, охлажденной на градирнях, обычно на 8-14°С превышает температуру воздуха по смоченному термометру, но может оказаться ниже температуры воздуха, измеренной сухим термометром. Таким образом, при испарительном охлаждении может быть достигнута температура воды ниже, чем температура воздуха.

Температура влажного термометра зависит от состояния наружного воздуха (от температуры сухого термометра и относительной влажности). Поэтому предел охлаждения t_з также, как и действительная температура охлажденной воды t₂, изменяется как в течение суток, так и в течение года. Соответственно, изменяется и температурный перепад Dt, а это значит, что расход охлаждаемой воды при одной и той же тепловой нагрузке Q в охладителе также будет изменяться.

Чем больше температурный перепад, тем меньше нужно воды для охлаждения, но величина температурного перепада Dt зависит от температуры воды t₁, нагретой в аппаратах (величина относительно постоянная), и температуры охлажденной воды t₂, зависящей, в свою очередь, от высоты зоны охлаждения Dt.

Следовательно, высота зоны охлаждения Dt характеризует эффективность работы охладителя h_охл:

h_охл =(t₁-t₂)/(t₁-t₃).

При охлаждении воды в открытых водоемах с большим зеркалом воды кроме теплоотдачи за счет соприкосновения и испарения происходит также теплообмен излучением. Он протекает в результате проникания солнечной лучевой энергии через открытую поверхность воды. Кроме того, как всякое нагретое тело, водная поверхность излучает теплоту (эффективное излучение).

Удельное количество теплоты, переданное воде излучением, определяется радиационным балансом R.

R=(Q_n+Q_р)·n(1-a)-I, МДж/(м²·сут)

где Q_n - прямая солнечная радиация, МДж/(м²·сут);

Q_р - рассеянная солнечная радиация, МДж/(м²·сут);

n - общая облачность в долях единицы;

(Q_n + Q_р)·n - суммарная солнечная радиация при общей облачности, МДж/(м2·сут);

а - характеристика отражательной способности воды в долях единицы;

(Q_n + Q_р)·n(1-a) - поглащаемая водой суммарная радиация, МДж/(м²·сут);

I - эффективное излучение водной поверхностью, зависящее от температуры воды и общей облачности, а также от температуры и влажности

воздуха, МДж/(м²·сут).

Удельное количество теплоты, передаваемое через водную поверхность открытого водоема:

q_в=q_с+q_и-R.

Солнечная радиация может заметно снижать охладительный эффект испарительного охлаждения. Поэтому температура воды, охлаждаемой в открытом водоеме не может достичь температуры смоченного термометра.

Теоретическим пределом охлаждения в этом случае является естественная температура воды на поверхности водоема при установившихся метеорологических условиях, удовлетворяющая равенству:

q_с+q_и-R=0

Для установившегося теплового режима применительно к метеорологическим условиям наиболее неблагоприятной для охлаждения воды декады температура охлажденной воды определяется в результате решения уравнения теплового баланса:

где c·W₀·t₁ – количество теплоты, содержащееся в охлаждаемой оборотной воде, МДж/сут;

c·W_р·t_р - количество теплоты, приносимое с речной водой, МДж/сут;

с·W₂·t₂ – количество теплоты, содержащееся в охлажденной воде;

c·W_сбр·t_сбр - количество теплоты, сбрасываемой в водохранилище, МДж/сут;

К₃ - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения температуры воды по глубине водохранилища;

t_ср - средняя температура активной зоны пруда-охладителя, °С;

I - дополнительное эффективное излучение водной поверхности, МДж/(м²·сут);

b=0,0314·0,231(1+0,135V₂₀₀)=0,00725·(1+0,135V₂₀₀)

a=0,314·0,11(1+0,135V₂₀₀)=0,0345·(1+0,135V₂₀₀)

V₂₀₀ - скорость ветра на высоте 2м над поверхностью воды, м/с.

Определив из уравнения теплового баланса среднюю температуру воды в пределах активной зоны t_ср, можно рассчитать температуру охлажденной воды t₂ из следующего соотношения:

где t_е - естественная температура воды в пруде без учета подогрева ее теплотой, отводимой от промышленного объекта. t_е может быть принята равной температуре воды в водоемах, расположенных в том же районе.

Для упрощения теплового расчета прудов - охладителей институтом Теплопроект рекомендована номограмма (рис.9.1), позволяющая определить либо необходимую активную зону пруда, либо перегрев охлажденной в пруде циркуляционной воды по сравнению с естественной температурой воды (t₂-t_е) в зависимости от перепада Dt.

Рассмотрим пример.

Определить необходимую площадь пруда, если дано:

- расход циркулирующей воды W₀ = 150000 м³/сут;

- температура горячей воды t₁=40°С;

- температура охлажденной воды t₂=28°С;

- скорость ветра V₂₀₀=1,5 м/с;

- пруд проектируется в Днепропетровской области.

Значение естественной температуры в водоеме по Днепропетровской области для июля принимаем tе=22,4°С (см. табл. 31, Андоньев и др.).

Тогда температура перегрева d=t₂-t_е=28-22,4=5,6°C

Перепад температур Dt=t₁-t₂=40-28=12°C

Используем номограмму по схеме, представленной на рис.9.1 стрелками:

d®Dt®V₂₀₀®V°₂₀₀®t_宦 _уд.