Для получения требуемой температуры отработавшую оборотную воду непосредственно или после предварительной очистки от загрязнений перед новым ее использованием при необходимости охлаждают в специальных сооружениях: прудах-охладителях, брызгальных бассейнах и градирнях (башенных или вентиляторных). Таким образом, назначение охладителя состоит в том, чтобы отнимать от воды тепло, полученное ею от охлаждаемого продукта, производственного агрегата или машины, и тем самым возвращать воде начальную ее температуру, с которой можно повторно использовать воду для той же или другой цели. Место охладителя в системе оборотного водоснабжения показано на схеме рис. 2.[ ...]

В пруде-охладителе вода от места впуска движется к водозабору широким потоком, проходя определенный путь, на котором и происходит охлаждение воды в результате испарения части воды и непосредственной передачи тепла воздуху с водной поверхности, омываемой им. Пруды-охладители оборотной воды имеются на некоторых заводах и на многих тепловых электрических станциях. В настоящее время пруды-охладители оборотной воды эксплуатируют примерно на 500 мощных тепловых электростанциях; их строят и на новых современных электростанциях.[ ...]

Брызгальный бассейн представляет собой открытый железобетонный или бетонный резервуар из двух и более секций, над которым через сопла (называемые также брызгалами или насадками) разбрызгивается охлаждаемая вода. При падении капель вода охлаждается, частично испаряясь и соприкасаясь с воздухом (конвекцией). Брызгальные бассейны остались лишь на некоторых заводах, на которых по условиям производства имеется необходимость хранения аварийного запаса воды; строительство их на новых промышленных предприятиях в настоящее время - явление сравнительно редкое по ряду причин.[ ...]

Таким образом, оборотная вода в том или ином охладителе охлаждается посредством передачи тепла атмосферному воздуху, причем часть тепла передается в результате поверхностного испарения воды - превращением части воды в пар и переносом этого пара путем диффузии в воздух, другая часть - вследствие разницы между температурами воды и воздуха, т. е. теплоотдачей соприкосновением (теплопроводностью и конвекцией). Весьма небольшое количество тепла отнимается от воды еще излучением, что в тепловом балансе обычно не учитывают. Одновременно имеется приток тепла к охлаждаемой воде от солнечной радиации, который так мал, что в тепловом балансе градирен и брыз-гальных бассейнов им пренебрегают.[ ...]

Механизм процесса испарения воды и теплоотдачи с поверхности соприкосновения ее с воздухом (Зи может быть представлен следующим образом. Согласно кинетической теории газов, молекулы воды находятся в беспорядочном тепловом движении, так как скорости их неодинаковые. Те молекулы, которые обладают наибольшей скоростью (точнее, наибольшей кинетической энергией), вырываются в пространство, расположенное над поверхностью воды. При столкновении с молекулами воздуха эти молекулы воды изменяют величину и направление своего движения, вследствие чего часть из них отражается обратно к поверхности воды, от которой вновь они могут отразиться или поглотиться водой. Часть же вырвавшихся или отраженных от поверхности воды молекул удаляется от поверхности воды, проникает в воздух в результате диффузии и конвекции и уже безвозвратно теряется водой, образуя пары воды и воздуха. Эта потеря части молекул воды и составляет сущность процесса испарения, сопровождающегося переносом вещества (массы) или так называемым массообменом. Но поскольку испарение связано с затратой тепла на изменение агрегатного состояния, то оно вызывает поток тепла фи только от воды к воздуху, т. е. охлаждение воды.[ ...]

Это происходит до тех пор, пока направленный от воздуха к воде поток тепла (2С не становится равным потерям тепла водой от испарения [ ...]

Теплоотдача от воды воздуху в охладителях зависит от температуры охлаждаемой воды и метеорологических условий; она тем больше, чем больше разность между температурами воздуха в и воды t, чем меньше относительная влажность воздуха при данной его температуре и чем больше количество воздуха, вступающего в теплообмен с водой в единицу времени. Поступа ющий в охладитель воды атмосферный воздух выходит из не нагретым и с повышенной относительной влажностью.[ ...]

Теоретическим пределом охлаждения воды воздухом я ется та температура воды, при которой приток тепла от духа (?р путем соприкосновения [ ...]

Работу охладителя воды можно характеризовать к венными и качественными показателями.[ ...]

Гидравлическую нагрузку охладителя выража вом воды (м3/ч), приходящимся на 1 мг активной (р щади охладителя в плане.

Классификация

-испарительные

-поверхностные (радиаторные)

ИСПАРИТЕЛЬНЫЙ ТИП ОХЛАДИТЕЛЕЙ ОБОРОТНОГО ПРОМВОДОСНАБЖЕНИЯ

Испарительные охладители

По способу подвода к ним воздуха делятся на:

-открытые (водохранилища-охладители, брызгальные бассейны, гардирни) – движение воздуха происходит ветром и естественной конвекцией.

-башенные (башенные градирни) – движение воздуха за счет естественной тяги создаваемой высокой натяжной башней.

-вентиляторные (вентиляторные градирни) – принудительная подача воздуха с помощью нагнетательных или отсасывающих вентиляторов.

Водохранилища – охладители

По назначению, расположению и условием питания различают следующие группы:

А) регулирующие водохранилища на водотоках. Используются для охлаждения циркуляционной воды и для многолетнего регулирования стока.

Б) Водохранилища на водотоках без регулирования стока

В) Водохранилища на естественных озерах и прудах

Г) Наливные водохранилища вне водотока с подпиткой из ближайших рек

Проектирование основных сооружений водохранилища-охладителя

Проектирование дамб, водосбросов и каналов производят по нормам проектирования гидротехнических сооружений.

Место расположения водосбросных, водозаборных, струераспределительный и струенаправляющих сооружений выбирают исходя из условий получения необходимой площади активной зоны(w акт) , на основе технико-экономических расчетов.

Струенаправляющие и струераспределяющие сооружения выполняют в виде водосливов, мостов, труб, консольных водосбросов, фильтрующих дамб из каменной наброски.

Наиболее рациональным сооружением для забора воды из водохранилища глубиной более 4-5м – называется глубинный водозабор , обеспечивающий прием воды из придонных слоев. Его преимущества:

Достигается наиболее низкая температура забора воды.

Предотвращается или значительно сокращается захват биологических загрязнений

Резко уменьшается захват рыбы и мольков

Достигается наиболее рациональная продувка водохранилища

Обеспечивается бесперебойная подача воды потребителю при шуговых (ледяная крошка) явлениях без принятия мер по обогреву водозаборов.

Брызгальные бассейны

Основным элементом брызгального бассейна является брызгальное устройство – это система сопл, разбрызгивающих под напором подводимую к ним воду. При этом суммарная поверхность капель должна быть достаточной для охлаждения воды при ее испарении. Происходящий процесс достаточно сложен, что затрудняет разработку теоретических методов их теплового расчета. Для определения температуры охлажденной воды используют эмпирические зависимости.

Брызгальные устройства располагают над искусственным бассейном или над естественным водосливом. Иногда для дополнительного охлаждения над водохранилищем-охладителем при его ограниченных размерах. Применяется два основных типа сопл:

-центробежные - вода проходит по спирали, разбрызгивается под действием центробежной силы. Выполняются из ковкого чугуна или пластмассы.

-щелевые - из отрезков газовых труб на конце которых деляют прорези в виде щели, образующиеся зубцы отгибают к оси, чтобы получился конус с небольшим отверстием в вершине.

Конструкция сопла и величина напора воды пред ними определяют поверхность охлаждения водяного факела. При повышении напора она увеличивается из-за удлинения траектории полета капель, уменьшая их диаметр. Однако увеличение напора повышает затраты на электроэнергию и увеличивает унос капель ветром за пределы бассейна.

Сопла располагаются на высоте 1,2-1,5 м над уровнем воды по одному или группами по 3-5 шт на определенном расстоянии.

Распределительные трубопроводы присоединяют к коллектору.

Трубопроводы изготавливают из стали и прокладывают над или под уровнем воды. При прокладке под водой упрощается конструкция опор и устраняется опасность обледенения в зимнее время, но усложняется ремонт и наблюдение за ними.

Размеры и расположение брызгальных устройств определяется расходом охлаждаемой воды и плотностью орошения, то есь расходом воды на 1м2 площади брызгального устройства. Плотность орошения 0,8-1,3м/ч.

Для эффективного продувания ветром распределительные линии брызгальных устройств размещают параллельно направлению господствующих ветров. Расстояние между крайними соплами на одной линии менее до 45м.

Бассейн состоит не менее чем из двух секций, глубина воды порядка 1,5м, превышение бровки не менее 0,3м. Одежда откосов и дна бассейна должна предотвращать фильтрацию через них воды. При слабоводопроницаемых грунтах – облицовка из ж/б плит или слой асфальтобетона. При сильно водопроницаемых грунтах по подготовке из бетона укладывают слой гидроизоляции, сверху – бетонные или ж/б плиты. Вокруг бассейна – асфальтированная площадка шириной 3-5м, с уклоном в сторону от бассейна.

Градирни

Необходимая для охлаждения воды площадь ее соприкосновения создается на оросителях. Оросители бывают:

-капельный Такой ороситель состоит из большого числа деревянных реек треугольного или прямоугольного сечения расположенных ярусами. При падении капель с верхних реек на нижние образуется факел мелких брызг создающий большую поверхность воды с воздухом.

-пленочный состоит из щитов установленных вертикально или под небольшим углом. Вода стекает по поверхности щитов, образуя пленку 0,3-0,5мм. Щиты выполняют или из отдельных досок на некотором расстоянии друг от друга или сплошные из хорошо смачивающихся материалов. Для создания сплошной пленки ни нижней кромке щита делают треугольные вырезы (фестоны), которые сосредотачивают стекающую воду в струйки и растягивают пленку по поверхности щита. Предпочтительнее капельного, но на его изготовление идет больше материалов.

-комбинированные (или капельно-пленочные) при конструировании оросителя стремятся к улучшению сопротивления воздуха так как это увеличивает расход воздуха через градирню и ускоряет процесс охлаждения воды.

Иногда вместо оросителей применяют высоконапорные разбрызгивающие сопла, но они менее эффективны из-за меньшей площади контакта воды с воздухом.

В поперечноточном оросителе воздух проходит горизонтально поперек стекающих вниз пленок или падающих капель воды.

В противоточном – воздух движется вверх навстречу стекающей воды.

Распространены оросители из плоских или волнистых асбестоцементных листов с каркасом из сборного ж/б-на и пластмассовые оросители.

Во избежание обледенения оросителей зимой уменьшают поступление воздуха в градирню или обливают теплой водой участки оросителя вблизи воздухо-входных окон.

Виды градирен

Открытые градирни

Бывают двух типов:

Брызгальные. Небольшой брызгальный бассейн огражденный со всех сторон железобетонными решетками, которые препятствуют большому выносу брызг воды за пределы градирни. Разбрызгивающие сопла небольшой пропускной способности на высоте 4-5 м над уровнем воды в бассейне и направляются вниз. Плотность орошения: 1,5 – 3м/(ч*м2).

С капельным оросителем имеют оросители из деревянных брусков между жалюзийными стенками. Водораспределительное устройство состоит из системы труб с соплами. Плотность орошения 2-4м/(ч*м2).

Башенные градирни

Выполняют в виде вытяжных башен для создания естественной тяги за счет разности удельного веса наружного воздуха, поступающего в градирню и нагретого увлажненного воздуха, выходящего из градирни. При противоточных оросителях вытяжные башни сооружают над ними. Поперечноточные оросители расположены кольцом вокруг башни.

Площадь сечения должна быть не менее 30-40% от площади оросителя. Башни малых и средних по производительности градирен могут быть: цилиндрическими, формы усеченного конуса или формы усеченной многогранной пирамиды. Башни крупных градирен в виде оболочек гиперболической формы, которые наиболее рациональны по условиям устойчивости и внутренней аэродинамики. Применяют каркасно-обшивные и монолитные башни.

В каркасно-обшивных каркас выполняют из стальных элементов и сварки, а обшивку из деревянных щитов асбестоцементных волнистых листов или листового алюминия.

Обычно башни опираются на рамную конструкцию которую называют колоннадой, между стойками которой проходит воздух. Под оросителями градирни устраивают водосборный резервуар из монолитного ж/б с гидроизоляцией внутренней поверхности. Охлажденная вода подается по стоякам в водораспределительное устройство, размещаемого в центре градирни.

Вентиляторные градирни

Два основных типа:

Башенные – оборудованные вентиляторами большой производительности с использованием естественной тяги воздуха. В башенных градирнях вентиляторы устанавливают в горловине башни.

Секционные – из стандартных секций, обслуживаемых вентиляторами.

Для уменьшения уноса капель за пределы градирни применяют водоуловительные жалюзийные решетки. Воздух выходит с одной или двух сторон. Каждая секция оборудуется отсасывающим или нагнетательным вентилятором. Отсасывающие вентиляторы, устанавливаемые над оросителем, обеспечивают более равномерное распределение воздуха не обмерзает зимой так как находится в зоне теплого воздуха. Нагнетательные устанавливают на входном отверстии градирни у ее основания.

Вентиляторные градирни – удобно, но дорого.

Потери воды в охладителях

При охлаждении воды в испарительных охладителях часть ее теряется на испарение, величина потерь определяется по формуле в % от циркуляционного расхода:

k – коэффициент учитывающий долю теплоотдачи испарению в общем процессе теплоотдачи в охладителе (см табл)

Dt- перепад температур, градус

Кроме потерь на испарение часть воды уносится с воздухом в виде капель за пределы градирни, процесс называется– капельный унос.

Потери на унос в % от циркуляционного расхода составляют:

Брызгальные бассейны с пропускной способностью до 500м/ч: 2-3%,

Более 500м/ч: 1,5-2%;

Открытые и брызгальные градирни: 0,5-1,5%,

Башенные градирни: 0,5 – 1%,

Вентиляторные градирни при наличии водоуловителей 0,3-5%.

Выбор типа охладителя

Производится на основе технико-экономического уравнений различных типов, в них учитывают:

Показатели работы снабжаемого водой оборудования

Требования технологии промышленных предприятий к температуре охлаждающей воды

Гидрологические условия

Метеорологические условия

Геологические условия

Топографические условия

Качество и стоимость добавочной воды

Открытые градирни

Небольшие размеры, особенно при малых расходах воды

Применяют, когда не требуется постоянной температуры охлажденной воды

Низкий охладительный эффект

Башенные градирни

Обеспечивают более устойчивое охлаждение и более низкие температуры воды

Компактно размещаются на площадке промпредприятия

Могут применяться при различных расходах воды

Высокая строительная стоимость и сложность сооружения

(обычно применяются для крупных промышленных предприятий)

Вентиляторные градирни

Обеспечивают наиболее глубокое и стабильное охлаждение воды

В летнее время охлаждает до более низких температур чем другие охладители

Возможно регулирование температуры воды путем изменения частоты вращения или отключения отдельных вентиляторов

Имеют обычно меньшую строительную стоимость, компактно размещаются на площадке промпредприятия

Большой расход электроэнергии

Сложность эксплуатации механического и электрического оборудования

Увлажненный воздух из градирен распространяется низко над землей, образуя туман и вызывая обледенение окружающих строений

Целесообразно применение, когда технологические процессы предприятия не требуют низкой и стабильной температуры охлаждаемой воды, а также в районах с жарким и влажным климатом

Роль воды на предприятии

На предприятии вода расходуется на:

-технологические нужды. Используется как правило для вспомогательных целей и в состав продукции входит лишь на некоторых производствах в небольших количествах. В соответствии с ролью, выполняемой водой в системах производственного водоснабжения делятся на 4 категории:

1. вода для охлаждения оборудования и продукта в теплообменных аппаратах без соприкосновения с продуктом. Вода только нагревается и практически не загрязняется.

2. Как среда, поглощающая и транспортирующая примеси (без нагрева): обогащение полезных ископаемых, гидротранспортирование. Загрязняется механическими и растворенными примесями.

3. В качестве охладителя транспортной среды и поглотителя примесей: улавливание и очистка газа, гашение кокса и прочее. Вода нагревается и загрязняется.

4.Для растворения реагентов, получения пара. В основном входит в технологическом продукт и лишь часть загрязняется.

-хозяйственно-питьевые нужды;

-полив территории и зеленых насаждений;

-пожаротушение.

Требования к качеству воды

Хозяйственно-питьевая соответсвует СанПиН. Качество воды на пожаротушение не регламентируется.

Качество воды на производтсвенные нужды устанавливается в конкретном случае в зависимости от назначения воды, требования технологического процесса сырья, и применяемого оборудования готового продуктопроизводства. Главное при технологическом нормировании качества воды – условия применения воды в системах производственного водоснабжения, чтобы вода не нарушала технологического процесса и санитарно-технического состояния рабочих мест. В соответствии с этим выдвигаются следующие требования:

Должна быть безвредной для персонала

Должна иметь хорошие органолептические свойства

Не должна ухудшать качества продукции

Не должна вызывать коррозию аппаратуры, трубопроводов и сооружений

Не должна давать карбонатных и других солевых отложений

Не должна способствовать биологическим и другим видам обрастаний

Не должна снижать технико-экономические показатели производственного процесса

Не должна создавать аварийные ситуации

Требования могут быть различными в зависимости от вида производства!

Обезжелезивание воды

Железо в природе встречается в виде ионов 2+ и 3+ в виде компонентов и взвеси неорганического и органического происхождения.

В подземных водах при отсутствии растворенного кислорода находится в виде иона 2+, в поверхностных в виде коллоидов и высокодисперсных и гуматных органических компонентов. При рН до 4,5 железо находится чаще всего в виде ионов, при рН более 4,5: Fe 2+ -> Fe 3+ -> Fe(OH) 3 ¯.

Скорость окисления возрастает при наличии в воде катализаторов. Катализаторами могут быть:

Ионы Cu 2+ Mg 2+ PO4 3- ,

При контакте воды с оксидами марганца или уже образовавшимся Fe(OH)3

C повышением рН.

Методы обезжелезивания: реагентные и безреагентные. (Безраегентные – без участия кислорода воздуха).

Метод обезжелезивания выбирается технологическим анализом, пробного обезжелезивания и пробной установки непосредственно у источника.

По результатам опытного обезжелезивания с учетом опыта существующих выбирают метод который дает лучший эффект при наименьших затратах.

Безреагентные :

1.Упрощенной аэрации – разбрызгивание с определенной высоты обрабатываемой воды над обычным скорым фильтром или промежуточным резервуаром. Происходит окисление Fe 2+ с образованием Fe(OH)3. С применением безнапорных и напорных фильтров.

2. Метод интенсивного аэрирования – применяется если первый метод не дает необходимого эффекта. Способствует интенсивному удалению угольной кислоты. Применяются: установки с барботажем воздуха, брызгальные установки, вакуум-эжекционный аппарат.

3. Обезжелезивание в пласте – Виредокс. (см лекции) В зависимости от пород возможна кальватация (забивание пор породы) поверхности водоупора и не дает не обходимого расхода.

Реагентные:

1.Обработка сильными окислителями. Используется для разрушения комплексных соединений железа. Необходимо обеспечить определенное время контакта воды с окислителем. Используют контактные камеры

2.Подщелачивание (чаще с использованием извести – известкование) При введении щелочи возрастает рН (более 7) и железо удаляется быстрее. Окисление производится кислородом! Применяется для удаления из воды высококонцентрированных устойчивых форм железа, что достигается после разрушения железо-органических комплексов.

3.Метод фильтрования через модифицированную загрузку. Основан на том, что процесс окисления железа значительно ускоряется в присутствии оксидов марганца. Модифицированную загрузку получают из обычной (например, кварцевый песок) обработкой перманганатом калия. В результате образовавшаяся пленка является катализатором окисления железа.

4.Метод ионного обмена. Отличие от предыдущих в том, что основан не на окислении, а на замещении ионов. Используется для обезжелезивания и умягчения воды – кальциевый катионит Са[кат] 2 .

ОХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА. СИСТЕМА ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ.

Классификация

Использование воды в охлаждении в промышленных целях по масштабам превосходит все остальные виды потребления. В оборотной системе водоснабжения промышленных предприятий более 80% всей циркулирующей воды нагревается и подлежит последующему охлаждению до исходной температуры перед последующим применением. Для этого используются охлаждающие устройства, которые охлаждают до температур отвечающим оптимальным технико-экономическим показателям работы.

Понижение температуры в охладителе происходит за счет передачи тепла воздуху. По способу передачи тепла охладители делятся на

-испарительные – охлаждают воду испарением при непосредственном контакте с воздухом, при этом испарение 1% воды снижает температуру на 6 градусов.

-поверхностные (радиаторные) – охлаждение происходит за счет передачи тепла воздуха через стенку трубок – радиаторов, внутри которых она проходит без контакта с воздухом.

Испарительные охлаждают и увлажняют, радиаторные только охлаждают!

Так как теплоемкость и влагоемкость воздуха не велика, то для охлаждения требуется интенсивный воздухообмен. Для снижения 40 градусов до 30 при температуре воздуха 25 градусов на 1м3 охлаждаемой воды к испарительному охладителю нужно подвести 1000м3 воздуха а к радиаторному 5000м3.

Использование: в области охлаждения оборотной воды в оборотных системах водяного охлаждения закрытой теплообменной аппаратуры и может быть использовано в коксохимической, нефтехимической, химической, теплоэнергетической и других отраслях промышленности. Сущность: изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения оборотной воды за счет разделения потоков направляемой на охлаждение нагретой воды по температуре и подачи их на разные по высоте уровня градирни. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для охлаждения воды и может быть использовано в любой отрасли промышленности, где применяется закрытая теплообменная аппаратура, в которой материальные потоки охлаждаются водой. Известно техническое решение согласно которому нагретая вода, поступающая в градирню из теплообменной аппаратуры, делится в ней или перед ней на два потока, один из которых перед контактом с воздухом проходит через рубашку, размещенную в нижней части градирни, для предотвращения в зимнее время обмерзания окон и приямка градирни. Другой поток сразу поступает в градирню на контактирование с воздухом. Известно также техническое решение, взятое авторами в качестве прототипа, согласно которому оборотная система водяного охлаждения закрытой теплообменной аппаратуры включает градирню, соединенную с закрытой теплообменной аппаратурой одним трубопроводом, по которому нагретая вода из теплообменников поступает в градирню для охлаждения на один уровень по высоте одним потоком Недостатком обоих известных технических решений является низкая эффективность охлаждения оборотной воды. Задачей предполагаемого изобретения является повышение эффективности охлаждения оборотной воды в оборотной системе водяного охлаждения закрытой теплообменной аппаратуры. Это достигается тем, что в оборотной системе водяного охлаждения закрытой теплообменной аппаратуры, включающей градирню, связанную с теплообменными аппаратами трубопроводом подачи нагретой воды в градирню и трубопроводом подачи охлажденной воды из градирни в теплообменные аппараты, градирня связана с теплообменными аппаратами, объединенными по температуре нагретой воды в группы и/или с единичными теплообменными аппаратами с разной температурой нагретой воды, причем каждая группа теплообменных аппаратов или единичные теплообменные аппараты с разной температурой нагретой воды соединены с градирней отдельными турбопроводами подачи в нее нагретой воды от каждой группы теплообменных аппаратов или от единичных теплообменных аппаратов и указанные трубопроводы нагретой воды подключены к градирне на разных уровнях, при этом трубопроводы подачи нагретой воды от групп теплообменных аппаратов с более высокой температурой нагретой воды присоединены к градирне на более высоком уровне по ее высоте, чем трубопроводы от групп или единичных теплообменных аппаратов с более низкой температурой нагретой воды. Задача решается также за счет того, что все трубопроводы нагретой воды, поступающей из групп теплообменных аппаратов или единичных теплообменных аппаратов на разные по высоте уровни градирни, соединены друг с другом попарно двумя трубопроводами-перемычками, на каждом из которых и на трубопроводах нагретой воды установлена запорная трубопроводная арматура, причем те концы трубопроводов-перемычек, через которые при переключении потоков вода отводится из трубопроводов нагретой воды, присоединены к ним в точках, находящихся между установленной на трубопроводах нагретой воды трубопроводной арматурой и теплообменной аппаратурой, а те концы трубопроводов-перемычек, через которые вода поступает в трубопроводы нагретой воды, присоединены к ним в точках, расположенных между градирней и трубопроводной арматурой. Установка нескольких трубопроводов для подачи нагретой в теплообменной аппаратуре до разных температур воды от теплообменных аппаратов в градирню с присоединением этих трубопроводов к градирне на разных по высоте уровнях и подача на более высокий уровень по высоте градирни нагретой оборотной воды с более высокой температурой, чем температура оборотной воды, отводимой от других групп теплообменных аппаратов на более низкие уровни градирни, позволяет повысить эффективность охлаждения оборотной воды (в силу определенных закономерностей теплофизического процесса охлаждения воды в градирне). При этом уровень по высоте градирни, на который выведен трубопровод нагретой воды, должен быть тем выше, чем выше температура воды, направляемой по этому трубопроводу. Установка трубопроводов-перемычек, соединяющих между собой трубопроводы, по которым нагретая в теплообменной аппаратуре оборотная вода поступает на охлаждение в градирню, и трубопроводной запорной арматуры на трубопроводах нагретой воды и трубопроводах-перемычках позволяет переключать с одного уровня градирни по высоте на другой потоки нагретой оборотной воды при изменении ее температуры на выходе из теплообменных аппаратов с целью восстановления первоначального распределения потоков нагретой воды на разных уровнях градирни таким образом, чтобы на более высокий уровень градирни поступала нагретая оборотная вода с более высокой температурой, чем поток оборотной воды, поступающий на более низкий уровень. А это, в свою очередь, повышает эффективность охлаждения воды в оборотной системе. Переключение потоков нагретой оборотной воды с одного уровня градирни по высоте на другой уровень (с более высокого на более низкий и наоборот) обеспечивается так, что те, образующиеся в результате врезки трубопроводов-перемычек в трубопроводы нагретой воды отверстия, через которые вода отводится из трубопроводов нагретой воды, находятся между установленной на них трубопроводной арматурой и теплообменной аппаратурой, а те отверстия, через которые при переключении потоков вода по трубопроводам-перемычкам поступает в трубопроводы нагретой воды, находятся между установленной на них трубопроводной арматурой и градирней. Предложенное решение поясняется схемой оборотной системы водяного охлаждения закрытой теплообменной аппаратуры, представленной на чертеже. Оборотная система включает градирню 1 и три группы теплообменных аппаратов 2-4, соединенные с градирней трубопроводами 5-7, по которым нагретая вода из теплообменных аппаратов поступает на разные уровни по высоте градирни, трубопроводы-перемычки 8-13, трубопроводную арматуру 14-16 (установленную на трубопроводах 5-7) и насос 17 подачи охлажденной воды в теплообменные аппаратуры 2-4 по трубопроводу 18. Теплообменные аппараты объединены в группы 2-4 по температуре нагретой воды на выходе из них. В группу 2 включены теплообменники с наиболее высокой температурой нагретой воды на выходе из них, в группу 4 с наиболее низкой. Трубопроводы 5-7 попарно соединены двумя трубопроводами-перемычками: трубопроводы 5 и 6 соединены трубопроводами-перемычками 8 и 9; трубопроводы 5 и 7 соединены трубопроводами-перемычками 10 и 11; трубопроводы 6 и 7 соединены трубопроводами-перемычками 12 и 13. На каждом из трубопроводов 5-7 имеется трубопроводная арматура (задвижка или вентиль) 14-16, расположенная между местом врезки в трубопроводы 5-7 концов трубопроводов-перемычек 8-13 таким образом, что по одну сторону от трубопроводной арматуры 14-16, между нею и теплообменной аппаратурой 2-4, врезаны те концы трубопроводов-перемычек, через которые вода в случае изменения ее температуры на выходе из теплообменных аппаратов при переключении потоков отводится из одного трубопровода нагретой воды в другой, а по другую сторону от трубопроводной арматуры, между нею и градирней, врезаны те концы трубопроводов-перемычек, через которые вода поступает в трубопровод нагретой воды. На каждом трубопроводе-перемычке также установлена трубопроводная арматура. Эффективность предложенного решения иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. Охлаждение оборотной воды осуществляется в вентиляторной градирне 1 высотой 20 м (см. чертеж). Нагретая вода с температурой 80 o C по трубопроводу 5 из группы теплообменников 2 в количестве 800 м 3 /ч поступает на верхний уровень градирни (находящийся на отметке 15,5 м, или на 2,5 м выше уровня подачи в градирню нагретой воды по трубопроводу 6). По трубопроводу 6 в градирню поступает оборотная нагретая вода с температурой 40 o C в количестве 2550 м 3 /ч из групп теплообменников 3. Группа теплообменников 4 временно отключена от охлаждаемых материальных потоков и от градирни 1. Температура охлажденной воды в трубопроводе 18 после градирни равна 23 o C. Температура оборотной воды после градирни в оборотной системе, работающей по схеме, соответствующей прототипу равна 27 o C. Таким образом, температура охлажденной воды согласно предложенному техническому решению на 4 o ниже, чем по прототипу Следовательно, эффективность предложенного решения выше, чем эффективность решения по прототипу. Пример 2. Температура оборотной воды на выходе из теплообменников 2 понизилась с 80 до 35 o C (одновременно ее расход увеличился от 500 м 3 /ч до 2400 м 3 /с), а температура нагретой оборотной воды, поступающей в градирню из теплообменников 3 по трубопроводу 6, повысилась с 40 до 68 o C (одновременно расход ее уменьшился от 2500 м 3 /ч до 780 м 3 /с). В этом случае переключают потоки таким образом, что в результате переключения нагретая оборотная вода от теплообменников 3 поступает на верхний уровень градирни по трубопроводу 5 (точнее по его участку, расположенному между запорной арматурой и градирней), а оборотная вода от теплообменников 2 поступает на нижний уровень градирни по трубопроводу 6 (точнее по его участку, расположенному между запорной арматурой и градирней). Для этого закрывают задвижку 14 на трубопроводе 5 и задвижку 15 на трубопроводе 6 и открывают задвижки на трубопроводах-перемычках 8 и 9. Температура охлажденной воды в результате переключения потоков снизилась от 28 до 24 o C, то есть на 4 o C. Таким образом, предложенное решение, включающее группирование (объединение) теплообменных аппаратов по температуре нагретой воды и соединение каждой из указанных групп теплообменных аппаратов (или единичных теплообменников) отдельными трубопроводами нагретой воды с гардирней, выведенными на разные ее уровни по высоте так, что уровень этот тем выше, чем выше температура нагретой воды, а также соединение каждой пары трубопроводов нагретой воды двумя трубопроводами-перемычками позволяет существенно повысить эффективность охлаждения оборотной воды в оборотной системе водяного охлаждения закрытой теплообменной аппаратуры по сравнению с известным решением. Предлагаемое изобретение применимо в тех оборотных системах водяного охлаждения закрытой теплообменной аппаратуры, которые включают не менее двух групп или двух единичных теплообменных аппаратов, отличающихся друг от друга теплотехническими характеристиками охлаждаемых материальных потоков, а следовательно, и температурой нагретой оборотной воды (что в производственных условиях наблюдается достаточно часто).

Формула изобретения

1. Оборотная система водяного охлаждения закрытой теплообменной аппаратуры, включающая градирню, связанную с теплообменными аппаратами трубопроводом подачи нагретой воды в градирню и трубопроводом подачи охлажденной воды из градирни в теплообменные аппараты, отличающаяся тем, что градирня связана с теплообменными аппаратами, объединенными по температуре нагретой воды в группы, и/или с единичными теплообменными аппаратами с разной температурой нагретой воды, причем каждая группа теплообменных аппаратов или единичные теплообменные аппараты с разной температурой нагретой воды соединены с градирней отдельными трубопроводами подачи в нее нагретой воды от каждой группы теплообменных аппаратов или от единичных теплообменных аппаратов и указанные трубопроводы нагретой воды подключены к градирне на разных уровнях, при этом трубопроводы подачи нагретой воды от групп теплообменных аппаратов или единичных теплообменных аппаратов с более высокой температурой нагретой воды присоединены к градирне на более высоком уровне по ее высоте, чем трубопроводы от групп или единичных теплообменных аппаратов с более низкой температурой нагретой воды. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что все трубопроводы нагретой воды, поступающей из групп теплообменных аппаратов или единичных теплообменных аппаратов на разные по высоте уровни градирни, соединены друг с другом попарно двумя трубопроводами-перемычками, на каждом из которых и на трубопроводах нагретой воды установлена запорная трубопроводная арматура, причем те концы трубопроводов-перемычек, через которые при переключении потоков вода отводится из трубопроводов нагретой воды, присоединены к ним в точках, находящихся между установленной на трубопроводах нагретой воды трубопроводной арматурой и теплообменной аппаратурой, а те концы трубопроводов-перемычек, через которые вода поступает в трубопроводы нагретой воды, присоединены к ним в точках, расположенных между градирней и трубопроводной арматурой.

Внедрение системы охлаждения оборотного водоснабжения в промышленности в технологических процессах производства позволяет добиться максимального снижения потребления воды. С учетом ежегодного роста стоимости воды такое решение позволяет конечному потребителю создать условия для ежегодной экономии денежных средств.

Для использования повторного применения технической воды в технологических промышленных процессах она должна пройти предварительную подготовку, связанную с механической термической и другой обработкой.

Компания Балттех выполняет комплекс работ «под ключ» по проектированию, поставке, монтажу и сервисному обслуживанию систем промышленного охлаждения воды.

Способы охлаждения технической воды в системах оборотного водоснабжения

Способы охлаждения воды систем оборотного водоснабжения:

• открытый способ (охлаждение воды происходит при контакте воды с окружающим воздухом);
• закрытый способ (охлаждение воды происходит в теплообменных аппаратах).

Особенности работы промышленных систем охлаждения оборотной воды обусловлены ее физическими свойствами. Так охлаждение воды до температур +0,5…+2°С (ледяная вода) происходит в холодильных установках () с испарителями открытого типа (испарители орошаемого типа, погружные испарители, льдоаккумуляторы). Это связано с риском замерзания воды на поверхности испарителя. При охлаждении воды до температур свыше +2°С используются чиллеры с пластинчатыми или кожухотрубными испарителями.

Компания Балттех выполняет установки для охлаждения систем оборотной технической воды для следующих отраслей промышленности:

• производство пластиковых изделий;
• испытательные стенды лабораторий и НИИ;
• молокоперерабатывающие заводы;
• мясопрерабатывающие заводы;
• металлургия;
• химическая промышленность;
• фармацевтическая промышленность;
• системы промышленного кондиционирования воздуха и др.

Оборотные системы охлаждающего водоснабжения металлургических заводов по переработке цветных металлов, в частности алюминия, отличаются значительной неравномерностью водоподачи, которая обусловлена большим разнообразием типоразмеров отливаемых слитков, значительными колебаниями числа одновременно подключенных теплообменных аппаратов, а также посменным режимом работы литейного цеха. На одном из таких заводов для охлаждения расплавленного алюминия используются теплообменные аппараты открытого типа, которые представляют собой дырчатые корпуса, образующие контур будущего слитка. Вода подается на охлаждаемый металл через отверстия корпуса и сливается самотеком в резервуар нагретой воды. Нагретая вода охлаждается на градирне и подается в литейный цех (рис. 5). В процессе кристаллизации слитков температура охлаждающей воды должна колебаться в пределах 17--25 °С, отклонения давления от требуемого значения не должны превышать ± 0,25 атм (± 24,5 кПа) при любом требуемом расходе .

В настоящее время подача холодной воды регулируется вручную, с помощью электрозадвижек, а также изменением числа одновременно работающий насосов. Такой способ регулирования, как показано в , приводит к возникновению избыточных напоров в трубах, перерасходу электроэнергии, непроизводительным потерям воды. Подача горячей воды регулируется так, чтобы избежать срабатывания холодного и горячего резервуаров. Производительность насосов горячей воды можно регулировать или дросселированием напорной линии, или периодическим включением--отключением агрегатов.

Рис. 5. Оборотное водоснабжение литейного цеха. Функциональная схема автоматизации: 1, 2 -- резервуары горячей и холодной воды; 3 -- градирня; 4, 5, 8, 9 -- насосы; 6, 7 -- регулируемые электропри-воды насосов; 10--напорный трубопровод охлаждающей воды 11 - трубопровод нагретой самотечной воды; 12 - литейные машины; 13 - датчик уровня; 14 - датчик давления; 15 - индикатор уровня; 16 - индикатор давления; 17, 18 - электронные регуляторы; 19, 20 - переключатели режимов (ручной - автоматический); 21, 22 - ручные задатчики

Чтобы продлить срок службы электрозадвижек, персонал пользуется ими только при критичных значениях уровней и давлений воды. Поэтому имеют место значительные колебания уровней горячей и холодной воды. Чтобы избежать аварии, давление охлаждающей воды в трубопроводе намеренно завышается.

При увеличении подачи охлаждающей воды в литейный цех до момента возврата нагретой самотечной воды в резервуар проходит какое-то время, за которое вода протекает через наклонный трубопровод длиной 125 метров. Время возврата горячей воды при этом является функцией расхода охлаждающей воды. Запаздывание водопритока, носящее нелинейный характер, может быть причиной срабатывания резервуара горячей воды и срыва насосов.

С целью оптимизации режима работы описанной водооборотной станции, с учетом указанных характерных особенностей сегодняшней ее эксплуатации, была разработана упрощенная модель водооборотного цикла. Была составлена программа, по которой ЭВМ, при заданных конструктивных параметрах системы водоснабжения (геодезические перепады высот, размеры резервуаров, гидравлические характеристики трубопроводов и т. п.), а также при заданном графике потребления литейным цехом охлаждающей воды, вычисляла колебания расходов и уровней воды в разных точках сети. Подсчитывалась также мощность, потребляемая насосами горячей и холодной воды при разных способах регулирования водоподачи:

дросселированием напорной линии;

плавным изменением частоты вращения рабочего колеса насоса;

периодическим включением - отключением насосов по уровню воды в приемном резервуаре;

саморегулированием, вызванным изменением статического перепада высот за счет изменения уровня воды в резервуаре.

Выходные данные модели были представлены в виде функциональных зависимостей:

Qp = f1(t), Qг = f2(t), Нх = f3(t), Нг = f4(t),

где Qp, Qг -- расходы охлаждающей горячей воды, м3/c; Нх, Нг -- уровни холодной и горячей воды в резервуарах, м.

При составлении модели были приняты следующие допущения:

приведение в соответствие водопотребления и водоподачи, а также отработка заданного уровня в резервуаре происходят мгновенно; это допущение возможно, так как скорости изменения водопотребления (максимальная составляет 4800 м3/ч-ч) намного меньше, дам скорости протекания механических и гидравлических переходных процессов в трубах, резервуарах, насосах;

подача подпиточной воды в холодный резервуар производится так, что потери поды в каждый момент времени полностью компенсируются;

КПД системы «насос--двигатель» при регулировании расхода воды изменением частоты вращения рабочего колеса нacooa остается неизменным.

При расчете расходов и уровней воды определялись:

1. По реальному суточному графику водопотребления текущее значение расхода охлаждающей воды

Qp = QI + ((QI+1 - QI) / (60DI+1)) t.

где QI, DI -- массивы чисел, описывающие график водопотребления; t--текущее время.

2. Время возврата нагретой самотечной воды

где L --длина самотечного трубопровода.

3. Скорость потока по формуле Шези

где R -- гидравлический радиус; I -- гидравлический уклон; с--коэффициент Шези.

4. Скорость потока, выраженная через его сечение,

Решая совместно уравнения пп. 3 и 4, получим (для круглого сечения)

где r -- радиус трубы. Отсюда v находится методом последовательного приближения при известном Q.

5. Расход горячей воды

а) при поддержании постоянным уровня холодной воды

б) три поддержании постоянным уровня горячей воды Qг = Qс, где Qc -- расход нагретой воды на выходе самотечного трубопровода;

в) при использовании свойств саморегулирования производительности за счет изменения уровня воды

где Нф -- фиктивное давление, развиваемое насосом при нулевой подаче;

Нст = Нгр- Нд. г + Нг

Статический перепад высот; Нгр-- уровень сопел градирни; Нд. г -- уровень дна горячего резервуара; Нг -- уровень горячей воды в резервуаре;

г) при регулировании водоподачи периодическим включением -- отключением насоса

Qг = Qн при Нг Нв. к,

Qг = 0 при Нг Нн. к,

где Hв.к, Нн. к-- верхнее и нижнее критичные значения уровня горячей воды; Qн -- номинальная производительность насоса.

6. Мощность, потребляемая насосами

а) при регулировании водоподачи дросселированием напорной линии

где - плотность воды, кг/м3; Q -- текущее значение расхода, м3/ч; -- общий КПД системы «насос--двигатель»;

б) три регулировании водоподачи изменением частоты вращения рабочего колеса насоса

где Нв -- уровень воды в резервуаре; Нп, Нд -- геодезические высоты потребителя воды и дна резервуара.

7. Численным интегрированием текущие значения объемов (V м3) и уровней (H м) горячей и холодной воды в резервуарах

Vt = Vt-1 - t(Qвых.I - Qвх.I),

где Qвых.I -- суммарный расход воды, забираемой из резервуара; Qвх.I --cуммарный расход воды, подаваемой в резервуар; S -- площадь резервуара, изменяющаяся по высоте.

Таким образом, задавая характер потребления воды и режим управления насосами горячей ступени, получаем значения расходов горячей и холодной воды в интересующих нас точках сети, уровней воды в резервуарах в функции времени, а также потребленную электроэнергию при том или ином режиме.

Как и следовало ожидать, наименьшее потребление электроэнергии имеет место три плавном регулировании водоподачи изменением скорости вращения насосов, наибольшее -- при регулировании водоподачи дросселированием напорной линии.

Использование свойств саморегулирования насоса за счет изменения статического перепада высот в данной водооборотной системе невозможно: резервуар горячей воды при таком регулировании срабатывается за 10--15 минут.

Задавая режим работы насосов таким, при котором давление холодной воды на входе в литейный цех и уровень воды в одном из резервуаров остаются постоянными, имеем следующие результаты.

По зависимости Qc = f(t) (рис. 6) видим, что максимальное время запаздывания притока нагретой воды -- 85 с, минимальное -- 45 с. И то и другое намного меньше времени срабатывания резервуара при отсутствии притока и максимальном отборе воды (11 минут).

Задавая характер возрастания водопритока на входе в самотечный трубопровод таким, при котором вся вода достигает конца трубы в течение 20--30 с, не получаем каких-либо аварийный ситуаций; уровень воды а нерегулируемом резервуаре колеблется в пределах ±0,5 м, что допустимо. Целесообразнее регулировать уровень, воды в горячем резервуаре, так кaк колебания в нем сильнее. К тому же при высоких уровнях горячая вода уходит через перелив в ливневую канализацию и теряется безвозвратно.

Рис. 6.

Можно сказать, что значительный запас резервуаров горячей и холодной воды ino емкости дозволяет приманить в данной циркуляционной системе схему регулирования, состоящую из двух нe связанных между собой контуров:

контура управления подачей холодной воды по давлением на входе в литейный цех;

контура управления подачей горячей воды по уровню в приемном резервуаре.

Возможный вариант схемы автоматического регулирования станции оборотного водоснабжения, состоящей из контура управления давлением (I) и уровнем (II), представлен на рис. 5. Регулируемый электропривод изменяет частоту вращения насосов в зависимости от сигнала, снимаемого или с датчика давления (уровня), или c ручного задатчика Н.

Похожие статьи