Evaluation of the cooling tower effectiveness

Введение

В системах кондиционирования воздуха для охлаждения конденсаторов холодильных машин с водяным охлаждением применяют оборотное водоснабжение. Охлаждение воды производят с помощью контактных устройств — компактных градирен. Вода охлаждается в потоке воздуха за счет ее частичного испарения (прямой испарительный процесс). Конечная температура воды из градирни зависит от ее конструктивных факторов и параметров рабочей среды — наружного воздуха. В градирнях отечественного производства, например, ООО «Тепломаш», температура охлажденной воды превышает температуру мокрого термометра окружающего воздуха не менее чем на 3 °C (из рекламного листа на градирню).

Увеличить охлаждающий эффект можно с помощью двухступенчатого (косвенного и прямого) охлаждения воздуха. Этот способ применяется в теплый период года для регионов с сухим и жарким климатом [1]. Воздух сначала охлаждается в поверхностном теплообменнике с помощью воды, циркулирующей в трубном пространстве. Это первая ступень процесса — косвенное охлаждение воздуха. Процесс происходит при постоянном влагосодержании воздуха. Затем воздух подвергается прямому охлаждению в контактном аппарате в адиабатических условиях за счет распыления рециркуляционной воды с помощью механических форсунок.

Охлаждение воды производят с помощью контактных устройств (компактных градирен). Вода охлаждается в потоке воздуха за счет ее частичного испарения.

Изменение параметров воздушного потока при двухступенчатом охлаждении воздуха на i—d-диаграмме влажного воздуха приведено на рис. 1. Отрезок НК — характеризует сухое охлаждение воздуха в поверхностном теплообменнике, отрезок КО — адиабатическое охлаждение и увлажнение воздуха в контактном аппарате. В поверхностном теплообменнике воздух охлаждается от температуры t_м до t_r, в контактном аппарате — от температуры t_r до t_q.

Температура рециркуляционной воды в контактном аппарате равна температуре мокрого термометра воздуха, то есть tмк. Также на рис. 1 приведен отрезок НОI, соответствующий адиабатическому охлаждению и увлажнению наружного воздуха в контактном аппарате при одноступенчатом процессе. Параметры охлажденного воздуха характеризует точка ОI. В данных условиях температура рециркуляционной воды равна tмн. Видно, что t_мк < t_мн, то есть, вода при двухступенчатом охлаждении воздуха имеет температуру ниже (охлаждается интенсивнее), чем в традиционном одноступенчатом процессе прямого испарительного охлаждения. Температура рециркуляционной воды зависит от температуры воздуха, поступающего в контактное устройство, в пределе она стремится принять температуру мокрого термометра воздуха на входе в аппарат.

Разработка компактной градирни

Для повышения охлаждающей мощности градирни и снижения температуры воды ниже температуры мокрого термометра разработано устройство [2]. Схема устройства (градирни) приведена полностью на рис. 2.

Градирня содержит корпус 1 прямоугольного сечения, внутри которого расположена в виде вертикального слоя насадка 2. Насадка выполнена в виде блока из плоскопараллельных карбонатных листов, отстоящих друг от друга на 10 мм. Сверху насадки установлено разбрызгивающее устройство — механическая форсунка 3 для распыления воды. Над форсункой в верхней части корпуса расположен каплеуловитель 4, предотвращающий вынос капель воды.

Сверху за каплеуловителем установлен поверхностный теплообменник 5. Снизу данного устройства расположен аккумуляторный бак для воды 6, насос 7 для подачи воды и вентилятор 8 для подачи воздуха. Вентилятор соединен при помощи воздуховодов с теплообменником 5 и с нижней частью корпуса (градирни) 1.

Устройство работает следующим образом. Наружный воздух за счет разрежения, создаваемым вентилятором 8, проходит через теплообменник 5, затем направляется в градирню под слой насадки 2. Проходя насадку, воздух подвергается прямому испарительному охлаждению и увлажнению за счет контакта с пленкой воды, стекающей сверху вниз по насадке. После насадки увлажненный воздух проходит каплеуловитель 4, теплообменник 5 и выбрасывается в атмосферу.

Для повышения охлаждающей мощности градирни и снижения температуры воды ниже температуры мокрого термометра разработано устройство, схема которого приведена на рис. 2.

Из-за разницы температуры, воздух, уходящий из градирни (поток У), принимает теплоту от наружного воздуха (потока Н) и нагревается, наружный воздух при этом охлаждается (процесс соответствует лучу НК на рис. 1). Поверхностный теплообменник 5 работает по принципу рекуперативного воздухо-воздушного теплообменника. Конструктивно он может быть выполнен в виде пластинчатого теплообменника.

Таким образом, через слой насадки 2 проходит воздух, предварительно охлаохлажденный в поверхностном теплообменнике 5. Данная воздушная среда формирует режим прямого испарительного охлаждения при контактировании с пленкой воды, стекающей сверху вниз по насадке. Как указывалось выше, с понижением температуры воздушного потока температура воды соответственно снижается. Если циркуляция воды будет осуществляться по замкнутому контуру (используется рециркуляционная вода): бак 6 → насос 7 → форсунка 3 → насадка 2 → бак 6, процесс охлаждения воздуха в процессе охлаждения воздуха в насадке будет адиабатическим, температура воды t_w будет равна температуре воздуха по мокрому термометру t_мн. При этом температура воздуха в результате адиабатического охлаждения понизится до величины приблизительно to.

В данный момент времени (условно назовем этот период II-й стадией) движущая сила косвенного охлаждения наружного воздуха в теплообменнике 5 Δt = (t_н — t_o) возрастает, то есть повысится охлаждающая мощность воздушного потока, поступающего из насадки. Наружный воздух будет охлажден в теплообменнике 5 до температуры еще ниже, чем t_к, то есть t < t_к, что вызовет дальнейшее понижение температуры рециркуляционной воды в системе, соответственно.

Таким образом, при организации двухступенчатого охлаждения наружного воздуха в данном устройстве (косвенного и прямого охлаждения) создаются все условия для устойчивого понижения температуры воды до необходимых значений ниже температуры мокрого термометра воздуха.

При использовании этой воды в системе оборотного водоснабжения, например, в конденсаторах холодильных машин и др. температурно-влажностный режим работы данного устройства будет несколько отличаться от изоэнтальпийного (адиабатического) увлажнения и охлаждения воздуха в насадке данной градирни.

Расчеты режимных параметров градирни подтверждают, что ее применение для охлаждения воды при оборотном водоснабжении позволяет снизить температуру выходящей воды t_w до численных значений ниже, чем температура окружающего (наружного) воздуха по мокрому термометру t_мн.

С целью сокращения времени выхода градирни на стабильный рабочий режим рационально использовать две стадии работы:

— I-я стадия — стадия пуска (при этом теплообменник 5 отключен, наружный воздух при помощи вентилятора 8 поступает в нижнюю часть насадки 2, минуя теплообменник; шибер б закрыт, шибер а открыт, а насадка орошается рециркуляционной водой при помощи насоса 7, причем отбор воды на сторону (потребителю) не производится, вентиль в закрыт, вентиль г открыт, продолжительность стадии всецело зависит от времени достижения температуры воды t_w = t_мн);

Для повышения охлаждающей мощности градирни и снижения температуры воды ниже температуры мокрого термометра разработано устройство, схема которого приведена на рис. 2.

— II-я стадия — рабочая стадия (включают в работу теплообменник 5 — шибер а закрывают, шибер б открывают, отсюда происходит отбор воды из бака 6 насосом 7 потребителю, при этом вентиль в открывают, вентиль г закрывают, далее вода от потребителя непрерывно поступает через форсунку 3 на насадку 2 для охлаждения воздуха, который предварительно подвергся косвенному охлаждению наружным воздухом в теплообменнике 5).

Процессы тепломассопереноса в градирне

Выделим элементарный объем контактного узла градирни, образованного двумя параллельными сечениями площадью F, расположенными на расстоянии dh по высоте (рис. 3).

Составим и проинтегрируем системы дифференциальных уравнений баланса теплоты (для воздушного потока и воды) и массы (для водяных паров) при прямом испарительном охлаждении воды в градирне пленочного типа в установившемся режиме [3].

После упрощений получаем:

где u — скорость движения воздуха в поперечном сечении градирни, м/с; w — содержание водяных паров в воздушном потоке, кг/м3; ww — содержание насыщенных водяных паров наповерхности водяной пленки при температуре Т, кг/м³; β — коэффициент массоотдачи на границе поверхности «водяная пленка—воздух», м/с; f — коэффициент, характеризующий площадь контакта воды и воздуха в единице объема градирни, м²/м³; μ — площадь прохода для воздуха в поперечном сечении градирни, м²/м²; Т — средняя температура воды в элементарном объеме градирни, °C; t — средняя температура воздуха в элементарном объеме градирни, °C; с_в — удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг⋅К); ρ_в — плотность воздуха, кг/м³; c_w — удельная теплоемкость воды, Дж/кг; r — удельная теплота парообразования воды, Дж/кг; В — коэффициент орошения, кг/кг.

Анализ приведенных дифференциальных уравнений материального баланса водяных паров (уравнение 1, 4), теплового баланса воздушного потока (уравнение 2, 5), теплового баланса воды (уравнение 3, 6) указывает на сложную многофакторную зависимость испарительного процесса. На охлаждение воды в градирне влияют режимные и конструктивные параметры аппарата, коэффициенты тепломассопереноса, которые, в свою, очередь зависят от гидродинамических, диффузионных условий, а также теплового режима в контактном узле. По данной причине применение представленных математических моделей на практике затруднено.

Для ряда градирен испарительного типа составлены индивидуальные графики, которые являются технологическим паспортом градирни, с помощью которого определяется температура охлажденной воды [4]. Рабочий режим разработанной градирни (рис. 2) еще более осложнен нестационарностью температуры рабочего воздушного потока, поступающего в контактный узел градирни.

Оценка эффективности работы градирни

Для оценки эффективности охлаждения воды в разработанной градирне на лабораторном стенде проведены экспериментальные исследования. Общий вид лабораторного стенда представлен на рис. 4. Экспериментальные исследования проводились с использованием математического метода планирования экспериментов [5].

На основе априорной информации приняты независимые переменные, факторы: расход воздуха G, кг/ч — Х₁; коэффициент орошения μ, м³/(ч⋅м²) — Х₂; продолжительность работы градирни τ, мин. — Х₃.

Получена математическая модель в виде регрессионного уравнения, адекватно описывающая процесс охлаждения воды в градирне. Она может быть использована для практического определения температуры охлаждения воды в типовой градирне в выбранных режимных параметрах.

В качестве функции отклика рассматривался температурный перепад (разность между температурой мокрого термометра воздуха и охлажденной воды в баке градирни Δt = t_мн — t_w, °C) — Y.

Уровни варьирования факторов приведены в табл. 1. Был реализован полный факторный эксперимент ПФЭ 2. Матрица планирования экспериментов и результаты ее реализации представлены в табл. 2.

На основе регрессионного анализа получено уравнение регрессии, адекватно описывающее поверхность отклика при уровне значимости 0,05 [5]:

Y = 1,18 + 0,13X₁ + 0,38X₂ + 0,74X₃. (7)

Из табл. 2 видно, что во всех опытах температура воды, охлажденной в градирне, была ниже температуры окружающего воздуха по мокрому термометру. Температурный перепад составил от 0,1 до 2,5 °C. Также видно из уравнения (7), что на температурный перепад значимо влияли все фактора: расход воздуха, плотность орошения, продолжительность работы градирни.

На основе уравнения (7) построены графические зависимости (рис. 5). Они получены при фиксировании двух факторов на верхнем уровне.

Известно [4], что снижение температуры воды из градирни всего на 1 °C приводит, например, к уменьшению на 2–4 % расхода электроэнергии на привод компрессоров или к уменьшению на приблизительно 2 г расхода условного топлива на выработку 1 кВт⋅ч электроэнергии и т.д. [4].

Таким образом, экспериментальные исследования подтвердили работоспособность и эффективность охлаждения воды в разработанной градирне.

Выводы

Разработана компактная градирня на основе косвенно-испарительного охлаждения воздуха. Градирня может охлаждать воду при оборотном водоснабжении ниже температуры воздуха по мокрому термометру, что недостижимо при применении традиционных градирен испарительного типа.

Получена математическая модель в виде регрессионного уравнения, адекватно описывающая процесс охлаждения воды в градирне. Она может быть использована для практического определения температуры охлаждения воды в типовой градирне в выбранных режимных параметрах.

Реальная экономическая эффективность от применения разработанной градирни может быть оценена при различных промышленных испытаниях. В этой связи приглашаем к техническому сотрудничеству заинтересованные организации и фирмы.