+7(499)322-81-32
Показать меню
Скрыть меню

Смесительные

Смесительные теплообменники

Теплообмен в этих устройствах осуществляется при непосредственном взаимодействии теплоагентов, в ходе которого они не разделяются мембраной.

К этому классу относятся:

Паровые барботёры и сопловые подогреватели

Паровые барботёры, рисунок СТ 1 А) и бесшумные сопловые подогреватели, рисунок СТ-1, Б) предназначены для нагрева воды (жидкостей) непосредственно струёй «острого пара», который вводится по паропроводу в ёмкость.

Смесительные

Рисунок СТ-1. Нагрев и перемешивание жидкости с помощью барботёра и соплового подогревателя.

Если жидкость необходимо перемешать, то пар вводят через трубы с отверстиями – барботёры, укладываемые на дно ёмкости в виде колец, спиралей или нескольких параллельных труб.

Перемешивание и направленное движение жидкости за счёт эжекции обеспечивает сопловый подогреватель. Характер взаимодействия пара и жидкости таков, что подогреватель работает практически бесшумно. Такие подогреватели часто используют для подачи воды в паровые котлы с её одновременным подогревом.

Если горловина ёмкости открыта, а в ёмкости находится вода, то после начала кипения количество поступившего пара будет равно уходящему количеству (в отсутствие тепловых потерь). При закрытой горловине температура будет нарастать до температуры насыщенного пара при давлении, равном давлении в ёмкости. В рабочем положении в ёмкость для нагрева воздух поступать не должен.

При таком способе нагрева жидкости в неё неизбежно попадает вода. Поэтому барботерный нагрев и нагрев сопловыми подогревателями обычно используют для нагрева воды или водных растворов.

Градирни

Теплоотвод

В процессе функционирования объектов энергетики (атомные и тепловые электростанции), промышленности и объектов социально-культурного назначения (большие торговые центры, офисные комплексы) возникает потребность в отводе тепла.

На тепловых и атомных электростанциях это связано с необходимостью конденсации пара на выходе из выпускного патрубка турбины. Чем быстрее будет сконденсирован пар, тем более глубокий вакуум будет получен, а это повысит КПД электрогенерации.

На объектах промышленности необходимо отводить избыточное тепло от рабочих зон обрабатывающих центров, химических реакторов, ректификационных колон и пр.

В торговых центрах и офисных комплексах требуется охлаждение хладагента после его конденсации перед тем, как он снова поступит в испаритель.

Лучшим охладителем является вода, поэтому она используется в большинстве случаев.

В первом контуре охлаждения вода взаимодействует с охлаждаемым агентом через стенки труб теплообменников – в конденсаторах турбин, холодильных агрегатов, «сухих» теплообменниках химических производств.

Взаимодействие без смешивания – необходимое условие, задаваемое особенностями технологического процесса.

Существуют и такие технологические процессы, например, в нефтехимической промышленности, когда охлаждаемый агент соприкасается с охлаждающей водой и загрязняет её.

Загрязнение воды может быть также вызвано тем, что она используется для одновременной промывки и охлаждения изделий, например, при производстве изделий из полимеров.

Для нас существенно, что после того, как вода охладила рабочий агент первого контура, необходимо её саму охладить: основной способ сделать это – обеспечить её взаимодействие с атмосферным воздухом и остудить, или выбросить из контура охлаждения и заменить «свежей» водой из пресного водоёма или реки.

Открытые и замкнутые циклы водоснабжения

Замена использованной воды на свежую, холодную и чистую – классический метод хозяйствования, применявшийся в течение многих веков.

Этот метод нанёс огромный ущерб природе и продолжает наносить его. Такая система водоснабжения называется «системой водоснабжения с открытым циклом».

Относительно малый экологический вред связан с использованием воды для охлаждения паротурбинных агрегатов электростанций: при этом возникает в основном тепловое загрязнение.

При тепловом загрязнении:

Образующийся пар, особенно в зимнее время, представляет угрозу для растительного и животного мира. Так, например, незамерзающий Енисей после Саяно-Шушенской и Майнской ГЭС без всяких тепловых добавок совершенно изменил климат в долине, где он протекает, от плотины СШГЭС и на десятки километров ниже Саяногорска.

Сброс неочищенных вод, загрязнённых отходами химических, нефтехимических и др. производств представляет ещё большую опасность.

Градирня – это теплообменный аппарат, обеспечивающий охлаждение воды за счёт взаимодействия её потока с потоком воздуха.

Осознание вреда, причиняемого природе системами открытого водоснабжения, а ещё больше – отсутствием возможности использовать системы открытого водоснабжения из-за отсутствия необходимого количества воды, привели к появлению систем водоснабжения замкнутого цикла.

В системах с замкнутым циклом отработанная вода:

После этого вода возвращается в контур охлаждения – водоснабжения.

Такая система существенно меньше загрязняет окружающую среду и позволяет строить мощные объекты генерации электричества (например, ГРЭС – городские районные электростанции) непосредственно в районах концентрации потребителей, где, как правило, ощущается дефицит чистой и холодной воды.

Очистка воды и водоподготовка – нескончаемые и очень интересные темы.

Но здесь мы сосредоточимся на теме охлаждения воды, тоже очень важной и интересной.

Как охладить воду при замкнутом цикле водоснабжения

Как мы уже говорили, в первом контуре охлаждения, предназначенном для отбора тепла от технологических сред к воде, используются установки, в которых теплообмен протекает через стенки труб (мембраны), разделяющих (щие) технологическую среду (пар, хладагент) и воду.

Аналогично можно построить теплообмен между нагретой водой и окружающей атмосферой.

Многочисленные исследования и эксперименты показали, что эффективность такого теплообмена намного меньше, чем теплообмен при прямом смешивании охлаждаемой воды и атмосферного воздуха.

Так появились градирни – устройства для охлаждения большого количества воды направленным потоком атмосферного воздуха при непосредственном взаимодействии воды и воздуха.

Иногда говорят о «сухих» градирнях. Это не совсем корректно. Градирня по своей природе – аппарат, предполагающий непосредственное взаимодействие водяной и воздушной сред.

Если существует твёрдая граница, отделяющая воду от воздуха, правильнее говорить о водовоздушных теплообменниках.

Типы градирен

Типы градирен показаны на рисунке СТ-2.

Смесительные

Рисунок СТ-2. Типы градирен.

Охладительный пруд

«Охладительные пруды» показан на рисунке для общности. Его с трудом можно назвать градирней, но охлаждение воды происходит также по границе «вода – воздух».

Нагретая вода сливается в пруд с одного конца. Остывшая забирается в контур охлаждения с другого. Часто пруды имеют U – образную форму. Охладительные пруды вследствие низкой скорости охлаждения должны иметь огромный объём и площадь.

Так, например, объём охладительного пруда 5-го энергоблока Нововоронежский АЭС – 32 106 кубических метров, площадь водного зеркала - 4,9 кв. км. Максимальная ширина - 1,9 км, длина - 3,5 км. Площадь активной зоны пруда 3,89 кв. км. Средняя глубина - 6,8 м, максимальная - 16 м. Для повышения охлаждающей способности пруд разделён струенаправляющей дамбой длиной 2,3 км.

Для улучшения качества воды в охладительных прудах предусмотрена «продувка», т.е. смена воды. Она выполняется во время весеннего паводка. Для замены воды используются ближайшие проточные водоёмы, в случае 5–го блока – это река Дон.

Основная экологическая проблема – туман, поднимающийся над прудом, особенно в зимнее время. Для борьбы с этой проблемой используются лесопосадки вокруг пруда.

В некоторых случаях для ограждения охлаждающих прудов – бассейнов используются вертикальные жалюзи по берегам, способствующие конденсации влаги и возвращению её в пруд.

Башенные градирни и охлаждающие пруды нередко используются вместе.

Башенные градирни с естественной тягой

Это самый мощный по объёмам охлаждаемой воды тип градирен, рисунок СТ-3. На больших электростанциях диаметр нижней части градирни и её высота могут достигать, соответственно, 200 и более метров. Он также самый экономичный по удельным затратам энергии на единицу объёма охлаждаемой воды – энергия требуется только на подачу нагретой воды и её проталкивание через разбрызгиватели, и отвод охлаждённой воды.

Смесительные

Рисунок СТ-3. Внешний вид башенной градирни с естественной тягой.

Основные элементы конструкции градирни с естественной тягой показаны на рисунке СТ-4.

Смесительные

Рисунок СТ-4. Основные элементы конструкции башенной градирни.

В основании градирни установлен водосборный бассейн, в котором накапливается и из которого забирается охлаждённая вода.

Примерно на том же уровне располагаются окна для воздуха, через которые атмосферный воздух попадает внутрь башни.

Система подачи нагретой воды через сеть труб питает разбрызгиватели, из которых вода каплями или плёнками попадает на насадку.

Насадка (или ороситель) – многослойная объёмная конструкция, состоящая из профилированных поверхностей. Её задача - обеспечить как можно более мелкое дробление капель воды, её турбулизацию, образование плёнок, как и перемешивание этой воды и восходящего воздушного потока. Основная цель – обеспечить максимальный теплообмен между водой и воздухом.

Охлаждённая вода, пройдя через насадку, попадает в водосборный бассейн. Чтобы уменьшить унос воды из градирни, выше разбрызгивателей и труб для их питания, устанавливается каплеулавливатель. На его поверхностях осаждается капельная влага, которая затем снова стекает на насадку.

Увлажнённый, а точнее – переувлажнённый тёплый воздух поднимается над каплеулавливателем и выходит в атмосферу через горловину градирни. При соприкосновении с атмосферным воздухом из-за охлаждения тёплого воздуха возникает характерный паровой факел, особенно заметный в зимнее время года.

Для удержания насадки, разбрызгивателей, питающих трубопроводов и каплеулавливателями используются опорные конструкции.

Вытяжная башня сооружается или из монолитного железобетона, или выполняется из влагостойких панелей, закрепляемых на стальном каркасе, покрытом антикоррозионными защитными материалами.

Вентиляторные градирни

Внутреннее устройство такой градирни представлено на рисунке СТ-5.

Смесительные

Рисунок СТ-5. Устройство вентиляторной градирни.

В основном такая градирня состоит из тех же элементов, что и башенная. Основное отличие – наличие вентилятора, который создаёт принудительную тягу, потребляя, естественно, дополнительную энергию.

Вентиляторные градирни могут быть с верхним расположением вентилятора (рисунок СТ-5), могут быть – с боковым, рисунок СТ-6.

Смесительные

Рисунок СТ-6. Вентиляторная градирня с боковым расположением вентилятора.

В случае бокового расположения вентилятора воздух не «вытягивается» из объёма градирни, а подаётся в неё с избыточным давлением по отношению к атмосферному.

Потоки воздуха и воды в такой градирне на части участков взаимодействия не параллельны. Это требует тщательного проектирования аэродинамических форм внутренней части градирни для получения высоких параметров охлаждения.

Градирни могут быть выполнены в виде блока, рассчитанного на индивидуальную эксплуатацию, или выполнены в виде блоков, которые можно собирать в пакеты, объединённые единой системой управления. Такой «пакет» особенно полезен при переменных тепловых нагрузках, выдаваемых технологическим объектом, и в условиях контрастного климата, когда зимние температуры резко отличаются от летних. В этом случае часть блоков можно остановить на зиму.

Малогабаритные вентиляторные градирни используются для охлаждения небольших объёмов воды. Такая градирня отличается компактными размерами и поставляется полностью собранной.

Эжекционные градирни

Эжекция – физический процесс, при котором поток более высокого давления, движущийся с большей скоростью, увлекает за собой поток низкого давления. Увлечённый поток называется эжектируемым.

Эжекционная градирня (рисунок СТ-7) состоит из цилиндрического корпуса с окнами для всасывания атмосферного воздуха, трубопроводов, подающих охлаждаемую воду в разбрызгивающие форсунки, выходного патрубка, перекрытого каплеулавливателем. Насадка отсутствует!

Форсунки создают факел, состоящий из мелкодисперсных капель воды. По закону Бернулли факел увлекает за собой атмосферный воздух. Смешиваясь с воздухом, вода охлаждается и собирается в донной части градирни.

Энергии факела достаточно, чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление выходного тракта и вытолкнуть воздух в выходной патрубок. Мелкие капли воды задерживаются каплеулавливателем, и вода возвращается в донную часть градирни.

Отработанный влажный воздух выбрасывается из патрубка.

Смесительные

Рисунок СТ-7. Эжекционная градирня.

Примеры. Технические характеристики градирен

Приведённые ниже данные носят справочный характер. Разнообразие градирен очень велико, их характеристики могут изменяться в широких диапазонах от производителя к производителю и от модели к модели.

Пример 1. Технические характеристики градирен энергоблоков № 3 и № 4 Нововоронежский АЭС. Данные РОСЭНЕРГОАТОМ

Блоки совместно используют 7 однотипных градирен.

Параметр

Значение

1

Площадь орошения

4 000 м2

2

Высота насадки (оросителя)

2,45м

3

Номинальная плотность орошения

5 - 8 м32ч

4

Максимальный расход воды на градирню

32 000 м3ч

5

Номинальный расход воды на градирню

28 000 м3ч

6

Среднегодовая температура воды в чаше градирни

22,6 °С

7

Высота башни

91 м

8

Диаметр опорного кольца башни

80 м

9

Диаметр наименьшего кольца башни

40,6 м

10

Диаметр верхнего кольца башни

43,4 м

11

Высота воздушных окон

5,5 м

12

Ёмкость бассейна

10 000 м3

13

Создаваемый напор перед соплами

1м.вод.ст.

14

Количество разбрызгивающих сопел

3 640 шт.

15

Суммарный расход воды, подаваемой в градирни на охлаждение, при работе 2-х блоков

160 000 м3ч

16

Вода, испаряющаяся из градирен

Около 3 000 м3ч

17

Вода, выносимая из градирен в виде капель

Около 1 500 м3ч

Пример 2. Вентиляторные градирни на примере градирен для Хакасского алюминиевого завода компании ИРВИК, http://www.irvik.ru/

Параметр

Название параметра

Градирня № 5

Градирня № 6

Градирня № 7

Единица измерения

1

S

Площадь орошения

192

128

192

м2

2

r

Размер секции

8x8

8x8

8x8

м

3

H

Высота градирни

11,7

11,7

11,7

м

4

h

Высота окна для подачи воздуха

1,8

1,8

1,8

м

5

W

Расчётный расход воды

1200

400

810

м3ч

6

∆t

Перепад температур

15

15

15

°С

7

N

Мощность вентиляторной установки

30

30

30

кВт

8

GB

Производительность вентилятора

530 000

530 000

530 000

м3ч

9

Q

Расчётная тепловая нагрузка

18 (20,9)

6,4 (7,44)

9,72 (11,3)

Гкал ч (МВт ч)

Пример3. Эжекционная градирня компании КВАРК, http://www.kwark.ru/

Характеристика

Значение

1

Производительность по объёму охлаждаемой воды

1-175 м3 ч

2

Теплосъём (тепловая мощность)

10 – 2 000 кВт

3

Давление воды на входе в градирню

0,20-0,6 МПа

4

Температура охлаждаемой воды

25-90 оС

5

Недоохлаждение воды до температуры мокрого термометра: 5-12 оС

В зависимости от температуры и влажности наружного воздуха

6

Потери воды на испарение

1% от расхода охлаждаемой воды на каждые 5 градусов охлаждения

7

Капельный влагоунос

До 0,1% от расхода охлаждаемой воды

8

Уровень шума

30 - 35 дБА

Достоинства и недостатки типов градирен

Тип градирни

Достоинства

Недостатки

Башенная градирня

  • Возможность охлаждения огромного количества воды. Поэтому такие градирни используются, в основном, на тепловых и атомных электростанциях. В этом качестве альтернативы им пока нет.
  • Низкая энергоёмкость.
  • Высокий коэффициент готовности из-за простоты конструкции.
  • Высокие капитальные затраты на строительство.
  • Вода охлаждается всего на 5 – 10 °С от входной температуры поступающей на охлаждение воды.
  • Зависимость глубины охлаждения от метеорологических факторов. Сильный ветер может приводить к образованию застойных зон внутри градирни и снижению эффективности её функционирования.
  • Склонность к обмерзанию. Если башенная градирня будет «разморожена», то её повторный запуск возможен только в летнее время. Необходимо принимать специальные меры против обмерзания.
  • Чувствительность к жёсткой воде и загрязнителям, например, нефтепродуктам. При отложении налётов на поверхностях насадки (оросителя) ухудшается охлаждение воды.
  • Паровой факел порождает инфразвуковые колебания, которые угнетающе воздействуют на психику человека.

Вентиляторная градирня

  • Глубокое охлаждение воды. Некоторые производители гарантируют, что градирня обеспечивает температуру отходящей воды не более, чем на 5°С превышающую температуру мокрого термометра.
  • Гибкость конструкции. Выбрав подходящий вариант, особенно в случае модульной градирни, можно добиться существенного снижения расходов на электроэнергию.
  • Большая, чем у эжекционных градирен, энергоэффективность.
  • Устойчивость к обмерзанию в случае соблюдения технологии эксплуатации.
  • Относительная простота ремонта.
  • Относительно низкие потери оборотной воды в процессе охлаждения.
  • Необходимо наличие квалифицированного персонала для управления, технического обслуживания и ремонта градирен.
  • Чувствительность к жёсткой воде и загрязнителям, например, нефтепродуктам. При отложении налётов на поверхностях насадки (оросителя) ухудшается охлаждение воды.

Эжекционная градирня

  • Высокий коэффициент готовности, т.к. регламентные и ремонтные работы сводятся к обслуживанию и замене форсунок и требуют небольших затрат времени.
  • Отсутствие вентиляторов и каких – либо других электропотребителей в активной зоне градирни позволяет охлаждать воду, содержащую пожаро – взрывоопасные примеси.
  • Возможность охлаждать воду с температурой на входе до 90°С, т.к. в активной зоне градирни отсутствуют конструктивные элементы из полимеров.
  • Слабая чувствительность к жёсткости воды и загрязнителям. Отсутствие в рабочей зоне градирни насадки (оросителя) позволяет охлаждать жёсткую воду, не опасаясь отложений, существенно влияющих на охлаждение.
  • Увеличение мощности вентилятора позволяет повысить глубину охлаждения.
  • Устойчивость к обмерзанию. Отсутствие в рабочей зоне насадки делает конструкцию нечувствительной к её обмерзанию в зимнее время.
  • Простота регулировки. Изменение расхода охлаждаемой воды изменяет объем воздуха, участвующего в охлаждении, что стабилизирует охлаждающий эффект.
  • Почти бесшумная работа градирни облегчает выбор места для её установки.
  • Относительно высокий расход электроэнергии.
  • Большие потери оборотной воды в процессе её охлаждения.

Барометрические конденсаторы

Барометрические конденсаторы

Для того, чтобы понять назначение и принцип действия барометрического конденсатора следует рассмотреть процесс выпаривания растворов в выпарных аппаратах, рисунок СТ-8. Отметим, что выпарные аппараты – это классический пример совместного использования теплообменных процессов различного типа.

Процесс выпаривания проводят в выпарных аппаратах. В промышленности широко используются трубчатые выпарные аппараты: с организованной циркуляцией раствора (естественной или принудительной), и плёночные. Выбор конструкции выпарного аппарата зависит от технологических требований к процессу выпаривания и от физико-химических свойств растворов. На рисунке СТ-8 представлен выпарной аппарат с естественной циркуляцией раствора и вынесенной греющей камерой. Аппарат состоит из следующих основных элементов: греющей камеры, сепаратора, циркуляционной трубы и барометрического конденсатора.

Смесительные

Рисунок СТ-8. Выпарной аппарат.

Для нагрева раствора пар подают в межтрубное пространство греющей камеры, где он конденсируется, передав своё тепло раствору. Образовавшийся конденсат выводится из нижней части межтрубного пространства греющей камеры. В трубах греющей камеры раствор нагревается и кипит в сепараторе с образованием вторичного пара.

Парожидкостная смесь в сепараторе выпарного аппарата разделяется, происходит отделение вторичного пара от раствора. В каплеотделителе от вторичного пара отделяются мелкие капли воды раствора, затем пар выводится из верхней части сепаратора. Вследствие различия плотностей сред в циркуляционной трубе и кипятильных трубах греющей камеры в аппарате возникает направленная естественная циркуляция раствора, при которой раствор по циркуляционной трубе опускается вниз, а по кипятильным трубам поднимается вверх. Организованная циркуляция раствора способствует увеличению коэффициента теплоотдачи к кипящему раствору и замедляет процесс образования накипи в кипятильных трубах.

Для проведения процесса выпаривания под вакуумом требуется барометрический конденсатор с барометрической трубой и вакуум-насос, рисунок СТ-9.

Барометрический конденсатор - это теплообменный аппарат, в котором теплообмен между теплоносителями происходит при их непосредственном контакте. В результате смешения поступающего в конденсатор вторичного пара и охлаждающей воды происходит конденсация пара. Так как объем образующегося конденсата заметно меньше (примерно в тысячу раз) объёма пара, то в барометрическом конденсаторе возникает вакуум. Для поддержания вакуума необходимо удалять из конденсатора воздух, который попадает в него с охлаждающей водой и через неплотности конструкции системы выпаривания.

Смесительные

Рисунок СТ-9. Барометрический конденсатор.

Обычно используются противоточные барометрические конденсаторы, рисунок СТ-9, А) с перфорированными полками или противоточные барометрические конденсаторы с кольцевыми полками, рисунок СТ-9, Б).

Пар подаётся в корпус конденсатора, где с полок ступенчато стекает охлаждающая вода, образуя множество завес на пути пара. При контакте с водой пар конденсируется, возникающее при этом уменьшение объёма создаёт разрежение в корпусе конденсатора. Смесь конденсата и охлаждающей воды самотёком выводится из конденсатора через барометрическую трубу. Разрежение поддерживается с помощью столба жидкости в барометрической трубе. Столб компенсирует атмосферное давление, действуя так же, как трубка Торричелли (ртутный барометр). Барометрическая трубка вместе с ёмкостью для воды образует гидрозатвор, который не позволяет наружному воздуху проникнуть в конденсатор.

Из ёмкости по мере накопления воду удаляют в систему оборота воды. Воздух, попавший в аппарат вместе с паром или охлаждающей водой, или из-за неплотности конструкции системы выпаривания пропускают через ловушку, где от него отделяют капельную воду, и удаляют вакуум-насосом.

Правила портала и отказ от ответственности
Информационный специализированный ресурс teploobmenniki.pro
Проект B2B-Studio.ru
Перейти к полной версии Перейти к мобильной версии