ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОХЛАДИТЕЛЕЙ

Теплотехническими расчетами определяют либо необходимую площадь охладительного сооружения при заданном расходе воды и требуемой конечной температуре охлажденной воды, либо конечную температуру охлажденной воды для заданной площади охладителя и заданного расхода воды.

Количество теплоты, отдаваемое атмосфере, называют тепловой нагрузкой охладителя Q

Q=c·W₀·Dt,

где с - теплоемкость воды, кДж/ч;

W₀- гидравлическая нагрузка или количество воды, поступающей на охлаждение, м³/ч;

Dt =t₁ – t₂ - температурный перепад или ширина зоны охлаждения, °С;

t₁, t₂ - температура нагретой и охлажденной воды, °С.

Отношение W₀/F_а называется удельной гидравлической нагрузкой. Здесь F_а­- активная площадь охладителя. Удельная гидравлическая нагрузка иногда называется плотностью дождя, высотой орошения или высотой дождя.

При охлаждении воды в испарительных охладителях понижение ее температуры определяется совместным действием различных по физической природе процессов:

- теплоотдача соприкосновением - перенос теплоты путем конвекции;

- поверхностное испарение воды - превращение части ее в пар и перенос пара диффузией и конвекцией.

Удельное количество теплоты q_с, переданное при теплоотдачи соприкосновением

q_с=a(t-θ), кДж/(м²·ч),

где a -коэффициент теплоотдачи, кДж/(м²·ч·°С);

t - температура поверхности воды, °С;

θ - температура воздуха, °С.

Поверхностное испарение жидкости происходит, когда парциальное давление пара, содержащегося в воздухе, меньше давления насыщенного пара при температур поверхности жидкости.

Удельное количество теплоты q_и, которое теряет вода в результате испарения, определяется по формуле:

q_и=b(P_н-P_вп),

где b - коэффициент теплоотдачи испарением, кДж/(м² ·ч·Па);

Р_н- давление насыщенного пара при температуре поверхности воды, Па;

Р_вп - парциальное давление водяного пара в воздухе, Па.

Удельное количество теплоты q₀, передаваемое воздуху через водную поверхность в результате совместного действия теплоотдачи и поверхност-ного испарения, равно:

q₀=a(t-q)+b(Р_н-Р_вп).

Когда t>q, оба процесса действуют в одном направлении, вызывая охлаждение воды.

При t=q теплоотдача соприкосновением прекращается, и охлаждение воды происходит только благодаря поверхностному испарению.

При t<q вода будет охлаждаться до тех пор, пока количество теплоты, передаваемое воздухом воде соприкосновением, не сравняется с количеством теплоты, терямой водой в результате испарения, т.е., пока не будет соблюдено равенство:

q_с+q_и=0

Температура воды в этот момент достигнет того же значения, которое имеет температура охлаждающего воздуха t_з, измеренная смоченным термометром. Это значение температуры является теоретическим пределом охлаждения воды воздухом.

Несмотря на то, что при температуре воды t_з ее охлаждение прекратится, испарение воды и приток к ней теплоты будет продолжаться.

В действительности вода в охладителях не охлаждается до теоретического предела. Например, температура воды, охлажденной на градирнях, обычно на 8-14°С превышает температуру воздуха по смоченному термометру, но может оказаться ниже температуры воздуха, измеренной сухим термометром. Таким образом, при испарительном охлаждении может быть достигнута температура воды ниже, чем температура воздуха.

Температура влажного термометра зависит от состояния наружного воздуха (от температуры сухого термометра и относительной влажности). Поэтому предел охлаждения t_з также, как и действительная температура охлажденной воды t₂, изменяется как в течение суток, так и в течение года. Соответственно, изменяется и температурный перепад Dt, а это значит , что расход охлаждаемой воды при одной и той же тепловой нагрузке Q в охладителе также будет изменяться.

Чем больше температурный перепад, тем меньше нужно воды для охлаждения, но величина температурного перепада Dt зависит от температуры воды t₁, нагретой в аппаратах (величина относительно постоянная), и температуры охлажденной воды t₂, зависящей, в свою очередь, от высоты зоны охлаждения Dt.

Следовательно, высота зоны охлаждения Dt характеризует эффективность работы охладителя h_охл:

h_охл =(t₁-t₂)/(t₁-t₃).

При охлаждении воды в открытых водоемах с большим зеркалом воды кроме теплоотдачи за счет соприкосновения и испарения происходит также теплообмен излучением. Он протекает в результате проникания солнечной лучевой энергии через открытую поверхность воды. Кроме того, как всякое нагретое тело, водная поверхность излучает теплоту (эффективное излучение).

Удельное количество теплоты, переданное воде излучением, определяется радиационным балансом R.

R=(Q_n+Q_р)·n(1-a)-I, МДж/(м²·сут)

где Q_n - прямая солнечная радиация, МДж/(м²·сут);

Q_р - рассеянная солнечная радиация, МДж/(м²·сут);

n - общая облачность в долях единицы;

(Q_n + Q_р)·n - суммарная солнечная радиация при общей облачности, МДж/(м2·сут);

а - характеристика отражательной способности воды в долях единицы;

(Q_n + Q_р)·n(1-a) - поглощаемая водой суммарная радиация, МДж/(м²·сут);

I - эффективное излучение водной поверхностью, зависящее от температуры воды и общей облачности, а также от температуры и влажности

воздуха, МДж/(м²·сут).

Удельное количество теплоты, передаваемое через водную поверхность открытого водоема:

q_в=q_с+q_и-R.

Солнечная радиация может заметно снижать охладительный эффект испарительного охлаждения. Поэтому температура воды, охлаждаемой в открытом водоеме не может достичь температуры смоченного термометра.

Теоретическим пределом охлаждения в этом случае является естественная температура воды на поверхности водоема при установившихся метеорологических условиях, удовлетворяющая равенству:

q_с+q_и-R=0

Для установившегося теплового режима применительно к метеорологическим условиям наиболее неблагоприятной для охлаждения воды декады температура охлажденной воды определяется в результате решения уравнения теплового баланса:

где c·W₀·t₁ – количество теплоты, содержащееся в охлаждаемой оборотной воде, МДж/сут;

c·W_р·t_р - количество теплоты, приносимое с речной водой, МДж/сут;

с·W₂·t₂ – количество теплоты, содержащееся в охлажденной воде;

c·W_сбр·t_сбр - количество теплоты, сбрасываемой в водохранилище, МДж/сут;

К₃ - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения температуры воды по глубине водохранилища;

t_ср - средняя температура активной зоны пруда-охладителя, °С;

I - дополнительное эффективное излучение водной поверхности, МДж/(м²·сут);

b=0,0314·0,231(1+0,135V₂₀₀)=0,00725·(1+0,135V₂₀₀)

a=0,314·0,11(1+0,135V₂₀₀)=0,0345·(1+0,135V₂₀₀)

V₂₀₀ - скорость ветра на высоте 2м над поверхностью воды, м/с.

Определив из уравнения теплового баланса среднюю температуру воды в пределах активной зоны t_ср, можно рассчитать температуру охлажденной воды t₂ из следующего соотношения:

где t_е - естественная температура воды в пруде без учета подогрева ее теплотой, отводимой от промышленного объекта. t_е может быть принята равной температуре воды в водоемах, расположенных в том же районе.

Для упрощения теплового расчета прудов - охладителей институтом Теплопроект рекомендована номограмма (рисунок 18.1), позволяющая определить либо необходимую активную зону пруда, либо перегрев охлажденной в пруде циркуляционной воды по сравнению с естественной температурой воды (t₂-t_е) в зависимости от перепада Dt.

Рассмотрим пример.

Определить необходимую площадь пруда, если дано:

- расход циркулирующей воды W₀ = 150000 м³/сут;

- температура горячей воды t₁=40°С;

- температура охлажденной воды t₂=28°С;

- скорость ветра V₂₀₀=1,5 м/с;

- пруд проектируется в Днепропетровской области.

Значение естественной температуры в водоеме по Днепропетровской области для июля принимаем tе=22,4°С (см. табл. 31, Андоньев и др.).

Тогда температура перегрева d=t₂-t_е=28-22,4=5,6°C

Перепад температур Dt=t₁-t₂=40-28=12°C

Используем номограмму по схеме, представленной на рис.9.1 стрелками:

d®Dt®V₂₀₀®V°₂₀₀®t_宦 _уд.

По номограмме находим удельную площадь активной зоны

¦_уд =1,68 м²/(м³/сут).

Используя соотношение для удельной площади охлаждающего пруда

¦_уд=F_а/W₀, определяем площадь пруда, приняв коэффициент использования площади водоема К_и=0,8.

F_а/К_и=F_д=¦_уд·W₀/К_и=1,68·150000/0,8=201600 м²=20,16 га.

Расчет закрытых охладителей. Теоретический метод теплового расчета градирни был предложен инженером В.В. Проскуряковым. По этому методу оросительное устройство разбивается на участки сечениями, перепендикулярными направлению движения воздуха. Для каждого участка, начиная с нижнего, определяется изменение температуры воды и состояние воздуха (его температура и влажность) подсчетом количества теплоты, переданной водой воздуху соприкосновением и за счет испарения.

Если расход воздуха через градирню неизвестен, то расчет производится для нескольких значений скорости движения воздуха в оросителе. (1) Полное аэродинамическое сопротивление h градирни складывается из сопротивления входных окон для воздуха, оросительного устройства, внезапного расширения на выходе из градирни и определяется по формуле:

h=g_ср·x_г·(V²_ор/2g), Па,

где x_г - коэффициент общего аэродинамического сопротивления градирни, отнесенный к скорости движения воздуха в среднем сечении оросителя;

Vop- скорость движения воздуха в среднем сечении оросителя (без учета стеснения сечения конструкциями), м/с;

gcp- средний удельный вес воздуха в оросителе, Н/м³.

(2) Величина тяги в вентиляторных градирнях определяется характеристикой вентиляторов. Для башенных градирен величина тяги H_г определяется по формуле:

Н_г=(Н_б+0,5Н_ор)·(g₁-g₂), Па,

где Н_б - высота вытяжной башни над оросителем, м;

Н_ор - высота оросителя, м;

g₁ - удельный вес наружного воздуха, Н/м³;

g₂ - удельный вес воздуха, выходящего из градирни, Н/м³.

По результатам расчета составляют графики зависимости температуры охлажденной в градирне воды от тепловой и гидравлической нагрузок и различных метеорологических условий. После уточнения в результате испытаний аналогичных градирен эти графики используют в расчетах.

График (рисунок 18.2.) построен для определения температуры охлажденной воды на гиперболической градирне с комбинированным оросителем при температуре воздуха 25°С и его относительной влажности 54% . На рисунок 18.3. приводится вспомогательный график для внесения поправок к температуре охлажденной воды при других параметрах воздуха.