Авторы:В.А. Калатузов (ООО «ИРВИК»)

Опубликовано на портале «Химическая техника», август 2019

Пластмассовые конструкции оросителей и водоуловителей из полимеров интенсивно вытесняют конструкции оросителей и водоуловителей из древесины и асбестоцементных листов, с учетом характеристик которых были созданы типовые проекты как башенных, так и вентиляторных градирен. Вновь применяемые конструкции должны обладать возможностями по охлаждающей эффективности и надёжности градирен, как минимум, не хуже технологических возможностей заменяемых конструкций. При выборе той или иной конструкции в первую очередь необходимо иметь понятные и достоверные данные технологических характеристик. Сертификаты и заключения различных лабораторий не обладают достоверностью, в нарушение нормативных документов не подтверждены натурными балансовыми испытаниями. На примере заключения ОАО НИИ ВОДГЕО на ороситель «конус турбо», водоуловитель типа «полуволна», разбрызгивающее сопло каскадного типа показаны отсутствие полноты параметров, их несоответствие основным положениям расчета тепломассообмена, которые не позволяют выполнять теплотехнические и аэродинамические расчеты.

Повышение эффективности градирен всегда является желанием эксплуатационного персонала на любом производстве. Как правило, ожидания повышения эффективности связывают с оросительным устройством, что отчасти справедливо. Основной парк градирен на электростанциях и промышленных предприятиях за редким исключением составляют градирни, построенные и строящиеся по типовым проектам. Именно типовые проекты градирен, их геометрические размеры являются базой для новых градирен, теплотехнические, аэродинамические характеристики которых рассчитаны были с учетом характеристик деревянных или асбестоцементных оросителей с построением нормативных характеристик [1, 2]. Оросители из пластмассы вытесняют оросители из древесины и асбестоцементных плоских листов, а значит, должны достигаться как минимум сохранение технологических возможностей по охлаждающей эффективности и критерии надёжности градирен на уровне заменяемых конструкций.

При выборе той или иной конструкции необходимо иметь полноценные технологические характеристики, которые получают по методикам лабораторных и натурных испытаний. При этом натурные испытания являются проверкой достоверности лабораторных. На недостоверность лабораторных исследований и необходимость проверки натурными испытаниями указывали в разное время многие ученые: Сухов Е.В. Гладков В.А, Берман Л.Д. Научно Технический Совет Инженерного ЦЕНТРА ЕЭС РФ под руководством члена-корреспондента Академии Наук РФ доктора технических наук А.Ф. Дьякова сделал однозначные выводы о недостоверности лабораторных исследований [3]. Обязательность проведения натурных балансовых испытаний с определением всех характеристик оросителя и градирни, построения нормативных характеристик следует из многих нормативных документов, например [4, 5]; из пункта 2.7 документа [5] прямо следует необходимость построения нормативных характеристик: «Нормативные характеристики определяют:

  • совершенство конструктивного исполнения градирен;
  • достоверность результатов лабораторных стендовых испытаний технологических конструкций градирен.»

В методике проведения натурных гидротермических и аэродинамических испытаний градирен испарительного типа [4] приведены критерии оценки качества лабораторных исследований. Но не всегда эти требования выполняются. Представляемый в различных сертификатах и заключениях набор параметров, как правило, неполный и не позволяет инженерному, эксплуатационному персоналу выполнить расчёты, оценить превосходство или недостатки тех или иных конструкций.

В качестве примера рассмотрим заключения ОАО «НИИ ВОДГЕО» от 23.07.2009 (рис. 1) на ороситель «конус турбо» из поливинилхлорида (ПВХ).

Рис. 1. Заключение на ороситель «конус турбо»

Общеизвестно, что качественные и количественные характеристики оросителей заключаются в возможности создания как можно большей активной поверхности охлаждения воды в виде тонких плёнок и/или дисперсных капель с часто изменяемой их структурой и поверхностью при одновременно минимальном аэродинамическом сопротивлении. Согласно [6] в оросителе с сплошной поверхностью листов «вода должна стекать по оросителю ровной пленкой, а не отдельными ручейками и струйками…». «…Интенсификация охлаждающей способности пластмассовых оросителей может быть осуществлена с помощью шероховатости, пористой или волнистей поверхности, подбор оптимального числа и формы волн…» (так называемое двойное гофрирование). На рис. 2 представлены две стороны листа оросителя с турбулизаторами (выпуклотостями)высотой 40 мм, при этом вторая сторона листа имеет вогнутостости (внутренние полости турбулизаторов) глубиной 40 мм.

Рис. 2. Две стороны листа с турбулизаторами

Очевидно, что рассматриваемая конструкция с «турбулизаторами» не отвечает основополагающим критериям и по сравнению с тем же оросителем из асбестоцементных плоских листов неконкурентоспособна и заведомо будет иметь худшие показатели. Например, в градирне площадью орошения 1600 м2 поверхность охлаждения асбестоцементных листов (рис. 3) толщиной 6 мм со стандартной высотой двухъярусного оросителя 2,4 м объём оросителя составляет 3840 м3 с поверхностью плёнки охлаждения 124 800 м2 (асбестоцемент гигроскопичен, и две плоскости листа являются поверхностью плёнки), тогда как в рассматриваемой конструкции объём заполнения при высоте 1,5 м составляет 2400 м3, без возможности образования плёнки.

Рис. 3. Плёночный ороситель из асбестоцементных листов

Для сравнения на рис. 4 показан пример плёночного оросителя с двойным двухсторонним гофрированием.

Рис. 4. Пример листа (элемента) пленочного оросителя
двухстороннего двойного гофрирования

Очевидно, что сравнение не в пользу рассматриваемой конструкции. Разное исполнение сторон одного листа с выпуклотостями и вогнутостостями является одним из существенных конструктивных недостатков. Сторона с впадинами в силу гравитационного воздействия в формировании развернутой поверхности практически не участвует. Из физических свойств материала и конструкции следуют существенно худшие возможности по охлаждающей способности, и рассматриваемый ороситель не может быть альтернативной заменой асбестоцементного оросителя.

К очевидным конструктивным недостаткам, существенно влияющим на возможности по охлаждающей способности, в заключении представлены неполные и недостоверные технологические характеристики оросителя (см. рис. 1).

1. В заключении не представлены условия, при которых получены численные значения коэффициентов: гидравлическая qж и тепловая нагрузки Q, скорость воздуха wв, относительное значение расхода воздуха λ, температура воздуха по сухому термометру θ, по мокрому термометру τ. Не представлены также значения объёмного коэффициента тепломассообмена βхv. Без перечисленных параметров представленная таблица не имеет смысла.

2. Недостоверность относительных коэффициентов А (1/м) для высот 1,0 и 1,5 м.

2.1. В таблице представлено по одному значению коэффициента А для каждой из двух высот оросителя, но не описано, при каких значениях расхода воды (плотности орошения), расхода воздуха или относительного расхода воздуха получены значения А. Данная зависимость коэффициента А прямо следует из формулы объёмного коэффициента тепломассообмена βхv

βxv = Aλmqж,

A = βxv/λmqж,

где βxv – объёмный коэффициент тепломассообмена, кг/(м3×ч×кг/кг), А– коэффициент, характеризующий влияние конструктивных особенностей оросителя на охлаждающую способность, полученный при исследовании оросителя высотой h, 1/м; λ – отношение массового расхода воздуха к расходу воды, кг/кг; m – показатель степени, характеризующий зависимость объёмного коэффициента массоотдачи от изменения массовой скорости; qж– плотность орошения градирни, м3/[(м2×ч) (кг/(м2×ч)].

Очевидно, что при разных расходах воды и воздуха коэффициент А будет принимать разные значения. Кроме того, коэффициент А зависит от разницы температур входящей и выходящей воды. Соответственно каждому сочетанию плотности орошения, расхода воздуха и температурному перепаду будет соответствовать свое одно единственное значение коэффициента объёмного коэффициента тепломассообмена и соответственно своё значение А. Другими словами, во всем эксплуатационном диапазоне изменения сочетания параметров зависимость коэффициента А представляет собой график, как, например, в работе [7]. С вычисленными значениями коэффициентов строится зависимость, по которой определяют коэффициент А и показатель степени m. Для построения графика требуется относительный расход воздуха, при котором производились исследования или расход воды и воздуха на единицу площади. Эти параметры в таблице технологических характеристик отсутствуют.

В соответствии с изложенным вызывает сомнение достоверность не только коэффициента А, но и представленного коэффициента m.

2.2. Как следует из заключения, испытывалась одна и та же конструкция оросителя из блоков высотой 0,5 м с двумя значениями высоты, соответственно 1,0 и 1,5 м. Из таблицы 8.3 «Технологические характеристики оросителей» и описания в [6] следует, что коэффициент А размерностью 1/м получается при исследовании любой конкретной заданной высоты оросителя, а не 1 м его высоты. Для того, чтобы пересчитать коэффициент, полученный при конкретной высоте, а в рассматриваемом случае это 1,0 и 1,5 метра, необходимо использовать формулу 8.11 [6]:

где  A – коэффициент, характеризующий влияние конструктивных особенностей оросителя на охлаждающую способность, полученный при исследовании оросителя высотой h, 1/м;  A1– эмпирический коэффициент, характеризующий влияние конструктивных особенностей оросителя на охлаждающую способность при изменении высоты исследуемого оросителя с h на h1, 1/м.

Из этого следует, что представленные значения А (1/м) не могут быть одинаковыми для оросителя разной высоты. Рассматриваемый ороситель имеет однородную структуру из сплошных листов ПВХ в два яруса высотой 1,0 м по 0,5 м каждый и в три яруса высотой 1,5 м по 0,5 м каждый с поворотом относительно друг друга на 90°. В таблице им соответствуют значения коэффициента А (1/м) = 0,959 и 0,801. Согласно формуле (8.11) [6], коэффициент А, полученный по результатам лабораторных испытаний для конкретной высоты h, можно пересчитать для любой другой высоты h1 и получить для этой другой высоты свой коэффициент А1.

Попробуем получить значение А (1/м) = 0,801 для высоты 1,5 м из заключения по формуле 8.11 используя значение А для высоты оросителя 1,0 м из заключения. Получим другое, не совпадающее с заключением значение А1= 1,175.

И, наоборот, определяя А (1/м) для высоты 1,0 м с использованием значения А из заключения для высоты 1,5 м также получим другое, не совпадающее с заключением значение, А1= 0,654. Очевидно, что результаты, представленные в таблице недостоверны.

3. Допустим, что представленные в таблице произведения Аh в таблице являются правильными искомыми величинам коэффициента А для конкретной высоты h оросителя. Как уже было сказано, согласно основам теории, коэффициент А – размерная величина и всегда имеет размерность 1/м. Умножая А на его высоту получим безразмерное значение, а значит, это уже не коэффициент А для высоты h. Убедимся в правильности суждений пересчётом Аh с одной высоты на другую по той же формуле 8.11. Произведём пересчёт Ah, которое по смыслу таблицы должно характеризовать А для высоты оросителя 1,0 и 1,5 м. Допустим, зная из таблицы для высоты 1,0 м значение Ah = 0,959, нам необходимо определить коэффициент А (Аh) для высоты оросителя 1,5 м. Получим значение Аh для высоты 1,5 м, равное 1,117, что меньше значения в таблице 1,201 для 1,5 м. Соответственно, зная значение Ah=1,201 для высоты 1,5 м, пересчётом для высоты 1,0 м не получается значение 0,959, получается значение 0,980.

Очевидно, что произведение Ah не является качественной характеристикой оросителя.

Произведение коэффициента А на высоту оросителя h без относительного расхода воздуха не имеет практического применения в расчётах.

Безразмерное произведение Аh своим присутствием в таблице вводит в заблуждение инженерно-технический персонал потребителя, создавая ложное представление о высоком значении коэффициента А для испытанной высоты оросителя. Как было показано, произведение Аh не является коэффициентом А (1/м) оросителя для высоты h.

Как следует из изложенного, при всех прочих равных условиях одной из важных характеристик качества оросителя и градирни согласно формулам 4.26-4.29 является объёмный коэффициент тепломассообмена βхv, в преобразованной формуле которого произведение А на h изменит его размерность с кг/(м3×ч) (кг/кг) на кг/(м2×ч) (кг/кг) и соответственно изменится его физический смысл, а расчёты будут неверными:

где  Gж– расход воды, кг/с; Δt– перепад температур воды, °С;  Cж– удельная теплоёмкость воды, Дж/(кг °С); К – поправочный коэффициент в упрощённом уравнении теплового баланса; V – объем оросителя, м3; Δiср – средняя логарифмическая разность теплосодержаний насыщенного воздуха при температуре воды и воздуха в основной массе потока, Дж/кг; A – коэффициент, характеризующий влияние конструктивных особенностей оросителя на охлаждающую способность, полученный при исследовании оросителя высотой h, 1/м; λ – отношение массового расхода воздуха к расходу воды, кг/кг; m – показатель степени, характеризующий зависимость объёмного коэффициента массоотдачи от изменения массовой скорости; qж плотность орошения градирни… м3/[(м2×ч) (кг/(м2×ч)]

4. Недостоверность одинаковых значений аэродинамических характеристик оросителя для разных высот оросителя.

Недостоверность коэффициента аэродинамического сопротивления сухого оросителя и коэффициента пропорциональности следует из условий определения указанных параметров [6]. Коэффициент сопротивления сухого оросителя размерностью 1/м получается аналогично определению коэффициенту А – при испытании оросителя конкретной высоты. Из этого следует, что представленные одинаковые значения коэффициента для разных испытанных высот 1,0 и 1,5 м неверны.

Коэффициент аэродинамического сопротивления оросителя без плотности орошения и с ней определяется при неизменной конкретной высоте оросителя, зависит от динамического давления в потоке воздуха на входе в ороситель и потерь полного давления в оросителе согласно формулам 4.59-4.64 и относятся со своими размерностями к конкретно испытываемой высоте. Соответственно коэффициент пропорциональности тоже должен иметь разные значения для разных высот оросителя:

где ΔP – потери полного давления в оросителе при неизменной по высоте площади горизонтального сечения оросителя, Па (кг/м2); ζор– сопротивление оросителя; γв – плотность атмосферного воздуха, кг/м3; ω – скорость воздуха в оросителе, м/с; ω– ускорение свободного падения, 9,81 м/с2.

Динамическое давление в потоке воздуха на входе в ороситель определяется по формуле

Тогда сопротивление оросителя может быть определено как отношение потерь полного давления в оросителе к динамическому давлению в потоке воздуха:

В свою очередь, потери полного давления в оросителе при неизменной по высоте площади горизонтального сечения оросителя равны разности статических давлений под и над оросителем:

Статическое давление под оросителем

над оросителем

Таким образом, потери полного сопротивления для рассчитываемой высоты

где H1 и H2 – показания микроманометров от датчиков давления под H1 и над H2 оросителем, Па (кг/м2).

Аналогично от этого зависит и коэффициент пропорциональности Кор, который дополнительно зависит и от плотности орошения:

где ζор – сопротивление оросителя с учётом плотности орошения; ζс.о – сопротивление сухого оросителя, 1/м; qж – плотность орошения м3/[(м2×ч) (кг/(м2×ч)];  Кор– коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние плотности орошения на аэродинамическое сопротивление оросителя.

Коэффициент пропорциональности Кор в заключении для разных высот оросителя также имеет одинаковые значения, что, как следует из изложенного, неверно.

Коэффициенты аэродинамических сопротивлений также зависят от насыщенности конструкции различными элементами, каналами, загибами, поворотами. От аэродинамического сопротивления при заданных технологических условиях зависит коэффициент А, оптимальное значение высоты оросителя и температура охлаждённой воды. Зависимость коэффициента А от насыщенности конструкции элементами, а значит, от высоты также можно представить в виде графика. Попытки сравнивать конструкции оросителя по коэффициентам А, полученных в разных условиях, приводит к заведомо не правильному результату [3, 8].

Вызывает сомнение достоверность даты выдачи заключения – 23.07.2009. С 2009 по 2016 год отсутствовали какие-либо упоминания об оросителе «конус турбо» в каких-либо публикациях. Недостоверность даты следует из совокупности сведений заключения ОАО «НИИ ВОДГЕО» ороситель «конус турбо» на сайте kaskad-stroy.com и других первичных документов, датированных значительно позже даты выдачи заключения: Сертификат соответствия №РОСС RU. AB28.H18131 датирован 24.04.2015; Технические условие ТУ 2291-001-881705–2015, указанные в нем также от 2015 года; Приоритет полезной модели №162300 «Насадка контактного теплообменного аппарата» установлен 26 января 2016 г. Учитывая, что сотрудники института являются соавторами полезной модели, то заключение по сути они выдали сами себе.

В заключении приведен номер аккредитации РОСС RU.0001.513249 с сроком действия до 10.04.2010, который размещён на сайте pub.fsa.gov.ru и не относится к ОАО «НИИ ВОДГЕО» (заявителем является Испытательный центр ФГУП «НИИ ВОДГЕО»), не является аккредитацией опытной установки и не предоставляет права на проведение исследований оросителей, водоуловителей.

Аналогично недостоверно заключение от 23.07.2009 на водоуловитель ВП-45 и ВП-50, также со ссылкой на тот же номер аккредитации. Кроме того, обращает на себя внимание изображение водоуловителя, конструкция которого существует более двадцати лет. Так, водоуловитель с характеристиками типа полуволна представлен в работах [1, 6], то есть в 1998 г. Недостоверность заключения ОАО «НИИ ВОДГЕО» на водоуловитель также вытекает из следующего:

— отклонения размера высоты профиля ±5 мм, то есть разница в высоте элементов достигает 10 мм, что превышает все допустимые погрешности изготовления;

— профили высотой 175; 180; 185 мм не могут иметь одинаковые характеристики и прежде всего по аэродинамическому сопротивлению. В случае таких отклонений испытаны должны быть все три высоты профиля;

— ВП-50 при большей высоте профиля (180 ±5 мм), а значит, и большем аэродинамическом сопротивлении имеют характеристики, совпадающие или близкие к профилю 160 мм с расстоянием 50 мм, показанному в работе [6], чего не может быть;

-ВП-45 – это водоуловитель ВУП-190 высотой профиля 190 мм другого производителя, испытания которого были выполнены АО «ВНИИГ им. Веденеева» 28.11.2008 г., то есть задолго до 23.07.2009. Три D Модель в заключении ОАО «НИИ ВОДГЕО» не является фотографией фрагмента водоуловителя ВП-50 и/или ВП-45, это графическое изображение общего вида взято из документов другого производителя. При этом характеристики в заключении ОАО «НИИ ВОДГЕО» для профиля высотой 180 ±5 мм существенно хуже характеристик профиля с большей высотой 190 мм, хотя, казалось бы, все должно быть наоборот.

В заключении также отсутствуют условия, при которых производились испытания водоуловителя: плотность орошения, напор воды перед соплами, направление сопл, расстояние от сопл разбрызгивания до водоуловителя.

Из вышеприведённых аргументов следует, что водоуловитель в заключении не имеет характеристик, которые можно было бы использовать в расчётах.

Недостоверностью обладают заключения ОАО «НИИ ВОДГЕО» от 13.07.2009 и 30.07.2009 года на разбрызгивающие сопла. Каскадные сопла, представленные в заключении, известны задолго до даты составления заключения (с. 196–199 [6]). Для разбрызгивающих сопл важными характеристиками являются радиус разбрызгивания и высота факела, без которых выполнить проект системы водораспределения не представляется возможным. Такие характеристики в заключении отсутствуют.

Недостоверность гидравлических характеристик каскадного сопла в заключении следует из формулы 8.21 [6]

где qc – расход воды при истечении жидкости через каскадное сопло, м3/ч;  Hc– напор воды в мерном сечении перед соплом, м.

Например, для напора 0,7 м.в.ст. в таблице соответствует расход 8,2 м3/ч. На самом деле для напора 0,7 м.в.ст. расход по формуле 8.21 [6] будет 11,54 м3/ч. Для диаметра 36 мм расход должен быть ещё больше. Это означает, что расчёты систем водораспределения с использованием данных из таблицы приведут к неправильному ее проектированию, неэффективной и неработоспособной градирне.

Выводы

  1. В рассмотренных заключениях ОАО «НИИ ВОДГЕО» технологические характеристики оросителя, водоуловителя, разбрызгивающего сопла представлены не в полном объёме, численные значения характеристик недостоверны, выполнять аэродинамические и теплотехнические расчёты градирен с использованием пприведенных в таблицах характеристик не представляется возможным.
  2. Наличие заключений, сертификатов лабораторий не является основанием для выводов о соответствии конструкций предъявляемым требованиям. Изначально неверно сравнивать конструкции и технологии разных производителей по относительному коэффициенту А из заключений, полученных в неизвестных условиях или условиях, не соответствующих параметрам исходных данных технического задания. Необходимо отметить, что в заключениях встречаются различные условные обозначения А, А0, Ар [8], полученные по разным зависимостям, и сравнивать их численные значения между собой также недопустимо. Результаты лабораторных испытаний обязательно должны подтверждаться натурными испытаниями согласно требованиям нормативных документов. Последствиями использования неправильных оценок является выбор оросителя, не соответствующего условиям эксплуатации, конструктивным особенностям градирни, неэффективная градирня, ограничения мощности и соответственно неоправданные капитальные и эксплуатационные затраты.

Список литературы

  1. Пособие по проектированию градирен к СниП 2.04.02–84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения». ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР. М. ЦИТП Госстроя СССР, 1989.
  2. Типовая инструкция по приемке и эксплуатации башенных градирен, РД 34.22.402–
  3. Бычков А.М. Об эффективности систем технического водоснабжения//Энергетик. 2005. №10.
  4. СО 34.22.303–2005. Методика проведения натурных гидротермических и аэротермических испытаний градирен испарительного типа. ЦПТИЭиТО ОРГРЭС,М., 2005.
  5. СО 34.22.302–2005 Методика построения нормативных характеристик градирен испарительного типа. ЦПТИЭиТО. М., 2005.
  6. Пономаренко В.С., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных предприятий: Справочное пособие. М. 1998.
  7. ВСН 14– Минэнерго СССР, Энергия, 1971.
  8. Калатузов В.А. Расчетные зависимости оросителей градирен//Энергосбережение и Водоподготовка. 2011. №1(69).