Процессы охлаждения воды в охладителях

Теплообмен в испарительных охладителях. Понижение температуры нагретой воды в испарительных охладителях осуществляется за счет передачи тепла от воды к воздуху. Теплопередача может осуществляться:

● испарением, т. е. превращением части воды в пар;

● соприкосновением, т. е. за счет теплопроводности и конвекции (теплообмена);

● излучением.

Теплообмен излучением, связанный с нагревом воды за счет солнечной радиации и охлаждением ее излучением тепла как всяким нагретым теплом, учитывается только в прудах-охладителях, имеющих большую площадь зеркала.

Качественные характеристики охладителей. Охладительный эффект сооружений для охлаждения оборотной воды характеризуют два показателя, определяющие качество охлаждения: ширина охлаждения и глубина охлаждения.

Ширина охлаждения или температурный перепад определяется по формуле, ^оС:

Dt = t₁ – t₂ , ( 14 )

где t₁ – температура нагретой воды, ^оС; t₂ – температура холодной воды, ^оС.

Чем больше Dt, тем шире зона охлаждения и качественнее работает охладитель и, следовательно, может быть уменьшен расход воды, подаваемой на охлаждение промышленных агрегатов и холодильников.

Глубина охлаждения определяется по формуле, ^оС:

Dt΄ = t₂ - t, ( 15 )

где t – теоретический предел охлаждения, ^оС.

Для прудов-охладителей теоретическим пределом охлаждения является t_е– естественная температура воды на поверхности водоема, т.е. t = t_е,. Для брызгальных бассейнов и градирен теоретическим пределом охлаждения является температура воздуха по смоченному термометру t = T_см, а для радиаторных охладителей теоретическим пределом охлаждения является температура воздуха по сухому термометру t = T_с.

Чем меньше Dt´, тем ближе температура охлажденной воды t₂ к теоретическому пределу охлаждения.

Ширина охлаждения характеризует условия работы охладителя, а глубина охлаждения - эффект охлаждения, который может быть улучшен за счет увеличения поверхности соприкосновения, количества воздуха, равномерности распределения воды и поступающего воздуха и т. п.

Эффективность работы охладителя можно оценить по зависимости:

η = . ( 16 )

Эффективность работы охладителя тем выше, чем ближе η к 1.

Количественные характеристики охладителей. Количественные параметры работы охладителей оборотной воды характеризуются гидравлической нагрузкой и тепловой нагрузкой.

Гидравлическая нагрузка – это расход воды, приходящийся на 1 м² активной поверхности охладителя, м³/м²∙ ч:

, ( 17 )

где Q – расход воды, м³/ч; F_акт – активная поверхность охладителя, м².

Гидравлическая нагрузка различных охладителей находится в широких пределах 0,002…0,003 м³/м²∙ч - для прудов-охладителей, 4…18 м³/м²∙ч - для вентиляторных градирен.

Тепловая нагрузка – это количество отводимого тепла, приходящегося на 1 м² активной поверхности охладителя, ккал/м²∙ ч:

А = q × C×Dt, ( 18 )

где q – гидравлическая нагрузка охладителя, м³/м²∙ ч; С – теплоемкость воды, ккал/ч; Dt – ширина охлаждения, ^оС.

Тепловая нагрузка различных охладителей находится в диапазоне 0,2…0,4 тыс. ккал/м²∙ч - для прудов-охладителей, 80…100 тыс. ккал/м²∙ч и более для вентиляторных градирен.

Пруды-охладители. Охлаждение нагретого потока воды в прудах-охладителях происходит за счет теплоотдачи с площади зеркала пруда. В качестве прудов-охладителей используются искусственные или естественные водоемы, (рис. 4.1.).

Рис. 4.1. Схема пруда-охладителя. 1 – плотина; 2 – промышленное предприятие; 3 – всасывающие линии; 4 – отводной коллектор; 5 – выпуск нагретого потока воды

Охлаждение воды происходит при движении ее от места выпуска до места водозабора, но не весь пруд участвует в охлаждении. Величина активной зоны пруда меньше площади зеркала пруда F, м².

Активная площадь пруда, участвующая в охлаждении, определяется, м²:

F_акт = F_тр + α∙F_вод , ( 19 )

где F_тр – площадь, занятая транзитным потоком воды;

F_вод – площадь водоворотных зон;

α – коэффициент, учитывающий охлаждающую способность

водоворотных зон, смежных с транзитным потоком, α = 0,1…0,5.

Отношение площади активной зоны к площади зеркала пруда называется коэффициентом использования площади пруда-охладителя:

К_и = , ( 20 )

где F - площадь зеркала пруда.

Коэффициент К_и зависит от формы пруда, расположения водозабора и водосброса, условий растекания потока и является важнейшей величиной, характеризующей пруд-охладитель.

Для определения F_тр , F_вод , и F_акт необходимо знать план течений пруда. Для определения плана течений производятся специальные гидравлические испытания моделей прудов. В простейших случая план течений может быть рассчитан теоретически.

Оптимальной является вытянутая форма пруда (рис. 4.2) с плавным очертанием берегов и рассеивающим выпуском, для которой К_и приближается к 1.

Рис. 4.2. Схема циркуляции воды в прудах-охладителях: а) – оптимальной формы; б) – со струенаправляющей дамбой между выпуском и водозабором; 1 – плотина; 2 – промышленное предприятие; 3 – всасывающая линия; 4 – выпуск; 5 – струенаправляющая дамба

Для увеличения коэффициента использования площади пруда К_и применяются рассеивающие выпуски и другие струераспределительные сооружения, водосборные галереи, струенаправляющие дамбы. Чаще всего применяются струенаправляющие дамбы, смысл которых заключается в удлинении пути движения воды и устранении водоворотных зон.

Так для пруда-охладителя (рис. 4.2 б) со струенаправляющей дамбой К_и = 0,8 – 0,9, а без устройства такой дамбы не более К_и = 0,1 – 0,2, т. к. при отсутствии дамбы нагретая вода кратчайшим путем попадает в водозабор, не успевая охладиться.

При наличии свободного напора на сброс для повышения эффективности работы прудов-охладителей возможна подача нагретой воды в них с разбрызгиванием над поверхностью.

В больших и глубоких прудах-охладителях можно обеспечить высокие значения коэффициентов К_и без устройства струенаправляющих дамб за счет приема воды из глубинных холодных слоев пруда-охладителя, а нагретую воду сбрасывать на поверхность пруда с малыми скоростями. При этом создается объемная циркуляция охлаждаемой воды, обеспечивая ее качественное охлаждение.

При устройстве прудов-охладителей на реках возможны два варианта размещения водозабора и выпуска воды в пруд (рис. 4.3.).

Рис. 4.3. Схемы устройства прудов в зависимости от размещения водозабора

Размещение водозабора в верхней части пруда (рис. 4.3 а) обеспечивает возможность получать более низкие температуры охлажденной воды t₂ за счет использования притока свежей речной воды. Во втором случае (рис. 4.3 б) глубина у водозабора будет больше, что также имеет свои преимущества.