Градирни - виды градирен и принцип работы

Градирня – это промышленная установка, предназначенная для охлаждения оборотной воды, используемой для отведения тепла от технологического оборудования в системах оборотного водоснабжения. 

Градирни применяют на промышленных предприятиях, атомных электростанциях и ТЭЦ для охлаждения технологического оборудования.

Классификация и виды градирен

Работа любой градирни основана на охлаждении некоторого объема жидкости атмосферным воздухом. Именно отсутствие иного, нежели воздух, хладагента и отличает градирню от кондиционера, холодильника, или чиллера.

По принципу действия есть два основных типа:

• испарительные – открытые
• сухие - закрытые

Испарительная градирня открытого типа работает так: разбрызгивает горячую воду и смешивает ее с более холодным наружным воздухом. При этом часть воды превращается в пар и вместе с нагревшимся наружным воздухом выбрасывается в атмосферу, оставшаяся же вода охлаждается.

По способу подачи воздуха градирни испарительного типа бывают:

• поперечноточные
• противоточные
• брызгальные
• эжекционные

Устройство градирни

Градирня, независимо от её типа, состоит из нескольких элементов: каркас, водосборная ёмкость, водораспределительная система, система прокачки воздуха, охлаждающее (оросительное) устройство.

Охлаждение воды в градирне в зависимости от её типа происходит за счет передачи тепла воздуху и за счёт испарения. В градирнях закрытого типа охлаждение происходит только за счёт теплопередачи.

Устройство и принцип работы градирни достаточно прост. Нагретая вода подаётся на водораспределительное устройство, которое представляет из себя систему трубопроводов с разбрызгивающими соплами. Вода, проходя под давлением или самотёком, разбивается на мелкие капли размером 2-3 мм, и распределяется по всему объёму градирни, далее попадает на оросительное устройство, имеющее большую развитую поверхность. При прохождении воды через ороситель происходит перераспределение и перемешивание (турболизация) потоков, в результате чего увеличивается охлаждающий эффект.

Одновременно, навстречу движению воды, через воздухозаборные окна подаётся поток воздуха. После чего, нагретая паровоздушная смесь выбрасывается в атмосферу. Прокачка воздуха, в зависимости от типа градирни, обеспечивается с помощью естественной тяги в башенных градирня или вентилятора в вентиляторных градирнях. Вентиляторы могут располагаться как в нижней части градирни (нагнетательные вентиляторы) или сверху (отсасывающие вентиляторы).

Далее охлаждённая вода собирается и накапливается в водосборной ёмкости и подаётся на оборудование. Водосборная емкость в зависимости от размера градирни может представлять из себя бетонный бассейн, являющийся одновременно фундаментом градирни, так и сравнительно небольшой поддон. Таково общее устройство градирни независимо от её типа.

Преимущества и недостатки различных типов градирен

Тип Градирни	Вентиляторные градирни	Башенные градирни	Поперечноточные градирни	Эжекционные градирня	Сухие градирни
Преимущества	гибкость конструкции	нет затрат электроэнергии при эксплуатации	занимают меньше места, так как могут быть спланированы «в высоту»	Способность охладить воду с высоких температур	закрытый контур, отсутствие попадания примесей в воду
	отсутствие обмерзания	предназначены для больших расходов воды	требуют меньшего давления в системе водораспределения	не требуется обслуживать вентилятор	возможность работы на кипящей воде
	энергоэффективность			отсутствие механических подвижных частей	возможность работы на этиленгликоле
	легкость ремонта				отсутствие капельного уноса
	наличие большого ассортимента запасных частей
Недостатки	требуется обученный персонал для обслуживания	малая глубина охлаждения	на 30% менее эффективный ороситель	большие энергозатраты на создание повышенного давления воды	низкая эффективность охлаждения
	необходимы дополнительные меры зимой	дорогое строительство	большая стоимость	высокий капельный унос	дорогая конструкция и материалы
	возможность загрязнения оборотной воды	сложное строительство и ремонт	обмерзают зимой	сложность эксплуатации зимой	требовательность к обслуживанию и чистке теплообменника
		требуют специальных мероприятий для зимнего периода	сложность с ремонтом, так как в России не производят запчастей

Вентиляторные градирни

Благодаря различным видам оросительных блоков и широкой гамме осевых вентиляторов такие градирни могут быть подобраны в большем диапазоне  нагрузок по воде и обеспечивать глубокое охлаждение воды с перепадом до 30 °

Кроме того, есть возможность установки воздухорегулирующих жалюзи и реверса двигателя. Это позволит прекрасно эксплуатировать градирню в зимние морозы.

По типу оросителя различают следующие типы вентиляторных градирен:

• пленочные
• капельные
• капельно-пленочные

Наиболее эффективные капельно-пленочные вентиляторные градирни. Они совмещают свойства капельных и пленочных оросителей и лучше всего охлаждают воду.

Для малых расходов оборотной воды вентиляторы градирни поставляются на предприятия в готовом виде, по этому признаку их называют малогабаритными или блочными миниградирнями.

Этот тип градирен характеризуется невысокими перепадами температур на входе и выходе, при этом и электропотребление сравнительно не высоко.

Преимущества:

• гибкость конструкции
• отсутствие обмерзания
• энергоэффективность
• легкость ремонта
• наличие большого ассортимента запасных частей

Недостатки:

• требуется обученный персонал для обслуживания
• необходимы дополнительные меры зимой

Башенные градирни

Башенная градирня представляет собой железобетонную или металлическую трубу конической формы, внутри которой находится система подачи воды, ороситель и резервуар. Поток наружного воздуха через входные отверстия в нижней части трубы поднимается вверх через ороситель за счет создания естественной тяги в трубе.

Этот вид промышленных градирен обеспечивает большую тепловую мощность за счет гигантского количества воды, охлаждаемого с небольшим температурным перепадом (5-10 ⁰С)

В основном башни – это градирни ТЭЦ или АЭС.

К достоинствам башенных градирен можно отнести отсутствие потребления электроэнергии.

Гигантские капитальные затраты на строительство и большая занимаемая площадь – большие минусы при выборе этих градирен.

Также стоит отметить, что ввиду отсутствия принудительной тяги и возможность развернуть поток воздуха , эксплуатация этих  градирен требует дополнительных приспособлений и мероприятий. Например, тамбур и жалюзи.

Преимущества:

• нет затрат электроэнергии при эксплуатации
• предназначены для больших расходов воды

Недостатки:

• малая глубина охлаждения
• дорогое строительство
• сложное строительство и ремонт
• требуют специальных мероприятий для зимнего периода

Поперечноточные градирни

В поперечноточной градирне вода из коллектора подается в специальный бак - потолочный распределитель. Оттуда уже без давления, самотеком она стекает вниз по узкому слою специального оросителя.

Теплообмен и испарения (обмен масс) происходит за счет большого количества воздуха, подаваемого вентилятором.

В таких градирнях воздух движется в слое оросителя горизонтально перпендикулярно падающей сверху вниз воде. Отсюда название: поперечноточная градирня. Вход воздуха может быть с одной или двух сторон, соответственно получится одно- или двухпоточная система.

Особенности поперечноточных градирен:

• Использование поперечноточных градирен зимой сильно затруднено. В безнапорной системе водораспределения отсутствует подпор, аэродинамическое сопротивление оросителя больше на 30 %. Именно поэтому основное распространение такие градирни получили в странах  с теплым климатом: ОАЭ, Иран, Индия, Пакистан.
• Водоуловитель совмещен с жалюзи и выполняет двойную функцию: предотвращает унос и разбрызгивание капель воды.

Так как в нижней части оросителя образовывается слабо орошаемая зона, то весь слой оросителя целесообразно делать наклонным, чтобы сместить нижний ярус к центру и уменьшить обмерзание.

 Экономически применение таких градирен оправданно при условии круглогодично теплого климата.

Тогда экономия места за счет возможности увеличивать высоту градирни и отсутствие давления в верхней точке водораспределительной системы окупают прочие недостатки. В последнее время такие градирни активно продвигаются на российском рынке под соусом новизны и энергоэффективности. Однако в наших реалиях применение поперечноточных градирен в крупных водооборотных циклах – ошибка.

Еще о поперечноточных градирнях читайте в статье Модернизация поперечноточных вентиляторных градирен и книге В.С Пономаренко Градирни промышленных и энергетических предприятий стр. 234-237.

Тепловой расчет аналогичен теплогидравлическому расчету классической вентиляторной градирни, только коэффициент тепломассобмена на 20% меньше. Это значит, что при одинаковых условиях поперечноточные грдирни охлаждают хуже противоточных, из-за менее эффективного использования поверхности оросителя.

Преимущества:

• занимают меньше места, так как могут быть спланированы «в высоту»
• требуют меньшего давления в системе водораспределения

Недостатки:

• на 30% менее эффективный ороситель
• большая стоимость
• обмерзают зимой
• сложность с ремонтом, так как в России не производят запчастей

Противоточные градирни

Они делятся на 2 большие группы: башенные и вентиляторные. Разница в том, как создаются потоки воздуха: естественным или принудительным способом.

Конструктивно в обоих типах горячая вода по водораспределению через сопла разбрызгивается вниз на ороситель. Она проходит через блоки оросителя, растекается на их поверхности и смешивается с уличным воздухом. Затем остывает и стекает в бассейн для сбора жидкости.

ГИБРИДНЫЕ ГРАДИРНИ

Гибридные градирни – это технически сложные сооружения, в которых совмещены два разных процесса охлаждения. Первый, который используется в сухих градирнях, и второй процесс,  который используется в испарительных градирнях.

1. Теплопередача — это явление передачи тепловой энергии к наименее горячему телу от наиболее горячего при контакте, либо через делящую тела средуы, например перегородку из  различного материала. Если тела одной системы пребывают при различной температуре, то протекает переход тепловой энергии, т.е теплопередача. Это собственно считается следствием 2 закона термодинамики.
2. Испарение — это явление трансформации вещества (фазового перехода) из твердых и жидких тел в соответствующее им парообразное или газообразное состояние, происходящее на поверхности вещества. При испарении с поверхности тела отрываются молекулы, если кинетическая энергия и скорость их  достаточна для преодоления сил притяжения со стороны других соседних молекул.

Принцип действия гибридной градирни

Заключается в том, что теплоноситель поступает в теплообменники, охлаждается при помощи потоков воздуха и воды, подаваемой сверху форсунками. При низкой температуре внешнего воздуха применяется только сухое охлаждение(теплопередача). При повышении температуры включается дополнительное орошение. Жидкости на орошение подается ровно столько, сколько испаряется. Контроль за всеми параметрами градирни осуществляется при помощи автоматической системы управления. Для привода рабочих колес вентиляторов применяются электрические двигатели, оснащаемые частотным преобразователем для экономии электроэнергии. Конструкции гибридных градирен применяется там, где используется чистая вода, которая не вызывает коррозию металла.

Гибридные градирни превосходят сухие, но уступают испарительным в охлаждающей способности и технико-экономических показателях.  Они имеют меньше дорогостоящего теплообменного оборудования и охлаждающая способность их в меньшей мере зависит от изменения температуры воздуха.

К достоинствам можно отнести низкие потери воды в сравнении с испарительными градирнями, а так же возможность работы без видимого парового факела.

В России гибридные градирни  не получили широкого распространения из-за высоких требований при эксплуатации и значительной стоимости в сравнении с обычными испарительными градирнями.

Достоинства

• Снижение потерь воды
• Возможность работы без парового факела
• Стабильная мощность охлаждения
• Высокий уровень защиты от обмерзания при эксплуатации зимой
• Минимальный расход воды за счёт сочетания преимуществ сухого и мокрого охлаждения

Недостатки

• Сложность в проектировании и строительстве
• Большая частота и качество обслуживания
• Зависимость от качества оборотной воды
• Большие затраты на энергию
• Высокая стоимость по сравнению с испарительными градирнями

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ГРАДИРНИ

Промышленные градирни, к ним можно отнести открытые, или мокрые - обеспечивают охлаждение за счет непосредственного контакта воздуха и воды.

В зависимости от способа перемешивания различают следующие виды испарительных (мокрых) градирен:

• Оросительные (насадочные): поперечноточные и противоточные. Устройства осуществляют контакт подаваемого воздуха с охлаждаемой водой на развитой поверхности оросительного слоя (насадки). Если направление движения потоков воды и воздуха параллельное (противонаправленное), то градирня относится к противоточному типу. Если же поток воздуха движется перпендикулярно потоку воды, то градирня будет поперечноточного типа.

 

• Безнасадочные: брызгальные и эжекционные. Они работают за счет распыления воды и разделения ее на мелкие капли. Теплообмен у них происходит на поверхности капель.

Брызгальные градирни, или брызгальные бассейны отличаются от эжекторных давлением, под которым происходит процесс разбрызгивания.

В эжекционных градирнях разбрызгивание воды специальными форсунками происходит при давлении 0,3-0,4 МПа. Получившийся мелкодисперсный факел с частицами размером 0,2 мм движется с большой скоростью, порядка 16-20 м/с. За счет такого движения поток капель интенсивно увлекает (эжектирует) за собой атмосферный воздух, при этом перемешиваясь.

Рассмотрим более подробно два этих класса градирен и разберемся в их достоинствах и недостатках.

ЭЖЕКЦИОННАЯ ГРАДИРНЯ

Эжекционная градирня представляет собой корпус из стали, в котором размещен высоконапорный трубопровод с соплами (эжекторами) специальной конструкции. При распылении воды под давлением через эжектор происходит подсос наружного воздуха в зону рязрежения. Воздух перемешивается с водой и охлаждает её.

Основными плюсами этого типа является полное отсутствие ограничения в температуре охлаждаемой воды. В оросительных системах обычно более +60 ⁰. Вода не охлаждается, так как полимер, из которого изготовлен ороситель, становится пластичным и может разрушаться. Но есть ряд минусов, которые накладывают сильные ограничения на распространение данного типа градирен.

Во-первых, это необходимость создать давление в эжекторе. Отсутствие вентилятора градирни с лихвой компенсируется повышенной мощностью насосов. Как пример, для сравнительного объема охлаждающей воды мощность  вентиляторной  установки составляет 75 кВт, а мощность насоса при эжекции уже 160 кВт. Кроме этого, уменьшается срок эксплуатации трубопроводов системы.

Во-вторых, зимой невозможна циркуляция, так как мелкая водяная взвесь будет моментально замерзать. Требуется организовать байнасирование воды.

В-третьих, капельный унос у таких градирен выше в 1,5-2 раза, а применение водоуловителя создает дополнительное сопротивление и ухудшает охлаждение воды.

Применение эжекционных градирен выгодно при температуре воды более 60 ⁰С и/или малом расходе воды.

Преимущества:

• могут работать на горячей воде с t ≥ 60  ⁰С
• не требуется обслуживать вентилятор
• отсутствие механических подвижных частей

Недостатки:

• большие энергозатраты на создание повышенного давления воды
• большой капельный унос
• сложность эксплуатации зимой

СУХАЯ ГРАДИРНЯ

Радиаторная (сухая) градирня изобретена венгерскими инженерами Геллером и Фарго и изначально использовалась для охлаждения конденсаторов электростанций. Она представляет собой корпус с размещенным внутри теплообменником (радиатором), по которому циркулирует охлаждающая жидкость и одним, или несколькими вентиляторами, обдувающими радиатор потоком наружного воздуха.

Радиатор из оребренных, чаще всего медных или алюминиевых трубок, обуславливает то, насколько хорошо сухие градирни будут охлаждать воду.

Применение качественного радиатора из меди, с тонкими каналами делает стоимость сухой градирни очень большой. Уменьшая стоимость решения, приходится жертвовать и эффективностью.

Сухие градирни имеет смысл использовать, когда технология требует изоляции контура циркуляции от внешней среды, или при отсутствии возможности организовать подпитку в необходимых количествах. Тогда использование контура сухой градирни со смесью этиленгликоля является практически единственным решением. Еще выбор в пользу сухой градирни целесообразен при температуре теплоносителя, или оборотной воды на грани кипения. Например, в оборотных циклах АЭС или НПЗ.

В остальных случаях более дешевым и оправданным будет применение вентиляторной промышленной градирни, так как расход воздуха вентилятора открытой градирни в 5 раз меньше, чем у закрытой. Мощность вентилятора пропорционально меньше у открытых градирен.

Преимущества:

• закрытый контур, отсутствие попадания примесей в воду
• возможность работы на кипящей воде
• возможность работы на этиленгликоле
• отсутствие капельного уноса

Недостатки:

• низкая эффективность охлаждения
• дорогая конструкция и материалы
• требовательность к обслуживанию и чистке теплообменника

Принцип работы градирни

Принцип работы градирни основан на передаче тепла воды прокачиваемому через нее атмосферному воздуху. Для того чтобы увеличить эффективность теплопередачи, охлаждаемую воду разбрызгивают через форсунки. Чем более мелкодисперсный факел образуют сопла, тем выше площадь соприкосновения воды и прокачиваемого воздуха, и как следствие – лучшая теплопередача и охлаждение. Затем вода протекает через ороситель, обладающий сложной структурой и большой площадью поверхности. Его задача – увеличить эффективность испарения и охлаждения за счет увеличения времени прохождения через него воды, большой площади испарения, перемешивания и турбулизации потоков.

Область применения градирен широка. Они применяются в системах оборотного водоснабжения на ТЭЦ, АЭС, а также для охлаждения конденсаторов, холодильных установок, при кондиционировании воздуха, при химической очистке веществ. Градирни получили широкое применение в энергетической, авиационной, судостроительной, химической отрасли, на предприятиях металлургии, машиностроения, пищевого производства, в ВПК и иных сферах деятельности человека.

Принцип работы драйкулера, или градирни «сухого» (закрытого) типа заключается в понижении температуры. Жидкость проходит внутри замкнутого контура теплообменника и обдувается уличным воздухом. Такой же принцип используется в системе охлаждения двигателя автомобиля, когда охлаждающая жидкость проходит через радиатор, обдуваемый вентилятором. При этом непосредственный контакт жидкости с подаваемым воздухом отсутствует.

История появления градирни

История появления термина «градирня» ведет к немецкому слову «gradieren», что означает «сгущать солевой раствор». Это связано с тем, что первоначально градирни служили для добычи соли методом выпаривания.

Соляная градирня в Германии - действующий туристический объект

До сих пор существует градирня в небольшом городке в Германии, которой более 200 лет. Сейчас это сооружение запускается редко, и оно выступает только в качестве туристического объекта.

Первая градирня современной гиперболоидной формы была построена в 1918 году в голландском городе Херлен. Конструктором был Фредерик ван Итерсон – профессор машиностроения и директор голландских государственных шахт. Предыдущие постройки были круглые, овальные, прямоугольные.

В России в развитие теории и практики градирестроения большой вклад внесли отечественные ученые Фарворский Б.С., Ямпольский  Т.С, Берман Л.Д., Аверкиев А.Г., Арефьев Ю.И., Пономаренко В.С. и другие.