3.1 Теплообмін у випарних та сухих градирнях

Охолодження у випарних градирнях забезпечується кількома процесами:

• випаровуванням води з її поверхні;

• переносом пари від поверхні назовні градирні;

• контактною та конвективною теплопередачею.

Завдяки контактній та конвективній теплопередачі вода віддає тепло повітрю, якщо його температура нижча від температури води і якщо нижча - отримує тепло. Тепловий потік q (кДж/м²год.) можна представити рівнянням тепло-передачі

q_т = α·(t – θ), (2.3)

α – коефіцієнт тепловіддачі границею контакту «вода – повітря»; t – температура води; θ – температура повітря.

Питому кількість тепла випаровування q_в (кДж/м²год.) розраховують за формулою

q_в = β·(p_s – p), (2.4)

q_в - коефіцієнт тепловіддачі випарюванням (кДж/м²год.Па); p_s – тиск насиченої пари при температурі повітря; p – парціальний тиск водяної пари в повітрі, Па.

Загальний потік тепла, що проходить через поверхню води до повітря

q = α·(t – θ) + β·(p_s – p). (2.5)

Якщо t > θ, то обидва процеси конвективного теплообміну і випаровування охолоджують воду, навпаки – вони діють у протилежних напрямках і можлива ситуація, коли охолодження припиниться, тобто стане q = 0. У цьому випадку температура охолодженої води стане рівною температурі повітря виміряній за змоченим термометром. Переважно температура охолодженої води на (3-6)^оС вища від теоретичної границі - температури повітря за змоченим термометром. Отже випарні градирні реально охолоджують воду до температури нижчої за температуру навколишнього повітря.

Передача тепла у сухих (радіаторних) градирнях від теплоносія до зовнішнього повітря відбувається через стінку радіатора і розраховується за формулою

q_р = k_р·(t – θ), (2.3а)

k_р – коефіцієнт теплопередачі від теплоносія до повітря через стінку радіаторних трубок.

Він може бути записаний у вигляді

, (2.6)

α₁, α₂ – коефіцієнти тепловіддачі від теплоносія до внутрішньої поверхні і від зовнішньої поверхні трубок до повітря, кДж/(м²год.·К); λ – теплопровідність матеріалу трубок, кДж/(м·год.·К); δ - товщина трубок.

Навіть при великих швидкостях α₁ >> α₂ і реальна теплопередача залежить від α₂ тому, щоб її збільшити використовують оребрені зі сторони повітря трубки.

3.2 Теплообмін у водосховищах-охолоджувачах

У водосховищах з великим дзеркалом води крім процесів теплопередачі (2.5) слід враховувати теплообмін випромінюванням. Сонячна радіація проникає у воду і нагріває її. При цьому частина радіації відбивається від поверхні води, а сама поверхня води, як нагріте тіло, випромінює тепло. Тепловий потік, що отримує вода від сонячної радіації визначається за радіаційним балансом R, МДж/(м²·добу),

R = (Q + q)·n·(1 - a) – I, (2.7)

Q – пряма сонячна радіація, МДж/(м²·добу); q – розсіяна сонячна радіація, МДж/(м²·добу); n – відносна хмарність (n = 1 для безхмарного неба); а – відбиваюча здатність поверхні води (0 < a < 1), I – ефективне випромінювання води, залежить від температури води, хмарності та вологості повітря.

Загальна величина потоку тепла, що віддається поверхнею води рівна:

q_в = q_т + q_в – R. (2.8)

Сонячна радіація помітно знижує охолоджуючу здатність водойми і тому границею охолодження при стаціонарних метеорологічних умовах є температура поверхні водойми, що задовольняє умову

q_в = 0 = q_т + q_в – R. (2.9)

Щоб розрахувати температуру води у водоймі використовують дані найгіршої для умов охолодження декади найтеплішого місяця літа. Рівняння теплового балансу водойми таке:

Q₁·t₁ + Q_p·t_p – Q₂·t₂ - Q_ск·t_ск = [A·(e_m – e) + B·(k₁·t_c – θ) – R +ΔI]·ω_акт, (2.10)

Q₁·t₁ – тепло, що скидається у водосховище з нагрітою водою, МДж/добу; Q_p·t_p – тепло, що вноситься річкою, яка впадає у водосховище; Q₂·t₂ – тепло, що забира-ться з водосховища охолодженою водою; Q_ск·t_ск – тепло, що виноситься скидною водою; A·(e_m – e) – тепло, що виноситься випареною водою, МДж/(м²·добу); e_m - тиск насиченої пари біля поверхні води; e – парціальний тиск пари в повітрі; B·(k₁·t_c – θ) – тепло, що передається поверхнею водосховища конвекцією; k₁ – коефіцієнт, що враховує нерівномірність розподілу температури по глибині води; t_c – середня температура поверхні води активної зони водосхо-вища, ^оС; R – радіаційний баланс не підігрітого водосховища; ΔI - додаткове ефективне випро-іювання водною поверхнею; ω_акт – площа активної поверхні водосховища.

Коефіціієнт тепловіддачі випаровуванням, МДж/(м²·доба·Па), приймають рівним,

A = 0.0314·0.231·(1 + 0.13·w₂₀₀), (2.10)

коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, МДж/(м²·доба·^оС),

B =0.0314·0.11·(1 + 0.135·w₂₀₀), (2.11)

w₂₀₀ - швидкість вітру на висоті 2.0 м над поверхнею води, м/с.

З рівняння (2.10) визначають t_c для активної частини водосховища, а опісля. з рівняння

, (2.12)

визначають температуру охолодженої води t₂.

У формулі (2.12): t_п – природна температура у водосховищі без підігрівання її теплою водою з підприємства; t₁ – температура нагрітої води з підприємства.

Температура t_п може бути виміряна в інших водоймах у цьому районі, або розрахована з рівняння теплового балансу

A·(e_m – e) + B·(k₁·t_п – θ) – R = 0. (2.13)

Не вся площа водосховища однаково ефективна щодо тепловіддачі. Вва-жають, що найефективнішим є транзитний потік водосховища та прилеглі до нього зони. Тому при розрахунку потрібної площі водосховища використовують поняття активної його частини.

Відношення активної частини поверхні водойми до загальної називають коефіцієнтом використання водоймища К.

, переважно 0.5 < K < 0.95. (2.14)

ω_а, ω_з – активна і загальна площі водосховища.

Переважно, щоби розподілити транзитний потік по найбільшій частині водойми і створити її активну частину достатню для охолодження розрахункової витрати, використовують струминоспрямовуючі дамби і струминорозподільні споруди. Деякі схеми організації обігу води у водосховищах та розміщення основних споруд показані на рис. 2.4. Там зображені:

- 2.4а витягнуте водосховище у якому циркуляція води забезпечується відвідним каналом та струмино спрямовуючою дамбою перед водозабірною спорудою;

- 2.4б – водосховище складної форми де циркуляція води забезпечується перегороджувальною дамбою та штучним сполучним каналом;

- 2.4в - циркуляція води забезпечується струмино спрямовуючою дамбою;

- 2.4г – система озер, що використана як водосховище;

- 2.4д – наливне водосховище зі зручним рельєфом; 2.4е - наливне водос-ховище з круговою циркуляцією води та водозабірною спорудою в центрі водойми;

- 2.4ж – глибоке водосховище з випуском нагрітої води на поверхню та глибинним водозабором, що розміщений поблизу випуску; циркуляція води об’ємна з різноспрямованими потоками на поверхні та глибині.