В.С. ГАЛУСТОВ,
заслуженный изобретатель РФ,
д.т.н., профессор

Чтобы понять, как наилучшим образом организовать замкнутое использование охлаждающей воды, введем понятие некой «идеальной системы». В нашем представлении это кольцо (возможно, с местными разветвлениями), по которому насосом прокачивается вода. Проходя через потребителей, она нагревается, а в охлаждающем устройстве отдает полученное тепло. Потери воды в системе и подпитка отсутствуют, водяной контур полностью закрытый (рис. 1). Здесь мы не конкретизируем способ охлаждения воды и дальнейший путь отобранного тепла. Отметим лишь, что в подавляющем большинстве случаев это тепло тем или иным способом рассеивается в окружающей среде. Его утилизация в силу низкой эксергии практически всегда экономически неоправдана. Попытки реализации подобных механизмов известны. К ним можно отнести системы с так называемыми сухими градирнями (аппараты АВГ и АВЗ), аналогичные системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания (рис. 2). Не будем объяснять, почему эти системы прижились в ДВС, однако в промышленности после всплеска 70-х годов прошлого столетия их применение крайне ограничено. Причин этому много, назовем главные.

Во-первых, избежать потерь воды и, соответственно, подпитки оказалось в реальных производственных условиях практически невозможно. Во-вторых, что более существенно, сухие градирни — сложные, громоздкие, дорогостоящие и весьма энергоемкие устройства. В-третьих, нижний предел охлаждения в них на 5–8 °С (а при загрязненных поверхностях и на 12–18 °С) выше температуры окружающего воздуха, то есть летом температура охлажденной воды 40°С и выше, что во многих производственных процессах недопустимо. «Сухая градирня» — это поверхностный теплообменник вода–воздух, где вода движется в трубках, обдуваемых с помощью вентилятора воздухом. Так как коэффициенты теплоотдачи от поверхности трубок к воздуху на 1,5–2 порядка ниже, чем от воды к трубкам, последние снаружи оребряют. Отложение грязи в зазорах между шайбами оребрения и накипи с внутренней стороны резко снижают эффективность теплообмена, а очистка поверхностей — трудоемкий и затратный процесс. И, наконец, главное, — удельный расход электроэнергии в таких аппаратах в 7–10 раз выше, чем в традиционных вентиляторных градирнях.

Известны и другие варианты создания систем без потерь воды и подпитки, когда вместо дорогостоящих «сухих градирен» использовались подземные аккумуляторные емкости (рис. 3).

Эти схемы были предназначены для оборудования, работающего только в дневное время, и использовали холод, накопленный охлаждающей водой (от грунта через стенки) в ночное время. Очевидно, что в рабочие циклы температура воды в аккумуляторной емкости будет расти. Соответственно будет расти и температура нагретой воды. Следовательно, объем воды (и бака) должен быть таковым, чтобы ее температура за весь рабочий цикл не превысила предельного значения. Из опыта известно, что при 10–12-часовом рабочем цикле, вода в емкости не должна обернуться более двух-трех раз, т.е. при расходе охлаждающей воды 50 м3/ч емкость бака должна быть 200–300 м3 (при увеличении продолжительности рабочего цикла и расхода воды эта цифра может существенно вырасти). Для больших систем или непрерывных производств этот вариант вообще исключен. Возможны компромиссные решения, но об этом ниже. Итак, если невозможно создать идеальную систему, то, очевидно, следует максимально приблизиться к ней, то есть свести к минимуму потери воды и подпитку, а также обеспечить эффективное и экономичное охлаждение нагретой воды. Определяющим становится выбор способа охлаждения, альтернативный рассмотренному «идеальному». Решение этой задачи подсказала сама вода, а точнее ряд ее уникальных свойств, в числе которых высокая теплота испарения — около 540 ккал/кг (для сравнения, у этилового спирта — около 200 ккал/кг). То есть если испарить 1% охлаждаемой воды, то ее температура снизится на 5,4°С.

Принцип испарения 1,5–2 % воды в сочетании с теплопередачей от нагретой воды к более холодному воздуху и положен в основу работы всех устройств испарительного охлаждения воды. Отличия между ними состоят в способе подвода воздуха, методе и форме развития поверхности контакта, конструктивном оформлении, но не являются принципиальными с рассмотренных позиций. Следующее условие максимального приближения к идеальной системе охлаждения — потери воды и подпитка должны быть равны испарению. В реальности этого добиться практически невозможно. Даже если свести к нулю потери через неплотности системы и механический унос в охладителе, исключить дренажный сброс не удастся. Системы заполняются и подпитываются из природных источников водой, содержащей растворенные в ней соли. И если мы будем компенсировать только испарение, то концентрация солей будет неуклонно возрастать в пределе до кристаллизации.

Дренаж (обычно, в зависимости от подпиточной воды, 3–5 %) и компенсирующая его подпитка позволяют поддерживать солесодержание в системе на некотором (пусть и более высоком, чем в исходной воде) приемлемом уровне. Поэтому, если механический унос влаги в сочетании с потерями в системе укладываются в заданный дренажный сброс, то их можно считать приемлемыми. Пример такой системы приведен на (рис. 4). Резюмируя вышесказанное, можно сделать главный вывод — воду можно охлаждать почти без потерь (и без под питки системы), но дорого, или с разумными потерями, но и с меньшими затратами. Следовательно, идеальных со всех точек зрения оборотных систем не бывает, речь может идти об оптимальных вариантах, когда важен грамотный выбор и разумный компромисс.

В качестве примера одного из таких компромиссных вариантов, который можно рекомендовать для некоторых малых и средних систем, приведем следующую схему.

Над аккумуляторной емкостью устанавливается испарительный охладитель, который интенсифицирует накопление холода в нерабочие циклы и обеспечивает дополнительный теплосъем во время работы оборудования (рис. 5), когда температура воздуха еще не достигла температуры воды в емкости. Такой вариант позволяет в несколько раз уменьшить объем бака, замедлить рост температуры и при этом использовать маломощную градирню.

Еще один важный вопрос, который приходится решать при организации оптимального потребления охлаждающей воды, — это выбор вида системы, которые бывают централизованными, групповыми и локальными.

В работах [1, 2] мы доказали неоспоримые преимущества локальных систем перед централизованными и рекомендовали порядок поэтапной децентрализации изношенных систем. Заинтересованному читателю мы рекомендуем обратиться к указанным источникам. Выбор типа и конструкции охладителя, либо решение о модернизации или реконструкции существующих градирен всегда является замыкающим этапом. Перед этим определяются реальные тепловыделения (потребный теплосъем) в целом и по отдельным группам оборудования, оптимальное число локальных (или групповых) систем и т.д.

Если решение о необходимости модернизации водооборотной системы принято
А теперь некоторые практические рекомендации по организации процесса ремонта или реконструкции, которые, я надеюсь, помогут специалистам выработать грамотную стратегию. Любым практическим действиям по модернизации должно предшествовать обследование (аудит) потребления охлаждающей воды. Только при обоснованном системном подходе возможно найти оптимальное решение и минимизировать затраты.

С чего начать и как оценить ситуацию
Не спешите начинать ремонт разрушающейся градирни: на фоне прошедших лет дополнительные 2–3 месяца ожидания мало что изменят, а этим временем можно распорядиться с большей пользой. Любые мероприятия по модернизации должны быть экономически оправданными. Многолетний опыт показывает: предварительное обследование и тщательный анализ позволяют в 1,5–4 раза сократить затраты на модернизацию водооборота.

Со времени постройки градирни могло измениться многое: технологии, парк оборудования, режим работы, объемы и потребности. Поэтому первое, что следует сделать, — провести предварительное обследование потребления охлаждающей воды тепловыделяющим оборудованием, учитывая требования к воде по содержанию примесей, температуре и т.п., места размещения, реальный потребный теплосъем, состояние градирен, водоводов, арматуры и пр. В результате определятся группы со схожими требованиям к воде и с учетом их размещения (по корпусам, цехам, участкам). По каждой группе нужно рассчитать требуемый теплосъем с учетом предельных параметров охлаждающей воды. Эта и другая собранная информация, вместе с ее профессиональным анализом и рекомендациями специалистов, позволят принять осмысленное решение по модернизации оборотного потребления охлаждающей воды. И пусть вас не пугает, если вдруг окажется, что существующую изношенную централизованную систему стоит заменить на две-три локальных.

Схему выбора в пользу того или иного варианта рассмотрим на следующем примере.
Допустим, оборотная система отсутствует, оборудование охлаждается «на проток» (водопровод–потребитель–канализация). В этом случае, во-первых, определяют необходимое число локальных систем, тип каждой из них (с одним или двумя разрывами струи), места размещения элементов (охладителя, емкости, насосов). Затем рассчитывают затраты, необходимые на внедрение системы и ее эксплуатацию, сравнивают их с текущими затратами на потребление и сброс охлаждающей воды, определяют срок окупаемости модернизации. И, наконец, делают вывод о целесообразности перехода на оборотное водопотребление.

Еще раньше неплохо посмотреть: нет ли на предприятии потребителя нагретой условно чистой воды? Есть и другие факторы, которые следует учитывать при построении оптимальной системы использования охлаждающей воды, например, графики работы потребителей и их наложение.

Даже рассмотренный вариант, не говоря о случаях, когда система полностью изношенная, частично централизованная либо групповая, показывает: эту работу целесообразно поручить профессионалам.

Что можно сохранить
Предположим, выяснено, что группа локальных систем многократно эффективнее и экономичнее централизованной. Но материальные ограничения не позволяют предприятию сделать такой кардинальный шаг. Придется сохранить основу существующей системы.

Что можно сохранить и как при этом минимизировать затраты?

Проще и желательнее всего сохранить водоводы, если они в нормальном состоянии и не заявляют о себе бесконечными авариями. В противном случае их лучше заменить, предварительно рассчитав диаметр труб заново: возможно, он окажется меньше, чем существующий. Сложней дело обстоит с градирней. Во-первых, ее капитальный ремонт всегда на 20–40 % дороже строительства новой; во-вторых, нынешний потребный теплосъем может отличаться от заложенного при строительстве несколько десятков лет назад; и, в-третьих, обидно упустить шанс перейти на гибкий и экономичный модульный принцип.

В старых централизованных системах насосная группа проектировалась без учета суточных колебаний нагрузки и сезонных изменений условий. Чтобы снизить на 30–50 % затраты на электроэнергию, насосы однозначно надо менять. Опыт реконструкции изношенных вентиляторных градирен по схеме «Муссон» показывает, что при правильном подходе капитальные затраты сокращаются в 2–4 раза. Впрочем, сохраняется главный недостаток системы — централизация.

Некоторые аспекты проектных расчетов
Теоретическим пределом охлаждения воды в градирне является так называемая температура смоченного термометра ta, однозначно определяемая температурой и влажностью охлаждающего воздуха. Независимо от типа градирни должны обеспечиваться два условия: съем заданного количества тепла Q и недопущение превышения предельной температуры нагретой воды t1 (берется самая низкая паспортная температура воды на выходе из тепловыделяющего оборудования, входящего в оцениваемую систему). Итак, имеются две предельные температуры (верхняя t1 и нижняя ta) и требуемый теплосъем, определяющие расчет и оценку систем водооборота. Количество снимаемого тепла равно:

где V — расход охлаждаемой воды,
м3/ч; с — теплоемкость воды,
ккал/(кг•°С); — плотность воды,
кг/м3; t1, t2 — температура нагретой (перед градирней) и охлажденной (после градирни) воды, °С.

Учитывая, что теплоемкость и плотность фактически постоянны, заданное значение Q определяется произведением расхода воды на температурный перепад, т.е. чем больше расход воды в системе, тем меньше будет температурный перепад, и наоборот.

Таким образом, вопреки распространенному заблуждению, температурный перепад определяется исключительно тепловым балансом и без учета других параметров характеризовать эффективность градирни и системы в целом не может.

Очевидно, что чем выше заложенная в проект температура нагретой воды, тем больше будет температурный перепад, и тем меньшее количество воды будет перекачиваться в системе, что в свою очередь отразится в сторону уменьшения расходов на строительство и эксплуатацию. Следовательно, воду от потребителей с разными температурными требованиями невыгодно собирать в одной системе, так как придется ориентироваться на самое требовательное оборудование. Как уже было отмечено, температура охлажденной воды и, соответственно, перепад температур определяются параметрами охлаждающего воздуха. Если при проектировании системы за расчетную температуру воздуха принять максимально возможную, большую часть года мощность системы будет задействована не полностью. Занижение температуры приводит к необходимости в течение продолжительного периода сильно разбавлять используемую воду свежей. Таким образом, в первом случае будут завышены капитальные затраты, а во втором — эксплуатационные. Приложение к СНиП 2.04.02–84 «Пособие по проектированию градирен» предлагает компромиссное решение: в качестве расчетной температуры воздуха брать среднюю многолетнюю температуру самой жаркой декады июля для соответствующего региона.

Выбор типа системы, какие параметры учитывать
Тип системы не способствует и не препятствует ее оптимизации, но влияет на конкретные детали. Напомним, что системы водоохлаждения бывают с одним (в градирне) и двумя (в градирне и после потребителей) разрывами струи. Первые проще: в них одна группа насосов прокачивает воду через систему охлаждения потребителей и под остаточным давлением подает ее непосредственно на градирню; используется одна емкость для сбора охлажденной воды, функции которой может выполнять чаша градирни. При этом давление воды перед потребителями максимальное. Однако использование одного разрыва струи ограничено сравнительно небольшими системами, и то лишь в тех случаях, когда нет препятствий к открытому сливу охлаждающей воды из отдельных агрегатов (как, например, после некоторых компрессоров). Это еще один аргумент в пользу децентрализации. В системах с двумя разрывами струи в два раза больше насосов (с меньшим напором), две емкости для сбора воды (нагретой и охлажденной); им присуща проблема балансировки насосных групп, которая обычно решается за счет применения достаточно сложной автоматики (впрочем, есть и очень простые варианты).

Для достижения минимальных энергетических затрат в любой системе число охладителей (модулей) должно быть не меньше двух (за исключением очень маленьких систем с расходом воды до 5 м3/ч). При этом каждый модуль может быть еще и секционирован. Тогда в самое жаркое время и при максимальном числе работающих потребителей включаются все модули. В прохладное время или при отключении части потребителей один из модулей (или секция второго) отключается. При более низкой температуре отключается второй из трех модулей (или еще одна секция при двух модулях). И, наконец, в морозы работает только один модуль (или секция) — по зимней схеме.

Такой подход позволяет в определенные периоды года без ущерба для работы потребителей выводить в ремонт (предупредительный, текущий, капитальный) отдельные модули. Однако для минимизации энергозатрат необходимо должным образом укомплектовать насосные группы: вместо одного насоса (при одном разрыве струи), рассчитанного на полную производительность системы, устанавливаются минимум три, соответственно производительностям отключаемых модулей или (и) секций. Каждый насос включается и выключается вместе с определенным модулем (секцией). В крупных системах может быть использовано частотное регулирование, что упрощает автоматизацию системы, но заметно удорожает насосную станцию. Самой затратной частью системы водооборота является охладитель, поэтому его выбор в существенной мере определяет экономическую эффективность оптимизации.

Об охладителях, представленных на рынке
К настоящему времени даже самые «молодые» системы и градирни отработали 20 и более лет, вполне естественно, что большинство из них требуют капитального ремонта, замены, реконструкции. Возросший спрос породил и предложения. Десятки фирм в России, Белоруссии и других странах СНГ рекламируют свои «новейшие» разработки для охлаждения оборотной воды. Большинство предлагаемых устройств не имеют сколь-нибудь серьезного научного обоснования, а их внедрение влечет за собой снижение эффективности оборотных систем, увеличение расхода электроэнергии, рост потерь воды и другие негативные последствия.

Обеспокоенные сложившейся ситуацией, специалисты ВНИИВОДГЕО (Москва) еще в 1998 г. распространили информационное письмо, в котором предостерегали предприятия от использования брызгальных систем и градирен, рекомендуемых случайными фирмами. Попытаемся разобраться в этом вопросе, а точнее помочь заинтересованным специалистам объективно и обоснованно подходить к выбору той или иной градирни, или варианту реконструкции изношенного оборудования. Оставим в стороне простейшие охлаждающие устройства: пруды, брызгальные бассейны, открытые градирни в силу их малой эффективности и ограниченности применения. Опустим также башенные (безвентиляторные) градирни, так как их применение оправдано только в очень крупных системах с единичной производительностью не ниже 6000 м3/ч. В этом случае круг принципиальных конструктивных решений сужается фактически до двух вариантов: противоточные вентиляторные (пленочные и капельные) градирни и прямоточные распылительные эжекционные аппараты «Муссон» (рис. 6 и 7).

Рассмотрим их особенности, отличия, достоинства и недостатки. Все упомянутые выше охладители относятся к устройствам испарительного охлаждения. Вместе с тем, известно, что в процессах с изменением фазового состояния (в данном случае испарение) направление движения фаз не оказывает заметного влияния на величину движущей силы, т.е. в этом отношении противоточные градирни и прямоточные «Муссоны» практически равноценны. Первое принципиальное различие — способ развития поверхности контакта фаз (воды и воздуха). В градирнях эта поверхность формируется при растекании воды по оросителю в виде пленки. Очевидно, что чем совершенней ороситель, тем большая поверхность пленки образуется в единице (1 м3) занимаемого им объема. Однако при этом совершенно небезразлично какое гидравлическое сопротивление создает смоченный ороситель движению воздуха. Известна качественная зависимость: чем более развита поверхность оросителя, тем выше гидравлическое сопротивление, тем больше затраты энергии на продувание воздуха через градирню.

Заметим, что необходимый удельный расход воздуха, независимо от охлаждающего устройства, колеблется в незначительных пределах (700–1000 м3 на 1 м3 охлаждающей воды). В «Муссонах» поверхность контакта — это поверхность капель, образующихся при распылeнии охлаждающей воды специальными форсунками (средний размер для форсунок различного типоразмера и режима работы колеблется от 0,3 до 0,8 мм).

Оценка показывает, что поверхность контакта «Муссона» почти на порядок выше, чем в традиционных градирнях. Второе различие заключается в способе подачи охлаждающего воздуха. В градирнях для этих целей используется вентилятор, принудительно подающий воздух в аппарат.

Отметим сразу связанные с этим недостатки. Во-первых, это неоднородность соотношений расходов потоков по сечению насадки (оросителя), то есть возникают зоны с недостаточным или избыточным расходами воздуха. Это явление, называемое байпасированием, характерно для всех насадочных аппаратов и обусловлено следующими процессами. Жидкая фаза достаточно «консервативна» и ее распределение по поверхности насадки практически сохраняется и на выходе из нее. Газовая фаза ведет себя иначе, она весьма чувствительна к локальным неоднородностям в гидравлическом сопротивлении слоя, немалое влияние оказывают стенки, балки и другие элементы каркаса. Во-вторых, расход воздуха определяется только параметрами вентилятора и продуваемого слоя насадки. Увеличение или уменьшение нагрузки по воде в лучшем случае не влияет на абсолютный расход воздуха (на практике же увеличение нагрузки влечет увеличение гидравлического сопротивления слоя и соответствующее уменьшение расхода воздуха), то есть удельный расход воздуха (и соответственно мощность вентилятора) должны приниматься по максимальному расходу воды.

В аппаратах «Муссон» заложен иной принцип. Эжекционный эффект практически исключает байпасирование, воздух засасывается за счет энергии, передаваемой ему каплями при непосредственном контакте, поэтому распределение удельных потоков достаточно однородное. Кроме того, в рабочем диапазоне давлений воды на форсунках (0,1–0,4 Мпа) коэффициент эжекции (удельный расход воздуха) — относительно постоянная величина, следовательно, «Муссоны» обладают свойством саморегулирования: изменение расхода воды сопровождается пропорциональным изменением расхода воздуха. А так как с увеличением расхода (давления) поверхность контакта увеличивается (уменьшается средний размер капель), то эффективность охлаждения возрастает, в отличие от традиционных градирен. У «Муссонов» есть и другие достоинства. Например, низкий уровень шума, что весьма существенно при близости с жилой зоной, малое удельное давление на опорную поверхность (позволяет установить аппарат на крыше зданий, антресольныхплощадях, козырьках и т.д.), мобильность конструктивного решения, что позволяет легко учитывать конкретные условия, в том числе и габаритные ограничения. По схеме «Муссон» можно реконструировать изношенные вентиляторные градирни. Особенно я бы хотел выделить простоту конструкции, которая является залогом высокой надежности, стабильности характеристик, большого межремонтного срока, удобства и дешевизны обслуживания, пожарной безопасности.

Вместе с тем конструкция не так проста, как это может показаться. Распыление охлаждаемой воды форсунками — необходимое условие, но еще не достаточное. Решающее значение отводится соотношению размеров, подбору группы типоразмеров и расположению форсунок, их класс, характеристики и целый ряд других факторов, только при соблюдении которых обеспечивается требуемый коэффициент эжекции и необходимое охлаждение воды.

Примерами ошибочных решений можно признать варианты реконструкций вентиляторных градирен, предлагаемые фирмами «РЕЦИКЛ» (Москва), «ТрансБелСиб» и «Николай» (Беларусь). Технические решения первых двух компаний заключаются в размещении форсунок на параллельных коллекторах на уровне воздуховходных окон, при ориентации факелов под некоторым углом снизу вверх. «Николай» размещает блоки форсунок непосредственно в окнах, также направляя их внутрь. Во всех трех случаях нарушается ряд обязательных условий и, как следствие, эффект эжекции не возникает, а воздух поступает только за счет тяги (теплового напора) собственно башни градирни, то есть реконструируемая градирня будет работать как открытая распылительная.

Соответственно, невелика и эффективность (в 2–3 раза ниже, чем у новой вентиляторной градирни или «Муссона») и, как следствие, в 2–3 раза завышенные объемы перекачиваемой воды и связанные с этим затраты.

Иллюзия благополучия может возникнуть в тех случаях, когда мощность градирен существующей системы водооборота многократно перекрывает требуемый в настоящее время теплосъем.

Литература
1. Галустов В.С. и др. Рациональное использование и очистка воды на машиностроительных предприятиях. — М.: Машиностроение, 1988.
2. Галустов В.С., Беличенко Ю.П. Современные методы, системы и оборудование охлаждения оборотной воды. — М.: ЦИНТИ-Химнефтемаш, 1988.
3. Галустов В.С. Оптимизация систем охлаждения оборотной воды // Аква-Терм. — 2004. — №1.