Реконструкция и модернизация градирен водооборотного цикла 1-ой очереди турбинного цеха ООО "ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго" Волжской ТЭЦ

Размещено на http://www.allbest.ru/

АННОТАЦИЯ

В данном проекте рассмотрен вопрос реконструкции и модернизации градирен водооборотного цикла 1-ой очереди турбинного цеха ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго» Волжской ТЭЦ. В теоретической части проекта дана классификация и область применения градирен, рассмотрены принципы охлаждения градирен и их технологические элементы. В проекте произведен тепловой и аэродинамический расчеты существующей градирни. А также тепловой и аэродинамический расчет градирни при ее реконструкции. Подсчитаны потери воды при ее работе. Рассмотрены вопросы охраны окружающей среды и техники безопасности при эксплуатации градирни. Произведена оценка экономической эффективности реконструкции градирни.

ВВЕДЕНИЕ

Среди наиболее водоемких отраслей теплоэнергетическая промышленность занимает первое место. Основным направлением рационального использования водных ресурсов и защиты водоемов от загрязнений является сокращение объема потребления свежей воды из источников, широкое внедрение оборотного водоснабжения, создание замкнутых бессточных систем с полным извлечением и утилизацией продуктов, улавливаемых в процессе очистки воды.

Потребление свежей воды в промышленности в значительной мере может быть уменьшено за счет перехода производств на безотходные, безводные или маловодные технологии. Однако многие производственные процессы не всегда в полной мере позволяют использовать такие технологии. Тогда на первый план в реализации задачи экономии воды в промышленности вступают охлаждающие системы оборотного водоснабжения с градирнями различных типов и конструкций.

Аппараты для охлаждения воды при ее непосредственном контакте с воздухом (градирни), в настоящее время широко используются во всех отраслях промышленности, где есть потребность в охлаждении оборотной воды. Масштабы использования градирен колоссальны.

При применении в производстве оборотного водоснабжения качество выпускаемой продукции зависит от качества и температуры оборотной воды. В практике производственного водоснабжения подготовка оборотных вод осуществляется на отдельных сооружениях водоподготовки.

Настоящий проект проводился с целью реконструкции и модернизации градирен водооборотного цикла 1-ой очереди Турбинного цеха ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго» Волжской ТЭЦ и достижения требуемого качества и температуры охлажденной воды.

При разработке дипломного проекта предусматривается решение задачи повышение эффективности работы башенных брызгальных градирен путем их реконструкции с применением более совершенного оборудования.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГРАДИРЕН

При охлаждении воды в градирнях чем больше поверхность контакта воды с воздухом, тем более благоприятны условия теплопередачи. Контакт воды с воздухом и увеличение поверхности этого контакта достигаются различными способами.

Градирни можно классифицировать в основном по способу подвода воздуха к воде и по типу оросительного устройства. По способу подвода воздуха градирни разделяются на три следующие основные группы:

первая -- вентиляторные градирни, через которые воздух прокачивается нагнетательными или отсасывающими вентиляторами;

вторая -- башенные градирни, в которых создается тяга воздуха высокой вытяжной башней.

третья -- открытые или атмосферные градирни, в которых для протока воздуха через них используются сила ветра и отчасти естественная конвекция.

В зависимости от конструкции оросительного устройства и способа, которым достигается увеличение поверхности соприкосновения воды с воздухом, градирни подразделяются на пленочные, капельные и брызгальные.

Каждый из указанных типов градирен может иметь весьма разнообразные виды и конструкции отдельных элементов оросителей, отличаться размерами их и расстояниями между ними и быть выполнен из различных материалов.

Вентиляторные градирни выполняются секционными или отдельно стоящими -- одновентиляторными, в плане имеют форму прямоугольника, квадрата, многоугольника или круга. Вентиляторные градирни допускают более высокие тепловые нагрузки и обеспечивают более глубокое охлаждение воды за счет повышенного относительного (к расходу воды) расхода воздуха, проходящего через градирню.

На вентиляторные градирни допускается удельная тепловая нагрузка 90--120 тыс. Вт/м2 [80--100 тыс. ккал/(чм2)] и выше, в то время как, например, башенные градирни при прочих равных условиях эти нагрузки не превышают 90

тыс. Вт/м2 [80 тыс. ккал/(чм2)]. Для атмосферных градирен максимальная тепловая нагрузка составляет 3560 тыс. Вт/м2 [3050 тыс. ккал/(чм2)]. Зависимость охладительного эффекта атмосферных градирен от силы и направления ветра ограничивает область их применения.

С помощью вентиляторных градирен температуру охлажденной воды получают на 4-60 (в отдельных случаях на 2-30) выше температуры воздуха по смоченному термометру, с помощью башенных градирен - на 8-100. С помощью «сухих» (радиаторных) градирен температуру охлажденной воды можно получить только выше температуры воздуха по сухому термометру. Замена водяного охлаждения воздушным экономичнее лишь в случае охлаждения продукта с высокой начальной температуры до температуры, примерно на 20° превышающей температуру по сухому термометру. Величина перепада температур воды на градирнях назначается в зависимости от температуры поступающей на градирни воды, которая, в свою очередь, определяется технологическим оборудованием, использующим воду как хладагент. На вентиляторных градирнях возможно достижение перепада температур воды до 25°С и более (в зависимости от начальной температуры воды). В практике использования башенных градирен (например, на тепловых электростанциях) максимальный перепад температур воды составляет 8--10°.

Вентиляторные градирни обеспечивают более устойчивое заданное охлаждение воды и более маневренное, чем башенные, регулирование ее температуры. Работа вентиляторных градирен более легко поддается автоматизации для поддержания температуры охлажденной воды на заданном уровне. Вентиляторные градирни требуют меньшей площади застройки в сравнении с другими охладителями воды при достижении одинакового эффекта охлаждения. В сравнении с башенными градирнями они работают при более низких напорах воды.

Сооружение вентиляторных градирен дешевле на 50--80%, чем башенных, и на 30--50%, чем брызгальных бассейнов. Экономия древесины, при строительстве деревянных вентиляторных градирен вместо башенных

достигает 60--70%. Однако для привода вентиляторов требуется значительный расход электроэнергии, а сами вентиляторы и их приводы нуждаются в постоянном уходе и ремонте и, следовательно, вентиляторные градирни требуют дополнительных эксплуатационных расходов по сравнению с башенными. Кроме того, в отдельных случаях вентиляторные градирни, особенно с нагнетательными вентиляторами, вызывают рециркуляцию теплого влажного воздуха. Во всех случаях необходимо производить выбор того или иного типа градирни на основе технико-экономического анализа с учетом расчетных расходов и температур воды, метеорологичеких параметров атмосферного воздуха, условий размещения градирен на площадке предприятия, инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки и др.

Секционные градирни проектируются с площадью оросителя одной секции от 2 до 400 м2 и отдельно стоящие одновентиляторные от 400 до 1200 мм2. При выборе типа и числа градирен исходят обычно из следующих условий: оптимальное число секций или градирен, в одном оборотном цикле, как правило, принимается от 4 до 8, максимальное-- 12; наименьшее число секций 2. Опыт эксплуатации показал, что соблюдение этих условий обеспечивает экономичную эксплуатацию градирен, требуемую степень резервирования и регулирования температуры охлаждаемой воды за счет отключения отдельных вентиляторов при одновременной экономии площади, занятой градирнями.

Оросительное устройство является одним из основных элементов градирни. Оно предназначено для увеличения площади поверхности соприкосновения между водой и воздухом и, следовательно, для ускорения процесса охлаждения.

Удельная гидравлическая нагрузка для вентиляторных градирен ориентировочно может быть принята: при пленочном оросителе 2,23,4 кг/(м2с) [812 м3/(м2ч)], капельном оросителе 1,72,2 кг/(м2с) [68 м3/(м2ч)] и брызгальном 1,41,7 кг/(м2с) [56 м3/(м2ч)]. Скорость воздуха в оросителе вентиляторных градирен принимается, как правило, не выше 45 м/с.

При выборе типа оросительного устройства в каждом конкретном случае производится сопоставление охлаждающей способности и стоимости градирни.

Величина потерь напора при движении воздуха в оросителе также является неотъемлемым показателем его работы, так как она определяет величину эксплуатационных затрат на градирню: чем меньше сопротивление потоку воздуха, тем меньше требуемая мощность вентилятора и ниже расход электроэнергии (или высота башни в башенных градирнях). Следовательно, при выборе типов оросителей следует отдавать предпочтение таким, какие будут обеспечивать более высокую охлаждающую способность и низкие потери напора. При выборе и оценке оросительных устройств необходимо учитывать и ряд других показателей, таких, как долговечность, изнашиваемость материала оросителя, прочность и масса оросителя, легкость установки, доступность ремонтов и осмотров. Важным фактором является также наличие в охлаждаемой воде взвешенных веществ и агрессивных примесей. При наличии в охлаждающей воде примесей, агрессивных по отношению к материалам конструкций градирен, в отдельных случаях может оказаться экономически целесообразным предусматривать обработку воды с целью исключения или уменьшения степени агрессивности.

Оросительные устройства вентиляторных градирен по своей функции могут быть аналогичными оросителям башенных градирен.

В оросителе каждого из указанных типов градирен вода движется вертикально сверху вниз под действием силы тяжести. Воздух же, нагнетаемый или отсасываемый из оросителя вентиляторами или в результате башенного эффекта, может двигаться либо снизу вверх навстречу воде, либо в поперечном направлении по отношению к движению воды. В первом случае градирни называются противоточными, во втором случае - поперечноточными.

Противоточная схема движения воды и воздуха более эффективна, чем поперечноточная. Это объясняется тем, что значение средней разности теплосодержаний, являющейся «движущей силой» процесса тепло-массообмена, при противотоке больше, чем при поперечном токе. За счет этого размеры гради-

рен, а следовательно, и их стоимость при прочих одинаковых условиях при противотоке получаются меньшими, чем при поперечном токе. Существует еще и комбинированное направление движения воздуха по отношению к воде -- поперечно-противоточное. По числу потоков воздуха в градирне они могут быть двухпоточные и однопоточные.

Поперечноточные градирни в плане, как правило, имеют прямоугольную или квадратную форму и выполняются в виде секционных. Противоточные градирни могут иметь в плане любую из указанных форм, а в том случае, когда они прямоугольные или квадратные, выполняются преимущественно секционными.

Вход воздуха в секционные градирни со всасывающими вентиляторами осуществляется только с двух противоположных сторон, в отдельно стоящие - с четырех (по всему периметру в плане). Это выгодно отличает отдельно стоящие градирни от секционных, так как обеспечивает более равномерное распределение воздуха по оросителю и меньшие потери давления воздуха при входе в градирню. Поэтому отдельно стоящие градирни в сравнении с секционными при прочих равных условиях, обладают более высокой охлаждающей способностью и лучшими экономическими показателями.

На возведение секционных градирен затрачивается меньше строительных материалов, так как каждые две соседние секции имеют одну общую стенку, и площадь застройки для секционных градирен меньше, чем для отдельно стоящих. Благодаря прямоугольной форме секционных градирен строительств их в отличие от многоугольных отдельно стоящих проще и может быть осуществлено при меньшем числе типоразмеров элементов [5].

2. ПРИНЦИПЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ В ГРАДИРНЯХ

При охлаждении воды в градирнях часть тепла передается атмосферному воздуху за счет поверхностного испарения воды (превращение части воды в пар

с переносом его посредством диффузии и конвекции в воздух), другая часть -- за счет разницы в температурах между водой и воздухом, т. е. теплоотдачей соприкосновением (теплопроводность и конвекция). Кроме того, некоторое количество тепла отводится от воды за счет излучения. Однако тепло, передаваемое излучением, настолько мало в сравнении с другими видами отдачи тепла, что им можно пренебречь при составлении теплового баланса градирни.

Согласно кинетической теории газов, механизм процесса испарения воды с поверхности соприкосновения ее с воздухом может быть представлен следующим образом. Молекулы воды находятся в беспорядочном тепловом движении, при этом скорости их колеблются в широких пределах. Те молекулы, которые обладают наибольшей скоростью (точнее, наибольшей кинетической энергией), вырываются в пространство, расположенное над поверхностью воды (испарение). При этом могут оторваться от воды только молекулы, расположенные вблизи ее поверхности, у которых составляющая скорости, нормальная к этой поверхности, достаточно велика и способна преодолеть силы молекулярного сцепления. Молекулы воды, оторвавшиеся от поверхности, при столкновениях с молекулами воздуха изменяют величину и направление своего движения. Некоторая часть вырвавшихся из воды молекул, сталкиваясь с молекулами воздуха, может быть отброшена обратно к поверхности воды и затем вновь от нее отразиться или поглотиться водой (конденсация). Часть же оторвавшихся от поверхности воды молекул проникает в воздух в результате диффузии и конвекции и уже безвозвратно теряется водой, образуя пары воды в воздухе. Эта потеря части молекул воды и составляет сущность процесса испарения, сопровождающегося переносом вещества (массы), или так называемым массообменом.

Существует понятие скорости испарения, которую определяют как убыль количества воды в единицу времени. При равном парциальном давлении воды и пара скорость испарения считается равной нулю, хотя процесс перехода молекул из жидкой фазы воды в паровую не прекращается, но лишь полностью компенсируется обратным процессом конденсации, т. е. процессом перехода молекул пара в жидкую фазу. Таким образом, говоря о количестве испарившихся молекул, следует иметь в виду разность между количеством молекул, оторвавшихся от поверхности воды, и количеством молекул пара, сконденсировавшихся на этой поверхности в единицу времени. В разреженном пространстве, когда вероятность столкновения «испарившихся» молекул с молекулами воздуха меньше и, соответственно, меньшее количество испарившихся молекул попадает обратно в воду, скорость будет большей, чем при атмосферном давлении.

Температура воды определяется кинетической энергией молекул, находящихся в тепловом движении, причем более высокой температуре соответствует более высокая средняя кинетическая энергия молекул. Средняя кинетическая энергия у покидающих воду молекул больше, чем у остающихся; следовательно, температура остающейся воды в результате испарения будет снижаться. Та часть энергии молекул, вырвавшихся из воды, которая затрачивается на преодоление сил сцепления, а также энергия, затрачиваемая на увеличение объема при испарении, определяет теплоту испарения.

Молекулы, оторвавшиеся от поверхности воды, весьма медленно удаляются в толщу воздуха. Скорость их диффузии измеряется десятыми и сотыми долями см/с. Эта скорость ничтожно мала по сравнению с той, с какой эти же молекулы покидают поверхность воды. В результате происходит весьма быстрое (почти мгновенное) накопление молекул пара в слое воздуха, лежащем в непосредственной близости к испаряющей поверхности. Парциальное давление в этом слое возрастает настолько, что скорость диффузии молекул пара в толщу воздушного потока становится равной разности между максимальной скоростью испарения и скоростью обратной конденсации, т. е. скорости испарения воды.

Таким образом, можно сделать вывод, что скорость испарения в воздухе определяется не скоростью процесса парообразования, происходящего на поверхности раздела фаз, а скоростью диффузии молекул пара в газовой фазе.

Количество молекул, возвращающихся обратно в воду при испарении в воздухе при атмосферном давлении, лишь ненамного меньше количества молекул, отрывающихся в то же самое время от испаряющей поверхности. При огромном количестве молекул, отрывающихся от поверхности, непосредственно над поверхностью воды будет слой почти насыщенного пара. Это положение было впервые высказано еще Стефаном, который отмечал, что разница между давлением насыщенного пара и парциальным давлением пара очень мала.

Для расчета процессов испарительного охлаждения в градирнях с достаточной степенью точности принимается (по Стефану), что в слое воздуха, непосредственно расположенном у поверхности воды, накапливается такое количество молекул пара, которое соответствует состоянию насыщения, при этом температура пара равна средней температуре воды. Различием в температурах на поверхности капель и пленок воды и в их толще можно пренебречь, так как в градирне размеры капель и толщина пленок малы и происходит интенсивное перемешивание воды. Следовательно, парциальное давление паров воды в слое воздуха, непосредственно примыкающем к поверхности воды, равно давлению насыщенного пара при средней температуре воды.

В общем случае основная масса воздушного потока, двигающегося над поверхностью воды в градирнях, не насыщена водяными парами. При значениях температур и давлений в условиях работы градирен можно принять, что водяной пар подчиняется законам идеальных газов, и тогда парциальное давление пара в основной массе воздушного потока при температуре и можно представить как произведение относительной влажности воздуха на давление насыщенного водяного пара:

где относительная влажность воздуха в долях единицы;

давление насыщенного пара при температуре основной массы потока воздуха [5].

«Движущей силой» процесса испарения воды в градирне является разность парциальных давлений пара у поверхности воды и в ядре воздушного потока.

При теплоотдаче соприкосновением такой движущей силой является разность температур воды и воздуха [9]. Положительное значение этой разности - необходимое условие, при котором молекулы пара будут отводиться от поверхности воды в основную массу воздушного потока и будет происходить испарение. В условиях работы градирен парциальное давление пара всегда выше парциального давления пара , и поэтому разность всегда положительная независимо от того, больше или меньше температура воды температуры окружающего воздуха. Следовательно, в градирне всегда происходит испарение воды. Но поскольку испарение связано с затратой тепла на изменение агрегатного состояния, оно вызывает поток тепла только от воды к воздуху, т. е. охлаждение воды.

Поток тепла, возникающий в результате теплоотдачи соприкосновением , может быть направлен как от воды к воздуху, так и от воздуха к воде в зависимости от того, какая из этих сред имеет более высокую температуру.

Когда температура воды больше температуры воздуха (обычный случай для градирен), то теплоотдача за счет испарения и соприкосновения (теплопроводность и конвекция) направлена в одну сторону - от воды к воздуху. Количество тепла, отдаваемого водой, для этого случая будет .

Когда же температура воздуха больше температуры воды, поток тепла направлен от воздуха к воде. Пока количество тепла , теряемое водой благодаря ее поверхностному испарению, больше притока тепла к воде , поток результирующего тепла направлен в сторону от воды к воздуху, т.е.
, и температура воды будет понижаться. Это происходит до тех пор,

пока направленный от воздуха к воде поток тепла не становится равным потерям тепла водой от испарения . Равенство достигается тогда, когда температура воды становится равной температуре атмосферного воздуха по влажному термометру . Равновесие это носит динамический характер, так как ни испарение воды, ни подвод к ней тепла от воздуха при и не приостанавливаются. С увеличением температуры воды общие теплопотери возрастают, причем теплоотдача испарением увеличивается значительно быстрее, чем теплоотдача соприкосновением. В результате этого в общих потерях тепла преобладает теплоотдача испарением. При снижении температуры воды до температуры воздуха по сухому термометру потери тепла соприкосновением становятся равными нулю, а при последующем снижении температуры воды они становятся отрицательными, т. е. поток тепла направлен от воздуха к воде. Когда температура воды, снижаясь, приближается к температуре воздуха по влажному термометру, тогда потери тепла водой в результате испарения остаются положительными, в то же время потери соприкосновением становятся все больше и больше по своей абсолютной величине. При снижении температуры воды до температуры воздуха по влажному термометру отрицательные теплопотери соприкосновением становятся равными положительным потерям тепла при испарении . Следовательно, существует равновесное состояние, но, как указывалось выше, оно носит динамический характер. В этой точке, характеризующей равновесное состояние, результирующая теплоотдача равна нулю и вода не снижает свою температуру.

Из изложенного выше следует, что процессы, происходящие при испарительном охлаждении, более сложные, чем теплообмен через твердую стенку. При испарительном охлаждении происходит дополнительно поверхностное испарение воды, сопровождающееся массообменом. Вода может быть охлаждена до температуры, более низкой, чем начальная температура охлаждающего ее воздуха (по сухому термометру), что свойственно только испарительному охлаждению. Температура охлаждающего воздуха может повышаться и понижаться при понижении в то же время температуры воды [5].

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГРАДИРЕН

3.1 Оросители

Оросители являются основным конструктивным элементом градирни, определяющим ее охлаждающую способность. Конструкция оросителя должна обеспечивать получение достаточной площади поверхности охлаждения при оптимальном аэродинамическом сопротивлении. В зависимости от характера преобладающей поверхности охлаждения оросители могут быть: пленочные, капельные (капельно-пленочные), комбинированные и брызгальные. Каждый тип оросительного устройства может иметь весьма разнообразные конструкции отдельных элементов и размеры, а также может выполняться из различных материалов.

При выборе типа оросительного устройства в каждом конкретном случае должно производиться сопоставление охлаждающей способности и стоимости градирни. Значение потерь напора при движении воздуха в оросителе также является неотъемлемым показателем его работы, так как оно характеризует эксплуатационные затраты на градирню. Необходимо учитывать и ряд других показателей - долговечность, изнашиваемость материала, прочность и массу оросителя, легкость установки, доступность ремонтов и осмотров, а также наличие в охлаждаемой воде взвешенных веществ и агрессивных примесей.

Основным типом оросителей, обеспечивающих наиболее высокий эффект охлаждения, является пленочный, но он чувствителен к наличию в воде нефтепродуктов, взвешенных веществ и других примесей, вызывающих зарастание зазоров между элементами. При пленочных оросителях концентрация нефтепродуктов в воде не должна превышать 25 мг/л, а концентрация взвешенных веществ - 50 мг/л. При наличии в оборотной воде жиров, смол и нефтепродуктов, общая концентрация которых составляет 25-120 мг/л, применяют капельные или капельно-пленочные оросители, выполненные из сетчатых элементов, а при концентрации указанных веществ в отдельности, равной более 120 мг/л, - брызгальные.

При наличии в охлаждающей воде примесей, агрессивных по отношению к материалам конструкций градирен, экономически целесообразно предусматривать обработку и очистку воды с целью исключения или уменьшения степени агрессивности и загрязненности.

Оросительные устройства вентиляторных и башенных градирен по своей конструкции аналогичны. Вентиляторные градирни с пленочным оросителем выполняются, как правило, противоточными. Наряду с пленкой в оросителях такого типа образуется определенное количество капель и мелких брызг, свободная поверхность которых, как и поверхность пленки, участвует в тепло- и массообмене между водой и воздухом.

За последнее время стали применяться чисто пленочные оросители ячеистой и листовой конструкций, в которых количество капель сводится до минимума или полностью исключается. Щиты и решетки пленочных оросителей могут изготавливаться из различных материалов: дерева, асбестоцемента, пластмассы, металла, бумаги и картона, пропитанных различными смолами, и др. Долгое время основными материалами для изготовления оросительных устройств служили дерево и асбестоцемент [9].

3.1.1 Пленочные оросители

Деревянные оросительные устройства пленочного типа выполняются из прямоугольных брусков толщиной 8-13 мм и шириной до 100 мм. Из них изготавливаются щиты высотой 1,25-2,6 м и шириной до 2,5 м за счет крепления досок широкой гранью к двум-трем вертикальным рейкам с промежутками в 40-150 мм. Доски по высоте в соседних щитах могут располагаться в одной плоскости или "вразбежку". Применение отдельных щитов для монтажа пленочных оросителей не оправдало себя на практике, поэтому они собираются, как правило, в жесткие блоки. Расстояния между щитами блочного деревянного оросителя 20-80 мм. Блоки по высоте устанавливаются в один или два яруса на горизонтальные опорные балки каркаса оросителя или подвешиваются к ним на стальных тягах. Щиты в блоках двухъярусного оросителя могут устанавливаться во взаимноперпендикулярном направлении.

При устройстве оросителя из отдельных щитов они располагаются вертикально или под небольшим углом к вертикали (до 15°). При этом направление наклона щитов меняется на обратное при переходе от яруса к ярусу. Наклонное положение щитов несколько повышает сопротивление проходу воздуха в сравнении с вертикальным, но при этом исключается возможность проскока капель и струек воды на значительную глубину без соприкосновения с планками оросителя.

Щиты обычно изготовляются из нестроганной древесины хвойных пород деревьев, пропитанной антисептиком, или мягколиственных пород деревьев, модифицированной. Крепежные изделия применяются с антикоррозийным покрытием (оцинковка, омеднение и др.).

Характеристиками охлаждающей способности оросителя являются величины и , которые не зависят от гидравлической нагрузки и температурных условий его работы, а также климатических факторов.

Оросители из дерева имеют следующие недостатки: древесина чувствительна к химическому и биологическому воздействию, а планки оросителей не могут быть тоньше 10 мм из-за коробления и разрушения древесины в результате вымывания водой из нее лигнина (делигнификация). В результате этого для связи клеток в древесине остается лишь целлюлоза и она становится непрочной. Процесс делигнификации идет более интенсивно при высоких значениях рН и значительном содержании в воде активного хлора [9].

3.1.2 Асбестоцементные оросители

Изготавливаются из стандартных плоских или волнистых листов. Асбестоцемент, как и дерево, хорошо смачивается водой, он гигроскопичен, впитывает в себя воду в количестве до 12% собственной массы. Благодаря этим качествам по его листам обеспечивается хорошее растекание пленки воды, что является важным свойством в улучшении охладительного эффекта оросителя.

Расстояние между асбестоцементными листами оросительного устройства обычно принимается 15-45 мм. Учитывая, что толщина асбестоцементных листов меньше, чем деревянных, активная поверхность соприкосновения пленок воды с воздухом в единице объема асбестоцементного оросителя при одинаковых расстояниях между щитами выше, чем деревянного. Это обстоятельство позволяет уменьшить высоту оросителя, а следовательно, и снизить высоту подачи воды. Расстояние между листами менее 15 мм нежелательно, так как может произойти засорение промежутков, что вызовет заметное дополнительное сопротивление движению воздуха и увеличение массы оросителя. Асбестоцементные листы в оросителе следует устанавливать преимущественно вертикально, так как при наклонном положении обращенная книзу поверхность не полностью смачивается.

Применяется, как правило, блочная конструкция оросителей из асбестоцементных листов. При сборке блоков из плоских листов или волнистых с параллельным расположением волн устанавливаются разделительные элементы (фарфоровые, пластмассовые и др.), фиксирующие расстояния между листами. В оросительных устройствах из волнистых листов с чередующимися вертикальным и горизонтальным расположениями волн расстояние между листами определяется высотой волн, поэтому разделительные элементы не требуются.

Недостатком асбестоцементных оросителей является сравнительно большая масса на единицу площади, что вызывает утяжеление несущих конструкций, его концерогенные свойства и склонность к зарастанию поверхности листов солями карбоната кальция.

Максимальные размеры стандартных асбестоцементных листов: плоских 1200Ч1600 мм, волнистых 994Ч2500 и 994Ч2800 мм. Толщина плоских и волнистых непрессованных листов составляет 8-10 мм, плоских прессованных - 6 мм [9].

3.1.3 Пластмассовые пленочные оросители

Такие оросительные устройства являются одним из наиболее прогрессивных и распространенных типов. Пластмасса противостоит химическому воздействию многих растворов, кислот, щелочей и солей, что выгодно отличает ее от древесины. Однако в охлаждаемой воде содержатся углеводороды, как, например, на нефтеперерабатывающих заводах, в этом случае таких пластмасс, как полистирол, следует избегать.

Ведущие зарубежные фирмы по строительству градирен "Бальке-Дюрр" (Германия), "Хамон" (Франция), "Марли" (США), "Мунтерс" (Швеция) и другие активно ведут разработку пластмассовых оросителей и применяют их в действующих градирнях. Эти разработки усиливаются в связи с дефицитом дерева, плохими экологическими свойствами асбестоцемента и удорожанием энергии. К созданию оптимального профиля указанные фирмы идут разными путями в зависимости от вида материала, его толщины, принятых по условиям прохода воздуха и воды размеров ячеек и т. п. Все большее применение находят пластмассы для изготовления оросителей в Болгарии, Венгрии, Румынии, Чехии, Словакии и Китае.

Пленочные (сотовые или ячеистые) оросители из пластмассы, а точнее из бумаги, впервые начали применять в небольших серийных градирнях заводского изготовления 30 лет тому назад. Пытаясь реализовать большую производительность в малом объеме, изготавливали оросители с удельной площадью поверхности 500 м2/м3. Получили очень высокую производительность, но ороситель часто закупоривался. Исходя из указанных соображений, в Германии применяют пленочные оросители с расстояниями между листами 12; 15; 19 и 27 мм, с удельной площадью поверхности обмена соответственно 240; 180; 140 и 110 м2/м3.

Однако не только удельная площадь поверхности определяет охлаждающую способность оросителя. Большое значение имеют следующие условия: вода должна стекать по оросителю ровной пленкой, а не отдельными ручейками или струйками; соприкасающаяся с воздухом поверхность водяной пленки должна непрерывно обновляться путем турбулентного перемешивания.

Для изготовления пластмассовых оросителей используют поливинилхлорид, полиэтилен низкого давления, насыщенные полиэфирные смолы, ударопрочный полистирол, полимер стирола и акрилнитриала и др. Все эти исходные материалы - листы или пленки обычно имеют гладкую гидрофобную поверхность. Чтобы изготовить из них оросители, удовлетворяющие указанным выше условиям, необходимо видоизменить их поверхность и форму.

В НИИ ВОДГЕО проведено множество испытаний оросителей из полимерных материалов различной конфигурации, чтобы выявить и выделить по возможности в чистом виде конструктивные факторы, влияющие на эффективность оросителя.

Интенсификация охлаждающей способности пластмассовых оросителей может быть осуществлена путем использования таких приемов, как создание шероховатой, пористой или волнистой поверхности, подбор оптимального числа и формы волн, перфорирование листов или замена их сетками, а также устройство разрывов по ходу движения воды и воздуха, обеспечивающих чередование капельных и пленочных режимов движения воды и за счет этого перераспределение и дополнительную турбулизацию взаимодействующих потоков и повышение тепломассообмена. Наибольший эффект интенсификации охлаждения достигается за счет комбинирования указанных выше приемов.

Увеличение охлаждающей способности оросителей обычно сопровождается увеличением их аэродинамических сопротивлений, что, как правило, считается нежелательным. Однако этого не всегда следует опасаться, так как для обеспечения равномерного и полного растекания потока воздуха по сечению оросителя он должен обладать определенным сопротивлением. Поэтому для окончательной оценки эффективности и рациональности применения конкретного оросителя целесообразно проводить технико-экономические расчеты с учетом всех влияющих факторов. Основными из них являются охлаждающая способность и аэродинамическое сопротивление оросителя [9].

3.1.4 Капельно-пленочные оросители

Выполненные из дерева оросители состоят из двух или более частей, располагаемых непосредственно друг над другом. По своей конструкции капельная и пленочная части такого оросителя не отличаются от обычных капельных и пленочных. Конструкции капельно-пленочных оросителей из полимерных материалов могут быть аналогичны деревянным. Однако более перспективными являются конструкции капельно-пленочных оросителей, выполненные из пластмассовых сеток, сформированных в виде призм, гофролистов и др. По возможности работать на загрязненной воде капельно-пленочные оросители, выполненные из сетчатых элементов, имея значительно уменьшенную высоту (~ 1 м), не уступают капельным деревянным высотой 2-3 м, а некоторые конструкции и превосходят их.

При реконструкции градирен с целью максимального использования сохранившихся элементов могут применяться и комбинированные капельно-пленочные оросители, например, из асбестоцементных листов в нижнем ярусе и полимерных сеток или листов различных видов в верхнем [9].

3.1.5 Капельные оросители

Эти оросители конструктивно представляют собой объемную решетку из планок или реек. Основным материалом для их изготовления служит древесина хвойных пород деревьев, пропитанная антисептиком, или мягколиственных пород деревьев, модифицированная. Планки имеют в сечении прямоугольную или треугольную форму. Появившаяся было тенденция к изготовлению капельных оросителей традиционной конструкции из синтетических материалов в нашей стране развития не получила. Они были быстро вытеснены сетчатыми капельно-пленочными оросителями, с успехом применяющимися на такой же загрязненной воде, как и капельные, но имеющими больший охлаждающий эффект и лучшую технологичность изготовления и монтажа.

Пособие по проектированию градирен ориентирует на удельные гидравлические нагрузки для градирен с капельным оросителем . В реальной практике проектирования капельные градирни в зависимости от условий охлаждения воды рассчитывают на , а иногда и более [9].

3.1.6 Брызгальные оросители

Это оросительные устройства заполненные воздухонаправляющими щитами, предназначенными для улучшения распределения воздушного потока.

Щиты выполняются в виде спаренных блоков из досок, волнистых асбестоцементных листов или листового стеклопластика. Расстояние между щитами принимается обычно 0,4-0,5 м. Поскольку щиты несколько увеличивают поверхность соприкосновения воды с воздухом, в отдельных случаях при необходимости увеличения эффективности охлаждения расстояния между ними уменьшают до 0,2 и даже до 0,1 м. Тогда этот брызгальный ороситель работает как разреженный пленочный. Охлаждающая способность брызгальных оросителей примерно на 20% ниже капельных при таком же расходе материала (дерева). Это обуславливает целесообразность применения градирен с такими оросителями только при невысоких требованиях к температуре охлажденной воды, содержащей большое количество механических загрязнений или вещества, способные образовать трудно удаляемые отложения на элементах капельного или пленочного оросителя. Поэтому брызгальные градирни находят применение, в основном, на металлургических предприятиях в системах оборотного водоснабжения доменных и конверторных газоочисток, прокатных цехов, газогенераторных производств, аглофабрик и т.п. Удаление из брызгальной градирни воздухонаправляющих щитов снижает охлаждающую способность в 2-2,5 раза. Близки к ним по этому показателю эжекционные градирни [9].

Выбор оросителя. При выборе оросителей следует учитывать их технологические особенности. Охлаждающая способность градирни при одинаковых параметрах воды и атмосферного воздуха тем выше, чем больше значение произведения оросителя. При равенстве этого параметра в градирнях с малым относительным расходом воздуха (), что характерно для башенных градирен, предпочтительнее применять оросители и с меньшим значением показателя степени при л. Когда л > 1 эффективнее по охлаждающей способности оказываются оросители с более высокими значениями . При л = 1 параметр не влияет на охлаждение воды.

Следует учитывать также, что по сравнению с трубчатыми и листовыми оросителями решетчатые конструкции требуют меньшего количества материала на изготовление. Они допускают и большую неравномерность распределения

воды по верху оросителя, которая, как правило, имеет место в практических условиях эксплуатации градирен, поскольку поток воды при движении сверху вниз в их объемной решетчатой структуре имеет возможность свободного перераспределения. При этом поверхность охлаждения, состоящая из пленок, стекающих по перемычкам решеток, и капель, срывающихся с них и падающих вниз при многократном дроблении, непрерывно обновляется и турбулизируется потоком воздуха, что интенсифицирует процесс испарения (охлаждения) воды. Трубчатые оросители, как и листовые, при высоте 0,7-1,5м требуют равномерного распределения воды в градирне, поскольку возможность ее перераспределения в объеме имеется только в пространстве между трубами и листами. В трубах, занимающих около 50% активного объема градирни, возможность такого перераспределения отсутствует. При расходе воды, например 10400 м3/ч, для градирни площадью 1520 м2 при равномерном орошении на площадь, занимаемую каждой трубкой диаметром 44-63 мм, должно попасть 0,01-0,02 м3/ч воды. При несоблюдении этого условия некоторая часть активного объема трубчатого оросителя может вообще не участвовать в процессе охлаждения воды. Целесообразно блоки трубчатых оросителей изготавливать малой высоты (250-300 мм) и устанавливать в градирне с разрывами в вертикальной плоскости [9].

3.2 Водоуловители

Работающая градирня выбрасывает в атмосферу воздух, насыщенный водяными парами и содержащий капельки воды размером 100-500 мкм. Значение капельного уноса регламентируется СНиПом. Она определяется так же, как потеря воды вследствие уноса ветром (что для градирен неточно) в процентах от расхода охлаждаемой воды. Значение допускаемого СНиПом уноса зависит от вида охладителя и состава загрязнений оборотной воды. Фактическая эффективность водоуловителей согласно опубликованным отечественным и зарубежным данным колеблется в пределах 0,001-0,5%, по сообщениям из Японии это значение для поперечноточных градирен с водораспределением без разбрызгивания составляет 0,0001%. Такое разнообразие оценок значения уноса может быть объяснено различием не только условий, в которых работают водоуловители (скорость воздуха, расход воды, конструкция и размеры водоуловителя и градирни), но и методов измерений капельного уноса.

При сопоставлении технологических характеристик различных водоуловителей следует обязательно обращать внимание на условия и методику испытаний сравниваемых конструкций. Эти требования объясняются многообразием существующих на сегодня методик и приборов для испытаний водоуловителей, а также большим влиянием на результаты таких факторов, как качество монтажа водоуловителей, скорость движения воздуха, конструкции водораспределителя и оросителя, размеры капель, плотность орошения.

Чтобы в натурных условиях получить такие же высокие показатели волоулавливания (0,007 и 0,001%), как и при лабораторных испытаниях, фирма считает необходимым соблюдение следующих основных требований:

- тщательная расстановка блоков водоуловителя так, чтобы не было сквозных щелей между блоками и стенками градирни, а также самими блоками;

- вертикальная составляющая скорости движения воздуха не должна превосходить максимально допустимое значение ни в одной точке водоуловителя по всему сечению градирни;

- все измерения характеристик водоуловителя должны производиться непосредственно над водоуловителем по методике фирмы или согласованной с ней;

- монтаж и сборка профильных (жалюзийных) водоуловителей должны осуществляться по инструкции.

Все известные конструкции водоуловителей работают по одному принципу - осаждение летящих вверх капелек воды на препятствии за счет инерции при отклонении воздушного потока для огибания этого препятствия. В качестве препятствия используются деревянные, асбестоцементные или пластмассовые дощечки, планки, лопатки, соты (каналы) различной конфигурации, располагаемые в 1-3 ряда, а также волокна сеток. Различные типы водоуловителей отличаются друг от друга не только материалом, но и формой указанных элементов (препятствий) и их расположением.

Долгое время основным типом водоуловителей, использовавшихся в отечественных градирнях, были деревянные жалюзийные. Однако они удовлетворяют предъявляемым требованиям только при качественном изготовлении и монтаже; нуждаются в специальной раскладке блоков и постоянном надзоре за состоянием конструкций в процессе эксплуатации, поскольку в условиях работы градирен быстро разрушаются и теряют оптическую плотность, что приводит к резкому увеличению уноса капель. Кроме того, дерево становится все более дефицитным и дорогостоящим материалом и требует специальной обработки против гниения. Поэтому все большее внимание уделяется разработке и освоению водоуловителей из полимерных материалов. Как конструкционный материал пластмассы позволяют значительно усовершенствовать конфигурацию водоуловителей и снизить их массу, но требуют при этом высокой технологичности изготовления. Несоблюдение этого требования не позволяет внедрить в промышленность даже самую эффективную конструкцию пластмассового водоуловителя.

В то же время в угоду технологичности нельзя поступаться требованиями, которым должен отвечать водоуловитель как элемент, соответствующий своему назначению в работе градирни. Конфигурация водоуловителя во многом определяет характер потока воздуха на входе в конфузор и подходе к вентилятору. Конструкция и расположение лопаток и решеток водоуловителя должны обеспечивать направление потока воздуха вертикально вверх к вентилятору, выполняя в этом случае функцию направляющего аппарата.

Водоулавливающая способность водоуловителей существенно зависит от скорости воздуха перед ним и плотности орошения . Также преобладающее влияние на значение капельного уноса оказывает гранулометрический (дисперсный) состав капиль, находящийся в потоке воздуха.

При выборе водоуловителя в конкретном случае необходимо учитывать, что каждому из них присущи свои достоинства и недостатки. Они различаются материалом, схемой сборки блоков и механической прочностью, а также значением аэродинамического сопротивления проходу воздуха [9].

3.3 Водораспределительные устройства

Водораспределительное устройство является технологическим элементом градирни, во многом определяющим ее эффективную и надежную работу. Оно должно обеспечивать равномерное распределение воды по оросителю при небольших энергозатратах, не создавая ощутимых препятствий проходу и распределению потока воздуха. В брызгальных и эжекторных градирнях параметры водораспределительного устройства в значительной мере определяют степень охлаждения воды.

Диапазон размеров капель и пленок воды, создаваемых водораспределителем, должен, с одной стороны, способствовать уменьшению капельного уноса из градирни, а с другой - не допускать образования водяных струй в оросителе. С этих позиций опимальный размер капель составляет 2-3 мм в диаметре. В некоторых случаях (в основном в брызгальных градирнях) конструкция и материал водораспределителя должны быть рассчитаны на пропуск воды с большим содержанием взвешенных веществ. Исследованиями и разработкой водораспределительных устройств уже давно занимаются в нашей стране и за рубежом.

Водораспределительные устройства градирен можно разделить на три основные группы: разбрызгивающие, без разбрызгивания и подвижные. Разбрызгивающие водораспределительные устройства, в свою очередь, подразделяются на безнапорные, представляющие собой системы открытых желобов и лотков, и напорные, выполняемые из закрытых желобов или труб с соплами или разбрызгивателями, к которым вода подводится с большим или меньшим напором. В промышленных вентиляторных противоточных градирнях в нашей стране в последнее время применяются, как правило, разбрызгивающие напорные водораспределительные устройства, представляющие собой систему

стальных трубопроводов, оборудованных пластмассовыми соплами различных видов и конструкций.

Трубчатые системы распределения воды градирен относятся к системам большого сопротивления, в которых разбрызгивающие сопла располагаются с

постоянным шагом (обычно 0,5-1 м). Равномерность распределения воды в таких системах достигается за счет существенно большего сопротивления проходу воды в соплах, чем изменение пьезометрического напора в трубопроводе за счет потерь на трение и восстановление скоростного напора при изменении скорости движения воды.

Методы расчета трубчатых систем распределения воды основаны на общеизвестных законах гидравлики при движении жидкости по трубопроводу с переменной массой. Расчет напорных водораспределительных систем заключается в определении таких диаметров труб и скорости движения воды в них, при которых обеспечиваются примерно одинаковые напоры воды перед соплами и не происходит засорение труб взвешенными частицами [9].

3.3.1 Водоразбрызгивающие сопла

Современные требования к разбрызгивающим соплам градирен в части экономии энергозатрат и равномерности распределения воды по оросителю могут быть сформированы следующим образом: они должны обеспечивать развитый факел разбрызгивания воды с радиусом 1,5-2 м при 5-30 кПа и не подвергаться засорению при концентрации взвешенных веществ в оборотной воде около 100-150 мг/л в присутствии механических включений (окалины, продуктов коррозии стали и т.п.).

По принципу действия сопла разделяются на центробежные, струйно-винтовые и ударные. Большое разнообразие сопел обусловлено, с одной стороны, поиском конструкции, которая при малом напоре воды и достаточной производительности обеспечивала бы требуемые гидравлические характеристики, а с другой - стремлением каждой фирмы иметь свою конструкцию сопла, чтобы изготавливать все элементы градирен на собственном производстве и по патентным соображениям.

Сопла ранее изготовлялись, в основном, литыми из чугуна или цветного металла. В последние годы в нашей стране и за рубежом для изготовления сопел стали применять пластмассу - полиэтилен, полистирол и др.

Сопла из пластмасс не подвергаются коррозии в условиях работы градирен, проще и дешевле в изготовлении и имеют меньшую шероховатость внутренней поверхности, что при прочих равных условиях увеличивает их пропускную способность. Пластмассовые сопла обладают также более устойчивыми гидравлическими характеристиками.

При проектировании водораспределительных систем градирен сопла подбирают с учетом их пропускной способности, габаритов факелов разбрызгивания при располагаемом напоре воды и степени загрязненности оборотной воды. Во всех случаях расположение сопел на трубах водораспределительной системы должно обеспечивать равномерное распределение воды по площади оросителя.

Эффективность работы сопел в градирне определяется их основными технологическими (гидравлическими) характеристиками, зависящими от заданного напора перед соплами: расхода воды через сопло, радиуса факела разбрызгивания, распределения воды в зоне факела.

Иногда в качестве водоразбрызгивающих сопел для градирен, если это экономически оправдано, применяются форсунки широкого назначения, например форсунка каскадная высокопроизводительная типа ФГ. Согласно проекту, форсунка ФГ предназначена для среднего и грубого распыления жидкости в градирнях, скрубберах, конденсаторах, а также для распыления загрязненной жидкости большой температуры с частицами размером до 10-15 мм. Форсунка изготавливается из нержавеющей стали или металла, защищенного от коррозии специальным покрытием.

При выборе типа сопел слудет учитывать, что при тонком распыливании воды капли мелких фракций могут уноситься уходящим из градирни воздухом или же полностью испаряться, что увеличивает потерю воды и приводит к увлажнению воздуха, ухудшающему охлаждению остальных капель [9].

3.3.2 Системы распределительных труб и лотков

В градирнях могут применяться трубчатые или лотковые системы распределения воды. Напорные трубчатые системы в сравнении с лотковыми безнапорными создают меньшее сопротивление проходу воздуха, менее чувствительны к колебаниям расхода воды и проще в эксплуатации. По этой причине в нашей стране примерно с 1970г. градирни проектируются и строятся с трубчатыми водораспределительными системами. Однако за рубежом лотковые водораспределительные системы широко используются. Они более экономичны по энергозатратам на подачу воды на градирни. Схема трубопроводов в плане принимается соответственно форме поперечного сечения градирни. При работе этих систем происходит снижение расхода в направлении движения воды по трубопроводу (лотку) вследствие попутного его оттока через разбрызгивающие сопла (насадки).

Гидравлический расчет систем заключается в определении диаметров магистральных и распределительных труб при заданном напоре воды в начале системы, при которых обеспечивается относительно равномерное распределение расходов воды по трубам и через разбрызгивающие сопла. Характерной особенностью истечения воды через разбрызгивающие сопла некоторых конструкций является неполное заполнение водой выходного отверстия (несовершенное сжатие струи). Степень равномерности распределения расходов воды между соплами зависит от соотношения потерь напора (сопротивления) в них и по длине распределительной трубы. При этом степень равномерности можно повысить увеличением потерь в соплах или уменьшением их по длине трубы. Потери напора в соплах можно повышать путем уменьшения числа сопел или их производительности. Снизить потери напора по длине трубы можно увеличением площади ее поперечного сечения. Контролируют скорость движения воды: в магистральных трубах она должна быть около 1,5-2 м/с, в распределительных - не более 1,5 м/с. Распределительные трубы могут быть стальными, асбестоцементными и пластмассовыми; магистральные - преимущественно стальными [9].