Главная страница → Информация о чиллерах и производстве чиллеров →

Сухая градирня

1. Общее описание сухого охладителя

Сухую градирню еще называют драйкуллером. Сухая градирня является устройством охлаждения жидкости без потребления воды, но использующим окружающий воздух для регулирования температуры охлаждаемой жидкости. Такое охлаждение основано на принципе отвода явной теплоты.

(краткое определение) Явная теплота — это количество тепловой энергии, которое подводится к объекту (веществу) или отводится от него для изменения его измеряемой температуры.

2. Принцип работы сухого охладителя

В трубки теплообменного блока сухой градирни подается жидкость для охлаждения. Для интенсификации отвода теплоты от охлаждаемой жидкости, через теплообменную поверхность сухого охладителя, принудительно прокачивается поток уличного воздуха, посредством вентиляторов (как правило, осевых). В отличие от открытых испарительных градирен, в сухой градирне не используется испарительное охлаждение. Производительность сухого охладителя зависит от температуры воздуха по сухому термометру, тогда как, для открытых и гибридных градирен, рабочая температура воздуха — по влажному термометру. Она представляет собой замкнутый жидкостной контур, без непосредственного контакта охлаждаемой жидкости и охлаждающего воздуха – контакт происходит и исключительно через стенки теплообменной поверхности, в отличие от открытых испарительных (мокрых) градирен.

Сухой охладитель, конструктивно, значительно проще открытых (мокрых) градирен (атмосферных и механических) и фактически состоит и трех основных функциональных компонентов:

Теплообменный блок с оребрением или икроканального типа;
Вентиляторы;
Несущий корпус с диффузорами.

В качестве охлаждаемой жидкости, обычно, применяют воду или водный раствор гликоля с концентрацией замерзания ниже минимальной эксплуатационной температуры окружающей среды.

(нажмите на картинку для ее открытия, далее можно дополнительно увеличить)

Эффективность охлаждения жидкости в сухом охладителе обуславливается несколькими ключевыми факторами: площадью теплообменной поверхности; разницей температур межу охлаждаемой жидкостью и температурой окружающего воздуха; скоростью потока воздуха через теплообменную поверхность. Площадь теплообменной поверхности рассчитывается таким образом, чтобы, при существующем протоке воздуха, достигнуть оптимальной температурной дельты между температурой охлаждающего воздуха и температурой охлаждаемой жидкости, в среднем от ~5K до 10K, стараясь минимизировать данную дельту. ΔT = 5K иногда называют термодинамическим пределом.

При ограничении одного из ключевых факторов эффективности, который сложно или невозможно интенсифицировать, стараются добрать требуемую производительность путем увеличения других доступных ключевых факторов эффективности.

Примеры способов поддержания заданной температуры жидкости в сухой градирне:

Плавная регулировка оборотов вращения вентиляторов градирни, изменения интенсивности воздушного потока — для изменения скорости теплообмена, следовательно, интенсивности охлаждения, следовательно, конечной температуры охлаждения;
Плавная регулировка вращения двигателя жидкостного насоса;
Частичное перекрытие подачи жидкости в градирню, с помощью мотор-вентиля — часть подается для охлаждения, часть перепускается в бак через автоматический байпас. Мотор — вентиль периодически частично зарывается / открывается по сигналу термодатчика — плавная регулировка;
Перекрытие подачи жидкости в градирню, путем полного периодического перекрытия соленоида и перепуск жидкости обратно в бак, через автоматический байпас. При росте температуры жидкости, клапан снова открывается и насос подает жидкость в градирню в полном объеме.

При повышении темперы воздуха на улице, выше требуемой температуры жидкости, с учетом температурной дельты, соленоид подачи жидкости в градирню перекрывается и открывается подача в испаритель чиллера, запускаются компрессоры и жаркий сезон производство работает на парокомпрессионном охлаждении.

При подобной схеме, удается экономить электроэнергию, в среднем от 7 до 10 месяцев в году (в РФ), в зависимости от требуемого температурного режима охлаждения жидкости и региона.

(нажмите на картинку для ее открытия, далее можно дополнительно увеличить)

(Пример) При ограничении пространства и необходимости размещения более компактного охладителя (напр., на небольшой крыше), как следствие, уменьшают площадь теплообмена, что стараются компенсировать увеличением объемного расхода воздуха через нее. Увеличение протока воздуха, путем монтажа более производительных вентиляторов обдува. И наоборот, при необходимости минимизировать уровень шума (напр., в жилой зоне), в месте установки охладителя, монтируют малошумные низкооборотные вентиляторы, при этом, снижение объемного расхода воздуха через теплообменную поверхность, компенсируют увеличением площади теплообменной поверхности. Повышенную температуру охлаждающего воздуха, компенсируют увеличением воздушного потока и (или) площади теплообменной поверхности.

(Практические рекомендации) Желательно, для расчёта предоставлять исходные данные, которые минимизируют эффективность, таким образом, чтобы при наихудших условиях эксплуатации, сухой охладитель выдавал производительность не ниже номинальной. А при улучшении условий — производительность увеличится. Если этого не сделать, то мощности может не хватить, при максимальной тепловой нагрузке на охлаждаемую жидкость, вкупе с ухудшением факторов эффективности охладителя — жидкость будет греться. Запас площади теплообменной поверхности желательно принимать не менее 25% от расчетной, на случай частичного ее засорения и несвоевременной сервисной очистки. Также следует предоставлять максимальную рабочую температуру воздуха в месте установки, а от предельно допустимого уровня шума, следует отнять 20 — 30%, что при критической необходимости в будущем (напр., расширении производства), позволит смонтировать более производительные вентиляторы, не превышая установленного шумового предела.

3. Применение сухих градирен

Сухие градирни наиболее востребованы, в локациях, с дефицитом водных ресурсов или где их промышленное применение законодательно запрещено, по экологическим соображениям. Их применяют во множестве отраслей, где требуется жидкостное охлаждение — производство полимеров, для центров обработки информации, электростанций, химических производств, дизель — генераторов и др.

Наиболее распространены сухие градирни, как вспомогательные охладители для чиллеров с жидкостным охлаждением конденсатора. В случае, если требуется точное регулирование и поддержание заданной температуры круглый год 24/7, то никакие градирни не подойду, так как в них температура хладоносителя напрямую заливист от температуры окружающего воздуха, а погода переменчива. Для точного регулирования подойдет только чиллер. Бывают воздушные чиллеры и с водяным конденсатором. При использовании водяного конденсатора и отсутствии неограниченного источника бесплатной воды, в паре с водяным конденсатором монтируют сухую градирню. Обычно, для водяного конденсатора достаточно охлаждения оборотной воды до +25°C / +40°C, значит температура охлаждающего воздуха должна быть не более +20°C / +35°C, что вполне достижимо для сухой градирни, в большинстве регионов РФ, чем производители чиллеров в России успешно пользуются, при монтаже чиллеров. Также, как писалось выше, можно уменьшить дельту между воздухом и жидкостью, интенсифицировав факторы эффективности, например, увеличив площадь теплообмена и(или) объемный расход воздуха, таким образом, удавалось добиться температуры воды +40°C, при окружающем воздухе +37°C, преодолев т.н. термодинамический предел (несмотря на название). Если речь идет о жарком климате, с окружающим воздухом +39°C и выше, то уже понадобиться градирня открытого типа (мокрая), так как она способна охладить оборотную конденсаторную воду ниже температуры окружающей среды, за счет принципа испарительного охлаждения.

Второе по популярности применение сухой градирни в паре с чиллерами — это производство промышленных чиллеров с системой фрикулинг. Такое сочетание служит для экономии электроэнергии. Когда температура воздуха на улице ниже на 5°C и более градусов, требуемой температуры поддержания жидкости, то насос чиллера, посредством переключения электромагнитных клапанов (соленоидов), подает жидкость в сухую градирню, где жидкость охлаждается. Регулировка температуры охлаждения жидкости в сухой градирне не столь точна, как в чиллере (+/- ~ 0.1 — 2К) и применяется в тех производственных циклах, где допустимы колебания, но все же есть ряд возможностей поддержания заданной температуры охлаждаемой жидкости (+/- 5K — 10K). При работе только сухой градирни из схемы охлаждения исключаются компрессоры, что экономит до 85% потребляемой электроэнергии.

4. Преимущества и недостатки сухой градирни (в сравнении с градирнями открытого типа)

4.1. Преимущества

Минимизация загрязнения охлаждаемой жидкости, так как контур замкнут;
Возможность охлаждения различных типов жидкостей: растворов гликолей, тосолов, спиртов и т.п., в открытой мокрой градирне — только вода;
Нет потребления воды, при штатной работе. Мокрые градирни требуют подпитки, атмосферные градирни меньше, механические градирни больше;
Целесообразны для малых предприятий. Существенно мнее дорогие, чем мокрые градирни и требуют значительно меньшего внимания, в части обслуживания;
Возможность установки как на улице, так и внутри помещений.

4.2. Недостатки

Сухие градирни обладают относительно низкой удельной холодопроизводительностью (относительно мокрых градирен), поэтому применение не вполне целесообразно для крупных производств;
Не способны охлаждать воду ниже температуры окружающего воздуха, (в градирнях открытого типа это возможно).

5. Расчет мощности сухой градирни

Теплотехнический расчет мощности (холодопроизводительности) градирни можно произвести по стандартной формуле.

Q0 = G [T1-T2] * Cp * ρ / 3600

Q0 [кВт] — рассчитываемая тепловая нагрузка на охлаждающую жидкость (искомая холодопроизводительность);

G [м3/час] — объемный расход охлаждаемой жидкости;

Т1 [°C] — начальная температура охлаждения жидкости;

Т2 [°C] — конечная температура охлаждения хладоносителя — температура поддержания,

(Примечание) (Т2[°C] -Т1[°C]) = ΔT [°C /K] (на сколько градусов нагревается заданный объем хладоносителя в единицу времени);

ρ [кг/м3] — плотность охлаждаемой жидкости;

Сp [кДж/кг * К] — удельная теплоемкость охлаждаемой жидкости.

Для подачи заявки поставщику сохой градирни, помимо расчетной холодопроизводительности, также необходимо указать: максимально-высокую температуру окружающего (охлаждающего) воздуха, в период работы сухой градирни — наихудшие условия охлаждения, а также, объемный расход циркуляционного насоса.

(Практическая рекомендация) Не всегда известен объемный расход циркуляции охлаждающей жидкости через технологическое оборудование, но чаще всего известна емкость внутри системы и в трубопроводах. В этом случае, Вы можете отключить любое охлаждение жидкости на некоторый допустимый (безлопастный для производства) промежуток времени. Изначально, охлаждающая жидкость, желательно, должна быть Т1, т.е. желаемой температуры поддержания. Далее, включить максимальную тепловую нагрузку на охлаждающую жидкость — максимальную тепловую нагрузку от технологического оборудования. Таким образом, за некоторый промежуток времени Вы сможете зафиксировать нагрев известного объема жидкости. Получится некоторое значение ΔT[K], при известном фиксированном объеме V[м3/литр/мл.]. Время прошедшее с начала нагрева t[час/мин./сек.], Вы фиксируете в тот момент, когда дальнейший нагрев охлаждающей жидкости нежелателен для оборудования. Полученное значение, например, G = x [литр/мин.]; [литр/час]; [м3/мин]; [мл./сек.], Вы переводите в [м3/час] и подставляете значение в формулу.

(Практическая рекомендация) Полученную производительность запрашивайте у производителя охладителя жидкости. Рекомендуем запрашивать запас по мощности +20-25%, но только за счет увеличения теплообменной поверхности, а не за счет более производительных вентиляторов, вентиляторы должны быть стандартные, наиболее распространенных типов, которые оперативно можно приобрести. Так как при поломке такого вентилятора (с увеличенным объемным расходом воздуха), его бывает сложно быстро найти и заменить и производительность градирни, со стандартным вентилятором — упадет. Кроме того, запас теплообменной поверхности убережёт от снижения мощности охлаждения, при частичном засорении ламелей теплообменника сухой градирни. При необходимости, вне спешки в аварийной ситуации, вы всегда сможете сами смонтировать более производительный вентилятор, тем самым повысив мощность градирни.