Теплообменники
Классификация теплообменных аппаратов
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, применявшегося 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:
- Изменяется среда обитания организмов, живущих в реках на многие километры вниз по течению.
- Химикаты, используемые для подготовки воды, а подготовка необходима, чтобы избавиться от коррозий и отложений в системах трубопроводов, попадают в реку.
- 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:
- В случае необходимости подвергается очистке.
- Охлаждается до температуры, которая несколько выше температуры окружающей среды.
- К возвратной воде добавляется некоторое количество свежей воды, чтобы компенсировать потери, возникшие при очистке и в процессе охлаждения.
- Проводится водоподготовка добавлением ингибиторов и других химических соединений, обеспечивающих минимизацию разрушительных воздействий воды на трубопроводы за счёт коррозии, отложения твёрдых осадков и, например, отложения остатков нефтепродуктов, не удалённых при очистке.
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 станции) 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, разделяющих 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
Рисунок 1. Типы градирен.
Охладительный пруд
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 объем 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 с естественной тягой
Это самый мощный по объёмам охлаждаемой воды тип градирен, рисунок 1. На больших электростанциях диаметр нижней части градирни и её высота могут достигать 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.
Рисунок 2. Внешний вид башенной градирни с естественной тягой.
Основные элементы конструкции градирни с естественной тягой показаны на рисунке 3.
Рисунок 3. 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 питают разбрызгиватели, из которых вода каплями попадает на насадку.
Насадка (или ороситель) – многоярусная объёмная конструкция, состоящая из профилированных поверхностей. Её задача обеспечить как можно более мелкое дробление капель воды, её турбулизацию, образование плёнок, как и перемешивание восходящего воздушного потока. Основная цель – обеспечить максимальный теплообмен между водой и воздухом.
Охлаждённый воздух, 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 каплеуловителя 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
Рисунок 4. Устройство вентиляторной градирни.
Внутреннее устройство такой градирни представлено на рисунке 4.
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, могут быть – с боковым, рисунок 5.
Рисунок 5. Вентиляторная градирня с боковым расположением вентилятора.
В случае бокового расположения вентилятора воздух не «вытягивается» из объёма градирни, а подаётся в него с избыточным давлением по отношению к атмосферному.
Поток воздуха и воды в такой градирне не соосны. На части участков взаимодействия оси потоков 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 компактна размерами и поставляется полностью собранной.
Эжекционные градирни
Рисунок 6. Эжекционная градирня.
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 6) состоит из цилиндрического корпуса с окнами для всасывания атмосферного воздуха, трубопроводов, подающих охлаждаемую воду в разбрызгивающие форсунки, выходного патрубка, перекрытого каплеуловителем. 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 каплеуловителем, и вода возвращается в донную часть градирни.
Отработанный влажный воздух выбрасывается из патрубка.