Системи охолодження у промисловості
У багатьох промислових процесах утворюється теплота, яка має бути використана або відведена. В економічних розрахунках часто розглядають воду як транспортуюче середовище. Залежно від водоносності розрізняють:
- проточне охолодження;
- відкриті системи охолодження (випарне охолодження);
- закриті системи охолодження
Найбільші системи застосовуються на електростанціях, у виробництві сталі, у процесах нафтообробки та хімічної промисловості. У виробництві сталі та заліза вода також використовується у великих кількостях для очищення технологічних газів. У газопромивних або скруберних системах завдяки обробці води також усуваються певні проблеми.
1.1 Проточне охолодження
Найпростішим, а там, де в достатній кількості є вода, одночасно і економічним методом щодо техніки та витрат є прямоточне водне охолодження, тому що ефективність більшості термічних процесів підвищується зі зниженням температури охолоджувачів. Вода береться, як правило, з водоприймача (річка, канал, озеро), проводиться через теплообмінники, і вже тепла повертається в джерело води. З метою економії води тепла вода, що охолоджує, може бути використана повторно в подальшому процесі охолодження, при якому допустимо більш високий температурний режим. Бо при одноразовому використанні потрібні дуже великі кількості води, застосовуються недорогі, невитратні методи водопідготовки. Водопідготовка зазвичай обмежується фільтрацією через пісочні фільтри, хімічна обробка води зазвичай не проводиться. Пов'язані з цим проблеми у системі охолодження як корозія, утворення відкладень чи зростання мікробіології визначаються властивостямивикористовуваної води.
1.2 Відкриті системи охолодження (випарне охолодження)
При цьому методі охолодження випаровуванням з точки зору хімічної обробки води йдеться про повторне використання охолоджуючої води. Циркуляційну систему охолодження можна описати коротко наступним чином: необхідна кількість води, що охолоджує, береться з чаші градирні і за допомогою водних насосів проводиться через холодильні установки. Нагріта там вода, що охолоджує, повертається в градирню. Там виникають втрати води за рахунок випаровування та знесолення, ці втрати повинні компенсуватися підживлювальною водою. Нагрівання в теплообмінниках відповідає охолодженню в градирні. Суттєва відмінність від проточного охолодження полягає в необхідності поповнення втрат при випаровуванні, при якому одночасно відбувається згущення розчинених у воді солей (підвищення концентрації солей). В результаті цього механічна та/або хімічна обробка підживлювальної води стає неминучим.
1.2.1 Градирня
Нагріта вода, що охолоджує, зрошується в градирні за допомогою спеціальних вбудованих елементів. Вода при цьому охолоджується у вигляді тісного контакту з повітрям у два етапи: 1. Тепловідведення при прямому контакті охолоджувальної води з холоднішим повітрям становить приблизно 15-25% загального теплообміну; 2. Через випаровування частини води відбувається більша частина відведення тепла. Найчастіше використовувані градирні різняться залежно від виду нагнітання повітря – градирні з природною і примусовою тягою, а залежно від виду напряму струму повітря та води – протиточні та градирні з перехресним рухом потоків. У градирнях з природною тягою повітря переміщається знизу вгору всередині градирні тільки завдяки різниці температур і тиску, тоді якградирнях з примусовою вентиляцією протікання здійснюється за допомогою вентилятора. На електростанціях використовуються, як правило, градирні висотної конструкції з природною тягою, які є найбільш економічним типом градирні при дуже великій потребі в охолодній воді. Промислові установки, навпаки, працюють переважно за допомогою секційних градирень з примусовою тягою, низькою конструкцією, при цьому численні осередки часто з'єднуються в більші одиниці. Для підтримки постійного об'єму води в контурі охолодження вода, що випаровується в градирні, повинна заповнюватися. Так як при випаровуванні води її складові не випаровуються, то кількість води, що залишилася, насичується цими речовинами. Таке підвищення концентрації не може продовжуватися довільно, оскільки розчинена множина солей неминуче буде підвищувати свою розчинність. Щоб уникнути високої концентрації солей, частина води повинна безперервно або з перервами зливатися із системи. Ці заходи називають видаленням солей чи видаленням шалака.
1.3 Закриті та напіввідкриті системи охолодження
На відміну від відкритих систем, зворотне охолодження нагрітої води в закритих системах проводиться не шляхом зрошення в градирні, а за допомогою теплообмінника. Охолодження теплообмінника може здійснюватися через другу відкриту систему охолодження (вторинну систему), і з допомогою повітря в АВО (апарат повітряного охолодження). Типовим прикладом закритих циркуляцій є охолодження кокілів при безперервному лиття. Через високі температури, і зв'язну з цим небезпеку відкладень жорсткості з катастрофічними наслідками (злом кокіля), кокіль у закритій системі охолоджується знесоленою або пом'якшеною водою. Зворотне охолодження проводиться часто придопомоги пластинчастого теплообмінника та вторинної відкритої системи охолодження. Втрати води в закритих системах охолодження природним чином значно менші. Підживлення проводиться переважно пом'якшеною або повністю знесоленою водою. Щодо обробки води, ці системи вимагають трохи догляду, оскільки концентрація хімічних речовин, що застосовуються, залишається більш-менш постійною. Так як пом'якшена або повністю знесолена вода поводиться агресивно по відношенню до речовин, що переробляються зазвичай в таких системах, слід подбати, в першу чергу, про хороший корозійний захист.
Напіввідкриті системи охолодження застосовуються там, де короткочасно виникають високі технологічні температури, але кількість тепла, що відводиться, відносно невелика. Тому для охолодження водою можна використовувати досить велику ємність, яка має кришку. Ця ємність влаштована таким чином, щоб за допомогою тепловипромінювання ємності в довкілля та часу контакту води досягалася необхідна температура води, що охолоджує. Втрати води відносно незначні та обмежуються при значних випарах переважно витоками. Підживлення проводиться, як і в закритих системах, частіше повністю знесоленою або пом'якшеною водою. Типовим прикладом напіввідкритих систем охолодження є охолодження електричних агрегатів, а також загартованого середовища в індукційних загартованих машинах. На відміну від закритих систем, у яких принципово повинна запобігати лише гальванічна корозія після поглинання кисню, викликана застосуванням різних дорогоцінних матеріалів, у напіввідкритих системах постійно вводиться кисень, що веде до підвищеної корозійної активності води. При охолодженні електричних агрегатів, як, наприклад, індукційнихзагартованих машинах, слід враховувати розчинення металів через енергію стороннього джерела (паразитні струми).
1.4 Конвертерні гази
У виробництві стали з'являються великі кількості конвертерних газів, насичених пилом. Вимоги щодо екологічних норм вимагають ретельного очищення конвертерних газів, яке проводиться, як правило, за допомогою мокрих пиловловлювачів. У мокрих пиловловлювачах з оборотною водою можуть виникати значні проблеми через відкладення карбонату кальцію та оксидів заліза в зоні розпилення води, нагнітальних трубопроводів та вентилятора. Відкладення оксигідратів заліза, що характеризуються пухкою пористою структурою, механічно легко видаляються. На противагу цьому спечені шлаки, основа яких складається з кристалічного, міцно зрощеного карбонату кальцію, являють собою міцно зчеплені і механічно з великими труднощами продукти, що видаляються. Механічне видалення цих шлаків, що запеклися, обумовлює короткий час проходження конвертера, через що значно підвищуються виробничі витрати.
1.4.1 Утворення накипу під час очищення конвертерних газів
Частина необхідних наповнювачів, що містять вапно, під час конвертації заліза в сталь захоплюється вихлопними газами під час фази кисневого дуття і підводиться до очисної системи. Ця захоплена кількість вапна на підставі відносно коротких проміжків часу наповнення, що йдуть один за одним, настільки велика, що відбувається насичення вапном промивної води. Порівняно невеликої кількості підживлювальної води не вистачає для того, щоб зробити воду здатною знову приймати іони кальцію. При значенні pH від 10 до 12,5 кальцій виступає переважно у вигляді гідроксиду кальцію. Відкладення можна очікувати скрізь,де з водних розчинів або дисперсій розчинних солей кальцію виникають відкладення карбонату кальцію при контакті з вуглекислотою (або по-іншому, водним комплексом оксиду вуглецю(IV)).
1.5 Теплопередача у теплообмінниках
Промислові теплообмінники складаються з деякої кількості труб (трубчасті теплообмінники) або пластин (пластинчасті теплообмінники), які закриті кожухом. Теплоносій переносить тепло гарячого потоку через теплопровідну контактну поверхню до холодного потоку речовини, наприклад, води, що охолоджує. При цьому гарячий потік охолоджується протягом свого шляху прямування, в той час як холодний потік нагрівається. Щоб обчислити температурні характеристики обох потоків слід обчислити енергобаланс системи. У процесі роботи теплообмінника під впливом охолоджувальної води можуть утворюватися відкладення, що перешкоджають теплопередачі. Коефіцієнт теплопередачі стає нижчим. Ступінь забруднення теплообмінника для установок, що знаходяться в режимі роботи, показує Fouling-фактор. Він показує, якою мірою відкладення перешкоджають теплопередачі. При цьому сам Fouling-фактор є різницею між зворотним коефіцієнтом теплопередачі, що спостерігається в установці, і зворотним теоретичним коефіцієнтом теплопередачі для чистого теплообмінника.