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

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.