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.
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.
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.
При оборотном водоснабжении промышленного объекта охлаждающее устройство (охладитель) должно обеспечить охлаждение циркуляционной воды до температур, отвечающих оптимальным технико-экономическим показателям работы объекта.
Понижение температуры воды в охладителях происходит за счет передачи ее тепла воздуху. По способу передачи тепла охладители, применяемые в системах оборотного водоснабжения, разделяются на испарительные и поверхностные (радиаторные).
В испарительных охладителях охлаждение воды происходит в результате ее испарения при непосредственном контакте с воздухом (испарение 1 % воды снижает ее температуру на 6°). В радиаторных охладителях охлаждаемая вода не имеет непосредственного контакта с воздухом. Вода проходит внутри трубок радиаторов, через стенки которых происходит передача ее тепла воздуху.
Так как теплоемкость и влагоемкость воздуха относительно невелики, для охлаждения воды требуется интенсивный воздухообмен. Например, для понижения температуры воды с 40 до 30° С при температуре воздуха 25° С на 1 м3 охлаждаемой воды к испарительному охладителю должно быть подведено около 1000 м3 воздуха, а к радиаторному охладителю, в котором воздух только нагревается, но не увлажняется,- около 5000 м3 воздуха.
Испарительные охладители по способу подвода к ним воздуха разделяются на открытые, башенные и вентиляторные. К открытым охладителям относятся водохранилища-охладители (или пруды-охладители), брызгальные бассейны, открытые градирни.
В них движение воздуха относительно поверхности охлаждаемой воды обусловливается ветром и естественной конвекцией. В башенных охладителях - башенных 1радирнях - движение воздуха вызывается естественной тягой, создаваемой высокой вытяжной башней.
В вентиляторных охладителях - вентиляторных градирнях - осуществляется принудительная подача воздуха с помощью нагнетательных или отсасывающих вентиляторов.
Радиаторные охладители, которые называют также «сухими градирнями», по способу подвода к ним воздуха могут быть башенными или вентиляторными.
Для охлаждения циркуляционной воды до достаточно низких температур требуется большая площадь контакта ее с воздухом - порядка 30 м2 на 1 м3/ч охлаждаемой воды. Соответственно этой рекомендации следует принимать площадь зеркала воды водохранилищ-охладителей.
В градирнях необходимая площадь контакта создается путем распределения воды над оросительными устройствами, по которым она стекает под действием силы тяжести в виде тонких пленок или капель, разбивающихся при попадании на рейки на мельчайшие брызги.
В брызгальных бассейнах для создания необходимой площади контакта с воздухом вода разбрызгивается специальными соплами на мельчайшие капли, суммарная поверхность которых должна быть достаточной для испарительного охлаждения.
В системах оборотного водоснабжения происходит повторное (многократное) использование части воды. При этом техническая вода нагревается. Перед повторным использованием температура воды должна быть снижена в соответствии с требованиями технологии. Снижение температуры технической воды достигается в специальных охлаждающих устройствах (охладителях).
По способу отвода теплоты охладители подразделяются на испарительные и поверхностные (радиаторные). В испарительном охладителе отвод теплоты достигается в результате испарения при непосредственном контакте с воздухом, в поверхностном - вода движется в трубках, омываемых с внешней стороны воздухом.
Выбор типа охладителя производится на основе технико-экономического сравнения по минимуму приведенных затрат с учетом показателей работы всей заводской системы технического водоснабжения. При сопоставлении вариантов учитываются гидрологические и метеорологические условия применительно к району строительства системы водоснабжения.
Испарительные охладители могут быть представлены: прудами-охладителями (водохранилища-охладители), брызгальными бассейнами и градирнями башенного или вентиляторного типов.
Пруды и водохранилища-охладители обладают рядом несомненных достоинств. Они обеспечивают более низкие температуры охлаждения воды в течение года; являются регуляторами поверхностного стока; просты в эксплуатации и могут обеспечить водой оборотное водоснабжение любого крупного завода. Однако создание водохранилищ-охладителей сопряжено со значительными капитальными затратами как на основное сооружение, так и на строительство очистных сооружений.
Брызгальные бассейны требуют сравнительно небольших капиталовложений и применяются при небольших расходах технической воды (до 300м3/ч). Обладают плохой охлаждающей способностью и допускают большие потери воды.
Башенные градирни используются в системах оборотного водоснабжения с расходами воды до 100-103м3/ч. Благодаря организованному движению воздуха обеспечивается устойчивое охлаждение и более низкая температура воды, чем в брызгальном бассейне. К недостаткам нужно отнести высокие капитальные затраты.
Вентиляторные градирни обеспечивают наиболее глубокое и стабильное охлаждение технической воды. Затраты на строительство оказываются меньше, чем у башенных. Большой расход электроэнергии и возможность образования туманов и обледенения существенно влияют на выбор варианта водоснабжения с вентиляторными градирнями. Их применение оказывается экономически обоснованным, когда требуется низкая и стабильная температура охлаждаемой воды (холодильные и компрессорные станции, производственные технологии в районах с жарким климатом).
Применение радиаторных охладителей позволяет сократить до минимума потери воды в системе оборотного водоснабжения. Вода в «сухих» градирнях не засоряется пылью окружающего воздуха и солями (минерализация воды), как это имеет место в градирнях «мокрого» типа. «Сухие» градирни имеют больший объем по сравнению с «мокрыми», так как интенсивность теплообмена в них ниже. Их применение может быть оправдано невозможностью восполнения потерь воды в системах охлаждения.
