Замкнутая система охлаждения воды — какую схему выбрать и какую температуру она даст

Замкнутая система охлаждения воды гоняет технологическую жидкость по трубам под давлением, и воздух её не касается: вода не грязнится, в контур можно залить гликоль, зимой нет обмерзания у потребителя. За это платят температурой. Когда мокрый термометр 22 °C, закрытая градирня реально даёт 27–28 °C, открытая градирня с промежуточным теплообменником 28–30 °C, а драйкулер на 5–11 K теплее наружного воздуха. Мы подбираем схему под температуру, которую требует технология, проектируем контур целиком, поставляем градирни и драйкулеры NCT, монтируем и запускаем.

Чем замкнутая система отличается от открытой оборотной?

В открытом оборотном цикле вода проходит через градирню и контактирует с воздухом: собирает пыль, растворяет кислород, концентрирует соли. Такую воду получают теплообменники технологии. Как устроен такой цикл и сколько воды он экономит против прямотока, мы разобрали в статье «Оборотное водоснабжение предприятия».

В замкнутой системе у потребителя свой контур без свободной поверхности. Отсюда три следствия, которые меняют проект:

• прирост объёма при нагреве принимает только расширительный бак;
• давление в каждой точке задаёт проектировщик: наверху выше атмосферного, внизу ниже допустимого для самого слабого элемента;
• воздух сам не уходит, его выводят из верхних точек.

Насос замкнутого контура преодолевает только трение: статика уравновешена. В открытой схеме он каждый раз заново поднимает воду от зеркала в поддоне до распределения градирни.

Какие схемы замкнутого контура мы применяем?

Четыре: закрытая градирня, открытая градирня с теплообменником, драйкулер и драйкулер с чиллером. От выбора зависит, какую температуру получит технология и сколько воды уйдёт на подпитку.

Закрытая градирня — это по сути открытая градирня с теплообменником в одном корпусе, только без промежуточного контура и второй насосной. Её можно ставить ниже потребителя, это расширяет варианты размещения и снижает доработки на площадке. Драйкулеру не нужна подпиточная вода, жидкость в нём не касается воздуха: не надо подводить и оплачивать воду, не нужны лишние теплообменники.

Какую температуру воды даёт каждая схема летом?

Предел каждого аппарата задаёт воздух. Испарительные аппараты охлаждают почти до мокрого термометра, драйкулер — только до сухого, и с запасом.

Пример из реального запроса: нужно охладить 600 м³/ч воды с 35 до 25 °C при мокром термометре 22 °C и сохранить контур чистым. Это около 7 МВт. 25 °C надёжно не получить ни одной схемой без чиллера:

Выхода два: согласовать с технологом уставку 27–28 °C или доохлаждать чиллером. Закрытая градирня здесь предпочтительнее связки с теплообменником: контуров меньше, а водоподготовка нужна только одному.

Каждый кельвин недогрева на теплообменнике стоит размера градирни. При недогреве 1,5–2 K открытая градирня в схеме с разделительным теплообменником выходит в 1,4–1,6 раза больше базовой. Если связку выбирают только ради чистоты контура, мы сравниваем её расчётом с закрытой градирней.

Вода или гликоль в замкнутом контуре?

Решаем по трём вопросам.

1. Будет ли контур стоять в мороз с остановленным насосом? Выходные, сезонная работа, отключения без резервного питания: вода в змеевике на улице замёрзнет за часы.

2. Допускает ли технология гликоль? Пищевые производства часто допускают только пропиленгликоль, фармацевтика может не допускать ничего, кроме воды. Ответ даёт технолог, а не проектировщик.

3. Сколько стоит эксплуатация? Гликоль хуже переносит тепло, поэтому охладитель нужен больше, а насос мощнее.

Расчёт на типовом контуре 1000 м³/ч, 35 → 28 °C:

Против этих 34 кВт стоят автоматика защиты змеевика, резервное питание насоса и узел аварийного слива, без которых воду зимой на улице держать нельзя. Есть и третий путь: гликоль только в наружном контуре и теплообменник к потребителю, с потерей тех же 2–4 K. Концентрацию подбираем по зимней температуре площадки из СП 131.13330 с запасом 3–5 K. Охладитель под гликоль пересчитываем в программе подбора заново, а не добавляем 10 % «на всякий случай».

Что нужно замкнутому контуру, кроме охладителя?

Производитель отвечает за змеевик до фланцев, всё остальное — работа проектировщика. Что мы закладываем в каждый замкнутый контур:

• Мембранный расширительный бак на всасе насоса. Открытый бак приносит кислород, и змеевик ржавеет изнутри. Бак на нагнетании при напоре 25–30 м проваливает верх змеевиков ниже атмосферы, и воздух идёт внутрь.
• Расчёт бака на абсолютных давлениях. Контур 40 м³ на воде, 5…45 °C, верх на 18 м выше бака: нужен бак 0,69 м³. На избыточных давлениях вышло бы на 15 % меньше, это самая частая ошибка. На 30 % этиленгликоле при −14…+45 °C тот же контур требует 1,8 м³, в 2,6 раза больше.
• Опломбированный кран между баком и контуром. Закрытый кран превращает бак в декорацию: при следующем нагреве сработает предохранительный клапан.
• Подпитка со счётчиком. Кубометры подпитки в месяц означают течь. Гликолевый контур водопроводом не подпитываем: за сезон 30 % раствор превращается в 25 %, и защита сползает с −14 до −10 °C. Ставим станцию долива готовым раствором.
• Воздухоотводчики во всех верхних точках через отсечной кран и сепаратор воздуха и шлама на обратной линии рядом с баком.

Если потребители стоят на 10–15 м выше открытой градирни, в обратной линии появляется разрежение: воздух в трубах, пульсации, риск перелива при отказе клапана. Такая высотная схема сама подсказывает замкнутый контур.

Как замкнутый контур работает зимой?

На воде закрытая градирня зимой требует трёх вещей: постоянного минимального расхода через змеевик, датчика температуры на выходе змеевика и аварийного слива с клапаном срыва вакуума. Температура на выходе оцинкованного змеевика — не ниже 10 °C, если паспорт не говорит иначе. Слив — аварийная мера, а не штатная защита: пустой влажный змеевик ржавеет изнутри быстрее заполненного. Размороженный змеевик меняют целиком. Если заказчик не готов к этим трём мерам, ставим гликоль или промежуточный теплообменник.

Зимой у закрытой градирни есть сухой режим: орошение выключают, жидкость охлаждает только воздух, подпитка не нужна и нет пара. Обычный гладкотрубный змеевик уходит в сухой режим около −20 °C. Закрытые градирни NCT с оребрённым теплообменником работают без орошения начиная с 0 °C, а при некоторых температурах теплоносителя уже ниже +10 °C, поэтому осенью, зимой и весной воды на подпитку уходит меньше или не уходит совсем.

Порог сухого режима зависит от нагрузки. В учебном расчёте методички при 50 % летней нагрузки аппарат переходит на сухой режим уже при +11 °C, при 100 % — только ниже −9 °C. Поэтому в опросный лист просим нагрузку по сезонам, а не одну летнюю точку. Сухой режим — сезонный: включать и выключать орошение ради подстройки мощности нельзя, мощность ведут вентиляторами.

Драйкулер на гликоле зимой проще всех: орошения нет, обмерзать нечему. Холодный гликоль можно пустить на фрикулинг и остановить компрессоры чиллера. Пороги и часы такого режима — в статье «Фрикулинг на производстве».

Когда замкнутый контур не нужен?

Не нужен, если технология терпит воду открытой градирни. Чистый контур стоит денег: змеевик или теплообменник, бак, автоматика защиты, на гликоле — насос мощнее.

Так было на заводе пластмасс в Костроме: он охлаждает литейное производство из 14 термопластавтоматов. Завод собирался купить закрытую градирню другого производителя, но варианты не закрывали задачу и не укладывались в бюджет. Мы предложили открытую градирню NCT VR0: она охлаждает воду с 55 до 25 °C и зимой не обмерзает. По отзыву заказчика, градирня держит расчётную температуру.

Связка открытой градирни с теплообменником выигрывает у закрытой в трёх случаях: очень большие расходы; открытая градирня уже стоит и нужно отделить нового чистого потребителя; агрессивная технологическая жидкость, для которой теплообменник из титана или специальной нержавеющей стали проще сделать пластинчатым.

Где работают наши замкнутые системы?

На стекольных, машиностроительных, пищевых, бумажных и других заводах:

• Омский стекольный завод. Две закрытые градирни NCT VRC охлаждают печи круглый год. Вторую поставили через год после первой, для постоянного заказчика.
• НПК «Автоприбор», Владимир. Закрытая градирня VRC с подогревом поддона и щит с частотным регулированием охлаждают промышленную печь. Задачи автомобильной отрасли мы собрали на странице «Автомобильные заводы».
• Завод «Оптиковолоконные системы», Саранск. Две закрытые градирни работают в паре с двумя газовыми АБХМ Thermax, которые охлаждают системы управления производством.
• Завод пищевых ингредиентов в Лобне. Две сухие градирни с пластинчатыми теплообменниками работают на фрикулинге в хладоцентре с АБХМ на 1500 кВт.
• Завод по производству бумаги, Центральный федеральный округ. Чиллер и драйкулер охлаждают частотные преобразователи: летом драйкулер работает конденсатором чиллера, зимой трёхходовой клапан переводит поток на теплообменник, и воду заказчика охлаждает один драйкулер.

Это лишь несколько примеров. Многие другие наши проекты — в разделе «Проекты».

По референс-листу закрытые градирни NCT работают также на производстве упаковки, в научном центре, на машиностроительных и сталелитейном заводах, на заводе по обработке цветных металлов и на многих других предприятиях. Остальные проекты — в каталоге объектов.

Что входит в нашу работу?

• Подбор: по опросному листу возвращаем распечатку подбора NCT Select на ваш режим, бесплатно. Нужны расход, температуры, жидкость и концентрация гликоля, мокрый термометр площадки, нагрузка по сезонам, ограничения по месту и шуму.
• Проект контура: схема, бак, подпитка, защита змеевика, перечень сигналов автоматики — в нашем проектном центре.
• Система вокруг охладителя: насосные группы, баки, щиты управления, химводоподготовка контура орошения, при необходимости чиллеры — вплоть до системы оборотного водоснабжения под ключ.
• Монтаж и пусконаладка: заполнение контура, проверка концентрации, настройка автоматики. Приёмку закрытой градирни ведём по CTI ATC-105S: меряем расход и температуры жидкости в змеевике, а не воды в поддоне.
• Сервис поставленных систем.

Когда закрытая градирня окупается против открытой, коротко разбирают коллеги на nc-t.ru. А как выбирать между расходом воды и расходом электричества, пишет в своём блоге гендиректор Максим Краснов.

Частые вопросы