Большинство промышленных процессов и систем кондиционирования воздуха вырабатывают тепло, которое должно быть отведено и рассеяно. Обычно вода используется как передающая среда для отведения тепла от промышленных теплообменных аппаратов, конденсаторов холодильных машин и т.д.
В прошлом это достигалась путем непрерывной подачи воды из городских систем водоснабжения или из естественных источников воды, которая нагревалась по мере прохождения процесса теплообмена и сбрасывалась в канализацию или обратно в поверхностный источник воды.
Сейчас вода от коммунальных предприятий становиться чрезмерно дорогой по причине постоянно растущего водопотребления и высокой стоимости очистки сточных вод. Аналогично и охлаждающая воды из естественных источников относительно недоступна в связи с нарушением экологической ситуации источников воды вызванной сбросом воды с повышенной температурой.
С целью рассеивания теплоты напрямую в атмосферу могут применяться аппараты воздушного охлаждения, но покупная цена и расходы электроэнергии на привод вентиляторов этих устройств очень высоки.
Кроме перечисленных недостатков добавляется низкая эффективность охлаждения -АВО могут обеспечить температуру охлажденной воды на 11°С выше за температуру воздуха по «сухому» термометру. Такие температуры охлаждающей воды слишком высоки для подавляющего большинства промышленных процессов.
Градирни позволяют преодолеть большинство из этих проблем, и являются широко применяемыми для рассеивания тепла от холодильных установок, систем кондиционирования и большинства промышленных процессов. Расходы оборотных систем с градирнями составляют только 5% от общего количества циркулирующей воды, что делает их наиболее дешевым решением для систем с покупным водоснабжением. Также значения величины продувки для систем с градирнями очень низкое, что значительно снижается воздействие на окружающую среду. И самое главное, градирни способны охладить воду до значения, которое всего на 2-3°С превышает температуру воздуха по «влажному» термометру. Таким образом, температура воды после градирен может быть на 20°С ниже, чем на выходе из аппаратов воздушного охлаждения при сопоставимых габаритных размерах.
Столь эффективное охлаждение достигается за счет сочетания эффекта теплопередачи и массопередачи. Нагретая вода подается в водораспределительную систему и распыляется на оросительную среду, в которой заключена большая площадь (до 150 м2 поверхности в 1 м3 оросителя) для контакта с атмосферным воздухом. Циркуляция воздуха в градирни может создаваться вентиляторами, конвективными потоками, естественными потоками или за счет явления эжекции от форсунок. При контакте с воздухом часть воды изменят агрегатное состояние с жидкого на парообразное, что сопровождается поглощением тепла. Таким образом, теплота парообразования передается от воды в жидком состоянии к воздушному потоку.
|
|
|
Рис. 1. Процесс охлаждения воды и
нагревания воздуха в градирне |
На рис. 1 отображена зависимость между водой и воздухом по мере прохождения противоточной градирни. Кривые показывают падение температуры охлажденной воды (от точки А до точки В) и повышение температуры воздуха по «влажному» термометру (от точки С до точки D) при их контакте в градирне.
Разница между температурой входящей и выходящей воды определяет ширину зоны охлаждения (температурный перепад). Для одноконтурных систем, с установившимся режимом и постоянной гидравлической нагрузкой, температурный перепад на градирне соответствует повышению температуры воды в технологическом оборудовании.
Соответственно температурный перепад определяется расходом воды и тепловой нагрузкой технологического оборудования, и не имеет никакого отношения к размерам или охладительной способности градирни.
Разница между температурой охлажденной воды и входящей температурой воздуха по влажному термометру (точка В минус точка С) на рис. 1 называется приближением к влажному термометру или глубиной охлаждения. Глубина охлаждения является функцией охладительной способности градирни. При одинаковых тепловой нагрузке, расходе воды и климатических параметрах, градирня с большей площадью орошения обеспечит лучшую (меньшую) глубину охлаждения, то есть более низкую температуру воды на выходе из градирни.
Таким образом, количество тепла рассеянного градирней в атмосферу всегда равно количеству тепла выработанного технологическим оборудованием, а температурный режим, при котором происходит рассеивания тепла, зависит от охладительной способности градирни и температуры воздуха по «влажному» термометру.
Температура воздуха по «влажному» термометру являет самым важным климатическим параметром, который влияет на работу градирни. Данная температура может быть измерена посредством обвертывания луковицы обычного термометра влажной материей и последующего обдувания ее потоком воздуха. Температура воздуха по сухому термометру (измеряется обычным термометром) и относительная влажность (измеряется гигрометром), если их рассматривать по отдельности, оказывают незначительное влияние на тепловую эффективность градирни с принудительной тягой. Однако эти параметры оказывают влияние на величину испарения в градирне.
 |
|
Рис. 2. Процесс тепломассопередачи в
градирне |
На рис. 2 отображен психометрический анализ воздуха, который проходит через градирню. Воздух входит в градирню при атмосферных условиях определенных точкой А, поглощает тепло и массу (влажность) от воды, и выходит из градирни при условиях точки В в насыщенном состоянии - при влажности 100% (в условиях низкой тепловой нагрузки воздух может быть ненасыщенным). Количество тепла переданного от воды в воздух пропорционально разнице энтальпий воздуха при условиях на входе и выходе с градирни (hB-hA). Поскольку направление линий постоянных энтальпий совпадает с направлением линий постоянных температур воздуха по «влажному» термометру, разница энтальпия может быть определена разницей температуры воздуха «влажного» термометра.
Процесс нагревания воздуха представлен вектором АВ может быть разделен на две составляющие - вектор АС, который показывает количество сухого тепла поглощенного воздухом за счет разницы температур воды и воздуха, и вектор ВС, который определяет величину скрытой теплоты фазового перехода, что образовывается при испарении.
Если перенести в точку D параметры воздуха на входе в градирню (повышается температура воздуха по «сухому» термометру при неизменной температуре воздуха по «влажному» термометру), то общая теплоотдача, определенная вектором BD, остается без изменений, но разительно изменяются составляющие сухой и скрытой теплоты. Вектор DE представляет процесс сухого охлаждение воздуха (то есть воздух не забирает сухое тепло от воды, а наоборот передает сухое тепло воде), тогда как вектор отображает передачу скрытой теплоты от воды в проходящий воздух, которая существенно выше в сравнении с предыдущими атмосферными условиями. Таким образом, сухой нагрев воды воздухом компенсируется увеличенной долей испарения воды в градирне.
Массопередача (испарение) осуществляется только составляющей скрытой теплоты в процессе теплопередачи и пропорциональна изменению относительной влажности. На рис. 2 величина испарения в случае АВ (wB-wA) значительно меньше в сравнении со случаем DB (WB-WD). Соотношение сухой и скрытой теплоты имеет значение при анализе водопотребления градирни.
Поскольку значение «сухого» термометра или относительной влажности на входе в градирню влияют на соотношение составляющих процесса теплопередачи, они также влияют на величину испарения воды по мере ее охлаждения. Величина испарения для обычных расчетных параметров воздуха, в условиях умеренного климатического пояса, составляет 1% от общего потока воды на каждые 7°С температурного перепада.
Однако, средняя величина испарения на протяжении года ниже, чем расчетная по причине увеличения сухой составляющей процесса теплопередачи при снижении входящей температуры воздуха по «сухому» термометру.
