Градирни закрытого типа — это важнейший элемент в системах охлаждения промышленных объектов и энергетических установок. Они отличаются от градирен открытого типа тем, что охлаждаемая жидкость (например, гликоль, вода или другие растворы) циркулирует в замкнутом контуре, не контактируя с окружающей средой. Это делает такие системы энергоэффективными, устойчивыми к внешним загрязнениям и более экологичными.
Работа градирни должна быть максимально эффективной, поскольку от этого зависит не только производительность оборудования, но и уровень энергозатрат. Центробежные вентиляторы, которые обеспечивают циркуляцию воздуха внутри системы, играют ключевую роль в охлаждении. Для обеспечения максимальной эффективности работы градирни закрытого типа необходимо тщательно оптимизировать не только внутренние компоненты, но и форму её корпуса. Правильная геометрия конструкции может значительно улучшить распределение воздушных потоков и повысить качество работы всей системы охлаждения.
Подбор геометрии и оптимизация воздушных потоков — сложная и важная инженерная задача, которую можно решить с применением современных подходов, таких как CFD-расчёты (Computational Fluid Dynamics).
Оптимизация формы корпуса
Для обеспечения максимальной эффективности работы градирни необходимо учитывать особенности её эксплуатации. При работе во влажном режиме в процесс охлаждения активно вовлекаются вода и испарение, что повышает интенсивность теплоотдачи с поверхности теплообменника. Сухой режим предполагает охлаждение исключительно за счёт движения воздуха, что создаёт повышенные требования мощности обдува.
При этом в обоих случаях геометрия корпуса влияет на следующее.
- Распределение потоков воздуха. Неправильная форма корпуса может привести неравномерному охлаждению и образованию зон, где воздух застаивается.
- Для влажного режима работы более равномерная подача воздуха уменьшает вынос воды, а также влияет на эффективность охлаждения трубок теплообменника.
- Аэродинамические потери. Корпус с оптимальной формой помогает минимизировать сопротивление и потери энергии.
- Энергопотребление. Центробежные вентиляторы потребляют больше энергии, если условия их эксплуатации не соответствуют условиям, заложенным в их конструкцию производителем.
Реальные эксперименты с градирнями сложны и затратны. Именно поэтому всё чаще инженеры используют CFD-расчёты, которые позволяют смоделировать работу холодильного оборудования в виртуальной среде, которая позволяет легко менять геометрические и режимные параметры системы, что в разы ускоряет и удешевляет процесс подбора оптимальных значений. Большой опыт инженеров-аэродинамиков АО «ЦИФРА» позволяет не только в сжатые сроки получить результаты и найти узкие места в конструкции системы, но и предложить решения для их устранения.
Расчёт и анализ движения воздуха
Специалистами АО «ЦИФРА» было проведено CFD-моделирование движения воздуха в типовой градирне закрытого типа в сухом режиме. Целью моделирования был поиск решений для оптимизации формы корпуса градирни.
Геометрия градирни и центробежного вентилятора с характерными элементами конструкции
Расчёты подобных задач – многоэтапный процесс. Подготовительный этап включает в себя анализ пропускной способности отдельных элементов градирни (трубы теплообменников, трубы с форсунками), выбор подхода для анализа этих элементов (прямое моделирование или эквивалентный коэффициент потерь давления), выбор метода моделирования вентилятора и его реализация.
Наконец, производится расчёт течения воздуха в модели для получения необходимых распределений скоростей, давления и при необходимости температуры.
Распределения скорости воздуха (слева) и полного давления (справа) в проточной части градирни
Полученные распределения позволяют увидеть области неэффективного движения воздуха и предложить улучшения формы, направленные на исправления подобных областей. Отдельного внимания заслуживает распределение скоростей на входе в область теплообменников. В рассмотренной конструкции скорость воздуха в этом сечении крайне неоднородна, вплоть до наличия зоны обратного движения воздуха (сверху вниз).
Распределения скорости воздуха на входе в область теплообменников
Определив недостатки исходной конструкции градирни, могут быть предложены следующие пути оптимизации конструкции:
- изменение геометрических параметров корпуса градирни;
- корректировка формы и расположения направляющей улитки.
Всё это позволит снизить потери давления в градирне, обеспечить более равномерный поток воздуха и равномерный теплоотвод с трубок теплообменника.
Для того, чтобы достичь максимальной эффективности от применения того или иного изменения, рекомендуется использовать численные методы моделирования не только для анализа исходного конструктива, но и поверочные расчёты для оценки эффективности внесённых изменений.
