Материал: Показатели материального баланса потерь воды в градирне

Температура воды определяется кинетической энергией молекул, находящихся в тепловом движении, причем более высокой температуре соответствует более высокая средняя кинетическая энергия молекул. Средняя кинетическая энергия у покидающих воду молекул больше, чем у остающихся; следовательно, температура остающейся воды в результате испарения будет снижаться. Та часть энергии молекул, вырвавшихся из воды, которая затрачивается на преодоление сил сцепления, а также энергия, затрачиваемая на увеличение объема при испарении, определяет теплоту испарения.

Молекулы, оторвавшиеся от поверхности воды, весьма медленно удаляются в толщу воздуха. Скорость их диффузии измеряется десятыми и сотыми долями см/с. Эта скорость ничтожно мала по сравнению с той, с какой эти же молекулы покидают поверхность воды. В результате происходит весьма быстрое (почти мгновенное) накопление молекул пара в слое воздуха, лежащем в непосредственной близости к испаряющей поверхности. Парциальное давление в этом слое возрастает настолько, что скорость диффузии молекул пара в толщу воздушного потока становится равной разности между максимальной скоростью испарения и скоростью обратной конденсации, т. е. скорости испарения воды.

Таким образом, можно сделать вывод, что скорость испарения в воздухе определяется не скоростью процесса парообразования, происходящего на поверхности раздела фаз, а скоростью диффузии молекул пара в газовой фазе.

Количество молекул, возвращающихся обратно в воду при испарении в воздухе при атмосферном давлении, лишь ненамного меньше количества молекул, отрывающихся в то же самое время от испаряющей поверхности. При огромном количестве молекул, отрывающихся от поверхности, непосредственно над поверхностью воды будет слой почти насыщенного пара. Это положение было впервые высказано еще Стефаном, который отмечал, что разница между давлением насыщенного пара и парциальным давлением пара очень мала.

Для расчета процессов испарительного охлаждения в градирнях с достаточной степенью точности принимается (по Стефану), что в слое воздуха, непосредственно расположенном у поверхности воды, накапливается такое количество молекул пара, которое соответствует состоянию насыщения, при этом температура пара равна средней температуре воды. Различием в температурах на поверхности капель и пленок воды и в их толще можно пренебречь, так как в градирне размеры капель и толщина пленок малы и происходит интенсивное перемешивание воды. Следовательно, парциальное давление паров воды в слое воздуха, непосредственно примыкающем к поверхности воды, равно давлению насыщенного пара  при средней температуре воды.

В общем случае основная масса воздушного потока, двигающегося над поверхностью воды в градирнях, не насыщена водяными парами. При значениях температур и давлений в условиях работы градирен можно принять, что водяной пар подчиняется законам идеальных газов, и тогда парциальное давление пара в основной массе воздушного потока  при температуре θ можно представить как произведение относительной влажности воздуха на давление насыщенного водяного пара:

 (2.1)

где  относительная влажность воздуха в долях единицы;

 давление насыщенного пара при температуре основной массы потока воздуха [5].

«Движущей силой» процесса испарения воды в градирне является разность парциальных давлений пара у поверхности воды и в ядре воздушного потока.

 (2.2)

При теплоотдаче соприкосновением такой движущей силой является разность температур воды и воздуха [9]. Положительное значение этой разности - необходимое условие, при котором молекулы пара будут отводиться от поверхности воды в основную массу воздушного потока и будет происходить испарение. В условиях работы градирен парциальное давление пара  всегда выше парциального давления пара , и поэтому разность  всегда положительная независимо от того, больше или меньше температура воды температуры окружающего воздуха. Следовательно, в градирне всегда происходит испарение воды. Но поскольку испарение связано с затратой тепла на изменение агрегатного состояния, оно вызывает поток тепла  только от воды к воздуху, т. е. охлаждение воды.

Поток тепла, возникающий в результате теплоотдачи соприкосновением , может быть направлен как от воды к воздуху, так и от воздуха к воде в зависимости от того, какая из этих сред имеет более высокую температуру.

Когда температура воды больше температуры воздуха (обычный случай для градирен), то теплоотдача за счет испарения и соприкосновения (теплопроводность и конвекция) направлена в одну сторону - от воды к воздуху. Количество тепла, отдаваемого водой, для этого случая будет

.

Когда же температура воздуха больше температуры воды, поток тепла  направлен от воздуха к воде. Пока количество тепла , теряемое водой благодаря ее поверхностному испарению, больше притока тепла к воде , поток результирующего тепла направлен в сторону от воды к воздуху, т.е. , и температура воды будет понижаться. Это происходит до тех пор, пока направленный от воздуха к воде поток тепла  не становится равным потерям тепла водой от испарения . Равенство  достигается тогда, когда температура воды  становится равной температуре атмосферного воздуха по влажному термометру . Равновесие это носит динамический характер, так как ни испарение воды, ни подвод к ней тепла от воздуха при  и  не приостанавливаются. С увеличением температуры воды общие теплопотери возрастают, причем теплоотдача испарением увеличивается значительно быстрее, чем теплоотдача соприкосновением. В результате этого в общих потерях тепла преобладает теплоотдача испарением. При снижении температуры воды до температуры воздуха по сухому термометру потери тепла соприкосновением становятся равными нулю, а при последующем снижении температуры воды они становятся отрицательными, т. е. поток тепла  направлен от воздуха к воде. Когда температура воды, снижаясь, приближается к температуре воздуха по влажному термометру, тогда потери тепла водой в результате испарения  остаются положительными, в то же время потери соприкосновением становятся все больше и больше по своей абсолютной величине. При снижении температуры воды до температуры воздуха по влажному термометру отрицательные теплопотери соприкосновением  становятся равными положительным потерям тепла при испарении . Следовательно, существует равновесное состояние, но, как указывалось выше, оно носит динамический характер. В этой точке, характеризующей равновесное состояние, результирующая теплоотдача равна нулю и вода не снижает свою температуру.

Из изложенного выше следует, что процессы, происходящие при испарительном охлаждении, более сложные, чем теплообмен через твердую стенку. При испарительном охлаждении происходит дополнительно поверхностное испарение воды, сопровождающееся массообменом. Вода может быть охлаждена до температуры, более низкой, чем начальная температура охлаждающего ее воздуха (по сухому термометру), что свойственно только испарительному охлаждению. Температура охлаждающего воздуха может повышаться и понижаться при понижении в то же время температуры воды [5].

3.      
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГРАДИРЕН

3.1     Оросители

Оросители являются основным конструктивным элементом градирни, определяющим ее охлаждающую способность. Конструкция оросителя должна обеспечивать получение достаточной площади поверхности охлаждения при оптимальном аэродинамическом сопротивлении. В зависимости от характера преобладающей поверхности охлаждения оросители могут быть: пленочные, капельные (капельно-пленочные), комбинированные и брызгальные. Каждый тип оросительного устройства может иметь весьма разнообразные конструкции отдельных элементов и размеры, а также может выполняться из различных материалов.

При выборе типа оросительного устройства в каждом конкретном случае должно производиться сопоставление охлаждающей способности и стоимости градирни. Значение потерь напора при движении воздуха в оросителе также является неотъемлемым показателем его работы, так как оно характеризует эксплуатационные затраты на градирню. Необходимо учитывать и ряд других показателей - долговечность, изнашиваемость материала, прочность и массу оросителя, легкость установки, доступность ремонтов и осмотров, а также наличие в охлаждаемой воде взвешенных веществ и агрессивных примесей.

Основным типом оросителей, обеспечивающих наиболее высокий эффект охлаждения, является пленочный, но он чувствителен к наличию в воде нефтепродуктов, взвешенных веществ и других примесей, вызывающих зарастание зазоров между элементами. При пленочных оросителях концентрация нефтепродуктов в воде не должна превышать 25 мг/л, а концентрация взвешенных веществ - 50 мг/л. При наличии в оборотной воде жиров, смол и нефтепродуктов, общая концентрация которых составляет 25-120 мг/л, применяют капельные или капельно-пленочные оросители, выполненные из сетчатых элементов, а при концентрации указанных веществ в отдельности, равной более 120 мг/л, - брызгальные.

При наличии в охлаждающей воде примесей, агрессивных по отношению к материалам конструкций градирен, экономически целесообразно предусматривать обработку и очистку воды с целью исключения или уменьшения степени агрессивности и загрязненности.

Оросительные устройства вентиляторных и башенных градирен по своей конструкции аналогичны. Вентиляторные градирни с пленочным оросителем выполняются, как правило, противоточными. Наряду с пленкой в оросителях такого типа образуется определенное количество капель и мелких брызг, свободная поверхность которых, как и поверхность пленки, участвует в тепло- и массообмене между водой и воздухом.

За последнее время стали применяться чисто пленочные оросители ячеистой и листовой конструкций, в которых количество капель сводится до минимума или полностью исключается. Щиты и решетки пленочных оросителей могут изготавливаться из различных материалов: дерева, асбестоцемента, пластмассы, металла, бумаги и картона, пропитанных различными смолами, и др. Долгое время основными материалами для изготовления оросительных устройств служили дерево и асбестоцемент [9].

.1.1 Пленочные оросители

Деревянные оросительные устройства пленочного типа выполняются из прямоугольных брусков толщиной 8-13 мм и шириной до 100 мм. Из них изготавливаются щиты высотой 1,25-2,6 м и шириной до 2,5 м за счет крепления досок широкой гранью к двум-трем вертикальным рейкам с промежутками в 40-150 мм. Доски по высоте в соседних щитах могут располагаться в одной плоскости или "вразбежку". Применение отдельных щитов для монтажа пленочных оросителей не оправдало себя на практике, поэтому они собираются, как правило, в жесткие блоки. Расстояния между щитами блочного деревянного оросителя 20-80 мм. Блоки по высоте устанавливаются в один или два яруса на горизонтальные опорные балки каркаса оросителя или подвешиваются к ним на

стальных тягах. Щиты в блоках двухъярусного оросителя могут устанавливаться во взаимноперпендикулярном направлении.

При устройстве оросителя из отдельных щитов они располагаются вертикально или под небольшим углом к вертикали (до 15°). При этом направление наклона щитов меняется на обратное при переходе от яруса к ярусу. Наклонное положение щитов несколько повышает сопротивление проходу воздуха в сравнении с вертикальным, но при этом исключается возможность проскока капель и струек воды на значительную глубину без соприкосновения с планками оросителя.

Щиты обычно изготовляются из нестроганной древесины хвойных пород деревьев, пропитанной антисептиком, или мягколиственных пород деревьев, модифицированной. Крепежные изделия применяются с антикоррозийным покрытием (оцинковка, омеднение и др.).

Характеристиками охлаждающей способности оросителя являются величины  и , которые не зависят от гидравлической нагрузки и температурных условий его работы, а также климатических факторов.

Оросители из дерева имеют следующие недостатки: древесина чувствительна к химическому и биологическому воздействию, а планки оросителей не могут быть тоньше 10 мм из-за коробления и разрушения древесины в результате вымывания водой из нее лигнина (делигнификация). В результате этого для связи клеток в древесине остается лишь целлюлоза и она становится непрочной. Процесс делигнификации идет более интенсивно при высоких значениях рН и значительном содержании в воде активного хлора [9].

3.1.2 Асбестоцементные оросители

Изготавливаются из стандартных плоских или волнистых листов. Асбестоцемент, как и дерево, хорошо смачивается водой, он гигроскопичен, впитывает в себя воду в количестве до 12% собственной массы. Благодаря этим качествам по его листам обеспечивается хорошее растекание пленки воды, что является важным свойством в улучшении охладительного эффекта оросителя.

Расстояние между асбестоцементными листами оросительного устройства обычно принимается 15-45 мм. Учитывая, что толщина асбестоцементных листов меньше, чем деревянных, активная поверхность соприкосновения пленок

воды с воздухом в единице объема асбестоцементного оросителя при одинаковых расстояниях между щитами выше, чем деревянного. Это обстоятельство позволяет уменьшить высоту оросителя, а следовательно, и снизить высоту подачи воды. Расстояние между листами менее 15 мм нежелательно, так как может произойти засорение промежутков, что вызовет заметное дополнительное сопротивление движению воздуха и увеличение массы оросителя. Асбестоцементные листы в оросителе следует устанавливать преимущественно вертикально, так как при наклонном положении обращенная книзу поверхность не полностью смачивается.

Применяется, как правило, блочная конструкция оросителей из асбестоцементных листов. При сборке блоков из плоских листов или волнистых с параллельным расположением волн устанавливаются разделительные элементы (фарфоровые, пластмассовые и др.), фиксирующие расстояния между листами. В оросительных устройствах из волнистых листов с чередующимися вертикальным и горизонтальным расположениями волн расстояние между листами определяется высотой волн, поэтому разделительные элементы не требуются.

Недостатком асбестоцементных оросителей является сравнительно большая масса на единицу площади, что вызывает утяжеление несущих конструкций, его концерогенные свойства и склонность к зарастанию поверхности листов солями карбоната кальция.

Максимальные размеры стандартных асбестоцементных листов: плоских 1200×1600 мм, волнистых 994×2500 и 994×2800 мм. Толщина плоских и волнистых непрессованных листов составляет 8-10 мм, плоских прессованных - 6 мм [9].

.1.3 Пластмассовые пленочные оросители

Такие оросительные устройства являются одним из наиболее прогрессивных и распространенных типов. Пластмасса противостоит химическому воздействию многих растворов, кислот, щелочей и солей, что выгодно отличает ее от древесины. Однако в охлаждаемой воде содержатся углеводороды, как, например, на нефтеперерабатывающих заводах, в этом случае таких пластмасс, как полистирол, следует избегать.

Ведущие зарубежные фирмы по строительству градирен "Бальке-Дюрр" (Германия), "Хамон" (Франция), "Марли" (США), "Мунтерс" (Швеция) и другие активно ведут разработку пластмассовых оросителей и применяют их в действующих градирнях. Эти разработки усиливаются в связи с дефицитом дерева, плохими экологическими свойствами асбестоцемента и удорожанием энергии. К созданию оптимального профиля указанные фирмы идут разными путями в зависимости от вида материала, его толщины, принятых по условиям прохода воздуха и воды размеров ячеек и т. п. Все большее применение находят пластмассы для изготовления оросителей в Болгарии, Венгрии, Румынии, Чехии, Словакии и Китае.