Cơ bản về tháp giải nhiệt nước

Làm mát một lần là một tính năng thiết kế phổ biến cho các nhà máy điện lớn trong thế kỷ trước, vì quá trình này có thể cung cấp hiệu quả lượng nước lớn cần thiết cho ngưng tụ hơi nước tuabin và làm mát trao đổi nhiệt phụ trợ. Tuy nhiên, các mối quan tâm về môi trường liên quan đến việc bảo vệ các sinh vật dưới nước ở cả đầu vào và đầu ra của các hệ thống một lần về cơ bản đã loại bỏ việc làm mát một lần cho các nhà máy hiện đại.

Bây giờ, các tháp làm mát, hoặc một số biến thể của chúng như máy làm mát không khí bề mặt ướt (WSAC ® ) hoặc thậm chí các bộ ngưng tụ làm mát bằng không khí, là tiêu chuẩn. Nhưng sự phát triển này đến vào thời điểm mà nhiều nhà máy điện chu trình hỗn hợp mới và các cơ sở khác cho vấn đề đó đang được nhân viên mới vào ngành. Hiểu biết cơ bản là rất quan trọng để vận hành đúng cách nước làm mát và các hệ thống khác.

Khái niệm cơ bản về tháp giải nhiệt

Đối với mục đích của cuộc thảo luận này, chúng tôi sẽ tập trung vào tháp giải nhiệt công nghiệp phổ biến nhất, như minh họa dưới đây.

Hình 1. Sơ đồ của một tế bào của tháp giải nhiệt dòng chảy cảm ứng. Nguồn: Post, R. và B. Buecker, Cơ sở nước làm mát Nhà máy điện cơ bản; hội thảo trước hội nghị đến Hội thảo Hóa học Tiện ích Điện hàng năm lần thứ 37 , ngày 6 đến 8 tháng 6 năm 2017, Champaign, Illinois. Để tìm hiểu về EUCW trong tương lai, vui lòng truy cập trang web, www.conferences.illinois.edu/eucw

Như hình minh họa, nước thải ấm từ các bộ trao đổi nhiệt của nhà máy đi vào tháp và được phun lên trên tháp làm mát. Không khí đi vào phần dưới của tháp và tiếp xúc với nước theo cách ngược dòng để giúp truyền nhiệt tối đa. Nước làm mát thu gom trong một bể chứa để quay trở lại các bộ trao đổi nhiệt, trong khi khí thải ấm áp thổi vào bầu khí quyển.

Một thành phần quan trọng trong tháp giải nhiệt là vật liệu làm đầy, giúp tiếp tục tối đa hóa không khí / nước. Dưới đây là hai loại, lấp đầy hiện đại và điền phim hiệu quả cao nhất.

Hình 2. Điền nhựa giật gân hiện đại. Hình ảnh lịch sự của Brentwood Industries và Rich Aull của Richard Aull Tháp giải nhiệt Tư vấn, LLC.

Hình 3. Điền vào màng sáo chéo hiệu quả cao. Hình ảnh lịch sự của Brentwood Industries và Rich Aull của Richard Aull Tháp giải nhiệt Tư vấn, LLC.

Một số lựa chọn trung gian có sẵn, trong đó lựa chọn phụ thuộc vào chất lượng nước làm mát dự kiến ​​và khả năng gây ô nhiễm trên phương tiện truyền thông, mà tác giả sẽ đề cập trong một bài viết trong tương lai cho Power Engineering .

Phần tiếp theo xem xét các nguyên tắc cơ bản của truyền nhiệt trong tháp giải nhiệt.

Một số tính toán truyền nhiệt cơ bản

Hình 4 minh họa các điều kiện thực tế có thể nhìn thấy trong tháp hạ nhiệt hoạt động vào một ngày mùa xuân ôn hòa.

Hình 4. Ví dụ về tập hợp các điều kiện trong thế giới thực cho tháp giải nhiệt. Nguồn: Potter, MC và CW Somerton, Schaum's Outlines Thermodynamics for Engineers ; McGraw-Hill, New York, NY, 1993.

Lưu ý rằng độ ẩm tương đối (rh) của không khí đầu vào là 50 phần trăm, trong khi độ ẩm của khí thải tháp là gần 100 phần trăm. Dữ liệu này giúp minh họa rằng phương pháp truyền nhiệt chính trong tháp giải nhiệt là thông qua sự bay hơi của phần thường là một phần nhỏ (2 đến 3 phần trăm) của nước tuần hoàn. Trong khi toán học về thiết kế dòng tháp giải nhiệt có thể hơi phức tạp, một số phương trình đơn giản đã được phát triển để tính gần đúng sự bay hơi, xả đáy và dòng chảy trang điểm vào tháp giải nhiệt.

Công thức chuẩn cho sự bay hơi là,

E = (f * R * DDT) / 1000, trong đó phương trình. 1

E = Bốc hơi trong gpm

R = Tốc độ tuần hoàn tính bằng gpm

DT = Chênh lệch nhiệt độ (phạm vi) giữa nước tuần hoàn ấm và được làm mát ( o F)

= Một hệ số hiệu chỉnh giúp giải thích sự truyền nhiệt hợp lý, trong đó thường dao động trong khoảng 0,65 đến 0,90 và tăng vào mùa hè và giảm vào mùa đông

Hệ số 1.000 là một xấp xỉ tốt của nhiệt ẩn của hơi hóa (Btu / lb) của nước ở điều kiện môi trường xung quanh. Từ một số công việc trước đây được thực hiện bởi tác giả, ví dụ trong Hình 2 tính toán đến 0,78. Vì vậy, tốc độ bay hơi cho ví dụ này, với lưu lượng tuần hoàn 150.000 gpm và phạm vi 27 o F, là 3.159 gpm.

Một khái niệm rất quan trọng để hiểu về sự truyền nhiệt của tháp giải nhiệt là nhiệt độ của bóng đèn ướt, nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được bằng cách làm mát bằng bay hơi. Trừ khi độ ẩm tương đối là 100 phần trăm, nhiệt độ bầu ướt sẽ luôn ở dưới nhiệt độ bóng đèn khô hoặc xung quanh. Do đó, tháp giải nhiệt hầu như luôn có thể làm mát nước tuần hoàn đến nhiệt độ thấp hơn ACC. Trong ví dụ từ Hình 2, nhiệt độ bầu ướt ở không khí vào là 68 o F và 50% rh là gần 57 o F, vì vậy cách tiếp cận với bóng ướt cho ví dụ đó là 77 o - 57 o = 20 o F. Với tháp giải nhiệt hiện đại, được thiết kế tốt, nhiệt độ tiếp cận thấp hơn là hoàn toàn có thể.

Chu kỳ tập trung và tác động chất lượng nước

Sự bay hơi làm cho chất rắn hòa tan và lơ lửng trong nước làm mát tăng nồng độ. Hệ số nồng độ này (về mặt logic) được gọi là các chu kỳ của nồng độ (C hoặc COC). C, hoặc có lẽ chính xác hơn, cho phép C, thay đổi từ tháp này sang tháp khác tùy thuộc vào một số yếu tố bao gồm hóa học nước (MU), hiệu quả của các chương trình xử lý hóa học và các hạn chế tiềm năng đối với lượng trang điểm hoặc lượng xả. Phương trình đại số để tính toán chu kỳ của nồng độ là:

            C = MU / BD Phương trình. 2

So sánh nồng độ của một ion thông thường như clorua hoặc magiê trong nước trang điểm và nước tuần hoàn sẽ xác định chu kỳ nồng độ, nhưng phổ biến trong lĩnh vực tính toán C là đo trực tuyến cụ thể của quá trình xả đáy (BD) và trang điểm (MU) độ dẫn điện. Các phép đo cho phép điều chỉnh xả đáy tức thời để duy trì giá trị C mong muốn. Trong mọi trường hợp, các chu kỳ của nồng độ có một điểm cắt, trong đó sự gia tăng hơn nữa có thể dẫn đến các vấn đề mở rộng hoặc ăn mòn trong hệ thống làm mát, ngay cả với xử lý hóa học tốt.

Tỷ lệ xả đáy với bay hơi được phác thảo theo phương trình sau:

            BD = E / (C - 1) Phương trình 3

Bên cạnh việc xả đáy, một số nước cũng thoát khỏi quá trình dưới dạng các giọt ẩm mịn trong ống xả của tháp giải nhiệt. Mất nước này được gọi là trôi dạt (D). Máy khử sương mù hiện đại có thể giảm độ trôi xuống 0,0005% tốc độ tuần hoàn và Brentwood Industries đã đưa ra một thiết kế đạt tỷ lệ trôi 0,00025%. Rò rỉ trong hệ thống làm mát được gọi là tổn thất (L). Phương trình sau đây cho thấy mối quan hệ giữa trang điểm và bay hơi, xả đáy, trôi và bất kỳ tổn thất nào khác.

           

            MU = E + BD + D + L Phương trình. 4

Với một tòa tháp được thiết kế và vận hành tốt, hai thuật ngữ cuối cùng là không đáng kể, do đó, các yêu cầu về nước của tháp về cơ bản là các chức năng bay hơi và xả đáy. Quay trở lại phương trình 3, hình dưới đây minh họa mối quan hệ về tốc độ xả đáy so với chu kỳ tập trung cho tháp được minh họa trong Hình 2.

Hình 5. Thổi xuống so với chu kỳ tập trung.

Rõ ràng là đường cong không có triệu chứng và sự giảm tốc độ xả ở các chu kỳ cao giảm đáng kể khi tăng C. Tác giả đã thấy nhiều hơn một bộ thông số kỹ thuật trong đó các kỹ sư thiết kế đã chọn một chu kỳ tập trung cao, dường như không quan tâm đến những lợi ích tối thiểu trong tiết kiệm nước có được từ đó. Những gì xảy ra là những thách thức gia tăng đáng kể liên quan đến hóa học xử lý nước do nồng độ cao của các tạp chất gây ra quy mô và ăn mòn.

Về tác giả: Brad Bueckerlà nhà báo kỹ thuật cao cấp với ChemTreat. Ông có 35 năm kinh nghiệm hoặc liên kết với ngành điện, phần lớn trong lĩnh vực hóa học hơi nước, xử lý nước, kiểm soát chất lượng không khí và kết quả các vị trí kỹ thuật với City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) và Kansas City Power & Công ty ánh sáng La Cygne, trạm Kansas. Ông cũng dành hai năm làm giám sát viên nước / nước thải tại một nhà máy hóa chất. Gần đây nhất, ông là chuyên gia kỹ thuật của Kiewit Engineering Group Inc. Buecker có bằng cử nhân hóa học tại Đại học bang Iowa với công việc khóa học bổ sung về cơ học chất lỏng, cân bằng năng lượng và vật liệu và hóa học vô cơ tiên tiến. Ông là thành viên của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, Viện Kỹ sư Hóa học Hoa Kỳ, Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ, Hiệp hội Công nghệ Sắt thép, Viện Công nghệ Làm mát (thông qua thành viên công ty), Hiệp hội Kỹ sư Ăn mòn Quốc gia, Ủy ban kế hoạch Hội thảo Hóa học Tiện ích Điện, Ủy ban Hóa học Môi trường & Nhà máy Điện do EPRI tài trợ và Ủy ban Kế hoạch Quốc tế Power-Gen. Buecker là tác giả của nhiều bài báo và ba cuốn sách về các chủ đề hóa học nhà máy điện và nước / hơi nước