Градирни: Эффективные системы охлаждения воды для промышленности и энергетики

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 промышленности и энергетики: как выбрать и установить

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.

Работа 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. Вододефицит 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.

Принцип работы сухих и мокрых градирен

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.

Испарительные градирни для охлаждения: преимущества и недостатки

Мокрые градирни избавлены от недостатков сухой, но имеют свои особенности. 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 40-50 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.

Свяжитесь с нами для расчёта и выбора градирни

Специалисты компании Geotermal 54 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