Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Эжекционные градирни — энергоэффективное, современное решение

А. К. Рубцов, доцент университета ИТМО, кафедры кондиционирования воздуха факультета низкотемпературной энергетики

Д. А. Коробицын, студент второго курса магистратуры по программе «16.04.01. Теплофизические процессы и технологии» университета ИТМО, кафедры физики физико-технического факультета

Д. В. Неганов, студент второго курса магистратуры по программе «16.04.03. Системы жизнеобеспечения» университета ИТМО, кафедры кондиционирования воздуха факультета низкотемпературной энергетики

Градирня — устройство для охлаждения воды направленным потоком атмосферного воздуха. Основная область применения градирен — охлаждение теплообменных аппаратов, конденсаторов холодильных установок, аварийных электрогенераторов, холодильных машин, машин-формовщиков пластических масс, при химической очистке веществ в системах оборотного водоснабжения и т. д. Любой производственный процесс идет с выделением тепла. Проще и дешевле всего данное тепло отводить оборотной водой, которую в свою очередь охлаждать на градирне. Данная схема не только обеспечивает работоспособность основного оборудования, но и сводит к минимуму влияние на окружающую среду (забор и слив воды в природные водоемы радикально влияют на окружающий животный и растительный мир).

По способу подачи воздуха внутрь корпуса градирни делят на несколько видов:

1. Башенные.

– Используют естественную тягу, создаваемую за счет конструкции корпуса башни и перепада давления воздуха по высоте, для поступления атмосферного воздуха внутрь и взаимодействия с распыляемой водой.

– Имеют внутреннее наполнение блоками оросителя.

– Не требуют дополнительной электроэнергии.

– Максимальные капитальные затраты на строительство.

– Большая высота и площадь пятна застройки.

– Необходимое расстояние до ближайших зданий и сооружений не менее 18 м (трудности с расположением на площадке строительства, особенно для предприятий в черте населенного пункта).

2. Вентиляторные.

–  Их конструкция разработана в начале прошлого века и применяется без существенных изменений до нашего времени.

– Используют работу вентиляторных установок для нагнетания атмосферного воздуха внутрь корпуса.

– Имеют внутреннее наполнение в виде блоков оросителя и расположенную над ним водораспределительную систему с распыляющими форсунками.

– Пожароопасны. Конструкция повышенной сложности, что накладывает определенные требования к эксплуатации. Нередко случаются аварии.

– При работе градирни возникают механические шумы и низкочастотные вибрации, негативно влияющие на окружающие объекты.

– Занимают меньше места на площадке, чем башенные градирни, обладают секционной/модульной конструкцией, более эффективны при работе с точки зрения охлаждения воды.

3. Брызгальные.

– Градирни, использующие силу ветра и естественную конвекцию при движении воздуха.

– Характеризуются малым теплосъемом и большой площадью пятна застройки.

– Не обеспечивают больших температурных перепадов, максимальные потери оборотной воды в случае брызгальных прудов/бассейнов

4. Эжекционные.

– Самые современные градирни, использующие захват воздуха за счет образования области разряжения (перепада давления) на входе в градирню при распылении воды в специальных каналах.

– Инновационная отечественная разработка.

– Минимальное пятно застройки, простота эксплуатации, минимальные капитальные затраты, высокая эффективность.

– Отсутствуют динамические нагрузки при работе; механические шумы; пожаробезопасная конструкция; запатентованная разработка, разрешенная к применению на особо опасных объектах, успешно эксплуатируемая на более чем 150 предприятиях РФ.

– Большинство вентиляторных градирен можно без существенных капитальных вложений модернизировать в эжекционные безвентиляторные.

–  Сопоставимые по простоте конструкции с брызгальными градирнями, эжекционные обладают в разы большей эффективностью.

–  Модульная конструкция позволяет конструировать градирню на любую производительность и вписывать ее в любое пятно застройки

Рис. 1. Модульная эжекционная безвентиляторная градирня

Следует отметить группу «сухих» закрытых градирен, в которых отсутствует контакт охлаждаемого носителя с атмосферой. Их применение удобно, когда необходимо поддерживать определенное качество оборотной воды или использовать иной теплоноситель. Конструкция таких градирен наиболее сложна и дорога в обслуживании (особенно при промышленных объемах), а эффективность уступает лучшим испарительным градирням.

Консорциум «Новые технологии», существующий с 2012 года, создан на базе головной компании ООО «НовТех» (С.-Петербург, 2005 г.) специально для комплексных решений по внедрению на промышленных предприятиях современных и инновационных систем оборотного водоснабжения и для оказания сопутствующих услуг в области проектирования, инжиниринга и строительно-монтажных работ. Консорциум является первооткрывателем и лидером в области производства эжекционных охладителей любой мощности и единственным предприятием полного цикла, которое разрабатывает и изготавливает градирни на своих производственных площадях по собственным патентным разработкам.

Рис. 2. Принцип работы эжекционного канала.

Принцип работы эжекционной градирни

Принцип работы эжекционной градирни основан на использовании эффекта эжекции, достигаемого с помощью специально разработанных эжекционных форсунок в совокупности с направляющими для водо-воздушных потоков. Основная особенность физического процесса эжекции заключается в том, что смешение потоков происходит при больших скоростях эжектирующего (активного) потока, в случае градирни — потока оборотной воды.

Эффект эжекции заключается в следующем: среда с высоким давлением, движущаяся с большой скоростью, увлекает за собой среду с более низким давлением. Увлеченный поток называется эжектируемым. В процессе смешения двух сред происходит выравнивание скоростей.

Испарительные градирни (башенная, эжекционная, вентиляторная, брызгальная) названы так, потому что основной вклад в процесс охлаждения оборотной воды вносит испарение части проходящего объема (~1% на каждые 5 °С перепада температуры). Чем интенсивнее и качественнее идет процесс испарения, насыщения атмосферного воздуха, тем эффективнее работает такая градирня.

В эжекционных градирнях за счет области разряжения и захвата наиболее холодного воздуха внутрь факела (контакт с наиболее нагретой водой) — эффективность работы выше при меньших габаритах корпуса.

Рис. 3. Пример работы эжекционных форсунок

Эжекционная градирня работает следующим образом: вода подается на коллектор эжекционного модуля насосом, обеспечивающим заданные величины напора и расхода воды. Благодаря модульному принципу строения возможна реализация системы охлаждения с практически любым расходом воды через градирню (варьируя число и модель эжекционных модулей). Расход воды через эжекционный модуль производства ООО «НовТех» меняется в пределах 10–150 м³/ч (в зависимости от модели модуля). Значение напора подаваемой на форсунки воды должно лежать в пределах 10–55 м. вод. ст. Подаваемая на коллектор вода распыляется эжекционными форсунками (рис. 3), выступающими в роли эжекторов, в эжекционные каналы специальной формы. Эффективность работы эжекционной форсунки характеризуется величиной капли распыляемой жидкости, геометрией и углом раскрытия факела, производительностью по пропускаемой воде. Геометрия входного окна эжекционного модуля, на срезе которого установлен коллектор с форсунками, и эжекционного канала подбирается таким образом, чтобы обеспечить наилучшее всасывание (эжектирование) атмосферного воздуха внутрь модуля, а также увеличить время полета капли воды — время контакта капли и воздушного потока для более эффективного осуществления процесса тепломассообмена между водой и воздухом.

Рис. 4. Детальное рассмотрение процесса эжекции

Известно, чем больше площадь тепломассообмена между средами, тем выше его эффективность. Учитывая, что капля воды, распыляемая из эжекционной форсунки, приближенно имеет форму сферы, то, чем больше капель образуется из одного и того же удельного объема воды, тем выше будет суммарная площадь тепломассообмена между охлаждаемой водой и эжектируемым воздухом. На рис. 4 представлено детальное рассмотрение процесса эжекции на форсунке. Факел распыла воды состоит из мелкодисперсных капель, каждая из которых толкает воздух перед собой, а позади себя создает разреженное пространство. В итоге та часть капель воды, которая образует внутренний объем факела распыла воды, находится в более разреженном пространстве, нежели часть капель, образующих внешнюю поверхность факела. Молекулы капель воды, образующие внутренний объем факела распыла, испаряются наиболее интенсивно, при этом поток воздуха через внутренний эжекционный канал форсунки достаточен, чтобы своевременно уносить насыщенный влагой воздух, что, однако, не препятствует созданию разреженной области пространства внутри факела. Следовательно, количество теплоты, необходимое для передачи «вода — воздух» при одном и том же времени их контакта, напрямую зависит от эффективности работы форсунки.

Рис. 5. Форсунка ФКЗ-10Б

Параметры форсунок ФКЗ-10Б:

— оптимальный для эжекционных контуров градирни угол раскрытия факела распыла (100%-ное перекрытие воздуховходного канала модуля);

— однородность плотности орошения (заполненный факел распыла, средний размер капли 1 мм);

— небольшое гидравлическое сопротивление и максимальный коэффициент расхода;

— низкая засоряемость (регулируемый размер проходного сечения 1–10 мм, допустимая концентрация мех. примесей до 1500 мг/л);

— простота монтажа и очистки (возможность прочистки в рабочем режиме, без остановки системы в целом — резьбовое регулирование положения внутреннего завихрителя);

— высокопрочный износостойкий материал — капролон (рабочий диапазон температур —40…+55 °С); латунь/нержавеющая сталь — без ограничений;

— запатентованная технология, отечественное производство, более 5 лет успешного применения в различных климатических условиях.

Сравнение различных типов градирен

Большая часть используемых в России и СНГ башенных и вентиляторных градирен старше 30, 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, неправильно подобранный способ охлаждения или неверно спроектированная градирня могут снизить выход конечного продукта в полтора-два раза, не говоря о снижении качества. Особенно остро эта проблема встает летом, так как чем ниже температура охлажденной воды, тем больше выход и выше качество получаемого продукта.

Уфимским государственным нефтяным техническим университетом было проведено исследование (под руководством профессора М. Г. Баширова) различных типов испарительных градирен. Полученные результаты сведены в сравнительную таблицу:

Таблица 1. Сравнение характеристик разных типов градирен

*В зависимости от модификации:

модульные — 5–2000;

секционные — от 2000 и более;

многоконтурные — от 10 и более.

**Величина превышения температуры охлажденной воды над температурой воздуха по смоченному термометру.

***При величине потребных давлений, указанных в п. 2 таблицы (базовым для расчета вентиляторных градирен принят насос с подачей 3200 м³/ч, напором 33 м и мощностью эл. двигателя 400 кВт).

Краткие выводы по эжекционному типу градирни серии НТ

— Возможность работы в дискретном режиме в любое время года.

— Возможность охлаждения с t = + 95 °C.

— Высокие эксплуатационные и экономические характеристики.

— Высокий стабильный КПД градирни.

— Низкая энергоемкость градирен.

— Отсутствуют вентилятор и ороситель.

— Отсутствует необходимость в подпитке для снижения температуры воды.

— Нет ограничений по установки вблизи зданий (нет механических шумов и вибраций).

Эжекционные градирни серии НТ позволяют достигать требуемых температур охлажденной воды с минимальными затратами (как капитальными, так и эксплуатационными). Модульный принцип конструкции позволяет точно подобрать градирню на заданный расход охлаждаемой воды и требуемый перепад температуры. ГК «Новые Технологии» в своих системах охлаждения оборотной воды реализует контурный принцип: при недостаточной глубине охлаждения оборотной воды на первом контуре градирни (требуется большой перепад температуры воды, жаркий климат региона установки) в систему, последовательно с первым, добавляется вторая ступень (контур) — дополнительная группа модулей градирни с отдельной группой насосного оборудования. Нагретая вода после охлаждения на первом контуре градирни собирается в промежуточной емкости, забирается насосным оборудованием и подается на второй контур для доохлаждения. После второго (при необходимости третьего) контура полностью охлажденная вода подается в контур потребителей предприятия.

Благодаря огромному расходу воздуха, мелкодисперсному распылу охлаждаемой воды, возникновению областей разряжения в воздуховходном канале градирни (интенсификации процесса испарения) итоговый теплосъем эжекционной градирни и максимальная глубина охлаждения могут превосходить данные показатели типовых вентиляторных и башенных градирен.

В табл. 2 представлено детальное сравнение эксплуатационных особенностей двух основных на настоящее время типов испарительных градирен.

Таблица 2. Сравнение эксплуатационных особенностей двух типов градирен

Эжекционная градирня «Октоград» как альтернатива башенной градирне

Рис. 6. Эжекционная градирня «Октоград»

Это авторская разработка ГК «Новые технологии», не имеющая аналогов в мире по своим характеристикам и отвечающая всем современным требованиям охлаждения воды, эксплуатации и безопасности.

«Октоград» (в переводе с лат. «окто» — восемь) состоит из металлического каркаса, обшитого металлическими (профлист оцинкованный, алюминиевые панели) или пластиковыми панелями. Изготовление каркаса возможно из любого вида металла — черный, нержавеющий, легкие алюминиевые сплавы — выбор за заказчиком. Коллекторы градирни исполняются из черной или нержавеющей стали. На выходе из воздушной шахты устанавливаются блоки каплеуловителя.

«Октоград» имеет два пояса воздуховходных окон — нижний и верхний, как показано на рис. 7. В каждое окно устанавливаются коллекторы с эжекционными форсунками. Окно нижнего пояса — до 5 рядов форсунок, окно верхнего пояса — до 3 рядов форсунок. Для управления потоками эжектируемого воздуха и предотвращения влияния порывов ветра (выброса капель воды) каждое воздуховходное окно комплектуется системой регулируемых жалюзи.

«Октоград» устанавливается над приемным бассейном, в который сливается охлажденная вода. Бассейн изготавливается по размеру градирни и входит в состав поставки. Также возможен вариант установки градирни на существующий приемный бассейн.

Рис. 7. Схема эжекционной градирни «Октоград»

Подача воды на градирню может осуществляться как под остаточным давлением (при удовлетворяющих значениях), так и с использованием насосов — повысителей или отдельной насосной станции. Возможен вариант установки погружных насосов непосредственно в бассейн под градирней.

К преимуществам такого типа градирен можно отнести:

— Наиболее эффективное использование занимаемой площади — габариты «Октограда» значительно меньше существующих вентиляторных и башенных градирен, рассчитанных на тот же объем пропускаемой воды (до двух и более раз!).

— Легкий, прочный, быстровозводимый каркас и стойкие к агрессивным средам и атмосферному воздействию элементы обшивки «Октограда» обеспечивают минимальное время возведения градирни и продолжительный срок ее службы. Причем конструктивные особенности «Октограда» позволяют затрачивать значительно меньше средств и усилий на обслуживание градирни.

— Отсутствие подвижных элементов, оросителя, необходимости подвода электричества к градирне позволяет максимально упростить поддержание эффективной работы градирни и не требует специализированной подготовки технического персонала.

— Градирня «Октоград» способна охлаждать до 50 000 м³/ч оборотной воды через один корпус, обеспечивая температурный перепад в 7–15 °С за один проход и более (расчет теплосъема проводится для каждого объекта отдельно — конструкция градирни позволяет варьировать ее параметры для соответствия требованиям ТЗ).

Скачать статью в pdf-формате: Эжекционные градирни — энергоэффективное, современное решение