В основе принципа работы градирни лежит эффект испарительного охлаждения. Охлаждение за счет испарения является естественным явлением. Самый распространенный пример, который может почувствовать на себе человек, - это потоотделение или испарина. Когда выделяемый организмом пот испаряется, он поглощает избыточную теплоту организма, и тем самым охлаждает тело человека или животного.
Принцип, лежащий в основе испарительного охлаждения, заключается в том, что вода должна подвергаться воздействию внешней теплоты, чтобы перейти из жидкого состояние в пар. Когда происходит испарение, необходимая теплота забирается из воды, которая оставаясь в жидком состоянии, в результате снижает свою энтальпию, и получается более холодная жидкость.
Чтобы обеспечить отведение избыточной теплоты от технологического оборудования или из помещений внутри зданий, системы испарительного охлаждения используют тот же принцип, что и процесс потоотделения. Термин «градирня» используется для описания оборудования, предназначенного для отвода в окружающий воздух теплоты от охлаждающей воды, находящейся как в открытом, так и в закрытом контуре охлаждения.
Когда вода меняет свое агрегатное состояние, переходя из жидкой фазы в паровую, частично, или полностью, то для этого должен иметь место подвод тепловой энергии, которая называется скрытой теплотой испарения. Эта энергия должна либо поступать из котла, который использует теплоту сжигания топлива, либо извлекаться из окружающей среды. В градирнях используется этот фазовый переход, поскольку в них созданы условия, при которых горячая вода испаряется во встречном потоке воздуха, поскольку при этом, тепловая энергия воды передается воздуху. Этот процесс называется испарительным охлаждением. Принцип действия всех градирен основан на этом простом процессе, который описать с точки зрения тепломассопередачи довольно сложно.
Первые примитивные градирни состояли из деревянной конструкции в виде башни, в которой горячая вода подавалась в виде брызг в верхней части, смешивалась с охлаждающим воздухом, поступающим из нижней части конструкции. Таким образом, вода охлаждалась и отводилась из отстойника внизу для возврата обратно в машину или в технологический процесс. Основными критериями, на которых основывается проектирование и изготовление градирен, являются:
- Обеспечение в градирне максимального контакта между воздухом и водой с помощью оптимальной конструкции механической структуры и системы распределения воды.
- Организация постоянного потока воздуха с помощью вентиляторов.
- Минимизация потерь, вызванных уносом части разбрызгиваемой воды вместе с выбрасываемым воздухом.
- Оптимизация конструкции градирни в зависимости от объемного расхода охлаждаемой воды и трех критических значений температур: температуры окружающего воздуха по влажному термометру, температуры подаваемой теплой воды и температуры выходящей охлажденной воды.
- Понимание и решение проблем, связанных с качеством воды, влияющих на такие процессы, как коррозия, загрязнение внутренних полостей устройства механическими отложениями, а также развитие бактерий и появление биологических загрязнений.
- Необходимо также принимать во внимание ограниченность пространства в месте расположения градирни и вероятность того, что шум от функционирующего оборудования может стать источником дискомфорта для тех, кто живет или работает поблизости.
Передача теплоты в градирнях
Существует три механизма передачи теплоты: проводимость, конвекция и излучение. Проводимость является единственным способом передачи теплоты через твердые тела. Этот механизм играет строго ограниченную роль в теплопередаче через жидкости и совершенно не применим к газам.
Конвекция происходит вследствие того, что жидкость или газ с более высокой температурой и, следовательно, с меньшей плотностью, поднимается за счет гравитационных сил вверх, и устанавливает циркуляцию. Этот механизм является основным для процессов теплопередачи в жидкостях и газах.
На теплообмен излучением критически влияет разность температур между излучающей поверхностью или источником излучения и телом, принимающим тепловые лучи. Энергия, передаваемая излучением, передается от источника к приемнику напрямую, без влияния на среду, находящуюся между ними, в частности воздух.
Механизм конвективной передачи теплоты от твердых тел или жидкостей к воздуху или к другим газам критически зависит от поведения практически неподвижного слоя воздуха или газа на поверхности твердого тела или жидкости. Этот слой называется пограничным слоем или пленкой, и наибольшая сложность в описании теории теплопередачи возникает из определения коэффициента теплопередачи этого пограничного слоя или пленки.
Факторы, которые могут влиять на конвективный теплообмен:
- разность температур;
- свойства жидкости: скорость потока, кинематическая вязкость, динамическая вязкость, теплопроводность, плотность, тепловое расширение, удельная теплоемкость и т.п.
Рисунок выше наглядно иллюстрирует то, что происходит с одной каплей воды внутри градирни. Капля окружена тонкой пленкой насыщенного воздуха, которая практически не нарушается проходящим потоком воздуха. Именно через эту статическую пленку насыщенного воздуха и происходит передача теплоты в поток воздуха тремя способами:
- излучением с поверхности капли. Это очень небольшая доля от общего количества теплового потока, и обычно им пренебрегают;
- путем теплопроводности и конвекции между водой и воздухом. Количество передаваемой теплоты будет зависеть от температур воздуха и воды, и может составлять от одной четверти до одной трети всего теплового потока;
- испарением. Это наибольшая часть теплоты, передаваемой от жидкости потоку воздуха, и является причиной, почему весь процесс называется «испарительным охлаждением».
Как работает градирня?
Градирня охлаждает воду за счет сочетания тепловых и массообменных процессов. Охлаждаемая вода распределяется в градирне с помощью распылительных форсунок, разбрызгивателей или наполнителей пленочного типа, которые еще называются «оросителями», назначение которых обеспечить максимальный контакт подаваемой в градирню воды с атмосферным воздухом. В свою очередь движение атмосферного воздуха внутри градирни может осуществляться:
(а) вентиляторами;
(б) конвективными токами;
(в) естественными потоками ветра;
(д) эффектом индукции от движения водяных брызг.
Часть воды поглощает теплоту, превращаясь из жидкости в пар при постоянном давлении. Эта теплота испарения при атмосферном давлении переносится в воздушный поток из воды, остающейся в жидком состоянии.
На рисунке выше показано соотношение температуры между водой и воздухом, когда они проходят через противоточную градирню. Кривые показывают снижение температуры воды (от точки А до точки В), и повышение температуры воздуха по влажному термометру (от точки С до точки D) в результате их прохождения через градирню. Разница температур между водой, входящей и выходящей из градирни (A минус B), называется диапазоном охлаждения (Range).
Разность температур охлажденной воды на выходе из градирни и температуры по влажному термометру входящего в градирню воздуха (B минус C) называется «предельная разность температур» (Approach), которая зависит от технических характеристик градирни, и в первую очередь от ее теплопроизводительности. Большая градирня обеспечивает более холодную воду на выходе для заданных значений тепловой нагрузки, расхода воды и параметров входящего воздуха. Следовательно, количество теплоты, передаваемого градирней в атмосферу, всегда равно тепловой нагрузке, подводимой к градирне, тогда как уровень температуры, при котором передается эта теплота, определяется теплопроизводительностью градирни и температурой по влажному термометру поступающего в нее воздуха.
Тепловые характеристики градирни зависят главным образом от температуры по влажному термометру воздуха, входящего из окружающей атмосферы. Другие параметры входящего воздуха, такие как температура по сухому термометру и относительная влажность, оказывают незначительное влияние на тепловые характеристики градирен с механической тягой, однако они также определяют интенсивность процесса испарения воды в градирне.
Процесс испарения
Процесс испарения является ключевым процессом, определяющим эффективность работы градирен. Испарение, которое происходит, когда потоки воздуха и воды находятся в контакте, вызвано разницей давлений водяного пара на поверхности капель воды и в окружающем воздухе. Эти давления пара являются функциями температуры воды и степени насыщения воздуха, соответственно.
В вентиляторных градирнях потоки воды и воздуха обычно идут либо навстречу друг другу, либо пересекаются под углом в 90°, так что охлажденная вода, выходящая из нижней части оросителя, вступает в контакт с входящим холодным воздухом. Точно так же горячая вода, поступающая в верхнюю часть оросителя, вступает в контакт с теплым воздухом, выходящим из оросителя.
Процесс испарения происходит во всем объеме оросителя. Следует отметить, что в верхней части оросителя воздух практически находится в состоянии насыщения, однако при этом, это состояние компенсируется высокой температурой входящей воды и, следовательно, высоким давлением паров. Количество испарившейся воды, которое имеет место, зависит от ряда факторов. Одним из них является общая площадь поверхности контакта между водой и воздухом. Именно поэтому очень важно при проектировании градирни уделять особое внимание конструктивным параметрам оросителя. Другим важным фактором является количество протекающего воздуха. Чем больше поток воздуха, тем больше теплоты переходит из жидкости в атмосферу, и тем ниже температура жидкости на выходе из градирни. Это связано с тем, что по мере увеличения расхода воздуха влияние воды на его температуру и влажность будет уменьшаться, а разность парциальных давлений пара во всем объеме оросителя будет увеличиваться.
Температура входящего в градирню воздуха Твт оказывает очень важное влияние на ее работу. Чем ниже температура атмосферного воздуха по влажному термометру, тем ниже будет температура воды на выходе из градирни.
Факторы, которые влияют на производительность градирни, могут быть обобщены следующим образом:
- Диапазон охлаждения (Range);
- Разность температур между воздухом на входе и воды на выходе (Approach);
- Температура окружающего воздуха по влажному термометру - Твт;
- Расход охлаждаемой воды - л/с;
- Скорость потока воздуха, проходящего над водой, м/с;
- Уровень температуры;
- Коэффициенты эффективности оросителя, который предполагается использовать;
- Объем оросителя (то есть высота секции оросителя, умноженная на площадь поперечного сечения).
Пункт 6 важен, поскольку при более высоких температурах возможно отвести гораздо большее количество теплоты, поскольку экспериментально подтверждено, что суммарное количество теплоты или энтальпия насыщенного воздуха экспоненциально возрастает с ростом температуры.
Пункт 7 зависит от того, насколько эффективно спроектирован ороситель, и из этого следует, что объем оросителя (пункт 8) напрямую влияет на производительность градирни.
Расчет градирни
Теплопроизводительность любой градирни может быть определена, если известны следующие параметры:
- Температура воды на входе и выходе (Range);
- Температура воздуха на входе по влажному термометру, Твт (Approach);
- Расход воды.
Иногда для расчетов градирни принимают температуру входящего воздуха по сухому термометру, Тст, которая влияет на количество воды, которая испаряется в любой градирне испарительного типа. Значение этой температуры также непосредственно определяет теплопроизводительность градирни с косвенным контактом, работающей в сухом режиме.
Например, номинальная теплопроизводительность градирни, используемой для систем кондиционирования воздуха, может быть приблизительно определена из расчета необходимого количества теплоты для снижения температуры воды с расходом 54 мл/с с 35°C до 29,4°C при температуре входящего в градирню воздуха Твт, равной 25,6°C. При этих условиях градирня выбрасывает в окружающую среду количество теплоты примерно 1,25 кВт на 1 кВт холодопроизводительности испарителя холодильной машины. Такой вывод основан на предположении, что в типичных условиях функционирования системы кондиционирования воздуха на каждый киловатт теплоты, поступающего в испаритель, градирня должна рассеивать дополнительно 0,25 кВт энергии, потребляемой компрессором холодильной машины. Современные высокоэффективные компрессорные системы значительно сократили количество энергии, потребляемой и выделяемой компрессором. Для расчетов конкретных систем кондиционирования и холодоснабжения номинальные значения теплопроизводительности градирен не используются, а обычно рассчитываются на основании задаваемых параметров расхода воды при определенных значениях температуры воды на входе и на выходе (Range), а также при температуре наружного воздуха Твт (Approach).
Мы рады, если данная статья оказалась для Вас полезной. Обратившись в компанию NIBA RUS, Вы сможете получить консультацию по вопросам подбора, поставки и обслуживания градирен открытого и закрытого типов. Вы также сможете получить цену на градирни от производителя и купить вентиляторную градирню на максимально выгодных для Вас условиях.