Градирня: эффективное устройство для охлаждения воды

Что такое градирня?

Градирни– это специальные приспособления, которое сейчас устанавливается на промышленных объектах, атомных и тепловых электростанциях. Их главная задача – отводить тепло от технологического оборудования. Это позволяет наращивать производство и оптимизировать расходы.

История градирен начинается в XVI веке, когда их впервые начали применять для получения соли методом выпаривания. Само слово «градильня» происходит от немецкого термина, который означает «сгущать солевой раствор».

В те времена градирню также называли «терновником». Это было связано с тем, что сооружение для производства соли представляло собой деревянный каркас, заполненный связками хвороста из хвойных пород деревьев. Солёная вода подавалась на верхнюю часть градирни, после чего она стекала по разветвлённой поверхности оросителя, частично испаряясь. При этом некоторые минералы из раствора оставались на хворостяных прутьях.

Прутья обеспечивают контакт с воздухом, а открытая конструкция способствует воздухообмену. Ветер и солнце испаряют воду и процентное содержание в растворе соли растёт. Таким образом, градирни производили более концентрированный рассол, что позволяло экономить энергию при выпаривании соли в солеварне.

Соляная градирня в СПА

SPA соляная градирня — это применение старинной технологии солеварения в современной индустрии СПА для оздоровления и отдыха. Один из популярных способов оздоровления — это лечение насыщенным солью воздухом. Для создания такой атмосферы используются различные методы: соляные комнаты и гроты, соляные сауны, турецкие бани с морским климатом, соляные лампы и градирни.

Соляная градирня насыщает воздух йодом, магнием, калием, бромом и другими микроэлементами. Насыщенный солью воздух с отрицательно заряженными ионами значительно улучшает лёгочную вентиляцию, ускоряя усвоение кислорода. Он также выводит значительные объёмы углекислого газа и улучшает работу сердца.

Соляной аэрозоль повышает работоспособность и умственную и физическую активность. Он также укрепляет костную ткань, ускоряет синтез витаминов групп С и В, тем самым восстанавливая иммунитет и дыхательную систему.

Градирни для охлаждения в промышленности

Градирни широко применяются в различных отраслях промышленности. Наибольшее распространение получили  три типа устройств: башенные, вентиляторные и сухие. Они используются для охлаждения воды в системах повторного водоснабжения.

Башенные градирни были изобретены более ста лет назад, а вентиляторные — гораздо позже. Сегодня градирни применяются на тепловых и атомных электростанциях, в системах кондиционирования, а также для охлаждения водяных конденсаторов в холодильных установках.

Градирни на ТЭЦ и АЭС

На теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) применяются башенные градирни и вентиляторные, они предназначении для охлаждения воды, которая движется по отдельным контурам. На ТЭЦ действует три контура:

1. вода для паровой турбины высокой степени очистки,
2. охлаждающая вода градирни,
3. сетевая вода.

Отработавший в турбине пар направляется в сетевой подогреватель и конденсатор, где охлаждается до состояния жидкости и снова возвращается в котел. Часть теплоты уносит сетевая вода, которая подается на ГВС и отопление жилого сектора. Но этого охлаждения недостаточно, так как ТЭЦ вырабатывает больше тепла чем необходимо, особенно летом. Не используемая на нагрев сетевой воды часть тепла принимается охлаждающей водой градирни. В процессе работы некоторое количество воды улетает в атмосферу в виде пара из градирни. Водоунос компенсируется из ближайшего водоема или скважины.

Градирни нашли своё применение в энергетике, авиастроении, судостроении, химии, металлургии, машиностроении, пищевой промышленности и других отраслях.

Градирни бывают пяти видов:

1. закрытые;
2. открытые;
3. башенные;
4. вентиляторные;
5. эжекционные.

Также охладители можно разделить на два типа: сухие и испарительные (мокрые).

Мокрой градирней теоретически, остудить воду можно до температуры, которую показывает «мокрый термометр» tm. Это происходит, когда газ насыщается влагой, то есть становится полностью влажным (относительная влажность φ = 100%), без дополнительного подвода или отвода тепла. В таком случае испарение происходит адиабатически с эффектом охлаждения.

В сухих радиаторных градирнях теоретической границей охлаждения воды является температура воздуха, которую показывает сухой термометр.

Практические показатели градирен рассчитывают с поправкой +5°C, для любого типа установок из-за экономической целесообразности.

Как работает градирня?

Сухая градирня — это теплообменное устройство, которое не предполагает прямого контакта между теплоносителем и воздухом. Она широко используется в системах холодоснабжения, работающих с чиллером, или как отдельное теплообменное оборудование.

Сухая градирня состоит из нескольких основных компонентов: стальной оцинкованной рамы, водо-воздушного теплообменника с оребрением и осевого вентилятора. Теплообмен происходит через радиатор, в котором циркулирует горячая охлаждающая жидкость. При этом нагретая поверхность радиатора контактирует с воздухом, а тепло уносится с неё. Эффективность теплообмена зависит от площади поверхности радиатора и скорости движения воздуха: чем она больше, тем эффективнее работает устройство.

Радиатор представляет собой змеевик из медной трубки с большой площадью поверхности, которая создаётся за счёт множества алюминиевых или стальных пластин, прикреплённых к медной трубке. Теплообменник устанавливается на стальную раму, а блок с вентиляторами монтируется на ту же раму через демпфирующие пластины.

Сухие охладители рекомендуется применять в случаях, когда необходимо избежать контакта охлаждаемой воды с внешней средой, например, в регионах с недостатком водных ресурсов. Они компактны, не требуют подпиточной воды и помогают сохранить чистоту гликолевого теплоносителя. Однако, по сравнению с другими типами градирен, они менее эффективны и могут охладить теплоноситель только до температуры, которая на 5°C выше температуры окружающего воздуха по сухому термометру.

Мокрые градирни избавлены от этого недостатка. Они используют два способа отдачи теплоты: теплообмен и испарение. В процессе работы градирня испарительного типа может обеспечить понижение температуры теплоносителя на 10–25°C.

Принцип работы мокрой градирни основан на поверхностной теплопередаче между водой и воздухом, а также испарении части оборотной воды с оросителя. В летний период на испарение приходится до 90% отдаваемого водой тепла, зимой больше преобладает поверхностный теплообмен до 70%.

Это происходит из-за испарения во влажной градирне, и, согласно показаниям сухого термометра, можно достичь температуры воды, которая холоднее температуры воздуха. Поэтому такие градирни имеют большую глубину охлаждения по сравнению с сухими градирнями. Холодильный эффект испарения внушительный. При испарении 1 литра, 1м3 воды охлаждается на 5, 68 °C.

Однако у этого процесса есть и негативная сторона. При испарении происходит расходование воды, что влечет финансовые затраты на её восполнение. Так на охлаждение 1 м3 воды с40°C до 20°C для компенсации испарения и капельного уноса потребуется восполнить объём оборотной воды в среднем на 4-5 литров в час.

Существует два основных типа оборудования:

1. Испарительные градирни с закрытым контуром. В закрытым контуре воздух не контактирует напрямую с теплоносителем. Однако испарение происходит с поверхности змеевика, орошаемого водой.
2. Испарительные градирни с открытым контуром. В таких градирнях технологическая вода напрямую контактирует с окружающим воздухом.

Как работает закрытая градирня?

Вода из вторичного контура разбрызгивается форсунками и орошает трубчатый теплообменник первичного контура. Охлаждающая жидкость циркулирует по первичному замкнутому контуру, не соприкасаясь с внешней средой. Свежий воздух нагнетается снизу, двигаясь навстречу воде. Поверхность горячего первичного контура смачивает вода и превращается в пар. В это-же время поток воздуха, созданный вентилятором, ускоряет процесс испарения.

Не испарившаяся вода из вторичного контура стекает в поддон и затем снова используется для орошения. Поскольку часть жидкости испаряется, а часть стекает, градирни комплектуют системой автоматического пополнения свежей водой.

Чтобы предотвратить образование накипи на внешней поверхности теплообменника, рекомендуется проводить водоподготовку контура орошения и периодически обновлять воду.

Охлаждение с помощью закрытых испарительных градирен позволяет значительно экономить воду в сравнении с другими методами испарительного охлаждения. Экономия составляет от 50% до 68%.

К недостаткам закрытых испарительных градирен можно отнести:

• высокую стоимость;
• наличие дополнительного насоса;
• большой вес.

Открытые градирни

История создания открытых градирен начинается в эпоху изобретения индустриальных паровых машин.

Промышленная революция, произошедшая в начале XIX века, привела к необходимости создания мощных паровых двигателей. В то же время появилась потребность в системах для конденсации пара и повторном его использовании.

Во многих удаленных районах не было надёжного водоснабжения. В городах плотная застройка не позволяла строить охладительные пруды, также оросительные бассейны оказались не удобными из-за слабого движения воздушных масс и большой занимаемой площади.

Башенная градирня

Для решения этой задачи была создана башенная градирня. Одной из ключевых частей градирен является наполнитель (ороситель). В старину это были охапки тернового хвороста, теперь он представляет из себя пористые пластиковые блоки. Встреча воды, разбрызгиваемой соплами, и воздушных потоков происходит на орошаемой поверхности наполнителя. Задача этих блоков — максимально увеличить площадь и время соприкосновения воды и воздуха, что усиливает холодильный эффект от испарения.

В зависимости от типи оросительного устройства и способа, которым достигается рост поверхности контакта охлаждаемой жидкости и атмосферы, градирни подразделяются на:

1. плёночные;
2. капельные;
3. капельно-плёночные.

Башенная градирня представляет собой крупное сооружение, достигающее десятков метров в высоту. Вытяжная башня обеспечивает необходимую естественную тягу за счет разницы в плотности воздуха. Холодный воздух втягивается в градирню снизу, а когда он уже нагрет, то в верхней части выбрасывается наружу. Охлажденная вода через ороситель стекает в бетонный бассейн, который одновременно является фундаментом всей конструкции. Из-за этого градирни получили своё название башенные.

Устройство башенного охладителя выглядит следующим образом:

• ограждающая конструкция,
• форсунки для распыления воды,
• ороситель,
• бассейн для сбора воды.

Принцип действия башенной градирни базируется на использовании естественной конвекции. В верхней части башни разбрызгивают горячую воду, которая стремится вниз. В процессе падения капли попадают на ороситель и охлаждаются, контактируя с поднимающимся вверх из-за разницы температур внутри башни воздухом. Это приводит к испарению и теплоотводу.

Башенные градирни делятся на капельные и брызгальные, в зависимости от типа форсунок и способа распыления воды. Они в основном используются в системах с расходом оборотной воды от 100 до 100 000 кубических метров в час. Градирни обладают большой глубиной охлаждения, не требуют электроэнергии для подачи воздуха, а также отличаются простотой в строительстве, эксплуатации и ремонте.

Допустимые тепловые нагрузки.

1. На открытые брызгальные градирни допускается удельная тепловая нагрузка 10-25 тыс. ккал/м2ч.
2. В зависимости от высоты башни удельная нагрузка на башенные 60-90 тыс. ккал/м2ч.
3. Допустимая тепловая нагрузка вентиляторной градирни 80-120 тыс. ккал/м2ч.

Вентиляторная градирня

Оптимизация интенсивности охлаждающего эффекта и компактности устройства привели к изобретению вентиляторной градирни. В отличие от башенных градирен, тягу в них создаёт осевой вентилятор. Благодаря этому вода испаряется и охлаждается быстрее, что позволяет использовать вентиляторные там, где естественной конвекции воздуха недостаточно.

Вентиляторные градирни бывают разных форм и размеров. За счёт вентиляторов они более компактнее, чем башенные, что делает их удобными для использования в условиях плотной застройки. Они применяются в системах с расходом оборотной воды до 100 кубических метров.

Конструктивно вентиляторная градирня состоит из нескольких элементов:

• ограждающая конструкция;
• форсунки для разбрызгивания воды;
• блочный ороситель;
• каплеуловитель;
• электрический вентилятор;
• поддон для сбора воды.

Глубокое охлаждение теплоносителя начинается, когда соотношение объёма воды к объёму воздуха составляет примерно 1 м3 на 600 м3 воздуха. Воздушный поток попадает в градирню через специальные проёмы в нижней части ограждающей конструкции, а затем удаляется наружу через верхний диффузор. В зимнее время проёмы закрываются поворотными жалюзи. Чтобы вентилятор не выносил слишком много жидкости, используются специальные уловители воды.

Водоуловители размещают на расстоянии от вентилятора не менее 1/2 диаметра его лопастей. Наклон ламелей уловителя воды располагают к центру либо против наклона лопастей вентилятора.

Достоинства вентиляторных градирен:

• относительно низкая стоимость строительства;
• повышенная глубина охлаждения;
• небольшое пятно застройки.

Недостатки:

• затраты на электроэнергию;
• высокий каплеунос;
• расходы на обслуживание.

Вентиляторные градирни для предприятий с малым расходом оборотной воды поставляются в готовом виде. Такие устройства называют секционными или блочными мини-градирнями.

Конфигурация корпуса и место расположения вентилятора влияют на направление движения воздушных масс. По этим признакам градирни делят на две категории;

• противоточные,
• перекрестноточные.

Выбор вентиляторной градирни зависит от требований ТЗ к эффективности охлаждения, климатических особенностей местности, а также от доступного пространства и экономической целесообразности.

Эжекционная градирня

Это очередная разновидность открытого испарительного охладителя. Эжекционная градирня использует принцип принудительной тяги за счет эжекторного эффекта. Горячий теплоноситель с температурой до 100 °C поступает в градирню с высокой скоростью, порядка 12-25 м/с, через ряд мельчайших отверстий – эжекторов.

Резкое истечение воды из эжекторов создает область пониженного давления, которая затягивает холодный атмосферный воздух в градирню. Там он смешивается с распыленной водой, образуя мелкодисперсную пыль.

Теплообмен происходит на всей поверхности капель, обеспечивая большую площадь контакта с холодным воздухом и высокую эффективность. Эжекционные градирни могут эффективно работать даже с очень горячими теплоносителями, что недоступно для традиционных вентиляторных агрегатов.

Недостатки эжекционной градирни

Несмотря на свои преимущества, эжекционные градирни имеют ряд недостатков:

Высокое давление на входе: чтобы обеспечить высокую скорость подачи теплоносителя, необходимо поддерживать давление на входе в градирню на уровне 0,4-0,5 МПа. Это требует установки мощного водяного насоса, что увеличивает эксплуатационные расходы и износ трубопроводов.

Зимняя эксплуатация: В холодное время года водяная пыль может быстро замерзать, затрудняя работу градирни. Для решения этой проблемы потребуются специальные меры защиты.

Потери на испарение: Эжекционные градирни имеют относительно высокие потери воды на испарение. Это связано с тем, что часть водяной пыли уносится потоком воздуха в атмосферу. Использование каплеуловителей не рекомендуется, так как это может снизить эффективность градирни.

Шум: из-за высокой скорости истечения теплоносителя эжекционные градирни довольно шумные. Для снижения шума потребуются звукоизоляционные мероприятия.

Преимущества и особенности эжекционных градирен

* Компактность: Эжекционные градирни обычно имеют меньшие габариты по сравнению с другими типами открытых охладителей, что может быть критично в условиях ограниченного пространства.

* Высокая устойчивость к загрязнениям: Эжекционные градирни не имеют открытых водоемов, что снижает риск загрязнения охлаждаемой жидкости.

* Гибкость эксплуатации: Эжекционные градирни настраивают, регулируя скорость подачи теплоносителя и расход воздуха. Это позволяет оптимизировать работу градирни в зависимости от конкретных условий эксплуатации.

Эжекционные градирни используются в различных отраслях, таких как химическая, нефтеперерабатывающая, металлургическая и энергетическая промышленность. Они особенно эффективны для охлаждения горячих теплоносителей с высокими температурами и большим расходом.

Как подобрать градирню?

При проектировании системы охлаждения инженеры-теплотехники учитывают различные факторы, которые оказывают влияние на требуемую производительность охладителя. К ним относятся:

1. климатические параметры местности;
2. расход теплоносителя;
3. анализ воды на наличие примесей;
4. расположение других объектов на площадке относительно охладителя.

На основе этих данных проводятся теплогидравлические расчёты, по результатам которых выбирается оптимальный тип градирни.

 Как рассчитать производительность?

Тепловой поток технического оборудования, в котором топливо не сжигается, обычно не превышает мощность привода и т.д.

Температуру влажного термометра предварительно определяют в соответствии со стандартом SP131.13330.2012 "Строительная климатология".

Температура теплоносителя на выходе из градирни, должна соответствовать техническим параметрам охлаждаемого устройства и обычно указывается в его паспортных данных.

Формула производительности

Для расчёта производительности градирни используется следующая формула:

E = (H − C) x 100 / (H − W),

где:

• E — производительность охладителя в процентах;
• H — температура горячей жидкости;
• C — температура охлажденной жидкости;
• W — температура мокрого термометра.

Производительность градирни — это показатель эффективности, которого достигает градирня в сравнении с максимальной тепловой эффективностью, которую она могла бы достичь.

Специалисты компании Geotermal обладают необходимой квалификацией для работы с различными системами охлаждения. Обратившись к нам, вы можете быть уверены, что после модернизации производительность вашей системы охлаждения оборотной воды вырастет, а затраты на электроэнергию и обслуживание снизятся. Звоните, и мы подробно расскажем о наших услугах. nsk@geotermal54.ru