Теоретические аспекты воздухорегулирующих устройств в градирнях
Физические характеристики атмосферного воздуха обеспечивают испарительный процесс охлаждения в градирнях, и от возможности их максимального использования во многом зависит охлаждающая эффективность градирен.
Одним из основных условий выполнения эффективности и реализации расчетных проектных решений, принимаемых в градирнях, является организация подачи и распределения воздуха по площади орошения. Важный показатель эффективности градирен — количество поступающего воздуха и его распределение по площади орошения. В расчетах это определяется величиной относительного расхода воздуха. При всех прочих равных условиях чем выше этот показатель, тем эффективнее работает градирня.
Относительный расход воздуха λ = V воздуха / V воды (отношение объема поступающего воздуха к объему охлаждаемой воды) служит критерием динамики двухфазного потока «вода-воздух» и одновременно является удельным расходом, отнесенным к квадратному метру площади орошения градирни. Для башенных градирен его величина определяется по уравнению Бермана Л. Д.

где q — плотность орошения, м3/м2ч
γ1 —удельная масса воздуха, входящего в градирню, кг/м3
γ2 — удельная масса воздуха, выходящего из градирни, кг/м3
ξ — общий коэффициент сопротивления градирни
Нб — высота башни над тепло-массообменным устройством (ТМУ), м
FВ/Fор = 1 — отношение площади живого сечения тепло-массообменного устройства к площади орошения градирни
Площадь живого сечения представляет площадь орошения, не занятую элементами тепло-массообменного устройства, и принимается равной одному, так как скорость воздуха определяется относительно полной площади орошения градирни и является величиной постоянной для всей площади орошения.
В природе атмосферный воздух имеет характеристики, которые необходимо учитывать при конструировании и расчетах градирен, в оценке их охлаждающей способности: непостоянные величины направления и скорости движения, импульсивности, турбулентности, неравномерности скорости движения по высоте над поверхностью земли. Приведенные физические характеристики оказывают существенное влияние на охлаждающую эффективность градирен, для которых важен еще один фактор — разные скоростные напоры с наветренной и подветренной сторон.
Равномерность поступления и распределения воздуха в градирню зависит от:
- направления и силы ветра
- распределения его скоростей
- конструкции воздуховходных окон в их основании

Проекты, как правило, выполнены по расчетам при установившемся внутреннем ламинарном движении воздуха по площади и высоте градирни. Как следует из приведенной выше формулы, направление и сила, распределение скоростей атмосферного ветра и его воздействие на охлаждающую способность градирен в расчетах не учитываются. Очевидно, что для решения этой задачи и максимального приближения к условиям, определяемым формулой Бермана Л.Д., должно быть предусмотрено устройство, обеспечивающее регулирование поступления атмосферного воздуха, сглаживающее его негативное воздействие на работу градирни, с учетом широкого диапазона изменения температур от отрицательных до положительных значений.
Большая часть башен градирен, построенных и эксплуатируемых в оборотных системах охлаждения электростанций и промышленных предприятий, выполнены по типовым проектам. Воздух в градирни поступает через незакрытые проемы в нижней их части, которые называются воздуховходными окнами. При этом в створе воздуховходных окон либо отсутствуют воздухорегулирующие устройства, либо установлены поворотные или съемные щиты, совместно с воздухонаправляющим козырьком образующие противообледенительный тамбур, основная функция которых — борьба с обледенением оснований градирен. Как правило, поворотные щиты выполняются в горизонтальном или вертикальном положениях.
Представленные конструкции, как показывает опыт эксплуатации, обладают рядом конструктивных и технологических недостатков. Конструкции достаточно громоздки, имеют большую массу в зависимости от материала, из которого изготовлены. Такая конструкция неудобна в эксплуатации. Возникают частые поломки, изменение проектного положения опорной конструкции, обрыв щитов, поломка обшивочного материала и др. В процессе эксплуатации щиты находятся в двух положениях: открытом или закрытом.
В открытом положении щиты установлены горизонтально относительно поверхности земли, образуя воздушные проемы между ними более одного метра. В результате ветрового воздействия воздух поступает в градирни неравномерно, с образованием турбулентных потоков, сквозных продувов и выносов, что приводит к преждевременному разрушению, нарушению устойчивой работы градирен и их охлаждающей эффективности. По этим признакам отличия от градирен без поворотных щитов практически отсутствуют.

Очевидно, что поворотные щиты не решают задач обеспечения равномерности поступления воздуха в градирню по всему ее периметру и противообледенения. Какие-либо усовершенствования в таких конструкциях, например установка подшипников для облегчения поворота, лишены смысла, так как сама конструкция не соответствует реальным внешним условиям и расчетным условиям градирен.
В закрытом положении между щитами образуются воздушные зазоры до 150-200 мм, через которые холодный воздух поступает, в первую очередь, в зоны примыкания ТМУ к оболочке башни, где образуются ледяные наросты и обмерзание конструкций.
Такими конструкциями (как вертикальными, так и горизонтальными) невозможно регулировать объемы поступления воздуха в градирню, направление движения и распределение внутри градирни. Следует подчеркнуть, что необходимо добиться выполнения расчетных условий градирен: ламинарности и равномерности поступления воздуха в градирню в реальных атмосферных условиях. В этой связи необходимо обратить внимание на часто встречающиеся предложения установки аэродинамических завихрителей в виде щитов, устанавливаемых вертикально по касательной к образующей башни под определенным углом, величина которого выбирается авторами идеи. Аэродинамический завихритель создает в нижней части градирни вихревые течения, подобные тем, которые формируются в вихревых атмосферных образованиях типа смерчей, тропических циклонов, ураганов, что существенно ухудшает работу градирни, увеличивает вынос воды, а при отрицательных температурах вызывает обледенение конструкции.

Известно, что неуправляемая турбулентность в любой части градирни нарушает аэродинамическую тягу и ухудшает ее охлаждающую эффективность. И смерчи, и ураганы не решают задачи охлаждения воды, а имеют совсем другую направленность и совсем не соответствуют расчетным условиям градирен. Существует другая крайность в виде вертикальных поворотных панелей, вращающихся вокруг своей оси, принцип работы которых, по утверждению авторов устройства, — полуавтоматический, основанный на использовании энергии ветра.
По условиям работы градирни (скорости и давления возникающих воздушных потоков) створки не могут в безветренную погоду открываться тягой градирни и присутствием эксцентриситета, а возникающий ветер и его составляющая с наветренной стороны действуют в одном направлении с тягой градирни и усиливают неравномерность и турбулентность поступающего воздуха, что отрицательно сказывается на охлаждающей эффективности градирен. Поскольку конструкция поворотных панелей массивна, то усилия тяги воздуха в градирне, конечно же, не хватит, чтобы вращать створки. При этом тяговое усилие возникает при свободном поступлении воздуха внутрь градирни, процесс которого исключают установленные панели. В данной конструкции самоуправляемость в зависимости от ветра не может быть реализована.
Очевидно, что данная конструкция неработоспособна и не отвечает расчетным условиям работы градирни своим сопротивлением и практически исключает поступление воздуха в градирню. Кроме этого, следует отметить некоторые принципиальные конструктивные недоработки:
- поворотные механизмы, подшипники, втулки подвержены воздействию пыли, привносимой в градирню тем же атмосферным воздухом, водой, снегом, льдом, что в разной степени определяет возможности механического вращения при открытии или закрытии щитов
- открытие щитов с наветренной стороны и их закрытие с подветренной в зависимости от давления ветра невозможно из-за названных выше условий и из-за отсутствия зависимости открытия и закрытия от силы давления воздуха и тяги градирни
Секционные жалюзийные створки на градирнях
На многих градирнях электростанций, металлургических и нефтехимических заводов применяется конструкция воздухорегулирующего устройства из секционных жалюзийных створок. Разработке конструкции предшествовали десятилетия научных исследований, натурных испытаний градирен, обследований в различных климатических и метеорологических условиях и режимах эксплуатации, опыт аэродинамических исследований в других областях промышленности.
Конструкция имеет целевое назначение для обеспечения расчетных условий подачи воздуха в башенных и вентиляторных градирнях испарительного типа.
Воздухорегулирующее устройство представляет собой нетиповую легкоуправляемую модульную конструкцию, позволяющую регулировать подачу воздуха в градирню в зависимости от изменения нагрузок и метеофакторов. Устройство исключает недостатки описанных выше решений и полностью соответствует функционированию градирен в различных климатических условиях. Основные принципы управления потоком воздуха заимствованы из аэродинамики самолетного крыла.

За счет стратификации воздушных масс воздухорегулирующее устройство создает эжектирующий эффект, упорядочивает и увеличивает расход воздуха в градирне, тем самым улучшая ее охлаждающий эффект. Пульсационное и разнонаправленное воздействие атмосферного воздуха нивелируется конструкцией жалюзийных створок, стратифицирующих воздушные массы и направляющих воздух в градирню под определенным и требуемым углом внутрь градирни. Воздух поступает в градирню по траектории, создаваемой углом установки жалюзийных створок, что имеет важное значение как в летний период эксплуатации, так и в зимний.
Устройство исключает сквозной продув градирни в ее основании и боковой вынос воды, выравнивает скорости входящего в градирню воздуха по площади входного окна.
Управление осуществляется в ручном и автоматическом режиме с выводом контролируемых параметров на блочный щит управления. Конструкция имеет соответствующее программное обеспечение, функциональные показатели работы зависят от температуры охлажденной воды.

В отличие от других конструкций, жалюзи обеспечивают равномерность подачи воздуха по всей площади орошения градирни. При пониженных тепловых и гидравлических нагрузках устройство позволяет уменьшать расход воздуха, направляемого в градирню, исключая контакт воздуха с водой и конструкциями в периферийной части — основных местах образования наледей.
Воздухорегулирующее устройство выполняется из секций с поворотными створками шириной 0,5–2,5 м и высотой, равной высоте воздуховодного окна.

Воздухорегулирующее устройство из секций с поворотными створками позволяет:
- исключить ледообразование на опорных несущих конструкциях градирни, тепло-массообменном устройстве (оросителе) и его разрушение при низких тепловых, гидравлических нагрузках и отрицательных значениях температуры наружного воздуха
- улучшить аэродинамические характеристики движения воздушных потоков в градирню
- маневренно управлять расходом воздуха в градирню в зависимости от метеорологических условий и теплового режима работы градирни. Маневренность управления обеспечивается автономностью секций створок
- обеспечить при необходимости эффективную консервацию градирни
Работа противообледенительного устройства заключается в управлении объемом и направлением подачи воздуха, которое выполняется частичным или полным закрытием створок жалюзи.
Воздухорегулирующее устройство с поворотными створками жалюзийного типа конструкции ООО «НПО «Агростройсервис» успешно эксплуатируется на градирнях промышленных предприятий России. Перечень объектов вы можете увидеть здесь.
Для заказа жалюзи обращайтесь по телефонам 8-800-222-45-62, 8-8313-34-75-40 или пишите на почту acs@acs-nnov.ru