Энергосбережение - спутник новых технологий.
Статьи. ООО "Энергохран"

Рынок градирен.

Иванов В.Б., директор ООО”ЭНЕРГОХРАН” г. Смоленск.

Химическая техника №10, октябрь 2015

На рынке градирен Российской Федерации уверенно царят насадочные градирни. Нужно отметить, что ассортимент насадок велик и выбор может быть трудным. Про достоинства и недостатки насадочных градирен написано много, в том числе и нами на страницах этого журнала.

Для повышения эффективности охлаждения оборотной воды необходимо увели-чить площадь тепломассобмена. Как правило, это увеличение листов или элемен-тов насадки. При этом уменьшается зазор между листами или элементами, что увеличивает аэродинамическое сопротивление просасываемого охлаждающего воздуха. Это требует увеличения мощности э/двигателя вентилятора. Практика показывает, что максимальная величина удельной гидравлической нагрузки (плотности орошения) не превышает в работающих сейчас градирнях 5-8 м3/ (м2/ч), указывая на капельный тип насадки. Это объясняется тем, что пластики, применяемые для изготовления насадок, гидрофобны и не смачиваются. Тепло-съем происходит с поверхности половины капли, текущей по пластику. Оросители со смачиваемой поверхностью пластика дороги и недолговечны. Более эффек-тивными являются решетчатые или сетчатые оросители, в которых происходит дробление потока воды на капли и тепломассообмен происходит на поверхности капель, падающих внутри блока насадки. Суть замысла такой насадки, впрочем, как и всех остальных - получение максимальной совокупной площади испарения всех капель. В данном случае насадка работает как измельчитель водяных струй из форсунок системы водораспределения. Эффект охлаждения достигается, но смазывается малыми скоростями капель относительно потока охлаждающего воздуха. Скорость капли падает каждый раз при встрече с нитями внутри блока насадки.

Вот мнение специалистов фирмы “ВОДЭХ”:

“Недостатками пленочного оросителя являются:

  • низкая механическая прочность плёнки в условиях вибрационного воздей-ствия струй воды (без дополнительной защиты срок службы оросителя не превышает 4-5 лет);
  • ороситель не рекомендуется использовать без реагентной обработки воды (ввиду отложения солей жёсткости и биообрастаний на поверхности пленки увеличивается аэродинамическое сопротивление оросителя и он постепен-но забивается)”.

Наличие в оборотной воде продуктов производства, взвесей и засасываемой пыли приводит к забивке насадки, появлению гидравлических и аэродинамических перекосов, мертвых, непроходимых зон. В зимнее время это приводит к обруше-ниям насадок. Также необходимо помнить о пожароопасности градирен с пласти-ковыми насадками. Процесс горения насадки быстротечен. Неизвестны примеры успешного тушения горящих газов, образующихся в результате термодеструкции полимеров. Последствия пожаров очень серьезны, необходима замена всех не-сущих конструкций, обшивки, систем водораспределения, каплеуловителей, вен-тиляторов, крыши и диффузоров.

Насадочные градирни появились в 70-е годы 19 века и верно служат до наших дней, но предел их эффективности достигнут.

Что может стать альтернативой?

“Применение эжекционных градирен в локальном цикле охлаждения оборотной воды позволяет отказаться от дорогостоящих и подверженных частым поломкам вентиляторных агрегатов за счет использования более мощных насосов, значи-тельно превосходящих вентиляторы по надежности.

Таблица 1.1. Сравнительная характеристика вентиляторных и эжекционных градирен.

Вентиляторная градирня Эжекционная градирня
Элементы внутренней насадки подвержены разрушению и труднодоступны для замены Элементы внутренней насадки отсутствуют.
Разбрызгивающие форсунки подвержены засорению и труднодоступны для осмотра и чистки. Разбрызгивающие форсунки также подвержены засорению, но легкодоступны для чистки, находятся на виду.
Разбрызгивающие форсунки подвержены засорению и труднодоступны для осмотра и чистки. Разбрызгивающие форсунки также подвержены засорению, но легкодоступны для чистки, находятся на виду.
Для чистки форсунок и ремонта оросителя необходимо выключить градирню. Наличие двух коллекторов в воздуховодной шахте позволяет чистить форсунки без остановки всей градирни.
Перегорают двигатели вентиляторов, нарушается балансировка вентиляторов. Вентиляторы отсутствуют.
Наличие вентиляторов определяет высокий уровень шума и вибрации. Так как отсутствуют вращающиеся элементы, градирня, градирня является малошумной, нет вибрации.
В зимнее время повторный пуск после остановки практически невозможен. Градирня свободно работает в режиме включения/выключения в любое время года.
Обмерзание и ледообразование в зимний период приводит к разрушению внутренних элементов. Не боится ледообразования и обмерзания в зимний период года.
Со временем снижается эффективность работы. Эффективность работы постоянна весь период эксплуатации
Затруднена эксплуатация при высоких температурах воды. Возможна эксплуатация при любых температурах воды.
Имеет типовые габаритные размеры. Может быть вписана в любое пространство.

Энергоемкость градирен в рамках годового цикла практически одинаковая”. (Лаптев А. Г., Вельгаева И. А. Устройство и расчет промышленных градирен: Мо-нография, Казань; КГЭУ, 2004).

Эжекционные градирни привлекательны дешевизной и экономией электроэнер-гии. Но глубина охлаждения в них ниже, чем в вентиляторных градирнях. Объяс-няется это тем, что интенсивное охлаждение происходит на длине факела не бо-лее 1,5 м от форсунки. Далее начинает работать так называемый эффект запа-ривания капли. Происходит выравнивание парциальных давлений воды на по-верхности 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 – по-вышенный каплеунос. По литературным данным “Условия применения эжекцион-ных градирен” В. С. Пономаренко, д-р техн. наук; Ю. И. Арефьев, кандидат техн. наук ( ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО) “Поверхность тепломассообмена, создаваемая форсунками больше чем на насадке, но для эффективного охлаждения не хвата-ет эжектируемого воздуха”. Для производств, не нуждающихся в максимальном охлаждении или имеющих избыточные площади охлаждения, лучше всего подхо-дят безвентиляторные, безнасадочные (эжекционные) градирни по Евразийскому патенту №6902. Такие градирни могут быть приемлемым вариантом при реконст-рукции градирни.

В начале 90х на предприятии “АКРОН” г. Великий Новгород, на производстве АК-72 была запущена в действие первая безнасадочная вентиляторная градирня производительностью 6000 м3s/час. Показатели охлаждения были равны или даже в некоторых ситуациях опережали по глубине охлаждения градирни, оснащенные пленочным оросителем. Кт = 0,68. (Кт – коэффициент эффективности охлаждения воды). В дальнейшем были реконструированы еще 4 такие же градирни. Все градирни работают до сих пор. 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”. С момента получения патента на изобретение зарегистрирован новый тип градирни - “Безнасадочная вентиляторная градирня”.

Вот краткие характеристики градирни:

  • Глубина охлаждения 2 – 4 oС выше Т смоченного термометра или в реальных цифрах разница между входящей и охлажденной водой составляет 9 – 14 oС в зависимости от влажности окружающего воздуха.
  • Удобство обслуживания - форсунки расположены в воздухозаборных окнах двумя рядами на высоте + 1,0м 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). Из-за отсутствия насадки аэродинамическое сопротивление охлаждающему воздуху падает и обеспечивает экономию не менее 30% электроэнергии на вентиляторах.
  • 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.

На территории СНГ и РФ работают десятки безнасадочных вентиляторных градирен. В основном на производствах минудобрений, нефтехимии, тяжелом оргсинтезе, металлургии, машиностроении, легкой промышлености.

Как мы установили 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 – 8оsup>С выше температуры смоченного термометра. Это позволяет на ТЭЦ экономить до 3% топлива. К недостаткам вентиляторных и башенных безнасадочных градирен необходимо отнести их конструкционную схожесть с эжекционными градирнями. Специалисты в свое время, разочарованные провальными результатами эксплуатации эжекционных градирен, автоматически не доверяют вентиляторным безнасадочным градирням.

Нами рассмотрены практические стороны эксплуатации трех разных типов гра-дирен. Градирни всех трех типов могут быть востребованы. Выбор за Вами.

Более подробно о выборе градирни можно прочесть на сайте: GRADIRNIA.RU

Список литературы:

СНиП 2.04.02-84

ПОСОБИЕ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ГРАДИРЕН К СНиП 2.04.02-84.

Пономаренко В. С., Арефьев Ю. И. Градирни промышленных и энергетических предприятий: Справочное пособие/ Под общ. ред. В. C. Пономаренко. М.: Энергоатомиздат: 1998 г. 376 с.: ил. ISBN 5.283-00284-5.

Лаптев А. Г., Вельгаева И. А. Устройство и расчет промышленных градирен: Монография, Казань; КГЭУ, 2004.

Пажи Д.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкостей – М.; Химия, 1984.

Патент РФ №2144439 - Центробежно-струйная форсунка Патент РФ №2166163 - Эжекционная градирня Патент РФ №2228501 - Способ охлаждения жидкости в градирне Евразийский патент №007724 - Вентиляторная градирня Евразийский патент №006902 - Градирня Патент РБ №8685 - Эжекционная градирня Патент РБ №5604 - Центробежно-струйная форсунка Патент Украины №42892 – Эжекционная градирня

Энергосбережение и новые технологии охлаждения жидкостей в безнасадочных градирнях с динамическим охладителем Иванов В. Б. г, ООО ”ЭНЕРГОХРАН”, г. Смоленск, РФ, Химическая техника,№3, 2012.

Градирни. Эффективность. Энергосбережение. Экономичность. Иванов В. Б. генеральный директор, ООО ”ЭНЕРГОХРАН”, г. Смоленск, РФ, Хи-мическая техника, №6, 2012.

Градирни и глобальное потепление. Иванов В.Б. генеральный директор, ООО”ЭНЕРГОХРАН”. г. Смоленск. Химическая техника №4/2013

Градирни и глобальное потепление.

Иванов В.Б. генеральный директор, ООО”ЭНЕРГОХРАН”. г. Смоленск.

Химическая техника №3, март 2013

Экстремальные температуры лета 2010 года заставили менеджмент всех отраслей промышленности задуматься - а, что дальше? Невозможно назвать какую либо отрасль, непострадавшую от жары. Наступило ли глобальное потепление или не наступило, покажет ближайшее будущее. Но древний принцип - “надейся на лучшее и готовься к худшему” как никогда применим к сложившейся угрозе возврата жаркого лета.

Почти все статьи, посвященные градирням, начинаются, с констатации грустной действительности-градирни, доставшиеся нам от СССР, построены и спроектированы по остаточному принципу. Проще говоря, не полностью соответствуют требованиям основного производства. Но в советских условиях существовали жесткие графики ППР и капремонтов. Выделялись деньги, градирни ремонтировались и работали в меру заложенного потенциала. В силу возможностей предоставленных нам нашей работой мы видели огромное количество градирен на самых разных производствах, на территории бывшего СССР. И если сравнивать нынешнее техническое состояние градирен положение с Советским, то в среднем мы его сейчас ухудшили. Если состояние градирен считать мерой технической грамотности руководства, то по состоянию градирен можно судить и об общем положении дел на производстве. Редко, но встречаются предприятия, работающие с нагрузками превышающими проектные. Как правило, на этих производствах градирням уделяется должное внимание, подтвержденное необходимыми капитальными вложениями. Особенно это заметно при посещении одинаковых производств, но принадлежащих разным владельцам.

Если жара летом повторится перед всеми встает непростая задача увеличить эффективность работы градирен и тем самым сохранить свои доходы. Как можно увеличить глубину охлаждения градирни? Необходимо увеличить интенсивность процесса тепломассообмена. Как?

Всем нам известно, что классическая насадочная градирня, равно как и безнасадочные вентиляторные градирни состоят из следующих основных частей:

  • Корпус градирни с обшивкой, воздухозаборными окнами, ветровыми перегородками и заслонками управления воздушными потоками.
  • Вентиляторы в вентиляторных градирнях
  • Водораспределительная система.
  • Водоуловительная система.
  • Насадка (ороситель). Кроме безнасадочных вентиляторных градирен.
  • Давайте посмотрим, где могут находиться резервы, введение которых в битву с жарой позволит сохранить температуру оборотной воды в рамках требований производства. Причем сделать это необходимо с минимальными экономическими затратами. Вот три основных элемента, которые определяют КПД градирни:

    1. Хорошее распределение воды;
    2. Хороший поток воздуха, без подсосов;
    3. Хорошее заполнение влажной поверхности.

  • Корпус градирни.
  • К корпусу градирни может быть только одно требование – прочность, обеспечивающую сохранность и функционирование всех систем градирни. Обшивка градирни является одним из важнейших элементов. Герметичность обшивки гарантирует поступление воздуха только через воздухозаборные окна, а также отсутствие протечек воды наружу и образование ледяных наростов на обшивке. Кроме того не лишним будет использование негорючих материалов. Это могут быть и пластиковые панели, и гофрированные металлические или стеклопластиковые панели, и шифер. Все зависит от выделенных сумм. На большинстве пожилых градирен ветровые перегородки разрушены. Хотя их роль в процессе эксплуатации огромна. При нынешних ценах на воду предотвращение сквозного бокового уноса капель воды из градирни более чем актуально. Грамотно спроектированная и установленная перегородка позволяет снизить безвозвратный унос воды до минимума. Перегородки, могут быть изготовлены из любых материалов, будь то: дерево, шифер, металлические панели, стеклопластиковые панели, ж/бетон и т.д. Водухозаборные окна по необходимости могут быть оборудованы направляющими щитками, корректирующими направление потоков воздуха и капель, стекающих по обшивке. Заслонки и прочие устройства, регулирующие воздушные потоки чрезвычайно полезны. С их помощью можно уменьшать боковой капельный унос и повышать эффективность охлаждения воды. Они хорошо представлены в типовых проектах. Восстановление этих недорогих устройств повысит экономичность градирни.

  • Вентилятор.
  • Э/двигатели вентиляторов работают в очень влажной атмосфере, содержащей капли воды, что приводит к различным видам замыканий. Ремонты трудоемки и дороги. При этом градирня или секция надолго выпадают из работы. Современные агрегаты с регулировкой мощности двигателя и числом оборотов вентилятора работают превосходно и экономично, но дороги. Сейчас на рынке появились редукторы, работающие с обычными э/двигателями, а не специальными тихоходными двигателями для вентиляторов градирен. Кроме удобства обслуживания эти агрегаты значительно дешевле. Кроме того есть варианты с изменяемым шагом лопастей. Лопасти можно заказать из алюминия или композитных материалов. Рынок предлагает легкие и не обмерзающие лопасти.

  • Водораспределительная система
  • Служит для создания равномерного распределения воды на поверхности насадки. Слабым местом ВРС являются форсунки, изготовленные из недолговечных пластиков. Разрушение форсунок или их забивка приводит к гидравлическим и аэродинамическим перекосам и забивке насадки пылью, биоотложениями и прочим мусором. Замена или очистка форсунок на высоте сложна и трудоемка. Требует обязательного останова градирни и сооружения лесов или других приспособлений для работы персонала внутри аппарата на высоте.

  • Водоуловительная система.
  • Сейчас на рынке имеется достаточный ассортимент каплеуловителей и подбор соответствующего изделия не представляет трудностей. Основные требования к этим устройствам просты – эффективное каплеотделение и низкое аэродинамическое сопротивление, механическая прочность и негорючесть.

  • Насадка.
  • Насадка или ороситель должна обеспечить: смотри ПОСОБИЕ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ГРАДИРЕН (СНиП 2.04.02-84) :

    Ориентировочно для градирен, проектируемых для средней полосы нашей страны, удельная гидравлическая нагрузка принимается, м 3/ (м2/ч), при оросителе:

    пленочном 8 - 12

    капельном 6 - 10

    брызгальном 5 – 6

    Требования к охлаждению воды приведены в таблице № 39 СНиП 2.04.02-84.

    Практика показывает, что максимальная величина удельной гидравлической нагрузки (плотности орошения) не превышает в работающих сейчас градирнях 5-8 м3/ (м2/ч), что указывает на капельный тип насадки. Это объясняется тем, что пластики, применяемые для изготовления насадок гидрофобны, и не смачиваются. Теплосъем происходит с поверхности половины капли, текущей по пластику. Оросители со смачиваемой поверхностью пластика дороги и недолговечны. Более эффективными являются решетчатые или сетчатые оросители, в которых происходит дробление потока воды на капли и тепломассообмен происходит на поверхности капель, падающих внутри блока насадки. Суть замысла такой насадки, впрочем, как и всех остальных, получение максимальной совокупной площади испарения всех капель. В данном случае насадка работает как измельчитель водяных струй из форсунок системы водораспределения. Эффект охлаждения достигается, но смазывается малыми скоростями капель относительно потока охлаждающего воздуха. Скорость капли падает каждый раз при встрече с нитями внутри блока насадки. Безнасадочные вентиляторные градирни тоже работают по принципу создания внутри градирни динамического объема капель воды с высокой площадью тепломассообмена и высокими скоростями капель в потоке охлаждающего воздуха. С той разницей, что в одном случае объем тепломассообмена образуется внутри насадки, а во втором за счет работы форсунок системы водораспределения.

    Кроме того, как правило, насадки изготавливаются из горючих пластиков, поэтому проведение огневых работ даже на работающей градирне чревато пожаром. Те, кто видел или пережил это, к сожалению, встречающееся бедствие отнесутся к проблеме пожарной безопасности серьезно. Негорючие насадки существуют, но они дороже.

    Исходя из вышеизложенного очевидно, что реалии и перспективы требуют капиталовложений для приведения всех систем градирен в, безусловно, рабочее состояние. В некоторых случаях, возможно, потребуется и увеличивать мощности градирен. Эти затраты все же меньше потерь из-за недовыпуска продукции ведущей к невыполнению условий контрактов.

    Общие затраты на восстановление градирни индивидуальны, но все они могут быть уменьшены за счет грамотного выбора способов охлаждения воды с насадкой или без нее, оборудования и материалов, выполнения части или полного объема строительных и монтажных работ собственными или привлеченными силами.

    Во избежание повторений отошлем читателей к сайту: , где подробно изложены затрагиваемые вопросы.

    Список литературы:

  • СНиП 2.04.02-84;
  • ПОСОБИЕ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ГРАДИРЕН К СНиП 2.04.02-84
  • Пономаренко В. С., Арефьев Ю. И. Градирни промышленных и энергетических предприятий: Справочное пособие/ Под общ. ред. В. С. Пономаренко. М.: Энергоатомиздат: 1998 г. 376 с.: ил. ISBN 5.283-00284-5
  • Пажи Д.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкостей – М.; Химия, 1984.
  • Градирни. Эффективность. Энергосбережение. Экономичность. Иванов В. Б. генеральный директор, ООО ”ЭНЕРГОХРАН”, г. Смоленск, РФ, Свидерский Э. А. инженер, патентный поверенный № 020. г. Минск, Белоруссия.
  • Энергосбережение и новые технологии охлаждения жидкостей в безнасадочных градирнях с динамическим охладителем. Иванов В. Б. г, ООО ”ЭНЕРГОХРАН”, г. Смоленск, РФ, Свидерский Э. А. инженер, патентный поверенный № 020. г. Минск, Белоруссия.
  • Градирни. Эффективность. Энергосбережение. Экономичность.

    Иванов В.Б., директор ООО”ЭНЕРГОХРАН” г. Смоленск, , РФ, Свидерский Э. А. инженер, патентный поверенный г. Минск, Беларусь.

    Химическая техника №6, июнь 2012

    В предыдущей статье “ Энергосбережение и новые технологии охлаждения жидкостей в безнасадочных градирнях с динамическим охладителем “, опубликованной в начале сентября 2008 г. на сайтах www.energospace.ru, www.gradirnia.ru и др. мы достаточно подробно рассмотрели принципы работы, преимущества и недостатки насадочных и безнасадочных градирен. В этой статье рассмотрим возможности эффективности, энергосбережения, экономии, скрывающиеся в градирнях.Градирни, доставшиеся нам в наследство, были спроектированы и построены по остаточному принципу. Этот принцип доминировал во всем огромном списке так называемого вспомогательного оборудования. Главным критерием проектирования, строительства и ввода в действие этого оборудования была дешевизна. Эта практика была порочна, но исправлять ситуацию необходимо нам.

    По убеждению авторов статьи, градирня самостоятельная, сложная тепломеханическая установка. Недальновидно потратиться на высокотехнологичное и высокоэффективное промышленное производство и не обеспечить ему требуемые условия работы. Мы считаем, что деление оборудования на основное и вспомогательное неверно, и, сейчас от него лучше отказаться.

    На большинстве предприятий градирни эксплуатировались службой главного энергетика. Стандартной являлась ситуация нехватки охлаждающих мощностей на производстве и вяло текущего конфликта между службой главного энергетика и производственниками. С наступлением жаркого сезона конфликт накалялся и с приближением осени угасал до следующего теплого сезона.

    С изменением формы собственности на многих предприятиях дальновидные хозяева передавали градирни в руки эксплуатации. Как правило, это приводило к уменьшению дефицита охлаждающих мощностей. На предприятиях стали внедряться новые материалы и оборудование для охлаждения воды. В основном это были новые оросители, новые материалы обшивки, вентиляторы с управляемой тягой. Сегодня существует объективная тенденция превышения проектной мощности предприятий, за счет совершенствования, обновления и интенсификации технологических процессов не последнюю роль в этой тенденции сыграло внедрение новейших технологий охлаждения воды в градирнях. Особенно ощутимый прирост мощности производства происходит на колонном оборудовании (дистилляция, ректификация и т.д.), контактных аппаратах, многокорпусных вакуум-выпарных аппаратах, холодильных и компрессионных установках, в черной и цветной металлургии.

    Вся история развития градирен это борьба за максимальные площади тепло-массообмена. На памяти одного поколения глубина охлаждения воды в градирнях увеличилась на 10 – 15%. Появились высокоэффективные насадки, вентиляторы с изменяемой производительностью. Однако дальнейшего роста поверхностей тепло-массообмена в насадочных градирнях ждать не приходится из-за достижения теоретического предела поверхности насадки. Увеличение поверхностей за счет добавления числа блоков насадки неизбежно вызывает увеличение аэродинамического сопротивления и как следствие увеличение мощности двигателей вентиляторов. Следует добавить, что стоимость такой насадки очень и очень впечатляет.

    Необходимо применение новых принципов создания внутри градирни высокоразвитых поверхностей, желательно динамических. Необходим качественный идеологический переход, такой же, как отход от карбюратора и изобретение систем распределенного впрыска топлива, а затем и прямого впрыска в двигателях внутреннего сгорания. Аналогия несколько притянута, но право на жизнь имеет. Наиболее эффективным способом создания внутри градирни максимально развитой динамической поверхности тепло-массообмена, является создание равномерного объема быстро движущихся капель, причем векторы движения капель и охлаждающего воздуха не должны совпадать. После долгих экспериментов были разработаны центробежно-струйные форсунки, дающие высокоэффективное распыление воды с заданным фракционным диаметром капель воды. Речь идет о безнасадочной вентиляторной градирне (Патент РФ №2228501 – Способ охлаждения жидкости в градирне, Патент РФ №2144439 -Центробежно-струйная форсунка, Евразийский патент № 6902 – Градирня, Евразийский патент № 7724 – Вентиляторная градирня. ).

    С помощью этого способа мы выполняем три основных требования, которые определяют КПД градирни:

    1. Равномерное распределение воды.

    2. Равномерная подача и распределение воздуха.

    3. Максимальное заполнение внутреннего объема градирни.

    Какие конкретные преимущества можно получить владельцу модернизируемой градирни, отказавшись от насадки и смонтировав в плоскости воздухозаборных окон водораспределительную распылительную систему?

    Основной статьей расходов при эксплуатации градирни является затраты электроэнергии насосного оборудования, подающего нагретую воду на высоту от 7 до 12 м. Установка эжекционных форсунок системы водораспределения на высоту 1,0 – 2,0 м позволяет экономить до 50% э/энергии. Для того чтобы поднять заданное количество воды на заданную высоту нужно затратить энергию:


    E=mgh
    где m -масса воды, кг, g - ускорение свободного падения, h – высота, м.

    Как видно снижение высоты на 10 м уменьшает работу, а, следовательно, расход электроэнергии на порядок. Практика показала, что возможна замена электродвигателей насосов на менее мощные. Но, как правило, Заказчики выбирают увеличение производительности градирен без ухудшения качества охлаждения. Как мы выяснили ранее, увеличившаяся на 50 – 100% поверхность тепло-массообмена позволяет этот прирост мощности. Кроме того, в плоскости воздухозаборных окон возникает разрежение, за счет эжекции воздуха факелами воды. А это, в свою очередь, позволяет увеличить приток холодного воздуха в зону обмена с уменьшением расхода электроэнергии на вентиляторах. Увеличение количества охлажденной оборотной воды при снижении затрат на ее охлаждение приводит к существенному уменьшению стоимости оборотной воды и снижению себестоимости основной выпускаемой продукции. Гарантированное охлаждение оборудования оборотной водой позволяет избежать потерь в количестве и качестве выпускаемой продукции. Кроме того, использование безнасадочных схем охлаждения позволяет исключить остановы оборудования из-за засорения продуктами разрушения насадки и биозагрязнениями.

    По утверждению “ ЭСКО” в электронном журнале “ Экологические системы “ № 6, июнь 2005г. недолжным образом работающие градирни могут увеличить текущие расходы более чем на 50%. Таким образом снижение затрат на эффективное охлаждение промышленного оборудования с учетом прироста выпуска товарной продукции может оценено в 30-60%. Кроме постоянной экономии после реконструкции мы должны учесть и разовые экономии:

    1. Стоимость насадки.

    2. Стоимость системы крепления насадки (стоимость материалов и СМР примерно, равны стоимости насадки).

    3. Стоимость системы водораспределения. (Стоимость предлагаемой системы водораспределения составляет 20 - 40% стандартной).

    После вычета стоимости работ по модернизации градирни Заказчик экономит от 40 до 60% от стоимости всех трех перечисленных пунктов. Теперь перейдем к текущим эксплуатационным расходам. Уменьшаются расходы на ППР и капремонты. Это обусловлено упрощением устройства градирни и длительным гарантийным сроком службы форсунок. Для замены или прочистки форсунки необходимо от 5 до 15 минут, так как форсунки находятся на высоте 1,0 -2,0 м. и доступны к замене или прочистке с земли. В зимнее время 50 – 70% воды подается через зимний слив, вентилятор при этом отключается т. к форсунки справляются с охлаждением в эжекционном режиме. Зимой градирни не обледеневают. Все вышеизложенное в полной мере относится и к башенным градирням. Улучшение охлаждения оборотной воды в башенной градирне на 2 – 5оС кроме перечисленных выше выгод позволяет экономить на тепловых станциях до 2 -3% топлива. Одним из важных вопросов эксплуатации градирен является вопрос каплеуноса. По СНиП 2.04.02-84*п. 11.49: вынос воды с каплями не должен превышать: 0,1 – 0,2%расхода оборотной воды. При отсутствии насадки увеличивается скорость прохождения охлаждающего воздуха, что может привести к повышению каплеуноса. Однако с этим явлением легко бороться путем установки водоуловительных устройств на расстоянии большем, нежели 0,5 диаметра вентилятора. Тем самым, уходя из области высоких скоростей движения воздуха и высокого разрежения, создаваемого вентилятором. В случае необходимости всегда возможна установка второго водоуловительного устройства. Это стоит небольших денег. Вышеизложенное дает ответ на заданный в начале вопрос – все три “Э” тесно переплетены и напрямую связаны со способом охлаждения воды. Вся история развития техники показывает, что внедрение новых способов всегда обеспечивает и количественный и качественный прирост основных показателей за меньшую или сравнимую цену.

    Эта идиллия, дополненная вентиляторами с переменной производительностью, системой коррекционной обработки воды, негорючими материалами обшивки градирни может принести спокойствие и уверенность не только службе эксплуатации градирни, но и работникам, отвечающим за экономическое благополучие предприятия. Все наши разработки защищены патентами на изобретения РФ, Белоруссии, Украины и Евразийскими патентами:

    Патент РФ №2144439 - Центробежно-струйная форсунка.

    Патент РФ №2166163 – Эжекционная градирня.

    Патент РФ №2228501 – Способ охлаждения жидкости в градирне.

    Патент РФ №31639 - Градирня.

    Евразийский патент № 6902 – Градирня.

    Евразийский патент № 7724 – Вентиляторная градирня.

    Патент РБ № 3450 – Градирня.

    Патент РБ № 5604 - Центробежно-струйная форсунка.

    Патент Украины № 42892 – Эжекционная градирня.

    Схемы градирни, отзывы и наши патенты Вы можете посмотреть на сайте: http://gradirnia.ru

    Энергосбережение и новые технологии охлаждения жидкостей в безнасадочных градирнях с динамическим охладителем.

    Иванов В.Б., директор ООО”ЭНЕРГОХРАН” г. Смоленск.

    Химическая техника №3, март 2012
    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 старше 30 лет, а то и 50 лет. 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.

    В технологических циклах, где охлажденная вода используется для получения конечных продуктов, например, процессы химии, нефтехимии, получения минеральных удобрений, молочная промышленность неправильно подобранный способ охлаждения или неверно спроектированная градирня могут снизить выход конечного продукта в 1,5 – 2 раза, не говоря о снижении качества. Особенно остро эта проблема встает летом, т.к. чем ниже температура охлажденной воды, тем больше выход и выше качество получаемого продукта.

    Ложной аксиомой является тот факт, что любая градирня окажется оптимальной или хотя бы обеспечивающей потребности конкретного производственного процесса. При проектировании и строительстве системы охлаждения нельзя поддаваться искушению: сделать под воздействием агрессивного маркетинга быстро, дешево и как у всех. Известно, что эксплуатационные расходы за время существования системы охлаждения (это, обычно 15-25 лет) во много раз превышают капитальные затраты на её создание. Вот основные критерии, которыми необходимо руководствоваться при выборе пути реконструкции градирни:

    1. Рациональный выбор типа градирни.
    2. Соответствие градирни технологическим требованиям производства.
    3. Простота и удобство технического обслуживания градирни.
    4. Энергосбережение.
    5. Пожаробезопасность.
    6. Необмерзание зимой.

    Область применения охладителей воды надлежит принимать по табл. 39. Сн и П 2.04.02-84

    Таблица 39

    Охладитель Область применения охладителя воды
    Удельная тепловая нагрузка, тыс. ккал/(м2/ч) Перепад температур воды, С0 Разность температуры охлажденной воды и температуры атмосферного воздуха по смоченному термометру,С0
    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

    По сути дела перед Вами встанет выбор между насадочной и безнасадочной (эжекционной) градирней. Эжекционные градирни привлекательны 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 поверхности 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 (патент РФ № 2144439 Центробежно-струйная форсунка). Применение таких форсунок поднимает качество охлаждения оборотной воды и уменьшает каплеунос до 1,5%, см. описание изобретения к патенту РФ № 2144439. По литературным данным“Условия применения эжекционных градирен” В. С. Пономаренко, д-р техн. наук;Ю. И. Арефьев, кандидат техн. наук ( ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО). поверхность тепло-массообмена, создаваемая форсунками больше чем на насадке, но для эффективного охлаждения не хватает эжектируемого воздуха. Для производств, не нуждающихся в максимальном охлаждении или имеющих избыточные площади охлаждения лучше всего подходят безвентиляторные, безнасадочные (эжекционные) градирни по Евразийскому патенту №6902. Такие градирни являются наиболее приемлемым вариантом при реконструкции градирни. Охлаждающую способность данной градирни можно оценить по величине коэффициента интенсивности охлаждения воды Кт, равного отношению действительного перепада температур к максимальному перепаду при теоретическом пределе охлаждения Т (тау), т. е

    Кт = т1- т2 / т1 – Т

    где т1 – температура нагретой воды, поступающей в градирню, Сo. КТ величина, соответствующая термическому КПД. Для идеального процесса охлаждения (т2 = Т) КТ = 1, для реального (т2 > Т) КТ < 1. В диапазоне эксплуатационных параметров градирен КТ может достигать значений 0,53.

    Далее следует классика - насадочные вентиляторные градирни. Все они построены на известном принципе: вода поступает через систему водорапределения сверху на насадку, воздух вентилятором засасывается снизу вверх через насадку. Тепло-массообмен происходит внутри насадки. Назначение насадки увеличить площадь тепло-массообмена. Эта основополагающая величина. От нее зависят производительность (плотность орошения) и глубина охлаждения воды в градирне. Коэффициент эффективности охлаждения воды в градирнях с пленочным оросителем может достигать 0,7. Пленочные оросители могут соответсвовать своему названию и сути только в одном случае, если поверхность пластика смачиваема. Как известно ПВХ, из которого изготавливается насадка гидрофобен, и получить на нем пленку воды невозможно в принципе. Плёночный ороситель из пленки фирмы "Пентапласт" (Германия) дорог и недолговечен, боится низких температур. Вот мнение специалистов фирмы “ВОДЭХ”:

    Недостатками пленочного оросителя являются:

    • низкая механическая прочность плёнки в условиях вибрационного воздействия струй воды (без дополнительной защиты срок службы оросителя не превышает 4-5 лет);
    • ороситель не рекомендуется использовать без реагентной обработки воды (ввиду отложения солей жёсткости и биообрастаний на поверхности пленки, увеличивается аэродинамическое сопротивление оросителя, и он постепенно забивается).

    Основное количество предлагаемых типов насадки изготовлены из ПЭ. Это несмачиваемый пластик и поэтому все эти насадки необходимо отнести к классу капельных. По глубине охлаждения градирня с такой насадкой не лучше безвентиляторной и безнасадочной градирни по Евразийскому патенту № 6902.

    Вот мнение специалистов фирмы “ВОДЭХ”:

    “Несколько слов следует сказать об оросителе из гофротруб. Наличие больших мощностей на территории Татарстана установок по выпуску гофротруб для целей мелиорации заставили разработчиков искать им новое применение, после того, как проблема мелиорации канула в лету. И такое применение гофротрубам было найдено - блоки оросителя для градирен. Благодаря агрессивному менеджменту ороситель из гофротруб активно внедряется на всей территории России и в странах СНГ. Этот ороситель имеет одно единственное преимущество - высокую механическую прочность. По охлаждающей способности он в 2 раза хуже плёночного. Блоки собираются на заводе-изготовителе, что приводит к высоким транспортным расходам. Ороситель пожароопасен и имеет самую высокую удельную стоимость по сравнению с другими видами оросителей”.

    Как видно из вышеизложенного насадочные вентиляторные градирни страдают многими конструктивными недостатками это и не самая высокая эффективность у ПЭ насадки, и недолговечность, и аэро и гидродинамические перекосы из-за биообрастаний и забивки насадки грязью. Сложности технического обслуживания, а иногда и невозможность устранения неполадок без длительного останова. Попадание продуктов деструкции материала насадки и биозагрязнений в теплообменное и насосное оборудование часто приводят к ощутимым денежным потерям из-за остановки основных технологических производств. Достаточно часты пожары градирен во время ППР и внеплановых работ. Нередки и аварии, связанные с замерзанием насадки или стенок градирен. Сама технология охлаждения воды затратна и энергосбережение в таких градирнях исключено. Достаточно впечатляющий список, но объективный. Можно ли убрав все перечисленные проблемы охладить воду эффективно как на пленочной насадке, но также долговечно как на ПЭ насадке? Можно ли сделать техническое обслуживание градирни простым и безопасным? Можно ли избавиться от аварийных остановов из-за забивки насосного и теплообменного оборудования? Можно ли сделать градирню необмерзающей и негорючей?

    История техники показывает, что возникновение новых технологий есть применение простых решений на новом уровне. Рассматривая плюсы и минусы эжекционных градирен, мы констатировали, площадь тепло-массообмена, создаваемая центробежно-струйными форсунками на порядок выше площади на поверхности насадки, но вот воздуха ей мало.

    В начале 90х на предприятии “АКРОН” г. Великий Новгород, на производстве АК-72 была запущена в действие первая безнасадочная вентиляторная градирня производительностью 6000 м3/час. 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 таких 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”

    Вот краткие характеристики градирни:

    • Глубина охлаждения 2 – 4 0С выше Т смоченного термометра или в реальных цифрах разница между входящей и охлажденной водой составляет 9 – 14 0С в зависимости от влажности окружающего воздуха.
    • Удобство обслуживания - форсунки расположены в воздухозаборных окнах двумя рядами на высоте + 1,0м и 1,7 м. Доступ к ним не ограничен. Всегда можно остановив одну из секций в течении 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 на25 -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 обледеневание. Вентиляторы при этом можно отключать.
    • Пожароопасность нулевая. Насадки нет.

    На территории СНГ и РФ работают десятки безнасадочных вентиляторных градирен. В основном на производствах минудобрений и тяжелом оргсинтезе, металлургии, машиностроении, легкой промышленности.

    Как мы установили выше, динамический объем распыленной воды внутри градирни способен к интенсивному охлаждению воды при условии принудительного отвода тепла из зоны тепло-массообмена потоком воздуха, создаваемого вентилятором. Все эти положения в полной мере применимы к башенным градирням. Безнасадочная башенная градирня охлаждает воду до 6 – 8оС выше температуры смоченного термометра. Что позволяет на ТЭЦ экономить до 3% топлива.

    Energy Saving and New Fluid Cooling Technologies Applied in Spray-Filled Cooling Towers with Dynamic Cooling.

    by V.B.Ivanov, Engineer, OOO ENERGOKHRAN, Smolensk, Russia; E.A.Svidersky, Patent Agent № 020, Minsk, Belorussia

    A cooling tower is a heat exchanging apparatus used to remove waste heat from various process sources to the atmosphere via evaporation of water. Typically, less than 1.5 percent of water is evaporated.

    Most of CIS cooling towers are more than 30, even 50, years old. Almost all of the plants are obsolete and outdated. Moreover, the old-time cooling towers often sacrificed cooling efficiency for the sake of saving money spent to build a plant.

    In processes where cooled water is used to deliver end products, eg., chemical and petrochemical industries, fertilizer manufacturing, dairy industry, an incorrect cooling method or a poorly designed cooling tower can reduce the product yield by 1.5 to 2 times, let alone quality degradation. This becomes quite a problem in warm seasons as due to the low temperature gradient the cooling tower is rendered less efficient, for the cooler the water, the better quality end product is delivered.

    There is a wrong assumption that any cooling tower would be good enough or would at least meet the specific process demand. While designing and building a cooling system, one shouldn’t be tempted to make it fast, cheap and identical to what everybody has. It is a known fact that operating expenses over the life of a cooling system (typically 15 to 25 years) are many times more than capital expenses to build one. Here are some key criteria that should guide the selection of a cooling tower upgrade:

    1. Reasoned selection of a cooling tower type.

    2. Correlation of a cooling tower’s specific heat load and process requirements.

    3. Ease of maintenance.

    4. Energy saving capabilities.

    5. Fire safety.

    6. Frost-free winter operation.

    See water cooler applications in SNiP 2.04.02-84 Table 39 below:

    Table 39

    Cooler Water Cooler Applications
    Specific Heat Load, thousand kcal/ /(m2/h) Water Temperature Differential, С0 Cooled Water and Ambient Air Temperature Difference by Wet-Bulb Thermometer, С0
    Fan-induced draft cooling towers 80-100 and more 3-20 4-5
    Natural draft cooling towers 60-100 5-15 8-10
    Spray ponds 5-20 5-10 10-12
    Cooling ponds 0,2-0,4 5-10 6-8
    Dry cooling towers - 5-10 20-35
    Open and spray cooling towers 7-15 5-10 10-12

    In fact, we are talking here about a choice between fill and no-fill (ejection, spray-filled) cooling towers. Spray-filled cooling towers are made more attractive through their low cost and power saving parameters. However, ejection plants feature less cooling capacity than induced draft film-filled coolers. This can be explained by that intensive cooling takes place along the spray length of about 1.5 m from the nozzle. Farther on, the so called “droplet steam flashing” effect occurs, whereby partial pressures of water on the droplet surface and in the ambient air become equalized. Small-size, 0.5 to 1 mm, droplets (2 to 3 mm being the optimal size for cooling towers) in the spray and fast flashing thereof result in instantaneous increase of concentration of water vapor inside the cooling tower. Non-flashed small-size droplets create yet another problem of droplet entrainment. There are, however, high pressure nozzles which provide for an optimal fractional composition of a droplet in the spray (see Patent №2144439 “Centrifugal Jet Nozzle”). These nozzles tend to improve the recycle water quality and reduce droplet entrainment down to 1.5 percent (see invention description to Patent №2144439). According to “Application Conditions for Ejection Cooling Towers” by V.S.Ponomarenko, Doctor of Technical Science and Yu.I.Arefiev, Ph.D. Technical Science (Russian Federal Research Center for Water Supply and Hydraulic Engineering), the spray nozzle-created surface area of heat and mass exchange is greater than that made by the fill but ejected air volume is not sufficient for efficient cooling. Production plants that don’t require maximum cooling capacity or have excessive cooling areas would better avail of no-fan, spray-filedl (ejection) cooling towers described in Eurasian Patent №6902. Coolers of this type would seem most suitable for rehabilitation of cooling towers. The cooling capacity of these plants can be assessed by water cooling rate Кт which equals the actual/maximum temperature differential ratio at the apparent cooling limit T:

    Кт = т1- т2 / т1 – Т

    where т1 is heated water temperature at cooling tower inlet, Сo. КТ is a value close to thermal efficiency. КТ = 1 for an ideal cooling process (т2 = Т) and КТ < 1 in real life (т2 > Т). For some cooling towers КТ rate can reach 0.53.

    Let us now look at classical cooling towers, the filled fan-induced draft plants. These units use the following well-known principle: water flows into the unit via the water distribution system from top down to the fill whereas fans force air upwards through the fill. The heat and mass exchange takes place within the fill. The fill is used to increase the heat and mass exchange surface area, thus being the key method to enhance capacity (spraying density) and water cooling intensity.

    The water cooling rate in film-filled cooling towers can reach as high as 0.7. However, a film fill may be called such only if its plastic surface is wettable. As we know, PVC which is used as the fill material is hydrophobic and a film of water cannot be produced on top of it. Fills made of Pentaplast (Germany) film are expensive, short-lived and unstable under low temperatures.

    VODEX engineers say: “Film fills have their disadvantages such as:

    • low mechanical strength of the film under water jets vibration (no more than four to five years service life unless specifically protected);
    • water requires chemical treatment (due to hardness salts deposits on and biofouling of the film surface, higher air drag of the fill, unavoidable clogging of the fill).

    Most of marketable fills are made of polyethylene. This is an unwettable plastic material, so all polyethylene fills should be referred to as drip fills. In terms of cooling intensity, this type of cooling towers is no better than no-fan and spray-filled cooling towers described in Eurasian Patent № 6902.

    “A few words should be said about finned tube fills. Finned tubes were widely used for land reclamation purposes. Once the land reclamation problem was gone, the finned tube manufacturer in Tatarstan started looking for new applications for their products, and cooling towers came just handy. Aggressive marketing has promoted finned tubes packing sales in Russia and CIS. However, this packing has one and only advantage of high mechanical strength. In terms of cooling capacity it is two times less efficient than film fill. Finned tube modules are assembled at the manufacturer’s location which results in high shipping costs. Another disadvantage is low fire safety performance of the finned tubes packing. As compared to other types of cooling tower fills, finned tubes have higher unit value”, say VODEX engineers.

    As can be seen from the above, filled induced draft cooling towers have many design drawbacks such as rather low efficiency, short life, aerodynamic and hydrodynamic deterioration of polyethylene fills owing to biofouling and clogging of the fill material, maintenance complications such as lengthy shutdowns for repair. Fill material destruction and biofouling products tend to get entrapped in heat exchangers and pumps which leads to failure of process equipment and related costs. Fires are not uncommon during preventive off-schedule maintenance operations.

    Failures also occur due to freezing of the cooling tower fill or walls. Actually, this cooling technology itself is costly and offers no way of energy saving. Well, this may sound as a long list of bugs but it is unbiased. If all these problems are solved, would it be possible to cool water just as efficiently as with the film fill and for as long time as with the polyethylene fill? Would it be possible to maintain these cooling towers easier and safer? Would it be possible to get rid of emergency shutdowns resulting from clogging of pumps and heat exchangers? Would it be possible to render cooling towers non-freezing and noncombustible?

    The history of engineering tells us that new technologies in most cases are but simple solutions applied at a new level. Looking at pros and contras of ejection cooling towers, we have noted that the heat and mass exchange surface area created by centrifugal jet nozzles is much greater than the fill’s heat and mass exchange surface area but their air supply is insufficient.

    In early 90-s, AKRON company (Veliky Novgorod, Russia) launched the first spray-filled fan-induced draft cooling tower with a throughput of 6,000 m3/h. Its cooling performance was identical to or in some instances even higher than that of film-filled coolers, displaying the KT of 0.68. Later, four more cooling towers were converted similarly. The type and location of nozzles and drip basins were modified to suit new demand. This effort found its embodiment in Russian Patent №2228501 “Cooling of Fluids in Cooling Towers”. Further on, Eurasian Patent № 7724 “Fan-Induced Draft Cooling Towers” was also granted.

    Here is some specification data for the patented cooling tower:

    • Cooling intensity is 2 to 4 0C higher than the wet-bulb air temperature. In real numbers, the water temperature difference between inlet and outlet is 9 to 14 0C, subject to ambient air humidity.
    • Ease of maintenance: nozzles are installed at air intakes in two rows, 1.0 and 1.7 m high, and provide unobstructed access. One cell can be shut down any time for 5 to 7 minutes for a nozzle cleanup or replacement. Water from the shutdown cell will be directed to other cells for cooling. The increased heat and mass exchange surface area allows to increase cooling tower capacity by 25-30 percent above design load.
    • Energy saving: pumps are run at light duty as water does not need to be lifted to the height of the water distribution system (7 to 11 m, subject to the cooling tower type). This layout helps save up to 30 percent of electric power.
    • In winter, up to 70 percent of water enters the tower via winterized channels and the remaining water is supplied to the nozzles under low pressure which eliminates the risk of frosting. Fans are not required.
    • Zero fire risk as there is no plastic fill material.

    Today, dozens of spray-filled fan-induced draft cooling towers operate in CIS and Russia, mainly in fertilizer manufacturing, heavy organic synthesis, metallurgy, machine building industries.

    As we have already noted before, the dynamic volume of sprayed water in the cooling tower is capable of intensive cooling provided that heat is forced out of the heat and mass exchange area by a stream of air produced by fans. This also applies to natural draft cooling towers. A spray-filled cooling tower will cool water to a temperature 6 to 8 0C above the wet-bulb air temperature which allows up to 3 percent savings on fuel at heat power stations.

    Please visit http://gradirnia.ru for cooling tower drawings, reports and our patents.

    Cooling Towers: Efficiency. Energy Saving. Cost Effectiveness.

    by V.B.Ivanov, Engineer, OOO ENERGOKHRAN, Smolensk, Russia; E.A.Svidersky, Patent Agent № 020, Minsk, Belorussia

    In our previous article “Energy Saving and New Fluid Cooling Technologies Applied in Spray-Filled Cooling Towers with Dynamic Cooling” published in early September 2008 at www.energospace.ru, www.gradirnia.ru and other web-sites, we reviewed the principles, advantages and disadvantages of filled and spray-filled cooling towers.

    In this article, we will talk about performance efficiency, energy saving and cost effectiveness potential of cooling towers.

    The cooling towers that we have inherited were designed and built to a leftover principle which in those times predetermined the selection of so-called support equipment. Low cost was the key consideration in the design, construction and commissioning of support equipment. It was a bad practice and we now need to correct its consequences.

    The authors believe that a cooling tower is an independent and complex heat engineering plant. It would appear unwise to spend money on a high-tech, super-efficient manufacturing process without providing certain engineered necessities to support the process. We think that it is a wrong approach to divide equipment into main and auxiliary plants and it should be abandoned.

    In most manufacturing organizations, cooling towers were the responsibility of the power supply department. It used to be a typical situation when there would be a shortage of cooling capacity causing an ever-lasting conflict of interests between the company’s power supply department and process divisions. The conflict would heat up as the warm season would begin and cool off the next autumn until the next spring.

    As time changed and new owners came to manufacturing enterprises, most far-sighted owners let cooling towers be run by the operations department. In many instances that helped mitigate the cooling capacity problem. Companies started to use new materials and equipment to cool water, mainly, new fills, new jacketing materials, controlled-capacity fans. Today, there is a tendency to exceed design capacities of manufacturing plants through improved, upgraded and intensified production processes, so modern water cooling technologies have become important in implementing the new approach.

    Capacity growth has appeared mostly tangible at column-type equipment (distillation, rectification etc.), reactors, multi-case vacuum evaporators, coolers and compressors, in ferrous and non-ferrous metallurgy.

    The history of cooling towers has always been a struggle for greater heat and mass surface areas. It was over the life time of just one generation that water cooling intensity grew by 10 to 15 percent. New highly efficient fills and controlled-capacity fans have found their way to the market. However, no more growth of heat and mass surface areas is expected in filled cooling towers as the apparent limit of the fill surface area has been reached. If more fill cells were to be added, air drag would increase entailing increased fan motor power. Plus more fills would become even more expensive.

    What we need is new approaches toward highly developed cooling surfaces in cooling towers, preferably dynamic surfaces. We need a qualitative leap similar to internal combustion engines breakthrough from carburetors to direct fuel injection. This may be a far-fetched but a descriptive analogy.

    The most effective means of creating a highly developed dynamic surface of heat and mass exchange in the cooling tower would seem to be a uniform flow of fast-moving droplets whereby the motion vectors of droplets and cooling air should not coincide with each other. Long run tests have led to the development of centrifugal jet nozzles ensuring a highly efficient spraying of water with preset water droplet fractional sizes in what has become known as a spray-filled fan-induced draft cooling tower (Russian Patent №2228501 “Cooling of Fluids in Cooling Towers”, Patent №2144439 “Centrifugal Jet Nozzle”, Eurasian Patent № 6902 “Cooling Tower”, Eurasian Patent № 7724 “Fan-Induced Draft Cooling Towers”).

    This new cooling method helps us meet three key requirements which are responsible for a cooling tower’s efficiency:

    1. Uniform water distribution.

    2. Uniform air supply and distribution.

    3. Maximum filling of the cooling tower’s interior volume.

    What are the specific advantages an owner would have should he abandon the fill material and install a water spray system in the plane of air intake windows? A major operating expense item for cooling towers is the pumps’ electric power demand to lift water to the height of 7 to 12 meters. Ejection spray nozzles installed at the height of 1.0 to 2.0 m would save up to 50% power. To lift an ex-amount of water to the said height, this much power must be consumed:

    E=mgh

    where ‘m’ is the mass of water in kg, ‘g’ is the free fall acceleration and ‘h’ is the height in meters.

    As we can see, a 10 m height reduction would decrease work and, hence, electric power consumption. Experience has shown that in this case the existing pump motors can be substituted with less powerful motors. However, clients are willing to boost cooling towers capacity without having to sacrifice cooling quality. As we saw in our earlier presentations, a 50 to 100 percent increase in the heat and mass surface area would ensure a higher cooling capacity. Also, some depression occurs in the plane of air intake windows owing to air being ejected by sprayed water. This, in its turn, allows to increase cool air flow into the exchange area and reduce power consumption by the fans. With more cooled recycle water and less costs to cool it, the recycle water becomes cheaper and so does the cost of production of the end product. That equipment gets positively cooled by the recycle water helps avoid end product quantity and quality losses. The above considerations can be supplemented by that spray-filled cooling towers also help forget about equipment shutdowns due to clogging with fill destruction and biofouling products.

    According to ESCO (see “Environmental Systems” e-magazine, book 6, June 2005), improperly operated cooling towers can be responsible for more than a 50 percent increase in company’s current expenses. Thus, we can estimate that effective cooling costs could be reduced by 30 to 60 percent, taking account of commercial production output growth. On top of the said fixed savings, we can also mention the following single savings:

    1. Fill cost.

    2. Fill mounting costs (material and mechanical completion costs are approximately worth the fill cost).

    3. Water distribution system cost. (The offered water distribution system will cost 20 to 40 percent of the standard water distribution system.)

    All in all, after the cost of cooling tower upgrade has been deducted, the client would save anywhere from 40 to 60 percent of the total cost of the three items above.

    In winter, 50 to 70 percent of water enters the tower via winterized channels and fans are not required as the nozzles easily manage ejection cooling. The risk of frosting in winter is eliminated. A two to five 0C higher cooling capacity in spray-filled cooling towers will allow two to three percent fuel savings at heat power stations.

    One of the key issues of cooling towers operation is droplets entrainment. According to SNiP 2.04.02-84* paragraph 11.49, water and droplets carryover shall not exceed 0.1 to 0.2 percent of the recycle water flow. The no-fill option would see higher air velocities through the tower which would result in increased droplet entrainment. However, this can be avoided by installing a water catchment device at a distance exceeding 0.5 diameter of the fan. This solution will take you out of the area of high air velocities and high depression created by the fan. If needed, a second water catchment device would not cost you much.

    So, efficiency, energy saving and cost effectiveness challenges are all closely connected and can be met through a proper water cooling technology. History tells us that new technologies always provide for quantitative and qualitative performance growth for less or same money.

    When supplemented with varying capacity fans, water correction system, flame-proof tower jacket, this ideal cooling tower solution would bring confidence and peace of mind to companies’ operations personnel and cost accountants.

    All of our inventions are patented in Russia, Belarus and the Ukraine and protected by Eurasian patents as follows:

    Russian Patent №2144439 - “Centrifugal Jet Nozzle”

    Russian Patent №2166163 - “Ejection Cooling Tower”

    Russian Patent №2228501 - “Cooling of Fluids in Cooling Towers”

    Russian Patent №31639 - “Cooling Tower"

    Eurasian patent № 6902 - “Cooling Tower"

    Eurasian patent № 7724 - “Fan-Induced Draft Cooling Tower”

    Belarus Patent № 3450 - “Cooling Tower"

    Belarus Patent № 5604 - “Centrifugal Jet Nozzle”

    Ukrainian Patent № 42892 - “Ejection Cooling Tower”

    Please visit http://gradirnia.ru for cooling tower drawings, reports and our patents.

    www.000webhost.com