В процессах химической технологии используются различные аппараты и оборудование: компрессорные установки, теплообменные аппараты, ректификационные колонны, реакторы и т.д.
Для поддержания регламентированного температурного режима в технологических процессах, как правило, требуется отведение образующегося низкопотенциального тепла от аппаратов и оборудования (рис. 1).
В основном для отведения низкопотенциального тепла в промышленности используют наиболее доступный хладагент – воду, а охлаждение самой оборотной воды осуществляется на градирнях [1].
Градирни применяются для охлаждения оборотной воды, циркулирующей по замкнутому контуру системы. При этом вентиляторная градирня признана одним из наиболее эффективных и экономичных способов охлаждения воды в водооборотных системах предприятий.
К вентиляторным градирням предъявляется ряд жестких требований, определяющихся специфичностью их использования. В частности, они должны обладать повышенной надежностью с тем, чтобы обеспечивать непрерывное функционирование всей системы. Кроме того, необходимо, чтобы они были максимально долговечными – их замена в отдельных случаях может быть сопряженной с некоторыми сложностями [2, 3].
Также важно, чтобы градирни характеризовались достаточной производительностью – в противном случае циркуляция жидкости в контуре будет меньше необходимой, и температура жидкости будет снижаться слишком медленно, в результате чего интенсивность и эффективность работы всей системы снизится. Экономичность в энергопотреблении – еще одно требование, которое является важным ввиду того, что зачастую эти устройства используются непрерывно на протяжении больших периодов времени.
Рис. 1. Замкнутый контур системы охлаждения: N и Q – потоки энергии и теплоты от внешних источников; Q1 – поток теплоты, перенесенный воде при рабочем процессе; Q2 – поток теплоты, переданный атмосфере при охлаждении воды в градирне; t1 – температура нагретой воды на входе; t2 – температура охлаждённой воды на выходе
Несмотря на эффективность вентиляторных градирен, они имеют ряд недостатков: большая протяженность трубопроводных систем, связанная с удаленностью блоков вентиляторных градирен от технологического оборудования; высокое энергопотребление насосного оборудования; наличие значительных выбросов в атмосферу [4, 5].
Целью является поиск научно-технических и конструкторских решений, позволяющих перевести промышленные предприятия на локальные системы охлаждения оборотной воды (малогабаритные аппараты охлаждения оборотной воды), которые более мобильны, обслуживают конкретные технологические установки или аппараты химических производств, менее энергоемки, эффективны, экологически безопасны. Переход на локальные системы охлаждения исключает необходимость дорогостоящей эксплуатации протяженных сетей трубопроводов, минимизирует выбросы в атмосферу.
В настоящее время эксплуатируются следующие конструкции вентиляторных малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды, которые предлагается классифицировать по следующим основным признакам:
1. По расположению вентилятора:
– расположение вентилятора под прямым углом,
– расположение вентилятора тангенциально,
– нижнее расположение вентилятора,
– верхнее расположение вентилятора,
– боковое расположение вентилятора.
2. По количеству вентиляторов:
– одновентиляторные,
– двухвентиляторные,
– трёхвентиляторные.
3. По движению фаз:
– противоток,
– перекрёстный ток,
– комбинированный (смешанный ток).
4. По производительности:
– малой (5–50 м3/ч),
– средней (50–100 м3/ч),
– высокой (от 100 м3/ч и выше).
Одна из распространенных малогабаритных градирен это градирня «Росинка». Она предназначена для охлаждения используемой в теплообменных аппаратах воды при оборотном способе водоснабжения, применяется в системах охлаждения промышленных холодильных установок, компрессорных станций, систем кондиционирования воздуха и другого технологического оборудования, требующего водяного охлаждения.
В наименовании градирни дробным числом обозначен диапазон оптимального расхода циркуляционной воды в метрах кубических в час.
Вода, охлаждаемая градирней, не должна содержать самовозгорающихся примесей. Содержание в воде жиров, смол и нефтепродуктов не должно превышать 25 мг/л, количество взвешенных веществ – 80 мг/л.
Градирня представляет собой устройство, работающее по принципу противотока воды и атмосферного воздуха.
Охлаждение воды осуществляется передачей тепла атмосферному воздуху за счёт поверхностного испарения воды и теплоотдачи соприкосновением (теплопроводности и конвекции).
Основной причиной низкой эффективности эксплуатируемых малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды является непродолжительное время контакта охлаждающего воздушного потока и охлаждаемого водного потока и противоточный режим взаимодействия теплообменивающихся фаз [6].
Предлагается конструкция малогабаритной градирни с закрученным воздушным потоком для повышения эффективности тепломассообменного процесса (рис. 2).
Градирня содержит корпус 1 с установленным в нижней части вентилятором 2 с тангенциальным патрубком 3, оросителем 4 и водосборным резервуаром 5 с выходным патрубком 6. В верхней части корпуса находится водораспределительная система 7 для равномерного орошения воды по площади орошения, водоуловители 8 в виде слоев цилиндрических полимерных ячеистых труб, согнутых с радиусом гиба, равным их диаметру и сваренных в местах соприкосновения торцевых концов с образованием мембраны жесткости, выходные тангенциальные патрубки 9.
Градирня работает следующим образом. Нагретая в технологическом процессе вода из оборотной системы подается в водораспределительную систему 7, при помощи которой равномерно распределяется по оросителю 4, на поверхности которого происходит тепломассообмен водного потока с закрученным воздушным потоком, нагнетаемым вентилятором 2. Вода стекает на ороситель 4, где охлаждается в капельно-пленочном режиме и далее стекает в водосборный резервуар 5.
Повышение эффективности данной градирни обуславливается тем, что воздушный поток «закручен», за счет чего увеличивается время контакта воздушного и водного потоков.
Для расчета времени взаимодействия теплообменивающихся фаз были получены следующие зависимости:
Длина закрученного воздушного потока Lобщ, м, определяется по формуле
(1)
где d – диаметр одного витка, м,
h – шаг витка, м,
N – количество витков.
Время взаимодействия фаз в миниградирне с закрученным воздушным потоком, τ, с рассчитывается по формуле
(2)
(3)
где V – скорость воздушного потока, м/с.
Рис. 2. Схема устройства градирни «Росинка»: 1 – корпус, 2 – бак, 3 – водораспределитель, 4 – вентилятор, 5 – патрубок сливной, 6 – обечайка вентиляторная, 7 – патрубок ввода электрокабеля, 8 – сопло водоразбрызгивающее, 9 – ограждение вентилятора, 10 – патрубок напорный, 11 – ярус оросителя нижний, 12 – ярус оросителя верхний, 13 – призма решётчатая ПР-50
Рис. 3. Малогабаритная градирня с закрученным воздушным потоком: 1 – корпус, 2 – вентилятор, 3 – тангенциальный патрубок, 4 – ороситель, 5 – водосборный резервуар, 6 – выходной патрубок для воды, 7 – водораспределительная система, 8 – водоуловители, 9 – выходные патрубки для воздуха
Таким образом:
, (4)
где H/V – время взаимодействия фаз в противоточной градирне.
Из полученной зависимости видно, что время контакта фаз в миниградирне с закрученным потоком более продолжительно, чем время контакта фаз в миниградирне с противотоком.
Предположим, что площадь рабочей зоны миниградирни с закрученным потоком больше площади рабочей зоны противоточной миниградирни:
Sэксп. > Sпрям., (5)
где Sэксп., Sпрям. – площадь рабочей зоны градирен, соответственно с закрученным потоком и противоточной, м2,
ПDэz > ПН, (6)
где П – периметр канала воздушного потока, м,
Dэ – эквивалентный диаметр воздушного потока, м,
z – шаг витка спирального воздушного потока,
Н – высота градирни, м.
Dэz > Н, (7)
Dэz = kН, (8)
где k – показатель увеличения коэффициента теплоотдачи.
, (9)
, (10)
где ΔТэксп. – разность температуры воды на входе и на выходе миниградирни с закрученным потоком, °С,
ΔТпрям. – разность температуры воды на входе и на выходе противоточной миниградирни, °С.
, (11)
. (12)
Таким образом, полученная зависимость позволяет определить основные технологические параметры процесса охлаждения оборотной воды в малогабаритных градирнях с закрученным воздушным потоком, с целью их проектирования и оптимального использования в водооборотных системах для процессов нефтехимических производств.