Охлаждающие устройства. Система оборотного водоснабжения.

ОХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА. СИСТЕМА ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ.

Классификация

Использование воды в охлаждении в промышленных целях по масштабам превосходит все остальные виды потребления. В оборотной системе водоснабжения промышленных предприятий более 80% всей циркулирующей воды нагревается и подлежит последующему охлаждению до исходной температуры перед последующим применением. Для этого используются охлаждающие устройства, которые охлаждают до температур отвечающим оптимальным технико-экономическим показателям работы.

Понижение температуры в охладителе происходит за счет передачи тепла воздуху. По способу передачи тепла охладители делятся на

- испарительные – охлаждают воду испарением при непосредственном контакте с воздухом, при этом испарение 1% воды снижает температуру на 6 градусов.

- поверхностные (радиаторные) – охлаждение происходит за счет передачи тепла воздуха через стенку трубок – радиаторов, внутри которых она проходит без контакта с воздухом.

Испарительные охлаждают и увлажняют, радиаторные только охлаждают!

Так как теплоемкость и влагоемкость воздуха не велика, то для охлаждения требуется интенсивный воздухообмен. Для снижения 40 градусов до 30 при температуре воздуха 25 градусов на 1м3 охлаждаемой воды к испарительному охладителю нужно подвести 1000м3 воздуха а к радиаторному 5000м3.

 

ИСПАРИТЕЛЬНЫЙ ТИП ОХЛАДИТЕЛЕЙ ОБОРОТНОГО ПРОМВОДОСНАБЖЕНИЯ

Испарительные охладители

По способу подвода к ним воздуха делятся на:

-открытые (водохранилища-охладители, брызгальные бассейны, гардирни) – движение воздуха происходит ветром и естественной конвекцией.

-башенные (башенные градирни) – движение воздуха за счет естественной тяги создаваемой высокой натяжной башней.

-вентиляторные (вентиляторные градирни) – принудительная подача воздуха с помощью нагнетательных или отсасывающих вентиляторов.

 

Водохранилища – охладители

По назначению, расположению и условием питания различают следующие группы:

А) регулирующие водохранилища на водотоках. Используются для охлаждения циркуляционной воды и для многолетнего регулирования стока.

Б) Водохранилища на водотоках без регулирования стока

В) Водохранилища на естественных озерах и прудах

Г) Наливные водохранилища вне водотока с подпиткой из ближайших рек

Проектирование основных сооружений водохранилища-охладителя

Проектирование дамб, водосбросов и каналов производят по нормам проектирования гидротехнических сооружений.

Место расположения водосбросных, водозаборных, струераспределительный и струенаправляющих сооружений выбирают исходя из условий получения необходимой площади активной зоны(w_акт), на основе технико-экономических расчетов.

Струенаправляющие и струераспределяющие сооружения выполняют в виде водосливов, мостов, труб, консольных водосбросов, фильтрующих дамб из каменной наброски.

Наиболее рациональным сооружением для забора воды из водохранилища глубиной более 4-5м – называется глубинный водозабор, обеспечивающий прием воды из придонных слоев. Его преимущества:

+Достигается наиболее низкая температура забора воды.

+Предотвращается или значительно сокращается захват биологических загрязнений

+Резко уменьшается захват рыбы и мольков

+Достигается наиболее рациональная продувка водохранилища

+Обеспечивается бесперебойная подача воды потребителю при шуговых (ледяная крошка) явлениях без принятия мер по обогреву водозаборов.

 

Брызгальные бассейны

Основным элементом брызгального бассейна является брызгальное устройство – это система сопл, разбрызгивающих под напором подводимую к ним воду. При этом суммарная поверхность капель должна быть достаточной для охлаждения воды при ее испарении. Происходящий процесс достаточно сложен, что затрудняет разработку теоретических методов их теплового расчета. Для определения температуры охлажденной воды используют эмпирические зависимости.

Брызгальные устройства располагают над искусственным бассейном или над естественным водосливом. Иногда для дополнительного охлаждения над водохранилищем-охладителем при его ограниченных размерах. Применяется два основных типа сопл:

- центробежные - вода проходит по спирали, разбрызгивается под действием центробежной силы. Выполняются из ковкого чугуна или пластмассы.

- щелевые - из отрезков газовых труб на конце которых деляют прорези в виде щели, образующиеся зубцы отгибают к оси, чтобы получился конус с небольшим отверстием в вершине.

Конструкция сопла и величина напора воды пред ними определяют поверхность охлаждения водяного факела. При повышении напора она увеличивается из-за удлинения траектории полета капель, уменьшая их диаметр. Однако увеличение напора повышает затраты на электроэнергию и увеличивает унос капель ветром за пределы бассейна.

Сопла располагаются на высоте 1,2-1,5 м над уровнем воды по одному или группами по 3-5 шт на определенном расстоянии.

Распределительные трубопроводы присоединяют к коллектору.

Трубопроводы изготавливают из стали и прокладывают над или под уровнем воды. При прокладке под водой упрощается конструкция опор и устраняется опасность обледенения в зимнее время, но усложняется ремонт и наблюдение за ними.

Размеры и расположение брызгальных устройств определяется расходом охлаждаемой воды и плотностью орошения, то есь расходом воды на 1м2 площади брызгального устройства. Плотность орошения 0,8-1,3м/ч.

Для эффективного продувания ветром распределительные линии брызгальных устройств размещают параллельно направлению господствующих ветров. Расстояние между крайними соплами на одной линии менее до 45м.

Бассейн состоит не менее чем из двух секций, глубина воды порядка 1,5м, превышение бровки не менее 0,3м. Одежда откосов и дна бассейна должна предотвращать фильтрацию через них воды. При слабоводопроницаемых грунтах – облицовка из ж/б плит или слой асфальтобетона. При сильно водопроницаемых грунтах по подготовке из бетона укладывают слой гидроизоляции, сверху – бетонные или ж/б плиты. Вокруг бассейна – асфальтированная площадка шириной 3-5м, с уклоном в сторону от бассейна.

 

Градирни

Необходимая для охлаждения воды площадь ее соприкосновения создается на оросителях. Оросители бывают:

- капельный Такой ороситель состоит из большого числа деревянных реек треугольного или прямоугольного сечения расположенных ярусами. При падении капель с верхних реек на нижние образуется факел мелких брызг создающий большую поверхность воды с воздухом.

- пленочный состоит из щитов установленных вертикально или под небольшим углом. Вода стекает по поверхности щитов, образуя пленку 0,3-0,5мм. Щиты выполняют или из отдельных досок на некотором расстоянии друг от друга или сплошные из хорошо смачивающихся материалов. Для создания сплошной пленки ни нижней кромке щита делают треугольные вырезы (фестоны), которые сосредотачивают стекающую воду в струйки и растягивают пленку по поверхности щита. Предпочтительнее капельного, но на его изготовление идет больше материалов.

- комбинированные (или капельно-пленочные) при конструировании оросителя стремятся к улучшению сопротивления воздуха так как это увеличивает расход воздуха через градирню и ускоряет процесс охлаждения воды.

Иногда вместо оросителей применяют высоконапорные разбрызгивающие сопла, но они менее эффективны из-за меньшей площади контакта воды с воздухом.

В поперечноточном оросителе воздух проходит горизонтально поперек стекающих вниз пленок или падающих капель воды.

В противоточном – воздух движется вверх навстречу стекающей воды.

Распространены оросители из плоских или волнистых асбестоцементных листов с каркасом из сборного ж/б-на и пластмассовые оросители.

Во избежание обледенения оросителей зимой уменьшают поступление воздуха в градирню или обливают теплой водой участки оросителя вблизи воздухо-входных окон.

 

Виды градирен

Открытые градирни

Бывают двух типов:

-Брызгальные. Небольшой брызгальный бассейн огражденный со всех сторон железобетонными решетками, которые препятствуют большому выносу брызг воды за пределы градирни. Разбрызгивающие сопла небольшой пропускной способности на высоте 4-5 м над уровнем воды в бассейне и направляются вниз. Плотность орошения: 1,5 – 3м/(ч*м2).

-С капельным оросителем имеют оросители из деревянных брусков между жалюзийными стенками. Водораспределительное устройство состоит из системы труб с соплами. Плотность орошения 2-4м/(ч*м2).

Башенные градирни

Выполняют в виде вытяжных башен для создания естественной тяги за счет разности удельного веса наружного воздуха, поступающего в градирню и нагретого увлажненного воздуха, выходящего из градирни. При противоточных оросителях вытяжные башни сооружают над ними. Поперечноточные оросители расположены кольцом вокруг башни.

Площадь сечения должна быть не менее 30-40% от площади оросителя. Башни малых и средних по производительности градирен могут быть: цилиндрическими, формы усеченного конуса или формы усеченной многогранной пирамиды. Башни крупных градирен в виде оболочек гиперболической формы, которые наиболее рациональны по условиям устойчивости и внутренней аэродинамики. Применяют каркасно-обшивные и монолитные башни.

В каркасно-обшивных каркас выполняют из стальных элементов и сварки, а обшивку из деревянных щитов асбестоцементных волнистых листов или листового алюминия.

Обычно башни опираются на рамную конструкцию которую называют колоннадой, между стойками которой проходит воздух. Под оросителями градирни устраивают водосборный резервуар из монолитного ж/б с гидроизоляцией внутренней поверхности. Охлажденная вода подается по стоякам в водораспределительное устройство, размещаемого в центре градирни.

Вентиляторные градирни

Два основных типа:

Башенные – оборудованные вентиляторами большой производительности с использованием естественной тяги воздуха. В башенных градирнях вентиляторы устанавливают в горловине башни.

Секционные – из стандартных секций, обслуживаемых вентиляторами.

Для уменьшения уноса капель за пределы градирни применяют водоуловительные жалюзийные решетки. Воздух выходит с одной или двух сторон. Каждая секция оборудуется отсасывающим или нагнетательным вентилятором. Отсасывающие вентиляторы, устанавливаемые над оросителем, обеспечивают более равномерное распределение воздуха не обмерзает зимой так как находится в зоне теплого воздуха. Нагнетательные устанавливают на входном отверстии градирни у ее основания.

Вентиляторные градирни – удобно, но дорого.

Потери воды в охладителях

При охлаждении воды в испарительных охладителях часть ее теряется на испарение, величина потерь определяется по формуле в % от циркуляционного расхода:

k – коэффициент учитывающий долю теплоотдачи испарению в общем процессе теплоотдачи в охладителе (см табл)

 

Сезон года	значение k
Водохранилища-охладители	Брызгальные бассейны и градирни
лето	0,10-0,13	0,13-0,15
Осень/весна	0,08-0,09	0,11-0,12
зима	0,06-0,07	0,09-0,10

 

Dt- перепад температур, градус

Кроме потерь на испарение часть воды уносится с воздухом в виде капель за пределы градирни, процесс называется– капельный унос.

Потери на унос в % от циркуляционного расхода составляют:

Брызгальные бассейны с пропускной способностью до 500м/ч: 2-3%,

Более 500м/ч: 1,5-2%;

Открытые и брызгальные градирни: 0,5-1,5%,

Башенные градирни: 0,5 – 1%,

Вентиляторные градирни при наличии водоуловителей 0,3-5%.

 

Выбор типа охладителя

Производится на основе технико-экономического уравнений различных типов, в них учитывают:

-показатели работы снабжаемого водой оборудования

-требования технологии промышленных предприятий к температуре охлаждающей воды

-гидрологические условия

-метеорологические условия

-геологические условия

-топографические условия

-качество и стоимость добавочной воды

Открытые градирни

+Небольшие размеры, особенно при малых расходах воды

+применяют, когда не требуется постоянной температуры охлажденной воды

-низкий охладительный эффект

Башенные градирни

+Обеспечивают более устойчивое охлаждение и более низкие температуры воды

+компактно размещаются на площадке промпредприятия

+могут применяться при различных расходах воды

-высокая строительная стоимость и сложность сооружения

(обычно применяются для крупных промышленных предприятий)

Вентиляторные градирни

+Обеспечивают наиболее глубокое и стабильное охлаждение воды

+в летнее время охлаждает до более низких температур чем другие охладители

+возможно регулирование температуры воды путем изменения частоты вращения или отключения отдельных вентиляторов

+Имеют обычно меньшую строительную стоимость, компактно размещаются на площадке промпредприятия

-большой расход электроэнергии

-Сложность эксплуатации механического и электрического оборудования

-увлажненный воздух из градирен распространяется низко над землей, образуя туман и вызывая обледенение окружающих строений

Целесообразно применение, когда технологические процессы предприятия не требуют низкой и стабильной температуры охлаждаемой воды, а также в районах с жарким и влажным климатом

Роль воды на предприятии

На предприятии вода расходуется на:

- технологические нужды. Используется как правило для вспомогательных целей и в состав продукции входит лишь на некоторых производствах в небольших количествах. В соответствии с ролью, выполняемой водой в системах производственного водоснабжения делятся на 4 категории:

1. вода для охлаждения оборудования и продукта в теплообменных аппаратах без соприкосновения с продуктом. Вода только нагревается и практически не загрязняется.

2. Как среда, поглощающая и транспортирующая примеси (без нагрева): обогащение полезных ископаемых, гидротранспортирование. Загрязняется механическими и растворенными примесями.

3. В качестве охладителя транспортной среды и поглотителя примесей: улавливание и очистка газа, гашение кокса и прочее. Вода нагревается и загрязняется.

4.Для растворения реагентов, получения пара. В основном входит в технологическом продукт и лишь часть загрязняется.

- хозяйственно-питьевые нужды;

- полив территории и зеленых насаждений;

- пожаротушение.

Требования к качеству воды

Хозяйственно-питьевая соответсвует СанПиН. Качество воды на пожаротушение не регламентируется.

Качество воды на производтсвенные нужды устанавливается в конкретном случае в зависимости от назначения воды, требования технологического процесса сырья, и применяемого оборудования готового продуктопроизводства. Главное при технологическом нормировании качества воды – условия применения воды в системах производственного водоснабжения, чтобы вода не нарушала технологического процесса и санитарно-технического состояния рабочих мест. В соответствии с этим выдвигаются следующие требования:

-должна быть безвредной для персонала

-должна иметь хорошие органолептические свойства

-не должна ухудшать качества продукции

-не должна вызывать коррозию аппаратуры, трубопроводов и сооружений

-не должна давать карбонатных и других солевых отложений

-не должна способствовать биологическим и другим видам обрастаний

-не должна снижать технико-экономические показатели производственного процесса

-не должна создавать аварийные ситуации

Требования могут быть различными в зависимости от вида производства!

 

Обезжелезивание воды

Железо в природе встречается в виде ионов 2+ и 3+ в виде компонентов и взвеси неорганического и органического происхождения.

В подземных водах при отсутствии растворенного кислорода находится в виде иона 2+, в поверхностных в виде коллоидов и высокодисперсных и гуматных органических компонентов. При рН до 4,5 железо находится чаще всего в виде ионов, при рН более 4,5: Fe²⁺ -> Fe³⁺ -> Fe(OH)₃¯.

Скорость окисления возрастает при наличии в воде катализаторов. Катализаторами могут быть:

-ионы Cu²⁺ Mg²⁺ PO4^3-,

-При контакте воды с оксидами марганца или уже образовавшимся Fe(OH)3

-C повышением рН.

Методы обезжелезивания: реагентные и безреагентные. (Безраегентные – без участия кислорода воздуха).

Метод обезжелезивания выбирается технологическим анализом, пробного обезжелезивания и пробной установки непосредственно у источника.

По результатам опытного обезжелезивания с учетом опыта существующих выбирают метод который дает лучший эффект при наименьших затратах.

Безреагентные:

1.Упрощенной аэрации – разбрызгивание с определенной высоты обрабатываемой воды над обычным скорым фильтром или промежуточным резервуаром. Происходит окисление Fe²⁺ с образованием Fe(OH)3. С применением безнапорных и напорных фильтров.

2. Метод интенсивного аэрирования – применяется если первый метод не дает необходимого эффекта. Способствует интенсивному удалению угольной кислоты. Применяются: установки с барботажем воздуха, брызгальные установки, вакуум-эжекционный аппарат.

3. Обезжелезивание в пласте – Виредокс. (см лекции) В зависимости от пород возможна кальватация (забивание пор породы) поверхности водоупора и не дает не обходимого расхода.

Реагентные:

1.Обработка сильными окислителями. Используется для разрушения комплексных соединений железа. Необходимо обеспечить определенное время контакта воды с окислителем. Используют контактные камеры

2.Подщелачивание (чаще с использованием извести – известкование) При введении щелочи возрастает рН (более 7) и железо удаляется быстрее. Окисление производится кислородом! Применяется для удаления из воды высококонцентрированных устойчивых форм железа, что достигается после разрушения железо-органических комплексов.

3.Метод фильтрования через модифицированную загрузку. Основан на том, что процесс окисления железа значительно ускоряется в присутствии оксидов марганца. Модифицированную загрузку получают из обычной (например, кварцевый песок) обработкой перманганатом калия. В результате образовавшаяся пленка является катализатором окисления железа.

4.Метод ионного обмена. Отличие от предыдущих в том, что основан не на окислении, а на замещении ионов. Используется для обезжелезивания и умягчения воды – кальциевый катионит Са[кат]₂.

 

ОХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА. СИСТЕМА ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ.

Классификация

Использование воды в охлаждении в промышленных целях по масштабам превосходит все остальные виды потребления. В оборотной системе водоснабжения промышленных предприятий более 80% всей циркулирующей воды нагревается и подлежит последующему охлаждению до исходной температуры перед последующим применением. Для этого используются охлаждающие устройства, которые охлаждают до температур отвечающим оптимальным технико-экономическим показателям работы.

Понижение температуры в охладителе происходит за счет передачи тепла воздуху. По способу передачи тепла охладители делятся на

- испарительные – охлаждают воду испарением при непосредственном контакте с воздухом, при этом испарение 1% воды снижает температуру на 6 градусов.

- поверхностные (радиаторные) – охлаждение происходит за счет передачи тепла воздуха через стенку трубок – радиаторов, внутри которых она проходит без контакта с воздухом.

Испарительные охлаждают и увлажняют, радиаторные только охлаждают!

Так как теплоемкость и влагоемкость воздуха не велика, то для охлаждения требуется интенсивный воздухообмен. Для снижения 40 градусов до 30 при температуре воздуха 25 градусов на 1м3 охлаждаемой воды к испарительному охладителю нужно подвести 1000м3 воздуха а к радиаторному 5000м3.