Современные градирни: от механической тяги до гибридных схем. Инженерный анализ.
Типы градирен с механической тягой
Градирня с принудительной тягой (рис. 1) — это тип градирни с механической тягой
Вентилятор центробежного типа на всасывании
Вентилятор нагнетает воздух в башню, создавая высокую скорость на входе и низкую на выходе.
- Градирня с индукционной (вытяжной) тягой — тип градирни с механической тягой
С вентилятором на выхлопе, который вытягивает воздух через башню
Вентилятор индуцирует (вытягивает) горячий влажный воздух через выхлопное отверстие
Низкая скорость на входе и высокая на выходе, что снижает возможность рециркуляции, при которой выбрасываемый воздух возвращается обратно в воздухозаборник
- Две конфигурации: поперечный ток (кросс-флоу) и противоток (каунтер-флоу)
Градирни с индукционной тягой и поперечным током (Cross Flow Induced Draft Cooling Towers)
- Поток воздуха направлен перпендикулярно потоку воды
- Воздушный поток поступает через одну или несколько вертикальных сторон градирни к оросителю (насадке)
- Воздух проходит через ороситель и, следовательно, мимо потока воды в открытую камеру (пленум)
- Вода течет (перпендикулярно воздуху) через ороситель самотеком
- Вода распределяется самотеком через сопла равномерно по материалу оросителя
Градирни с индукционной тягой и противотоком (Counter Flow Induced Draft Cooling Towers)
- Поток воздуха направлен прямо противоположно потоку воды
- Воздушный поток сначала поступает в открытую зону под оросителем, а затем засасывается вертикально вверх
- Вода разбрызгивается через напорные сопла и стекает вниз через ороситель навстречу потоку воздуха
Преимущества градирен с поперечным током
- Низкий напор насоса, более низкая первоначальная стоимость насосных систем
- Более низкие затраты на электроэнергию и эксплуатацию
- Выдерживает большие колебания расхода воды без негативного влияния на систему распределения воды
- Легкий доступ для обслуживания распределительных сопел
- Низкое статическое давление
- Уменьшенный унос (дрейф), меньше подпиточной воды
- Больше воздуха на лошадиную силу вентилятора
- Можно использовать вентиляторы большого диаметра, поэтому для заданной производительности требуется меньшее количество секций
- Из-за большего зазора в оросителе минимизируется засорение
- Стоимость ниже, чем у противоточных
Недостатки градирен с поперечным током
- Большая занимаемая площадь (след)
- Предел охлаждения ограничен 4°C (подход к температуре мокрого термометра ограничен 4°C)
- Обледенение жалюзи в холодную погоду, большая площадь поверхности жалюзи затрудняет борьбу с обледенением
- Низкий напор в распределительном поддоне может способствовать засорению отверстий и ухудшению дробления воды в разбрызгивающем сопле
Преимущества противоточных градирен
- Увеличенная высота башни позволяет работать с большими диапазонами охлаждения и меньшими приближениями к температуре мокрого термометра (может быть менее 4°C)
- Более эффективное использование воздуха благодаря более мелкому размеру капель от напорных форсунок
- Вертикальное движение воздуха через ороситель позволяет самой холодной воде контактировать с самым сухим воздухом, максимизируя производительность градирни
Недостатки противоточных градирен
- Стоимость выше, чем у градирен с поперечным током
- Большая высота
- Повышенные требования к напору насосной системы
- Увеличенное энергопотребление и эксплуатационные расходы
- Сложность осмотра и очистки распределительных сопел
- Требуются отдельные стояки для каждой секции, что увеличивает стоимость наружных трубопроводов
- Зазор в оросителе меньше, поэтому возможно засорение
- Сопротивление восходящему потоку воздуха против падающей воды приводит к более высоким потерям статического давления и большей мощности вентилятора, чем в градирнях с поперечным током
- Ограниченная площадь жалюзи в основании при высокой скорости входящего воздуха увеличивает мощность вентилятора
- Тенденция к неравномерному распределению воздуха через ороситель с очень слабым движением у стенок и в центре башни
- Высокие скорости на входе могут засасывать воздушный мусор и грязь в башню
Когда выбирать градирни с поперечным током?
- Для минимизации напора насоса
- Для минимизации первоначальных затрат на насосы и трубопроводы
- Для минимизации эксплуатационных расходов
- Когда ожидается изменение расхода от технологического процесса
- Когда важна простота обслуживания
Когда выбирать противоточные градирни?
- Когда ограничено пространство (площадь застройки)
- Когда обледенение вызывает серьезную озабоченность
- Когда насосная система рассчитана на дополнительный перепад давления
Материальный баланс градирен
- Баланс воды по всей системе: M = E + B + W (где E = испарение, B = продувка, W = потери на унос, м³/ч)
- Потери на испарение, E = {C X (T1 - T2) X Cp} / Hv (где C = количество циркулирующей воды, м³/ч, T1/T2 = температура обратной/подающей воды, Cp = удельная теплоемкость воды, Hv = скрытая теплота парообразования воды)
- Потери на унос (дрейф) W для крупных промышленных градирен при отсутствии данных производителя можно принять как:
W = 0,3–1,0% от C для градирен с естественной тягой без каплеуловителей
W = 0,1–0,3% от C для градирен с индукционной тягой без каплеуловителей
W = около 0,005% от C (или менее), если градирня оснащена каплеуловителями - Так как испарившаяся вода не содержит солей, баланс по хлоридам для системы: M (Xm) = B (Xc) + W (Xc) = Xc (B + W), где M = количество подпиточной воды, м³/ч, Xm = концентрация хлоридов в подпиточной воде, ppmw, Xc = концентрация хлоридов в циркулирующей воде, ppmw.
- Xc/Xm = Коэффициент упаривания (Cycles of Concentration) = ppm хлоридов в цирк. воде / ppm хлоридов в подпит. воде = M / (B+ W) = M / (M – E) = 1 + { E / (B + W) }
- Низкий COC означает высокие эксплуатационные расходы из-за большей подпитки
- При увеличении коэффициента упаривания вода может не удерживать минералы в растворе; как только растворимость превышена, они выпадают в осадок и вызывают загрязнение теплообменников
- Коэффициент упаривания варьируется от 3 до 5 в зависимости от качества подпиточной воды
Компоненты градирни
- Система распределения горячей воды – сборный коллектор и распределительные коллекторы к отдельным секциям через регулирующие клапаны
- Вентиляторы градирни – с двигателями: вкл/выкл, двухскоростными, с регулируемой скоростью
- Ороситель (насадка), жалюзи и каплеуловители – Каждый лист оросителя имеет жалюзи и каплеуловители
- Чаша (поддон) для холодной воды – Сетки, шлюзовые затворы, всасывающие линии насосов
- Типы используемых насосов – Горизонтальные центробежные, вертикальные турбинные
- Ороситель (насадка) – поверхность теплопередачи, наиболее важный компонент градирни
- Эффективность градирни зависит от ее способности обеспечить как максимальную поверхность контакта, так и максимальное время контакта между воздухом и водой
- Два основных типа оросителя – пленочный и капельный (разбрызгивающий)
- В градирнях с поперечным током может применяться любой тип, в противоточных также можно использовать оба типа, но преимущественно используются пленочные оросители
Материалы изготовления градирен
- Древесина: Доступна, обрабатываема, низкая стоимость, долговечна.
- Металлы: Сталь, чугун, медные сплавы, алюминиевые сплавы. Для металлов, кроме стали, требуется особая защита от коррозии. Используются для ступиц вентиляторов, поддонов, перегородок, цилиндров вентиляторов, болтов, гаек, шайб, редукторов, анкерных отливок и т.д.
- Пластмассы: Возможность формования отдельных деталей сложной формы и размеров. Используются для лопастей вентиляторов, цилиндров вентиляторов, опор оросителя, каплеуловителей, жалюзи и т.д.
- Бетон: Более высокая первоначальная стоимость, но сниженный риск возгорания и более высокая несущая способность.
Специальные типы градирен
- Сухие градирни
- Гибридные градирни (также называемые градирнями для подавления шлейфа)
Сухие градирни (Dry Cooling Towers)
- По сути, это воздушный теплообменник
- Охлаждение воды за счет ощутимого тепла через оребренные змеевики
- Низкая температура входящего воздуха обязательна
- Менее эффективное охлаждение – требуются большие площади поверхности
- Температура воды выше, чем в градирнях испарительного типа
Градирня и драйкуллер (сухой охладитель)
Температура охлаждаемой воды в градирнях существенно ниже, чем в драйкуллерах (сухих охладителях), которые ограничены нижним пределом температуры воздуха + теплообменная дельта ~5K. Т.е. конечная температура охлаждения воды в драйкуллере, в среднем, на 5К выше температуры окружающего (охлаждающего) воздуха. У градирен конечная температура охлаждения воды ниже температуры окружающего воздуха за счет использования скрытой теплоты испарения с минимальным пределом температуры воды равной температуре по влажному термометру.
(Пример) Температура воздуха на улице (по термометру) +30°C. При правильно выбранной сухой градирне, возможно охладить воду до ~ +35°C. В открытой градирне, при относительной влажности ~50%, температура по влажному термометру будет равна ~ +22.0°C. Прибавим к данной температуре дельту, в среднем 6K, итого, получится ~ +28.0°C. Таким образом, мы охладим целевую жидкость, с помощью потока воздуха и испарения, фактически, до температуры ниже температуры уличного воздуха, что принципиально недостижимо для сухой градирни. Представим, что влажность на улице будет еще ниже, например — в сухом климате = ~ 34%, следовательно, при уличной температуре воздуха +30°C, удастся охладить жидкость до ~ +25.0°C! Проверяем: +30°C – 11°C (разница между сухим и влажным термометрами, с учетом влажности – по психометрической таблице - дана в конце статьи) + 6°C (дельта между конечным охлаждением жидкости и влажным термометром) = +25.0°C.
Гибридные градирни (Hybrid Cooling Towers)
- Объединяют как сухую, так и мокрую (испарительную) секции
- Эксплуатационная гибкость при изменении условий окружающей среды
- Более эффективное охлаждение, чем у градирен сухого типа
- Предотвращают образование шлейфа (пара)
Гибридные градирни — подтипы
- Башня с параллельными потоками (Parallel path tower)
- Башня с последовательными потоками (Series path tower)
- Адиабатический предварительный охладитель воздуха (Adiabatic air pre-cooler)
Башни с параллельными потоками (Parallel Path Towers) (Рис. 2):
- Секция змеевика расположена вертикально сверху над секцией оросителя
- Вентилятор индукционной (вытяжной) тяги
- Горячая вода последовательно проходит через змеевик и секцию оросителя
- Параллельные потоки воздуха проходят через секции змеевика и оросителя
- Потоки сухого и насыщенного воздуха смешиваются в секции вентилятора
Соотношение двух секций зависит от характеристик входящего воздуха
- Подача воздуха в каждую секцию может регулироваться жалюзи на входе
- При низких температурах окружающей среды секция оросителя может быть полностью отключена
- Требуется большая высота башни
Башня с последовательными потоками (Series Path Tower):
- Воздух последовательно проходит через секции змеевика и оросителя
- Вентилятор индукционной (вытяжной) тяги – поперечный ток
- Змеевик может находиться до или после секции оросителя
- Десатурация воздушного потока в секции змеевика
- Меньшая высота башни по сравнению с башнями с параллельными потоками
- Меньшая гибкость управления по воздушной стороне
- Близость сухого змеевика к секции оросителя приводит к:
Соударению (импинджменту) капель
Проблемам образования отложений (накипи)
Ограничению воздушного потока
Адиабатический предварительный охладитель воздуха (Adiabatic Air Pre-Cooler) (Рис. 3):
- Также известен как увлажняющий воздухоохладитель
- Эффективен для зон с низкой относительной влажностью
- Секция оросителя расположена рядом с сухой секцией, с каплеуловителем между ними
- Пучок оребренных труб расположен сверху над сухой секцией
- Вентилятор индукционной тяги протягивает воздух последовательно через секцию оросителя и змеевик
- Два потока воды – замкнутый контур через змеевик и открытый контур через секцию оросителя
Рис. 3: Адиабатический предварительный охладитель воздуха
- Вода рециркулирует в секции оросителя
- Воздух, охлажденный в секции оросителя, выходит в насыщенном состоянии
- Технологическая вода охлаждается в змеевике выходящим воздухом из секции оросителя
- Воздух на выходе из секции змеевика имеет более высокую температуру и находится в ненасыщенном состоянии
- Водяной контур открытого цикла может быть отключен зимой
- Меньше проблем с соударением капель
- Существующие испарительные градирни могут быть модернизированы
Недостатки:
- Два водяных контура означают дополнительные аксессуары и химическую обработку
- Увеличивается общая потребность в пространстве
Сравнение гибридных и испарительных градирен
Гибридные градирни имеют:
- Меньше проблем с потерей воды
- Отсутствие образования шлейфа (пара)
- Большую гибкость в эксплуатации
- Большие размеры
- Больше дополнительного оборудования
- Более высокую мощность вентиляторов
Градирня и промышленный чиллер
Промышленные чиллеры способны поддерживать точную и стабильную температуру воды (вплоть до 0.1К), но они потребляют в разы и десятки раз больше электроэнергии, при сопоставимой производительности. Кроме того, чиллеры технически гораздо более сложное оборудование, производство чиллеров дороже и цена закупки выше, чем у большинства механических градирен. В чиллерах применяется хладагенты, чаще всего фреоны, массовое применение которых крайне негативно отражается на окружающей среде.
🔹 Присоединяйтесь к Телеграм-каналу – эксклюзивные материалы и обсуждения
🔹 Читайте нас ВКонтакте – актуальные новости и советы от экспертов
Будем рады видеть вас среди наших подписчиков! 💡