Технические характеристики градирни

Основные характеристики градирен

На первый взгляд, градирня — довольно простое техническое устройство. Оборотная вода подается в установку, где охлаждается потоком воздуха. Однако, чтобы правильно подобрать градирню, следует учитывать довольно много различных нюансов и характеристик. При неправильном выборе вы рискуете потерять много времени и средств, возместить которые будет практически невозможно.

Интерактивная схема градирни

Наведите на изображение для просмотра описания

Итак, какие же характеристики следует учитывать при выборе противоточной градирни?

Основные параметры работы охлаждающей установки — это объем охлаждаемой жидкости и температурный режим, необходимый в технологическом цикле.

Теплосъем градирни  определяется по формуле Q = G * C *Δt (где G - гидравлическая нагрузка, С - удельная теплоемкость воды, Δt - перепад температуры оборотной воды). Из уравнения видно, что именно две переменных G и Δt будут определять работу установки. Учитывая, что значение Δt изменяется в ограниченном диапазоне, то увеличивать теплосъем можно именно за счет наращивания объема G.

Гидравлическая нагрузка

От количества оборотной воды (иногда еще называют гидравлической нагрузкой) во многом зависит тип градирни. Если на предприятии используется от нескольких литров до 50-70 кубометров воды, то разумно использовать малогабаритные градирни. При расходе в десятки тысяч кубометров логичным решением будет строительство башенной градирни. Наиболее же универсальным типом являются секционные вентиляторные градирни — они позволяют охлаждать практически любой объем воды, обеспечивая при этом необходимое охлаждение.

Тепловая нагрузка градирни

Тепловая нагрузка градирни — это количество тепла, выделяемое охлаждаемым оборудованием, она равна количеству тепла, утилизируемому на градирне.

Также у термина "тепловая нагрузка" есть синонимы: мощность теплосъема, холодопроизводительность градирни или мощность охлаждения.

Важно отметить, что при работе градирни в оборотном цикле через некоторое время устанавливается тепловой баланс, т.е. сколько тепла отдает охлаждаемое оборудование, столько же тепла и утилизируется градирней (если в цикле нет дополнительных источников или потребителей). Таким образом, если, например, теплообменник нагревает оборотную воду на 8°C, то и на градирне перепад Δt установиться примерно на этом значении. Не может быть, чтобы при нагреве в 8 °C градирня охлаждала воду на 10 °C - иначе мы бы могли бесконечно охлаждать воду до минусовых значений. Будет происходить лишь смещение температуры входящей и выходящей воды при неизменном перепаде Δt.

Плотность орошения

С объемом оборотной воды во многом связана другая важная характеристика – плотность орошения. Эта величина, равная отношению количества охлаждаемой воды к площади градирни.

Рекомендуемое значение этого параметра лежит в пределах от 6 до 12 м³/м²ч в зависимости от типа градирни и используемого оросителя. При значениях плотности меньше 6 м³/м²ч, градирню очень тяжело эксплуатировать в зимний период, поскольку активно начинается обмерзание конструкций и технологических элементов. При значениях более 12 м³/м²ч начинает падать эффективность охлаждения. В отдельных случаях, когда нужно достичь небольшого температурного перепада, возможно увеличение этого параметра до 16-18 м³/м²ч. В общем случае, плотность орошения должна быть тем меньше, чем ближе температура воды, прошедшая охлаждение к температуре влажного термометра.

Плотность орошения — важная характеристика. Зачастую, для экономии собственных средств, недобросовестные поставщики предлагают градирни с сильно завышенным значением данного показателя (т.е. выбирают секции меньшего размера или уменьшают их количество). Впоследствии это приводит к недоохлаждению оборотной воды и, как следствие, нарушению технологического режима работы оборудования. Следует обращать внимание на соотношение количества охлаждаемой воды и площади градирни. Разовая экономия средств может обернуться недостижением поставленной цели и большими затратами в дальнейшем.

Температурный режим работы

Так же важно при подборе градирни определиться с температурным режимом, который должна обеспечивать охлаждающая установка.

Температура воды, прошедшей охлаждение, — один из наиболее важных критериев при подборе оборудования.

Напомним, что теоретическим пределом охлаждения жидкости на сухой градирне является температура воздуха по сухому термометру, для испарительной – по влажному термометру.

В теплый период года (для которого обычно и ведутся расчеты) на большей части России разница между температурой по сухому и мокрому термометру не превышает 10°C. Например, при температуре на улице 27 °C и влажности 55% (средние показатели для г. Екатеринбург) соответствующая отметка по мокрому термометру составит 20,7 °C. Это значение является теоретическим пределом, до которого можно охлаждить воду на испарительной градирне для данных условий. На практике же достичь этой цифры практически не реально без огромных финансовых затрат.

Согласно книге  «Градирни промышленных и энергетических предприятий» Пономаренко В.С., Арефьев Ю.И. на вентиляторных градирнях максимальное охлаждение примерно на 4 градуса, а на башенных - на 8 градусов выше температуры по смоченному термометру.

Чтобы верно рассчитать температуру, до которой реально получится охлаждать воду в жаркий период года, следует воспользоваться данными по климату, указанными в СНиП "Строительная климатология". На основании указанных в документе значений температуры воздуха и влажности мы точно определим температуру по влажному термометру для данного региона. Это делается при помощи психрометрической таблицы.

Если требуется достичь большего охлаждения, то необходимо использовать холодильное оборудование (например, чиллеры), или добавлять в цикл воду со значительно более низкой температурой (например, воду из скважин).

Учитывая вышесказанное, нужно понимать, что градирня, построенная даже в северных регионах, например, в Архангельске, не позволит охладить воду летом ниже 15°C. Законы физики обойти пока никому не удавалось.

Температура нагретой воды, поступающей на градирню, так же важна. Во-первых, чем больше температурный перепад Δt, тем сложнее его добиться. Приходится увеличивать размеры градирен или даже устанавливать их каскадом, обеспечивая ступенчатое охлаждение, т.к. при одном прохождении через градирню вода не успевает достичь требуемой температуры. Во-вторых, основной технологический элемент - ороситель, изготавливается из ПНД или полипропилена. Температура, при которой данные материалы становятся мягкими и теряют свои свойства, колеблется в пределах от 120 до 150 °C. Таким образом, подавая воду с температурой, близкой к указанным значениям, появляется риск выхода из строя самого оборудования. Помимо этого, на вентиляторных градирнях в качестве привода вентустановки чаще всего применяются двигатели с воздушным охлаждением. Слишком высокая температура пароводяной смеси, перекачиваемая рабочими колесами вентилятора, может вызвать перегрев двигателя.

Тепловая мощность градирни

Тепловая мощность градирни – это количество тепловой энергии, которое произведено или потреблено в единицу времени. Обычно она измеряется в кал/ч (калория/час) или в Вт (Ватт/час).

Калория – единица измерения теплоты.

Ватт – это единица измерения мощности, теплового потока и др. величин.

Взаимодействие калории и Ватта можно увидеть в формуле, с помощью которой и определяется тепловая мощность:

Где:

• Q - количество тепла, выделяемого на оборудовании (1ккал/час=1,163 Вт)
• Cpw - удельная теплоемкость воды при средней температуре, ккал/кг*град (кДж/кг)
• Vw - расход жидкости (м³/час)
• ρw - удельный вес (плотность) воды (кг/м³)
• Tw1 – температура жидкости на выходе из градирни
• Tw2 – температура жидкости на входе в градирню

Упрощенно это формула выглядит так:

Применив данную формулу можно рассчитать тепловую мощность градирни зная расход жидкости на установке, входящую и выходящую температуру воды из градирни. Например, на градирню подаётся 100 м³/ч воды, температура жидкостит на входе 40 °C, а на выходе 30 °C. Соответственно Q=100 м³/час * (40 °C - 30°C) * 1,163 = 1163 кВт. В данном случае это показание и есть тепловая мощность градирни.

Глубина охлаждения

Близкой к температурному режиму работы градирни является еще одна характеристика - глубина охлаждения. Эта величина равна разности между температурой, до которой требуется охладить воду на градирне, и температурой воздуха по мокрому термометру t2-t.

Теоретически на градирне можно достичь глубину охлаждения, близкую к 0. На практике же эта величина составляет от 4 ⁰С и больше.

Чем меньше значение глубины охлаждения, тем большие затраты требуются для её обеспечения. Принимать значение t2-t следует меньше 4 ⁰С только в случаях, когда требования технологического процесса крайне жесткие. При этом стоимость достижения таких параметров сильно возрастает.

График глубина охлаждения

Например, согласно книге «Градирни промышленных и энергетических предприятий» Пономаренко В.С., Арефьев Ю.И. при снижении значения  t₂-t  с 10 °C до 5 °C на башенных градирнях приводит к необходимости уменьшения плотности орошения в 2-2,2 раза. Это ведет к увеличению размеров градирни и значительному росту её стоимости.

Теоретически оптимальными условиями работы для испарительных градирен считается соотношение, когда t₂-t » Dt, т.е. глубина охлаждения равна температурному перепаду.

Кроме основных характеристик работы градирни, описанных выше, есть еще один параметр, который так же важен при эксплуатации оборудования - это количество воды для восполнения потерь с капельным уносом и испарением. Данная величина относится скорее к экономическим показателям и напрямую не влияет на работу градирни.

Расход подпиточной воды

Расход воды на градирне складывается из трех основных величин – количества испарившейся воды, капельного уноса и количества воды, расходуемой на продувку G_д = G_и +G_к+G_п.

Основные потери воды идут, конечно, за счет испарения.

Определить эту величину можно по формуле:

где

G_в – расход воды,

С_ж – удельная теплоемкость воды,

t₁,t₂ – температура воды на входе и выходе из градирни

i₁, i₂ – удельные энтальпии воздуха привходе в градирню и выходе из неё

При проектировании пользуются упрощенной формулой с некоторыми допущениями:

где R - удельная теплота парообразования.

Теоретически при средних температурах летом испарение составляет 1,1 - 2% от общего количества оборотной воды. Зимой этот показатель уменьшается в 2 - 3 раза, до 0,3 – 1%.

Потери на капельный унос в градирнях G_к зависят от типа водоуловителя и составляет в среднем 0,1 - 0,2% от общего расхода воды. Для максимального снижения этого параметра на градирнях используется водоуловитель. Наибольшее применение нашел каплеотбойник типа «полуволна». Он обеспечивает эффективность каплеулавливания до 99,99%. Подробнее про работу водоуловителя можно прочитать в нашей статье.

Потери воды на унос ветром через воздуховходные окна G_ок при средней скорости ветра 3 м/с составляет 0,02 - 0,05% от объема оборотной воды.

Общие потери воды из-за капельного уноса составляют в среднем 1,5 – 2,5%.

Величина испаряющейся воды и капельного уноса не поддаются регулировке при фиксированном расходе воды.

Единственный параметр, на который можно повлиять, чтобы снизить потери оборотной воды – это расход на продувку G_п. Он зависит от концентрации солей в системе и может быть уменьшен при помощи водоподготовки.

Сколько весит градирня

Учитывая все вышесказанное, можно сделать вывод, что подбор испарительной градирни является очень непростым делом. Нужно учитывать целый ряд параметров, чтобы не ошибиться в своем выборе. Применяя слишком завышенные критерии к отбору оборудования, вы рискуете получить очень дорогое предложение и нереальный срок окупаемости. Заложив недостаточные условия - получить установку, которая не будет обеспечивать необходимые параметры работы всего цикла.

Наиболее универсальными и эффективными в настоящий момент являются секционные вентиляторные градирни. Благодаря большому разнообразию габаритов секций, можно подобрать установку с оптимальными техническими характеристиками и размерами. Наличие же современных средств автоматизации работы оборудования позволяет значительно снизить эксплуатационные затраты и облегчить работу обслуживающего персонала.

Выбирая градирню, следует в первую очередь внимательно и ответственно подойти к подготовке технического задания, а затем, принимая во внимание все параметры, описанные выше, оценить предложения поставщиков. Только так Вы сможете получить желаемый результат, который не разочарует в дальнейшем.