Особенности процесса охлаждения воды в градирнях

В течение большей части года преобладающую роль играет поверхностное испарение. Летом в жару на испарение приходится до 90% и более тепла, отдаваемого водой. Зимой возрастает теплоотдача соприкосновением до 50%, а в наиболее холодное время и до 70%, против 10-20% и менее в летний период.

«Движущей силой» процесса испарения воды в градирне является разность парциальных давлений пара у поверхности воды и в ядре воздушного потока. При теплоотдаче соприкоо новением такой движущей силой является разность температур воды и воздуха. В градирню поступает атмосферный воздух, являющийся влажным, так как всегда содержит в себе, определенное количество паров воды, находящихся обычно в перегретом состоянии. Для термических расчетов градирен с достаточной степенью точности принимается, что влажный воздух, который можно рассматривать как смесь сухого воздуха и водяного пара, подчиняется законам смеси идеальных газов. Сухой воздух и пар занимают тот же объем, что и вся смесь.

Основными параметрами, характеризующими состояние влажного воздуха, являются давление, температура, плотность, влагосодержание, относительная влажность, энтальпия.

Выбор градирен

Выбор конструкции и типа градирни требует тщательного анализа, основанного на комплексном подходе к технологическим, экономическим и экологическим параметрам. Рассмотрение объема циркулирующей воды, необходимости удаления тепловой энергии от производственных процессов, а также условий окружающей среды и местоположения объекта является обязательным.

Технологические и экологические требования

• Теплообменные характеристики: Оценка количества тепла, которое необходимо эффективно отвести от охлаждаемых систем и аппаратов.
• Температурные условия: Анализ требований к температуре охлаждаемой воды и влияние климатических условий на процесс охлаждения.
• Химический состав воды: Учет химических свойств добавочной и оборотной воды для предотвращения коррозии и образования отложений.
• Экологические стандарты: Соблюдение требований природоохранной политики для минимизации воздействия на окружающую среду.

Экономические факторы выбора

Важным аспектом является анализ технико-экономических показателей, включая стоимость установки и эксплуатации градирен, а также потенциальную экономию ресурсов и средств за счет повышения эффективности охлаждения.

Современные решения в области градирен

На рынке существует широкий спектр градирен различных конструкций и типов, каждый из которых имеет свои преимущества в определенных условиях эксплуатации. Инновационные технологии, такие как гибридные системы охлаждения, предлагают комбинацию эффективности испарительного охлаждения с минимизацией потребления воды и энергии.

Заключение

Выбор градирни для системы оборотного водоснабжения требует всестороннего подхода к анализу технологических, экологических и экономических параметров. С учетом множества доступных решений, важно определить наиболее подходящий тип градирни, который обеспечит не только эффективное охлаждение, но и будет соответствовать строгим экологическим нормам и стандартам, при этом оставаясь экономически выгодным в долгосрочной перспективе.

Аспекты применения градирен

Особенностью многих производственных технологий является отбор тепла в широком интервале температур охлаждаемых продуктов. Общая система эвакуации тепла включает ряд стадий, на которых применяют различные технические средства.

В зоне высоких температур 300-900°С тепло снимается в котлах-утилизаторах и используется в производстве в виде вторичного пара.

В интервале 100-300°С целесообразно использование технологического тепла в адсорбционных холодильных установках для приготовления искусственного холода различных параметров, в том числе холодной воды. Охлаждение продуктов от 100 до 50°С экономичнее производить в воздушных холодильниках. Дальнейшее снижение температуры продуктов, например в нефтеперерабатывающей промышленности, с 50 до 30°С производится при помощи оборотной воды, охлажденной, в свою очередь, на градирнях.

Для достижения еще более низкой температуры продукта применяются компрессионные или пароэжекционные установки. Из-за большого потребления электроэнергии такими установками отвод тепла от технологических продуктов становится в 10-15 раз дороже, чем с помощью оборотной воды. Экономия электроэнергии может быть достигнута за счет применения таких типов и конструкций градирен, которые способны охлаждать воду до более низких температур. Например, для отвода 4 млн. кДж/ч тепла компрессионным способом затраты электроэнергии составляют 250-300 кВт•ч, а для отвода этого же количества тепла с помощью вентиляторных градирен затрачивается 10-15 кВт*ч.

Экологические проблемы работы градирен стали возникать по мере роста производительности этих сооружений и их числа на промышленной площадке, а также с приближением производственных объектов к жилой застройке и транспортным магистралям.

Градирни как источник возможного негативного влияния на состояние окружающей среды могут рассматриваться в следующих аспектах: унос капельной влаги, выброс вредных веществ, паровой факел и шум.

Проблемой предотвращения капельного уноса из градирен НИИ ВОДГЕО занимается с середины 60-х годов. Выполнен большой объем научно-исследовательских работ, разработаны методики оперативного измерения уноса капельной влаги на стендовых градирнях и в натурных условиях. На их основе составлены нормативные требования по допустимым значениям капельного уноса из градирен. Разработаны рекомендации на проектирование и конструирование водоуловителей из различных материалов, многие из которых серийно изготавливаются.

При использовании городских и промышленных вод, а также сильно минерализованных природных вод (например, морской воды) градирни в некоторых случаях могут быть источником вредного воздействия на окружающую среду — атмосферу, почву, водные объекты. Совместно с организациями Минздрава РФ НИИ ВОДГЕО разработаны документы, регламентирующие применение указанных вод в охлаждающих системах оборотного водоснабжения и допустимые нормы содержания вредных веществ в капельном уносе и продувке, а также требования к водоуловителям градирен. Проблемами капельного уноса из башенных градирен занимается также ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева.

Градирня как источник шума представляет собой сооружение, в котором шум может создаваться вентиляторной установкой с приводом преимущественно на низких и средних частотах, равных 63-500 Гц, и движением воды (шум дождя) на частотах 500-8000 Гц. По результатам исследований, выполненных совместно с НИИСтройфизика и ГПИСантехпроект, НИИ ВОДГЕО составлены вошедшие в нормативные документы шумовые характеристики всех основных видов градирен, применяющихся в стране. Совместно с ГПИСантехпроект разработан расчет шума градирен, размещаемых на территории жилой застройки.

Проблема парового факела (выпара) градирен возникла в нашей стране только в последние годы, т.е. значительно позже, чем в западных странах. Она решается путем использования мокро-сухих и сухих градирен. Этими вопросами занимаются организации Минэнерго РФ, ВНИИНефтемаш, принимает в них участие и НИИ ВОДГЕО.

Таким образом, градирни — не самое экологически опасное сооружение на промышленной площадке. При надлежащей эксплуатации и поддержании в исправном состоянии конструкций они не оказывают заметного влияния на состояние окружающей среды. В то же время применение градирен в составе охлаждающих систем оборотного водоснабжения обеспечивает экономию природной воды в 25-50 раз по сравнению с прямоточными системами и предотвращает тепловое загрязнение водоемов.

Охлаждение воды в промышленности

По данным государственного учета использования воды промышленностью Российской Федерации расходуется в год примерно 40 км3 свежей воды, что составляет 50% общего количества, забираемого для нужд народного хозяйства из источников водоснабжения. Это равняется примерно 20% потребности промышленных предприятий в воде. Недостающее количество (160 км3) обеспечивается за счет повторного использования воды после охлаждения и (или) очистки. Такая вода называется оборотной или циркуляционной.

В зависимости от вида технологического процесса оборотная вода может быть транспортирующей или поглощающей средой (использование воды в таких качествах в данной работе не рассматривается), либо теплоносителем, циркулирующим в охлаждающей системе оборотного водоснабжения. Это система, в которой вода используется в качестве хладогента для охлаждения оборудования или для конденсации и охлаждения газообразных и жидких продуктов в теплообменных аппаратах, где нагревается, а в некоторых случаях и загрязняется этими продуктами в основном за счет неплотностей оборудования. После охлаждения преимущественно на градирнях и очистки (при необходимости) основная масса воды возвращается в систему; часть оборотной воды (обычно не более 5%) теряется на испарение, капельный унос, утечки и сброс в виде продувки системы.

Для охлаждения различного рода технологического оборудования в России используется примерно 105-130 км3 оборотной воды, что составляет в среднем по всем отраслям промышленности около 65% общего расхода воды этой категории.

Требования, предъявляемые к температуре оборотной воды различными промышленными предприятиями, диктуются технологическим процессом и эксплуатационными свойствами оборудования. При выборе типа градирен для обеспечения этой температуры следует учитывать возможность загрязнения воды продуктами производства в водооборотном цикле.

Вода в промышленности и энергетике используется для конденсации и охлаждения газообразных и жидких продуктов химических и нефтехимических производств, для конденсации отработавшего пара после расширения его в паровых двигателях, отвода теплоты от маслоохладителей и оборудования в целях предохранения его от быстрого разрушения под влиянием высоких температур (например, цилиндров компрессоров, кладки производственных печей) и т. п.

На многих промышленных предприятиях эксплуатируются компрессорные установки. Для того, чтобы температура сжимаемого воздуха, выходящего из компрессора, не превышала допустимого для нормальной и безопасной работы предела 140-160°С, используется его охлаждение. Чаще всего применяется водяное охлаждение рубашек компрессоров, при котором охлаждающая вода, прошедшая поверхностные холодильники компрессоров, после охлаждения на градирнях вновь используется.

Расход оборотной воды при температурном перепаде 10-25°С рассчитывается таким образом, чтобы ее температура после поверхностных холодильников не превышала 45°С из-за предупреждения выпадения солей временной жесткости и образования накипи на охлаждаемой поверхности.

Потребление свежей воды в промышленности в значительной мере может быть уменьшено за счет перехода производств на безотходные, безводные или маловодные технологии. Однако многие производственные процессы не всегда или не в полной мере позволяют использовать такие технологии. Тогда на первый план в реализации задачи экономии воды в промышленности вступают охлаждающие системы оборотного водоснабжения с градирнями различных типов и конструкций.