Разработка конструкции полимерного блока оросителя градирен

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка конструкции полимерного блока оросителя градирен

Тематическое направление: Охлаждение оборотной воды промышленных предприятий

Боев Евгений Владимирович, Афанасенко Виталий Геннадьевич, Николаев Евгений Анатольевич

Кафедра «Оборудование нефтехимических заводов». Филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Стерлитамаке. г. Стерлитамак, 453118. Республика Башкортостан. Россия.

Аннотация

Любое промышленное и технологическое оборудование нуждается в охлаждении - обеспечении отвода избытка теплоты в окружающую среду. В основном отвод низкопотенциального тепла осуществляется водооборотными системами. В свою очередь охлаждение оборотной воды, чаще всего, происходит в вентиляторных и башенных градирнях, которые применяются практически во всех отраслях промышленности [1]. Особенно велико их использование в энергетических, химических, нефтеперерабатывающих и металлургических отраслях. Эффективность охлаждения воды в градирнях, в первую очередь определяется их насадочными устройствами - оросителями. В данной статье представлена конструкция разработанного авторами блока оросителя градирен.

Ключевые слова: оборотное водоснабжение, градирня, ороситель градирни, теплообмен, испарение.

Введение

В системах оборотного водоснабжения промышленных предприятий вода охлаждается посредством передачи тепла атмосферному воздуху. Часть тепла передается вследствие поверхностного испарения воды (вода превращается в пар, который путем диффузии переносится в атмосферу), другая часть - вследствие разницы температур воды и воздуха, то есть за счет теплопроводности и конвекции. Весьма небольшое количество тепла отнимается от воды еще излучением, что в тепловом балансе обычно не учитывается. Одновременно имеет место приток тепла к охлаждаемой воде от солнечной радиации.

Для получения требуемой температуры отработанную оборотную воду непосредственно или после предварительной очистки от загрязнений перед новым ее использованием охлаждают в специальных сооружениях: прудах-охладителях, брызгальных бассейнах и градирнях.

1. Градирни промышленных предприятий

Наиболее совершенными системами охлаждения оборотной воды являются градирни. Градирни - это специальные устройства для охлаждения большого количества воды посредством направленного потока воздуха.

Градирни представляют собой испарительные аппараты открытого типа и широко применяются во всех отраслях промышленности. Создание систем оборотного водоснабжения с использованием градирен позволяет уменьшить затраты предприятий на потребление и сброс технической воды, повысить КПД использования оборудования. Затраты на приобретение и монтаж градирен окупаются в течение нескольких месяцев. Одновременно подобные системы позволяют решать актуальные в настоящее время проблемы экологии. Градирни можно использовать в любых климатических зонах.

Исторически градирни использовались для добычи соли (ее выпаривали из солевого раствора). Сейчас предназначение градирен несколько изменилось: градирни применяются в системах оборотного водоснабжения для охлаждения теплообменных устройств.

Они используются на атомные и тепловые электростанциях, ТЭЦ и мини-ТЭС, предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Градирни чаще всего используют там, где нет возможности применить для этой цели естественные водоёмы (либо из-за того, что попросту нет рядом прудов и озер, либо если есть опасность загрязнения окружающей среды).

Градирни отличаются друг от друга направлением воздуха, типом оросителя и способом подачи воздуха. В зависимости от последнего показателя существует три типа градирен: вентиляторные, башенные, открытые.

Область применения различных типов градирен для охлаждения оборотной воды с температурой, не превышающей 40-45 °С, зависит от тепловой нагрузки: для открытых градирен - 30-50 тыс. ккал, башенных - 60-80 тыс. ккал, вентиляторных - 80-100 тыс. ккал на 1 м2 в час. Для охлаждения воды с температурой свыше 50 °С может быть применена схема последовательного потока воды через две градирни.

В башенных градирнях (рис. 1) конвекция воздуха осуществляется за счет естественной тяги и ветра. Высота градирен, изготовленных из бетона, может достигать 100 метров. Площадь орошения в таком случае будет достигать 3500 м2. В основном, башенные градирни используются для охлаждения больших объемов воды ТЭС или АЭС.

Основные недостатки подобных градирен: высокая стоимость и большая занимаемая площадь. В то же время башенные градирни проще в эксплуатации, экономичнее (для их работы не нужна электроэнергия). Еще плюс: такие градирни могут быть размещены достаточно близко к промышленному объекту - отвод влажного воздуха осуществляется на значительной высоте [2].

Рис. 1. Принципиальная схема башенной градирни. 1 - башня; 2 - водораспределительная система; 3 - оросители; 4 - воздуховходные окна.

Есть особенность у открытой градирни: ее оросительные каналы огорожены со всех сторон жалюзи. Наружный воздух поступает в градирню под действием силы ветра. Таким образом, открытая градирня основана на естественной конвекции больших масс воздуха [3].

По техническим характеристикам самыми эффективными считаются вентиляторные градирни (рис. 2). Сооружение вентиляторных градирен дешевле, чем башенных.

Однако вентиляторные градирни имеют и определенные недостатки по сравнению с башенными, которые ограничивают их применение в некоторых отраслях промышленности (например, в теплоэнергетике): повышенный расход электроэнергии для привода вентиляторов, дополнительные эксплуатационные расходы на ремонт вентиляторов и уход за ними. Тяга воздуха в них создается одним или несколькими вентиляторами [4, 5].

Градирни этого типа обеспечивают более совершенное и качественное охлаждение воды. К тому же вентиляторные градирни переносят высокие тепловые нагрузки. Однако, в нашей стране и за рубежом для охлаждения оборотной воды чаще всего используют именно этот тип градирен.

Охладители оборотной воды следует подбирать на основании технико-экономических расчетов. Технологические расчеты для подбора типовых градирен производятся исходя из среднесуточных температур воздуха самого жаркого месяца и соответствующих им влажностей по многолетним наблюдениям. Температуру замеряют в 13 ч дня местного времени, а также по метеорологическим справочникам по данному району с прибавлением к температуре воздуха по влажному термометру 1-3° на повышение обеспеченности технологических процессов производства [6].

При выборе оросительного устройства градирен следует учитывать содержание и характер взвешенных веществ в воде, поступающей на охлаждение. Для относительно чистой воды с содержанием взвешенных веществ до 50 мг/л и при отсутствии карбонатных отложений можно применить пленочный ороситель. При наличии в воде взвешенных веществ около 50-100 мг/л, а также содержании в воде нефтепродуктов более 30 мг/л, вызывающих загрязнение зазоров между щитами пленочного оросителя, рекомендуется применять капельно-пленочный ороситель.

Рис. 2. Принципиальная схема вентиляторной градирни. 1 - вентилятор; 2 - водораспределительная система; 3 - несущий каркас под установку водоуловителей; 4 - несущий каркас под установку оросителей; 5 - воздуховходные окна; 6 - обшивка рабочей полости агрегата.

Принцип работы градирни достаточно прост. Вода в градирне подается при помощи водораспределительной системы 2, стекает тонкой плёнкой или сбегает каплями по оросителю. В это время сквозь блоки оросителя проходят потоки воздуха, создаваемые вентилятором 1 и естественной тягой. Процесс охлаждения в градирнях происходит за счет частичного испарения воды и теплообмена с воздухом. Существует такая закономерность: в градирнях при испарении 1% воды температура оставшейся понижается на 6 оС. Потеря жидкости восполняется за счет внешнего источника, а также эффективной работы водоулавливающих устройств.

Охлаждение воды в градирнях представляет собой весьма сложный гидроаэротермический процесс. Оно происходит в результате тепло- и массообмена между соприкасающимися потоками воды и воздуха. Поэтому определение технологических размеров градирни приходится осуществлять с помощью трех видов расчета: аэродинамического, термического, и гидравлического. Все эти расчеты выполняются для реконструкции используемых и вновь проектируемых градирен. При привязке разработанных типовых проектов градирен к местным условиям их строительства требуются лишь поверочные расчеты; последние необходимы также после капитального ремонта градирни или при замене оросителя, вентилятора и других основных элементов [7, 8].

Превышение температуры оборотной воды от регламентируемой приводит к снижению выработки продукции (нередко до 15%) и ухудшению ее качества. Вместе с тем, температура воды, возвращаемой в оборотный цикл, часто превышает регламентируемую температуру, и предприятия для поддержания требуемого температурного режима прибегают к нежелательному приему - «освежению» системы оборотного водоснабжения, при котором повышают до 10% и более сброс из системы теплой воды при одновременном увеличении расхода подпиточной свежей воды из природного источника [9].

Нарушение установленного температурного режима подачи воды может привести к серьезным авариям на производстве, причиняющим большой материальный ущерб. При этом изменение режима подачи или качества подаваемой воды может повлечь за собой ухудшение товарных признаков готовой продукции. Таким образом, обеспечение высокой надежности систем производственного водоснабжения необходимо с технической, социальной и экономической точки зрения.

В настоящее время положение усугубляется тем, что после перевода в частную собственность основного числа предприятий, в том числе и экологически грязных, новому руководству не хватает средств для строительства новых высокоэффективных систем охлаждения оборотной воды [10]. А превышение температуры оборотной воды от регламентируемой приводит к снижению выработки продукции (нередко до 15%) и ухудшению ее качества. Вместе с тем, температура воды, возвращаемой в оборотный цикл, часто превышает регламентируемую температуру, и предприятия для поддержания требуемого температурного режима при-бегают к нежелательному приему - «освежению» системы оборотного водоснабжения, при котором повышают до 10% и более сброс из системы теплой воды при одновременном увеличении расхода подпиточной свежей воды из природного источника [9].

Данное состояние дел крайне негативно отражается не только на производственной деятельности предприятий, но и на экологической ситуации промышленных и прилегающих к ним районов, поэтому просматривается необходимость разработки принципиально новых конструкций составляющих элементов градирен.

2. Оросители промышленных градирен

В настоящее время известно большое многообразие конструкций оросителей градирен, однако ввиду того, что в промышленности наблюдается тенденция замены изделий из традиционных материалов (древесина, асбестоцемент) на полимерные изделия с различными размерами и формами сечения, спрос на которые возрастает как на внутреннем, так и на мировом рынке, возникает необходимость создания новых высокоэффективных и технологичных конструкций оросителей градирен из полимерных материалов. При этом конструкция оросителя должна обеспечивать получение достаточной площади поверхности охлаждения при оптимальном аэродинамическом сопротивлении [11].

В зависимости от характера преобладающей поверхности охлаждения оросители могут быть: пленочные и капельно-пленочные.

Последнюю группу оросителей часто рассматривают отдельно в виде капельных и плёночных насадок соответственно.

Капельные полимерные оросители широко применяются в градирнях. К этому типу относятся оросители из призмы, сетки, различных решёток и прочее. Все капельные оросители изготавливаются из полиэтилена и являются пожароопасными. Охлаждающая способность капельных оросителей в 1.5 раза ниже, чем у плёночных.

Основное преимущество капельных оросителей - они не требуют реагентной обработки воды.

Капельно-пленочные оросители занимают промежуточное положение по эффективности охлаждения между пленочными и капельными. Их охлаждающая способность в 1.2 раза ниже пленочных и 1.25 раза выше, чем у капельных.

Недостаток этих оросителей - пожароопасность. Преимущества: высокая механическая прочность блоков; способность работать без реагентной обработки воды; блоки собираются непосредственно у градирни (низкие транспортные затраты); низкая удельная стоимость по сравнению с другими типами оросителей; высокий срок службы (до 10 лет).

Блоки плёночных оросителей собираются из отдельных пленочных элементов, изготовленных из пленки ПВХ толщиной 0.3-0.5 мм. Пленочные элементы выполняются гофрированием с высотой гофр от 25 до 40 мм.

Главные преимущество пленочного оросителя: пожаробезопасность и высокая удельная охлаждающая способность, которая резко падает с увеличением высоты гофры. Недостатками пленочного оросителя являются: низкая механическая прочность плёнки в условиях вибрационного воздействия струй воды; ороситель не рекомендуется использовать без реагентной обработки воды (ввиду отложения солей жёсткости и биообрастаний на поверхности пленки).

На практике основными характеристиками, определяющими эффективность работы оросителей градирен, являются степень охлаждения оборотной воды и коэффициент аэродинамического сопротивления сухого и мокрого оросителя. При этом не последнюю роль при выборе конструкции насадки играют и эксплуатационные свойства, такие как вес конструкции, изнашиваемость (в зависимости от материала оросителя) и другие.

На основе анализа периодической и патентной литературы можно сделать вывод о том, что в настоящее время подавляющее большинство конструкций оросителей градирен имеют капельно-пленочную структуру, так как пленочные насадки при эксплуатации имеют ряд существенных недостатков, среди которых можно выделить следующие: большое аэродинамическое сопротивление, большая масса на единицу площади, малый срок службы и малая прочность конструкции. При этом капельно-пленочные оросители тоже не идеальны и также имеют недостатки: сложность конструкций, сложность очистки сетчатых элементов оросителей и возможность свободного проскока капель воды без контакта с поверхностью оросителя.

Поэтому, с целью повышения эффективности тепло-массообменного процесса охлаждения оборотной воды, необходимо вводить новые инженерно-технические решения при разработке и производстве насадочных устройств градирен.

К примеру, с целью снижения веса конструкции при одновременном увеличении поверхности контакта капельно-пленочного потока жидкости и восходящего потока воздуха целесообразно введение в состав композиции полимера таких компонентов как порофор или газофазный ПНД.

Для оросителей градирен, выполненных из сетчатых оболочек или гофрированных труб различного сечения и установленных вертикально, характерен свободный проскок капель воды без контакта с поверхностью оросителя, а при горизонтальной их установке чрезмерное увеличение коэффициента аэродинамического сопротивления, что резко снижает скорость воздушного потока в объеме оросителя.

Для решения этой проблемы необходима разработка конструкций оросителя градирен, основные элементы которого препятствуют свободному проскоку капель воды без контакта с поверхностью оросителя, незначительно повышая коэффициент аэродинамического сопротивления, и приобретая возможность к частичной самоочистке при своей работе.

Также эффективность работы тепло-массообменных насадок градирен возможно повысить за счет использования закрученного парожидкостного потока в объеме оросителя с применением дополнительных турбулизирующих вставок.

Исходя из анализа особенностей работы современных насадочных устройств, можно сделать вывод о целесообразности разработки конструкций оросителей, занимающих промежуточное положение между группами плёночных и капельно-плёночных оросителей градирен.

Вновь разрабатываемые конструкции должны объединять положительные свойства капельно-пленочных и пленочных конструкций, а именно иметь сравнительно низкий коэффициент аэродинамического сопротивления с повышенной поверхностью контакта фаз, способные к самоочистке и турбулизации восходящего воздушного потока в своем объеме.

В этом направлении следует обратить внимание на модернизацию насадок, составленных из перфорированных труб.

Результаты и их обсуждение

Рис. 3. Блок оросителя градирни. 1 - цилиндрические полимерные перфорированные элементы; 2 - дистанцирующие элементы.

2. Разработка конструкции оросителя промышленных градирен

градирня промышленный охлаждение оборотный

Нами, на кафедре «Оборудование нефтехимических заводов» филиала ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Стерлитамаке, разработана конструкция оросителя градирни (рис. 3), задачей которой является упрощение конструкции оросителя, снижение материалоемкости и более равномерное распределение потоков воды по сечению блока оросителя градирни [12].

Техническим результатом, достигаемым от использования предлагаемой конструкции, является повышение интенсивности тепломассообмена при повышении надежности работы оросителя градирни.

Данный результат достигается тем, что блок оросителя градирни содержит расположенные параллельно друг другу и скрепленные между собой вертикальные цилиндрические полимерные элементы, причем данные элементы имеют перфорированную поверхность и скрепляются между собой при помощи дистанцирующих элементов, каждый из которых представляет собой полимерный армированный стержень.

Конструкция работает следующим образом.

Охлаждающий воздух поступает из нижней части градирни за счет естественной тяги в башенных градирнях и принудительного движения в вентиляторных градирнях. Охлаждаемую воду сверху от блока оросителя равномерно разбрызгивают по площади, образованной полимерными элементами блока оросителя.

В оросителе тепломассообмен происходит между движущимися в противотоке каплями воды и воздуха, а также на поверхности каналов, образованных составляющими элементами оросителя.

С практической точки зрения, предложенная конструкция оросителя градирен имеет следующие преимущества:

Ш конструкция способствует равномерному пленочно-капельному распределению жидкости по поверхности оросителя, а также процессу самоочищения (при условии малой адгезионной способности включений в оборотной воде к изделиям из полимера);

Ш эффективное охлаждение оборотной воды промышленных предприятий, обусловленное высокой поверхностью контакта фаз, позволит предотвратить сброс технической воды в природные источники и свести к минимуму подпитку водооборотной системы, что значительно улучшит экологическую ситуацию промышленных и прилегающих к ним районов;

Ш блок оросителя способен выдерживать большие статические нагрузки, благодаря высокой демпфирующей способности составляющих элементов;

Ш по сравнению с древесными и асбестоцементными оросителями разработанные конструкции имеют более продолжительный ресурс работы, который определяется свойствами полимерного материала, применяемого для изготовления элементов оросителя;

Ш за счет малой массы оросителя можно значительно облегчить несущие конструкции опорного каркаса под ороситель;

Ш снижение энергоемкости тепломассообменного процесса, а именно, уменьшение потребляемой мощности вентилятора осуществляется за счет сравнительно низкого коэффициента аэродинамического сопротивления оросителя на основе полимерных ячеистых труб;

Ш долговечность.

Литература

[1] Иванов С. П. , Шулаев Н. С. , Боев Е. В. Охлаждение оборотной воды промышленных предприятий. Часть 1. Методика расчета эффективности оросителей промышленных градирен. Бутлеровские сообщения. 2011. Т.27. №13. С.76-80.

[2] http://www.rodnoj-bereg.ru/publ/mokroe_delo_v_sosnovom_boru/1-1-0-2

[3] http://www.tems.ru/catalog/gradirni

[4] http://www.moscow.olx.ru/pictures/iid-108547429

[5] http://www.support.ascon.ru/news/items/?news=859

[6] Бергман Д. Испарительные градирни: современные конструкции и преимущества реконструкции. Энергетик-спецвыпуск. 2000. С.15-21.

[7] Афанасенко В.Г., Иванов С.П., Боев Е.В., Николаев Е.А. Использование сил центробежной сепарации в процессе улавливания мелкодисперсной капельной жидкости в градирнях. Химическая промышленность сегодня. 2008. №2. С.38-41.

[8] Иванов С.П., Боев Е.В., Боев А.В. Разработка конструкции полимерного капельно-пленочного оросителя градирен. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007. №10. С.5-6.

[9] Шабалин А.Ф. Оборотное водоснабжение промышленных предприятий. М.: Стройиздат. 1972. 296с.

[10] Боев Е.В., Иванов С.П. Разработка конструкции капельно-пленочного оросителя градирен на основе полимерных сетчатых оболочек и гофрированных труб. Химическая промышленность сегодня. 2007. №7. С.41-42.

[11] Пономаренко В.С., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных и энергетических предприятий: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат. 1998. 376с.

[12] Боев Е.В., Афанасенко В.Г., Николаев Е.А. Заявка на выдачу патента РФ № 2010152997. Блок оросителя градирен. МПК F28F25/08. Заявлено 23.12.2010.

Размещено на Allbest.ru