Что такое градирня

Градирня — это теплообменное устройство, предназначенное для охлаждения воды или другого теплоносителя в системе оборотного водоснабжения. На промышленных предприятиях техническая вода отводит тепло от оборудования и технологических процессов, нагревается, после чего поступает на градирню. Здесь ее температура снижается, и охлажденная вода возвращается в водооборотный цикл для повторного использования.

Главное назначение градирни — отвод избыточного тепла и поддержание требуемого температурного режима оборотной воды. Такое оборудование применяется в промышленности, энергетике и на других объектах, где необходимо постоянно охлаждать технологическое оборудование, установки, агрегаты или конденсаторы.

В зависимости от конструкции и принципа работы охлаждение может происходить за счет непосредственного контакта воды с атмосферным воздухом, испарения части воды либо передачи тепла через поверхность теплообменника. Поэтому существуют разные виды градирен: мокрые, сухие и гибридные, башенные, вентиляторные, эжекционные и малогабаритные.

Для чего нужна градирня на производстве

Многие производственные процессы сопровождаются выделением значительного количества тепла. Оно возникает при работе технологических установок, компрессоров, печей, холодильного оборудования, энергетических агрегатов, конденсаторов и другого промышленного оборудования.

Для отвода этого тепла часто используется техническая вода.

Проходя через теплообменное оборудование, она нагревается. Постоянно сбрасывать нагретую воду и заменять ее новой нерационально: это увеличивает водопотребление, объем водоотведения и эксплуатационные расходы предприятия.

Поэтому на промышленных объектах организуют оборотное водоснабжение.

Принцип такого цикла можно представить следующим образом:

охлажденная вода → производственное оборудование → нагрев воды → градирня → охлаждение воды → возврат на производство.

Таким образом, одна и та же вода многократно циркулирует между потребителем тепла и системой охлаждения. Восполняется преимущественно тот объем, который теряется в процессе эксплуатации.

Именно градирня позволяет замкнуть этот водооборотный цикл.

Основные задачи градирни

На производстве градирня выполняет несколько взаимосвязанных функций:

• отводит избыточное тепло от оборотной воды;
• обеспечивает требуемую температуру воды перед ее повторной подачей потребителям;
• поддерживает стабильный температурный режим технологического оборудования;
• позволяет многократно использовать техническую воду;
• уменьшает потребность предприятия в постоянном заборе свежей воды;
• помогает обеспечить устойчивую работу водооборотной системы при изменении производственной нагрузки.

Поэтому градирня — это не просто отдельная установка для охлаждения воды. Она является частью общей системы теплоотведения предприятия и непосредственно связана с режимом работы технологического оборудования.

Роль градирни в системе оборотного водоснабжения

Рассмотрим работу системы на простом примере.

Предприятию необходимо охлаждать технологическое оборудование. Вода с относительно низкой температурой поступает к потребителю и забирает выделяемое им тепло. В результате температура воды повышается.

Нагретая вода направляется на градирню.

В мокрой градирне она распределяется по внутреннему объему сооружения и контактирует с потоком атмосферного воздуха. Часть воды испаряется, на что расходуется значительное количество тепла. Одновременно происходит теплообмен между водой и воздухом. В результате температура основной массы воды снижается.

После охлаждения вода собирается в бассейне или резервуаре и насосами снова направляется к технологическому оборудованию.

Цикл повторяется.

В сухих системах принцип другой: охлаждаемый теплоноситель движется внутри теплообменника и не контактирует непосредственно с атмосферным воздухом. Отвод тепла происходит через стенки труб и оребрение теплообменной поверхности. Подробнее различия между мокрыми, сухими и гибридными градирнями рассмотрим далее.

Почему нельзя просто использовать холодную воду один раз

Технически проточная схема возможна не на каждом объекте и во многих случаях экономически нецелесообразна. Чем больше производительность предприятия и количество отводимого тепла, тем больше воды потребовалось бы постоянно забирать, а затем отводить после нагрева.

Оборотная система позволяет существенно сократить потребление свежей воды: после охлаждения основная часть потока возвращается в технологический процесс.

При этом полностью исключить подпитку системы нельзя. В зависимости от типа градирни вода может теряться из-за испарения, капельного уноса и продувки системы, необходимой для контроля концентрации растворенных веществ.

Поэтому для стабильной работы водооборотного цикла важны не только производительность градирни, но и качество технической воды, водно-химический режим и правильная эксплуатация оборудования.

Что именно охлаждает градирня

В разговорной речи часто говорят, что градирня «охлаждает оборудование». Технически это упрощение.

Непосредственно градирня обычно охлаждает оборотную воду или другой теплоноситель, который, в свою очередь, отводит тепло от оборудования.

Например, вода может использоваться для охлаждения:

• теплообменников;
• компрессорного оборудования;
• конденсаторов;
• технологических установок;
• производственных агрегатов;
• энергетического оборудования;
• холодильных машин и других источников тепла.
• Конкретная схема зависит от отрасли и технологического процесса.

На одном предприятии градирня может обслуживать один водооборотный контур, на другом — несколько потребителей с различными требованиями к расходу воды и температурному режиму.

Насколько градирня может охладить воду

Один из ключевых параметров системы — перепад температур между нагретой водой, поступающей на градирню, и охлажденной водой на выходе.

Однако нельзя сказать, что любая градирня способна обеспечить определенное снижение температуры независимо от условий.

Результат зависит от:

• расхода воды;
• тепловой нагрузки;
• начальной и требуемой конечной температуры;
• температуры и влажности атмосферного воздуха;
• конструкции градирни;
• интенсивности движения воздуха;
• состояния оросителя и других технологических элементов;
• качества оборотной воды;

режима эксплуатации.

Для мокрых градирен особенно важны параметры наружного воздуха. Поскольку значительная часть тепла отводится за счет испарения, эффективность охлаждения связана не только с температурой воздуха, но и с его влажностью.

Именно поэтому производительность промышленной градирни нельзя корректно определять только по расходу воды в м³/ч. Для подбора оборудования необходим теплотехнический расчет по исходным данным конкретного объекта.

Почему градирни особенно важны для промышленности

На крупных предприятиях объем оборотной воды может быть значительным, а стабильность температуры напрямую влияет на работу технологического оборудования.

Если вода возвращается к потребителю недостаточно охлажденной, ухудшается отвод тепла. Это может снижать эффективность технологического процесса, увеличивать нагрузку на оборудование или не позволять ему работать в расчетном режиме.

При этом потребность предприятия в охлаждении не всегда постоянна. Она может изменяться в зависимости от:

• загрузки производства;
• количества работающего оборудования;
• времени года;
• температуры и влажности наружного воздуха;
• режима работы отдельных технологических линий.

Поэтому промышленная система охлаждения должна быть рассчитана не только на номинальный расход воды, но и на реальные условия эксплуатации.

Градирня в такой системе обеспечивает возможность повторного использования воды и необходимый отвод тепла, а ее конструкция и производительность подбираются под конкретный водооборотный цикл предприятия.

Далее разберем, как именно работает градирня, что происходит с водой внутри установки и какую функцию выполняют ороситель, система водораспределения, вентилятор и водоуловитель.

Как работает градирня

Принцип работы градирни зависит от ее типа, однако основная задача всегда одна — отвести тепло от нагретой воды или другого теплоносителя и обеспечить его охлаждение до температуры, необходимой для повторного использования.

Наиболее распространены в промышленности испарительные, или мокрые, градирни. В них охлаждение происходит при непосредственном контакте воды с атмосферным воздухом. Нагретая вода поступает в верхнюю часть градирни, распределяется по площади орошения и движется вниз, а навстречу или поперек водного потока проходит воздух.

Часть воды при этом испаряется. Для перехода воды из жидкого состояния в пар требуется энергия, которая забирается у основного потока воды в виде тепла. Одновременно происходит теплообмен между нагретой водой и более холодным атмосферным воздухом.

В результате температура оставшейся воды снижается.

Упрощенно процесс можно представить так:

нагретая вода → распределение по градирне → контакт с атмосферным воздухом → теплообмен и частичное испарение → охлаждение воды → возврат в водооборотный цикл.

Именно сочетание тепло- и массообмена обеспечивает высокую эффективность мокрых градирен.

Как движутся вода и воздух

Нагретая техническая вода поступает в водораспределительную систему градирни. Через сопла или форсунки она распределяется по площади оросителя.

Задача водораспределения — обеспечить максимально равномерное орошение рабочей поверхности. Если вода поступает только на отдельные участки, часть оросителя фактически перестает участвовать в процессе охлаждения.

Далее вода попадает на ороситель — специальную внутреннюю насадку, увеличивающую площадь контакта воды с воздухом.

В зависимости от конструкции оросителя вода может:

• образовывать тонкую пленку на его поверхности;
• дробиться на капли;
• многократно менять направление движения;
• переходить из пленочного режима в капельный и обратно.

Чем эффективнее организован контакт воды с воздушным потоком, тем интенсивнее происходит тепло- и массообмен.

Одновременно через градирню проходит атмосферный воздух.

В башенных градирнях движение воздуха создается преимущественно за счет естественной тяги. В вентиляторных — воздушный поток формируется вентиляторной установкой. В существующей статье Агростройсервиса это различие также является одним из основных при описании башенных и вентиляторных конструкций.

После прохождения зоны теплообмена нагретый и насыщенный влагой воздух выводится из градирни, а охлажденная вода собирается в нижней части сооружения и возвращается в оборотную систему предприятия.

Почему вода охлаждается при испарении

Испарительное охлаждение — основной физический процесс, на котором основана работа мокрой градирни.

Испаряется лишь часть проходящей через градирню воды. Однако на этот процесс затрачивается тепло, которое отбирается у основной массы воды.

Именно поэтому для оценки работы мокрой градирни недостаточно знать только температуру наружного воздуха.

Большое значение имеет его влажность.

Чем суше воздух, тем выше его способность принимать дополнительную влагу и тем благоприятнее условия для испарительного охлаждения. При высокой относительной влажности возможности испарения уменьшаются.

Поэтому при расчете градирни учитывают климатические характеристики района эксплуатации и параметры атмосферного воздуха.

Температура влажного термометра

Для испарительных градирен одним из важных расчетных показателей является температура воздуха по влажному термометру.

Она характеризует потенциальные возможности испарительного охлаждения при конкретном сочетании температуры и влажности воздуха.

Температура охлажденной воды в мокрой градирне не может быть произвольно низкой: она ограничена физическими условиями тепло- и массообмена.

Разницу между температурой охлажденной воды и температурой воздуха по влажному термометру часто используют как один из показателей эффективности работы градирни.

Поэтому фраза «градирня охлаждает воду на определенное количество градусов» без указания исходных условий сама по себе недостаточно информативна.

Для корректного расчета необходимо как минимум знать:

• расход воды;
• температуру воды на входе;
• требуемую температуру воды на выходе;
• климатические параметры;
• условия эксплуатации.

Основные элементы градирни

Конструкция зависит от типа и производительности оборудования. Однако в классической испарительной градирне можно выделить несколько основных технологических элементов.

Интерактивная схема градирни

Наведите на изображение для просмотра описания

Водораспределительная система

Водораспределительная система предназначена для подачи и равномерного распределения нагретой воды по площади градирни.

Как правило, она включает систему трубопроводов и водоразбрызгивающие сопла.

От качества водораспределения напрямую зависит использование рабочей площади оросителя. Поэтому расположение сопел, их производительность, характеристики факела и давление воды должны соответствовать расчетным параметрам.

В действующей статье Агростройсервиса водораспределительная система также рассматривается как один из основных элементов: ее задача — равномерно распределять охлаждаемую воду по поверхности оросителя, не препятствуя прохождению воздуха.

Ороситель

Ороситель — один из ключевых технологических элементов мокрой градирни.

Его назначение — увеличить поверхность взаимодействия воды и воздуха и обеспечить условия для интенсивного тепло- и массообмена.

Если просто пропустить большой поток воды через пустой объем, площадь контакта с воздухом будет относительно небольшой. Ороситель распределяет воду по развитой поверхности, формирует пленки и капли и тем самым увеличивает эффективную площадь охлаждения.

В существующей статье Агростройсервиса ороситель также назван главным элементом, определяющим охлаждающую способность градирни.

В зависимости от конструкции применяются различные типы оросителей, в том числе пленочные и капельно-пленочные.

При выборе учитывают не только охлаждающую способность, но и качество оборотной воды. Если вода содержит значительное количество взвешенных веществ и примесей, конструкция должна быть достаточно устойчивой к загрязнению и забиванию.

Вентиляторная установка

В вентиляторных градирнях необходимый поток атмосферного воздуха создается механически.

Вентиляторная установка обеспечивает движение воздуха через рабочую зону градирни, где происходит его взаимодействие с водой.

В ее состав могут входить:

• рабочее колесо;
• электропривод;
• диффузор;

элементы крепления и управления.

Количество подаваемого воздуха непосредственно влияет на процесс охлаждения, поэтому режим работы вентилятора может регулироваться в зависимости от температуры воды, погодных условий и текущей нагрузки предприятия.

Современные системы автоматизации позволяют изменять частоту вращения вентилятора и поддерживать требуемую температуру охлажденной воды без постоянной работы оборудования на максимальной мощности.

Водоуловитель

Вместе с выходящим из мокрой градирни воздухом могут перемещаться мелкие капли оборотной воды. Это явление называется капельным уносом.

Для его уменьшения устанавливают водоуловитель, или каплеуловитель.

Воздушно-капельный поток проходит через систему каналов, несколько раз меняет направление движения. Капли воды осаждаются на поверхности элементов водоуловителя, объединяются и возвращаются обратно в градирню.

Водоуловитель позволяет уменьшить потери оборотной воды и снизить вынос капель за пределы сооружения.

При этом он должен сочетать высокую эффективность улавливания капель с небольшим аэродинамическим сопротивлением, чтобы не создавать чрезмерную нагрузку на воздушный тракт градирни. Именно эти две задачи выделены и в существующем материале Агростройсервиса.

Водосборный бассейн

После прохождения оросителя охлажденная вода поступает в нижнюю часть градирни и собирается в водосборном бассейне или резервуаре.

Отсюда насосное оборудование снова подает ее в водооборотный цикл предприятия.

Бассейн выполняет не только функцию накопления. Его объем и конструкция должны соответствовать режиму работы системы, расходу воды и особенностям эксплуатации объекта.

Для некоторых компактных конструкций отдельный капитальный бассейн может не требоваться — водосборная емкость является частью самой установки.

Что выходит из градирни — дым или пар?

Характерное белое облако над работающей мокрой градирней иногда принимают за дым. Это неверно.

При работе испарительной градирни выходящий воздух имеет повышенную влажность. При определенных погодных условиях содержащийся в нем водяной пар конденсируется в мельчайшие капли, и над сооружением становится видимым белый факел.

Его интенсивность зависит от температуры, влажности наружного воздуха и режима работы градирни.

Особенно хорошо такой факел заметен в холодную погоду.

Сам по себе видимый белый шлейф является следствием процессов тепло- и массообмена и не означает, что градирня представляет собой источник дыма от сжигания топлива.

Чем отличается работа сухой градирни

Принцип работы сухой градирни существенно отличается от описанной выше испарительной схемы.

Вода или другой теплоноситель движется внутри труб теплообменника и не вступает в непосредственный контакт с атмосферным воздухом.

Воздух проходит через оребренную поверхность теплообменника и забирает тепло через стенки труб.

Таким образом, здесь происходит преимущественно теплообмен без испарения охлаждаемого теплоносителя.

Такое решение позволяет организовать закрытый контур и применяется там, где важно исключить непосредственный контакт теплоносителя с окружающей средой или необходимо минимизировать его потери.

Однако возможности сухого охлаждения сильнее зависят от температуры наружного воздуха, поэтому одинаковые по назначению мокрая и сухая градирни могут значительно отличаться размерами, конструкцией и необходимым расходом воздуха.

Как работает гибридная градирня

Гибридные градирни объединяют элементы сухого и испарительного охлаждения.

В зависимости от конструкции и режима работы часть тепла может отводиться через теплообменную поверхность, а при необходимости дополнительно использоваться испарительный эффект.

Главная идея такой системы — сочетать преимущества разных способов отвода тепла и изменять режим работы в зависимости от температуры наружного воздуха, требуемой температуры теплоносителя и необходимости уменьшения расхода воды.

При этом гибридная градирня конструктивно сложнее обычной мокрой системы и предъявляет более высокие требования к расчету и эксплуатации.

Подробно различия между мокрыми, сухими и гибридными системами, а также между башенными, вентиляторными, эжекционными и малогабаритными конструкциями рассмотрим в следующем разделе — «Какие бывают градирни».

Какие бывают градирни

Виды градирен различаются по способу отвода тепла, организации движения воздуха, конструкции и схеме взаимодействия охлаждаемой среды с атмосферой. Поэтому одна и та же градирня может одновременно относиться сразу к нескольким категориям. Например, промышленная вентиляторная градирня может быть мокрой и открытой, а сухая градирня — вентиляторной и закрытой.

Это важно учитывать при классификации: понятия «мокрая», «вентиляторная» и «открытая» характеризуют разные особенности оборудования и не являются взаимоисключающими типами.

Если говорить о принципе отвода тепла, градирни можно разделить на три основные группы:

• мокрые, или испарительные;
• сухие;
• гибридные.

По конструкции и способу организации воздушного потока выделяют башенные, вентиляторные, эжекционные и другие исполнения. Отдельную группу компактного промышленного оборудования составляют малогабаритные градирни.

Рассмотрим основные типы подробнее.

Мокрые, или испарительные, градирни

Мокрая градирня — это градирня, в которой охлаждаемая вода непосредственно контактирует с атмосферным воздухом.

Вода распределяется по рабочей зоне, проходит через ороситель и взаимодействует с воздушным потоком. Небольшая часть воды испаряется, забирая тепло у основного объема. Одновременно происходит непосредственный теплообмен между водой и воздухом.

Испарительный принцип позволяет получать интенсивное охлаждение при сравнительно компактных размерах оборудования. Именно поэтому мокрые градирни широко применяются в системах оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

К их особенностям относятся:

• высокая интенсивность тепло- и массообмена;
• возможность охлаждения больших объемов оборотной воды;
• зависимость эффективности от температуры и влажности атмосферного воздуха;
• наличие потерь воды на испарение, капельный унос и продувку;
• необходимость контроля качества оборотной воды.

Мокрыми могут быть как башенные, так и вентиляторные, эжекционные и малогабаритные градирни.

Сухие градирни

Сухая градирня охлаждает воду или другой теплоноситель без его непосредственного контакта с атмосферным воздухом.

Теплоноситель движется внутри труб теплообменника. Атмосферный воздух проходит снаружи через оребренную поверхность и отводит тепло через стенки труб.

Такую систему часто называют драйкулером.

В отличие от мокрой градирни здесь не используется испарение самого охлаждаемого теплоносителя. Поэтому отсутствуют связанные с этим испарительные потери, а закрытый контур защищает рабочую жидкость от непосредственного загрязнения наружным воздухом.

Сухая схема применяется, когда:

• необходимо сохранить закрытый контур;
• недопустим контакт теплоносителя с атмосферой;
• ограничены возможности восполнения потерь воды;
• используется специальный теплоноситель;
• технологический процесс предъявляет повышенные требования к чистоте циркулирующей среды.

У сухих градирен есть и ограничения. Их охлаждающая способность сильнее зависит от температуры наружного воздуха, а для отвода значительной тепловой нагрузки может потребоваться большая площадь теплообменной поверхности и значительный расход воздуха.

В действующей статье Агростройсервиса сухие градирни также рассматриваются как оборудование с закрытым контуром, где передача тепла происходит через радиатор без непосредственного контакта охлаждаемой жидкости с воздухом.

Гибридные градирни

Гибридная градирня сочетает сухой и испарительный способы охлаждения.

Конкретная конструкция может отличаться, но общий принцип заключается в возможности использовать теплообменную поверхность совместно с испарительным охлаждением.

Это позволяет адаптировать работу системы к изменению внешних условий и тепловой нагрузки. Например, при благоприятной температуре наружного воздуха часть тепла может отводиться преимущественно сухим способом, а при увеличении нагрузки подключается испарительное охлаждение.

К преимуществам гибридного подхода относятся возможность уменьшить потребление воды по сравнению с полностью мокрой схемой и гибко управлять режимами охлаждения.

Однако конструкция становится сложнее. Возрастают требования к проектированию, автоматизации, обслуживанию и качеству воды.

В существующей статье Агростройсервиса гибридные градирни также описываются как системы, объединяющие процессы, характерные для сухого и испарительного охлаждения, с меньшими безвозвратными потерями воды по сравнению с обычными испарительными решениями.

Виды градирен по конструкции и организации воздушного потока

Другая классификация отвечает уже не на вопрос «за счет чего отводится тепло?», а на вопрос «как устроена градирня и каким образом через нее проходит воздух?»

Здесь выделяют несколько основных решений.

Вентиляторные градирни

Вентиляторная градирня — один из наиболее распространенных типов промышленных градирен, в котором воздушный поток создается вентилятором.

Нагретая вода поступает в водораспределительную систему и через сопла подается на ороситель. Одновременно вентилятор обеспечивает необходимое движение атмосферного воздуха через рабочую зону.

Принудительная подача воздуха дает возможность управлять интенсивностью теплообмена и регулировать работу градирни при изменении нагрузки и погодных условий.

Вентиляторные градирни могут состоять из одной или нескольких секций. Секционная конструкция особенно удобна для промышленных объектов: отдельные секции можно включать и отключать в зависимости от требуемого расхода воды и текущей тепловой нагрузки.

Интерактивная схема градирни

Наведите на изображение для просмотра описания

Преимуществами такого решения являются:

• компактность относительно крупных башенных сооружений;
• возможность регулирования воздушного потока;
• модульность и масштабирование системы;
• возможность посекционной эксплуатации;
• удобство обслуживания и ремонта;

возможность автоматического регулирования температуры охлажденной воды.

Вентиляторные градирни используются на предприятиях химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной, пищевой и других отраслей промышленности.

На действующей странице Агростройсервиса секционные вентиляторные градирни также выделены как наиболее распространенное промышленное решение: отмечены их компактность, модульность и возможность адаптировать работу отдельных секций к изменению объема охлаждаемой воды.

Башенные градирни

Башенная градирня — крупное сооружение, в котором движение воздуха создается преимущественно за счет естественной тяги.

Характерная форма высокой вытяжной башни способствует движению воздушных масс: нагретый влажный воздух поднимается вверх, а снизу поступает более холодный атмосферный воздух.

Внутри располагаются традиционные элементы испарительной градирни: водораспределительная система, ороситель, водоуловитель и другие технологические элементы.

Основное преимущество башенной конструкции — возможность охлаждения очень больших объемов воды без применения мощной вентиляторной установки для создания основного воздушного потока.

Поэтому такие сооружения получили широкое распространение на объектах энергетики и крупных промышленных предприятиях с большими водооборотными циклами.

При этом башенные градирни имеют значительные размеры, требуют большой площадки и капитального строительства. Возможности оперативного регулирования воздушного потока у естественной тяги также ограничены по сравнению с вентиляторной системой.

Именно башенные градирни с характерным гиперболоидным силуэтом чаще всего ассоциируются у неспециалистов со словом «градирня», хотя это только один из ее видов.

Эжекционные градирни

В эжекционных градирнях движение воздуха обеспечивается за счет энергии струй воды.

Вода под давлением проходит через специальные сопла. Высокоскоростные струи создают разрежение и вовлекают атмосферный воздух в рабочую зону, где происходит контакт воды и воздуха.

Таким образом, для организации основного воздушного потока не требуется традиционная крупная вентиляторная установка.

При этом энергия для создания тяги фактически переносится на насосное оборудование: для работы эжекционной системы необходимо обеспечить требуемые расход и давление воды.

Эжекционные градирни применяются для отдельных технологических задач, в том числе когда особенности процесса или компоновки делают такую схему целесообразной. Решение о применении этого типа должно приниматься на основании теплотехнического и гидравлического расчета, поскольку повышенное давление воды влияет на энергопотребление всей системы.

Малогабаритные градирни

Малогабаритные градирни — компактные установки, предназначенные прежде всего для сравнительно небольших водооборотных циклов.

По принципу работы они могут быть близки к обычным вентиляторным испарительным градирням, но отличаются размерами и компоновкой.

Компактное исполнение позволяет поставлять отдельные модели с высокой степенью заводской готовности и размещать их там, где строительство крупного сооружения нецелесообразно.

Основные преимущества:

• небольшие габариты;
• удобство транспортировки;
• относительно простой монтаж;
• возможность использования на объектах с небольшим расходом оборотной воды.

Но компактность накладывает ограничения на производительность и возможности масштабирования. Для отдельных конструкций также необходимо особенно внимательно учитывать зимний режим эксплуатации и риск обмерзания.

Поэтому малогабаритная градирня — не «уменьшенная версия для любой задачи», а самостоятельное техническое решение со своей областью применения.

Открытые и закрытые градирни: в чем разница

Еще один важный способ классификации связан с тем, контактирует ли охлаждаемая среда непосредственно с атмосферным воздухом.

Открытая градирня

В открытой испарительной градирне оборотная вода непосредственно взаимодействует с атмосферным воздухом.

Вода распыляется или распределяется по оросителю, а через рабочую зону проходит воздух. Часть воды испаряется, благодаря чему происходит интенсивное охлаждение.

Преимуществом такой схемы является высокая эффективность тепло- и массообмена.

При этом вода контактирует с наружной средой, поэтому необходимо учитывать:

испарительные потери;

капельный унос;

изменение концентрации растворенных веществ;

попадание загрязнений из воздуха;

требования к водоподготовке и водно-химическому режиму.

Большинство традиционных мокрых промышленных градирен относятся именно к открытому типу.

Градирня закрытого типа

В градирне закрытого типа охлаждаемый теплоноситель циркулирует внутри теплообменного контура и непосредственно с атмосферным воздухом не контактирует.

Это позволяет сохранить качество рабочей среды и применять не только техническую воду, но при необходимости и другие теплоносители.

При этом закрытая схема сама по себе еще не означает, что оборудование обязательно является классическим сухим драйкулером.

В сухой градирне отвод тепла происходит через теплообменник только за счет воздушного охлаждения. В закрытых испарительных или гибридных системах для повышения эффективности дополнительно может использоваться вода, которая орошает внешнюю поверхность теплообменника.

Поэтому при выборе оборудования важно смотреть не только на обозначение «открытая» или «закрытая», но и на конкретный принцип отвода тепла.

Какая классификация градирен правильная

На практике можно встретить разные классификации, и это не обязательно означает противоречие.

Одна классификация описывает физический принцип охлаждения:

мокрая → сухая → гибридная.

Другая — способ создания воздушного потока и конструкцию:

башенная → вентиляторная → эжекционная → малогабаритная.

Третья — характер контакта теплоносителя с окружающей средой:

открытая → закрытая.

Поэтому, например, выражение «открытая мокрая вентиляторная градирня» технически описывает сразу несколько характеристик одной системы: вода непосредственно контактирует с воздухом, охлаждение происходит с использованием испарения, а воздушный поток создается вентилятором.

Такое разделение позволяет точнее понять, какие бывают градирни, чем попытка расположить все существующие названия в одном линейном списке.

Преимущества и недостатки различных типов градирен

Выбор конкретного типа зависит уже не от названия конструкции, а от задачи предприятия: расхода и требуемой температуры воды, тепловой нагрузки, климатических условий, качества воды, характеристик теплоносителя, доступной площадки, требований к энергопотреблению и режима эксплуатации.

Далее рассмотрим, где применяются градирни, как определить подходящий тип для конкретного предприятия и какие особенности необходимо учитывать при круглогодичной эксплуатации оборудования.

Где применяются градирни

Градирни применяются там, где в технологическом процессе необходимо постоянно отводить значительное количество тепла и повторно использовать охлаждающую воду. Основная область применения — промышленные системы оборотного водоснабжения.

Конкретная конструкция градирни и параметры водооборотного цикла зависят от отрасли, состава оборудования, тепловой нагрузки, расхода воды и требуемой температуры охлаждения.

Энергетика

Одна из наиболее известных областей применения градирен — тепловая и атомная энергетика.

Большое количество тепла необходимо отводить, в частности, от конденсаторов энергетических установок. Нагретая вода направляется в систему охлаждения, после чего возвращается в технологический цикл.

При очень больших расходах оборотной воды традиционно применяются крупные башенные градирни. Именно такие сооружения часто можно увидеть на территории ТЭЦ и АЭС.

В действующей статье Агростройсервиса башенные градирни также отнесены прежде всего к объектам энергетики и крупным промышленным предприятиям, где необходимо охлаждать большие объемы воды.

Химическая и нефтехимическая промышленность

На химических и нефтехимических предприятиях охлаждение требуется для большого количества технологических процессов: работы теплообменного оборудования, конденсации продуктов, охлаждения агрегатов и поддержания заданных температур технологических сред.

Для таких объектов особенно важны:

• стабильность температуры оборотной воды;
• устойчивость материалов к условиям промышленной среды;
• качество технической воды;
• возможность регулирования производительности;
• надежность работы в течение всего года.

На одном предприятии может существовать несколько водооборотных циклов с разными температурными параметрами и требованиями к охлаждению.

Металлургия

Металлургическое производство связано с высокими тепловыми нагрузками. Вода используется для охлаждения технологического оборудования, печей, прокатных станов, компрессорных и других установок.

При выборе градирни необходимо учитывать не только большой расход воды, но и возможное наличие в оборотной воде взвешенных веществ и других загрязнений.

Это влияет на выбор технологических элементов, в том числе водораспределения и оросителя: конструкция должна сохранять работоспособность при фактическом качестве воды.

Машиностроение и металлообработка

На предприятиях машиностроения градирни могут использоваться в системах охлаждения станочного, термического, компрессорного и другого технологического оборудования.

Расход воды здесь может быть существенно меньше, чем на крупных объектах энергетики или металлургии. Поэтому применяются как секционные вентиляторные, так и компактные малогабаритные решения.

Пищевая промышленность

На пищевых производствах охлаждение необходимо для холодильных установок, компрессоров, теплообменников и различных технологических процессов.

При проектировании водооборотной системы учитывают требования конкретного производства, температурный режим и санитарно-технологические ограничения.

Градирня при этом работает в контуре технического охлаждения и подбирается исходя из фактической тепловой нагрузки.

Другие промышленные объекты

Градирни также применяются на предприятиях:

• нефтеперерабатывающей промышленности;
• целлюлозно-бумажной отрасли;
• горнодобывающего комплекса;
• производства строительных материалов;
• фармацевтической промышленности;
• производства пластмасс и полимеров;

других отраслей, где требуется постоянный отвод технологического тепла.

Поэтому ответ на вопрос «для чего нужна градирня?» всегда связан с конкретным производственным процессом: ее задача — принять нагретый теплоноситель, отвести избыточное тепло и обеспечить возможность повторного использования охлажденной воды.

Как понять, какая градирня нужна

Универсального типа градирни, одинаково подходящего для всех предприятий, не существует.

Даже при одинаковом расходе воды условия охлаждения могут значительно различаться. Например, одному предприятию необходимо снизить температуру воды на несколько градусов, другому требуется существенно больший температурный перепад. Различаться могут температура воды на входе, климат, качество оборотной воды и режим работы оборудования.

Поэтому подбор градирни начинается не с выбора модели из каталога, а со сбора исходных данных и теплотехнического расчета.

В первую очередь необходимо определить:

• Расход охлаждаемой воды.Какой объем воды проходит через водооборотный цикл в час.
• Температуру воды на входе в градирню.
  До какой температуры нагревается вода после прохождения через технологическое оборудование.
• Требуемую температуру воды на выходе.
  С какой температурой она должна вернуться к потребителю.
• Тепловую нагрузку.
  Какое количество тепла необходимо отвести от оборотной воды.
• Климатические параметры района.
  Для испарительного охлаждения особенно важны расчетные температура и влажность атмосферного воздуха.
• Качество воды.
  Химический состав, количество взвешенных веществ и другие характеристики влияют на выбор оборудования и технологических элементов.
• Режим эксплуатации.
  Необходимо понимать, работает ли система постоянно или периодически, как изменяется нагрузка и требуется ли круглогодичная эксплуатация.
• Условия размещения.
  Учитываются доступная площадь, расположение зданий и оборудования, возможность свободного поступления воздуха, шумовые ограничения и другие особенности площадки.

После анализа этих данных определяют подходящий принцип охлаждения, конструкцию, количество секций и характеристики основных элементов.

Подробный алгоритм этой работы целесообразно вынести во внутреннюю ссылку на отдельную статью «Как выбрать градирню», поскольку задача текущей страницы — объяснить, что такое градирня, для чего она нужна и какие основные виды оборудования существуют.

Размещение градирни на предприятии

Даже правильно рассчитанная градирня может работать хуже проектных показателей при неудачном размещении.

Для работы оборудования необходим свободный приток атмосферного воздуха. Поэтому градирню нельзя располагать так, чтобы окружающие здания и сооружения существенно препятствовали движению воздушных масс.

При выборе места учитывают:

• расположение потребителей оборотной воды;
• расстояние до технологического оборудования;
• возможность прокладки трубопроводов;
• наличие свободного пространства для поступления воздуха;
• направление господствующих ветров;
• вероятность рециркуляции теплого влажного воздуха;
• уровень шума;
• возможность обслуживания и ремонта оборудования.

В действующей статье Агростройсервиса также отдельно отмечается необходимость обеспечить свободную циркуляцию воздуха, учитывать близость потребителей оборотной воды, направление господствующих ветров и шум от работающего оборудования.

При размещении нескольких секций или нескольких градирен необходимо учитывать их взаимное влияние. Если теплый насыщенный влагой воздух с выхода одной установки снова поступает на воздухозабор другой, эффективность охлаждения может снижаться.

Поэтому компоновка оборудования является частью проектирования всей системы оборотного водоснабжения.

Можно ли использовать градирню зимой

Промышленные градирни могут эксплуатироваться круглогодично, однако зимний режим требует специальных технических решений и правильного управления системой.

Основной риск для мокрых градирен связан с обмерзанием.

Вода внутри работающей градирни распределяется по большой поверхности и взаимодействует с потоком холодного атмосферного воздуха. При отрицательной температуре наружного воздуха лед может образовываться на воздуховходных окнах, оросителе, элементах корпуса и других конструкциях.

Особенно опасен режим, при котором через отдельную секцию проходит недостаточное количество теплой оборотной воды при одновременно интенсивном поступлении холодного воздуха.

Поэтому зимняя эксплуатация предполагает управление как водным, так и воздушным режимом.

В действующей статье Агростройсервиса среди решений для работы зимой перечислены перераспределение воды между секциями для увеличения плотности орошения, реверс рабочего колеса вентилятора, зимняя водораспределительная система и жалюзи на воздухозаборных окнах.

Регулирование количества работающих секций

Если производственная нагрузка зимой снижается, необязательно сохранять в работе все секции.

Часть секций можно вывести из эксплуатации, а поток оборотной воды перераспределить между оставшимися.

Это позволяет увеличить плотность орошения действующих секций и уменьшить риск замерзания воды на технологических элементах.

Регулирование воздушного потока

В вентиляторной градирне количество проходящего воздуха можно изменять режимом работы вентиляторов.

Автоматическое управление позволяет корректировать производительность вентилятора в зависимости от температуры охлажденной воды и наружного воздуха.

Это важно не только для защиты от обмерзания, но и для энергосбережения: зимой для достижения требуемой температуры воды может требоваться значительно меньший расход воздуха, чем летом.

Жалюзи и защита воздуховходных окон

Регулируемые жалюзи позволяют ограничивать поступление холодного воздуха в отдельные зоны градирни.

При грамотном управлении это помогает поддерживать более равномерный температурный режим и предотвращать локальное образование льда.

Реверс вентилятора

Для отдельных конструкций предусматривается возможность кратковременного изменения направления воздушного потока.

Теплый воздух направляется в зоны возможного обмерзания и способствует удалению образовавшегося льда.

Реверс является одним из инструментов зимней эксплуатации, но конкретный алгоритм его применения должен соответствовать конструкции и проектному режиму оборудования.

Таким образом, сама отрицательная температура наружного воздуха не означает, что мокрая градирня не может работать. Важно, чтобы оборудование и система управления изначально были рассчитаны на климатические условия объекта.

Кратко об истории градирен

Современные промышленные градирни появились значительно позже самого принципа использования сооружений для взаимодействия воды и воздуха.

Слово «градирня» связывают с немецким gradieren — сгущать раствор. Первоначально градирные сооружения применялись не для охлаждения промышленного оборудования, а в солеварении.

Раствор пропускали по развитой поверхности сооружения, где часть воды испарялась под воздействием воздуха. В результате концентрация соли увеличивалась.

На действующей странице Агростройсервиса приведен пример сохранившейся в Германии соляной градирни возрастом более двухсот лет, которая сегодня используется как туристический объект.

Появление современных башенных градирен

С развитием промышленности возникла необходимость охлаждать все большие объемы технической воды. Это привело к появлению сооружений, предназначенных уже непосредственно для отвода промышленного тепла.

В действующей статье Агростройсервиса указано, что первая градирня современной гиперболоидной формы была построена в 1918 году в нидерландском городе Херлен, а ее конструктором был профессор машиностроения Фредерик ван Итерсон.

Гиперболоидная форма оказалась эффективной для создания естественной тяги и одновременно позволяла возводить высокие сооружения с рациональным распределением нагрузок.

В дальнейшем такие башенные градирни стали одним из наиболее узнаваемых элементов крупных энергетических и промышленных объектов.

Развитие градирен в России

В существующей статье Агростройсервиса отдельно отмечен вклад отечественных специалистов в развитие теории и практики градирнестроения: Б. С. Фарворского, Т. С. Ямпольского, Л. Д. Бермана, А. Г. Аверкиева, Ю. И. Арефьева, В. С. Пономаренко и других.

По мере развития промышленности изменялись и сами системы охлаждения.

Наряду с крупными башенными сооружениями получили распространение вентиляторные градирни, позволяющие принудительно управлять воздушным потоком. Появились секционные конструкции, компактные установки, сухие системы охлаждения и гибридные решения.

Одновременно совершенствовались оросители, водоуловители, водораспределительные системы, вентиляторные установки, материалы корпусов и средства автоматизации.

В результате современная промышленная градирня представляет собой уже не просто сооружение для контакта воды с воздухом, а расчетную систему теплоотведения, работа которой увязана с параметрами технологического процесса и всего водооборотного цикла предприятия.

В заключительной части рассмотрим наиболее частые вопросы о градирнях и перейдем к производству и проектированию промышленного оборудования.

Производство градирен

Промышленная градирня — это оборудование, параметры которого должны соответствовать конкретной системе оборотного водоснабжения. Поэтому ее производство начинается не с выбора стандартного размера корпуса, а с анализа исходных данных и расчета требуемой охлаждающей способности.

При проектировании учитываются расход и температура воды, необходимый перепад температур, тепловая нагрузка, климатические параметры района, качество оборотной воды, особенности размещения и режим эксплуатации предприятия.

На основании расчета определяются:

• тип и количество секций;
• площадь орошения;
• параметры водораспределительной системы;
• характеристики оросителя;
• необходимый расход воздуха;
• параметры вентиляторной установки;
• конструкция водоуловителя;
• материалы основных элементов;
• алгоритмы управления оборудованием;
• решения для летнего и зимнего режимов работы.

Такой подход позволяет рассматривать градирню не как отдельный агрегат, а как часть общей системы охлаждения предприятия.

Промышленные градирни Агростройсервис

ООО «НПО «Агростройсервис» занимается промышленным охлаждением воды с 1992 года и разрабатывает градирни для систем оборотного водоснабжения предприятий.

Одно из основных направлений компании — секционные вентиляторные градирни ВЕНТА.

Конструкция вентиляторной секционной градирни

Интерактивная схема градирни

Наведите на изображение для просмотра описания

Секционная конструкция позволяет формировать систему охлаждения под требуемый расход воды и тепловую нагрузку. При необходимости несколько секций объединяются в единый комплекс, а режим их работы регулируется в зависимости от текущей производственной и сезонной нагрузки.

В существующей линейке представлены градирни ВЕНТА различной производительности. На действующей странице Агростройсервиса приведены модели от ВЕНТА-250 до ВЕНТА-3000, а для небольших водооборотных циклов — малогабаритные градирни серии ВЕНТА СТП.

Типовые решения и характеристики градирен вентиляторного типа Вента

От расчета до ввода в эксплуатацию

Создание промышленной системы охлаждения включает несколько последовательных этапов:

сбор исходных данных → расчет → проектирование → изготовление → поставка → монтаж → пусконаладка → эксплуатация и обслуживание.

На этапе расчета определяется требуемая охлаждающая способность и конфигурация оборудования.

При проектировании градирня увязывается с существующей или новой системой оборотного водоснабжения предприятия, трубопроводами, насосным оборудованием, электроснабжением и автоматизацией.

После изготовления и монтажа выполняются проверка оборудования, настройка режимов работы и выход системы на расчетные параметры.

Такой комплексный подход особенно важен при реконструкции существующих систем охлаждения, где новая градирня должна работать совместно с уже действующим технологическим оборудованием.

Главное о градирнях

Градирня — это теплообменное оборудование для отвода тепла от воды или другого теплоносителя и один из ключевых элементов промышленной системы оборотного водоснабжения.

Она позволяет охлаждать нагретую техническую воду и возвращать ее в производственный цикл вместо постоянного использования нового объема воды.

Градирни различаются по принципу охлаждения и конструкции. Они могут быть мокрыми, сухими и гибридными, башенными, вентиляторными, эжекционными и малогабаритными, открытого или закрытого типа.

Какое решение будет оптимальным, определяется не названием или номинальной производительностью оборудования, а параметрами конкретного объекта: тепловой нагрузкой, расходом и температурой воды, климатом, качеством теплоносителя, режимом эксплуатации и требованиями производства.

Поэтому при проектировании промышленной системы охлаждения сначала определяют исходные условия и выполняют инженерный расчет, а уже затем выбирают конструкцию и комплектацию градирни.

Для подбора промышленной градирни необходимо подготовить расход воды, температуру на входе и требуемую температуру на выходе, данные о качестве оборотной воды и условиях эксплуатации. Специалисты ООО «НПО «Агростройсервис» выполнят расчет и подберут конфигурацию градирни под параметры водооборотного цикла предприятия.