Градирни - виды, назначение, принцип работы

Конструкция эжекторной градирни

Главным отличием этой разновидности градирни является применение стали в корпусе. Причем не частично, а в качестве основного материала. Внутри конструкции устанавливается высоконапорный трубопровод с эжекторами – распределительными патрубками. В процессе работы функционального блока происходит распыление воды через сопла эжекторов с последующим поднесением воздушных потоков в зону разрежения. Контакт с холодными потоками охлаждает мелкодисперсинонные капли жидкости, что обуславливает высокую эффективность данной системы с точки зрения выполнения целевой задачи. Но, производительность металлической градирни с эжекторами обеспечивается не сама собой путем естественных физических процессов как в случае с башенными конструкциями, а за счет работы насосов. Благодаря насосным станциям в распыляющих механизмах поддерживается достаточное давление, что в итоге упрощает процесс охлаждения.

Характеристики

Градирни на Новоиркутской ТЭЦ

Гиперболоидные градирни на харьковской ТЭЦ-5

Вентиляторная градирня завода «Арсенал» (Киев)

Основной параметр градирни — величина плотности орошения — удельная величина расхода воды на 1 м2 площади орошения.

Основные конструктивные параметры градирен определяются технико-экономическим расчётом в зависимости от объёма и температуры охлаждаемой воды и параметров атмосферы (температуры, влажности и т. д.) в месте установки.

Использование градирен в зимнее время в областях с морозной зимой может быть опасно из-за риска обмерзания градирни. Происходит это чаще всего в местах соприкосновения морозного воздуха с небольшим количеством теплой воды. Для предотвращения обмерзания градирни и, соответственно, выхода её из строя, следует обеспечивать равномерное распределение охлаждаемой воды по поверхности оросителя и следить за одинаковой плотностью орошения на отдельных участках градирни (но только для градирен с оросителем). В вентиляторных градирнях нагнетательные вентиляторы также часто подвергаются обледенению при неправильной эксплуатации градирни. При использовании эжекционных градирен большая часть этих рисков пропадает из-за отсутствия как вентилятора, так и оросителя.

Принцип работы градирни

Как видно, задачи охлаждения целевых жидкостных сред выполняются благодаря продуву потоками холодного воздуха. В то же время могут выполняться и дополнительные, а также промежуточные функции наподобие испарения. Каждый раз по мере выделения конденсата через контуры подачи воды происходит ее восполнение в рабочей зоне. Или наполняются емкости эжекторов, или происходит подача жидкости на стенки поверхности оросителя

Важно подчеркнуть и наличие фильтрационных барьеров, которые отделяют водопроводный канал от резервуара градирни. Принцип действия очистительных мембран определяется назначением обслуживаемой жидкости – как минимум, реализуется грубая крупнофракционная задержка механических примесей, но в современных системах может присутствовать и комплексная тонкая обработка воды с элементами биохимической фильтрации

Что же происходит с жидкостью после охлаждения? Это тоже зависит от характера общего технологического процесса, в котором косвенно участвует градирня. Как правило, горячая вода является использованным продуктом производства, поэтому ее сбрасывают в подключенные очистительные или сточные каналы. Также применяется схема и постоянной циркуляции жидкости, при которой охлажденная среда возвращается на первичный технологический участок для температурной регуляции оборудования ТЭЦ и АЭС.

История

В Российской империи градирни применялись при солеварении. Так по указу Екатерины II от 15 февраля 1771 года генерал-квартирмейстером Бауром (Боуром) на реке Полисть в Старой Руссе был основан солеваренный завод. В двух градирнях этого завода вода, поднимаемая водяными насосами, частично испарялась тем самым насыщая соляной рассол.

Первая гиперболоидная градирня была построена по конструкции профессора машиностроения и директора голландских государственных шахт Фредерика ван Итерсона (англ.)русск. в 1918 году в голландском городе Херлен. До этого конструкции градирен были различных форм: прямоугольные, круглые, овальные.

Вентиляторные градирни

В вентиляторных градирнях охлаждение теплоносителя осуществляется благодаря подаче на него воздушных масс с помощью специальных вентиляторов — центробежных или осевых. Наибольшее распространение в зонах с умеренным климатом получили вентиляторные градирни противоточного типа. В таких градирнях поток воздуха движется навстречу потоку влаги, отсюда и название — «противоточные».

Другие публикации TopClimat.ru по теме
	Холодоснабжение и холодильное оборудование — то, что следует знать перед выбором
	Что выбрать – кондиционеры с водяным охлаждением конденсатора или систему чиллер-фанкойл?

Конструктивно вентиляторная градирня состоит из следующих основных узлов:

система подачи охлаждаемой жидкости:
- форсунки для подачи жидкости,
- ороситель,
- каплеуловитель,
вентилятор с электродвигателем,
резервуар для сбора влаги.

Горячий теплоноситель подается в градирню сверху, разбрызгивается через форсунки в виде капель на ороситель, после чего стекает в накопительный резервуар. Навстречу жидкости поднимается поток воздуха, создаваемый вентилятором. Забор воздушных масс производится в нижней части градирни. Холодный воздух отнимает часть тепла у охлаждаемой жидкости. Уменьшение потерь влаги достигается за счет установленного в градирне каплеуловителя, который расположен на пути влажного воздушного потока.

Вентиляторные градирни — довольно энергоэффективное решение. Во-первых, в таких устройствах, в отличие от эжекционных градирен, не требуются мощные водяные насосы, т.к. давление жидкости здесь небольшое. Во-вторых, за счет каплеуловителя снижается расход теплоносителя. В-третьих, вентиляторная градирня весьма компактна и может эксплуатироваться даже в холодное время года.

По типу оросителя вентиляторные градирни бывают:

пленочными,
капельными,
капельно-пленочными.

Схема работы вентиляторной градирни

Капельно-пленочные оросители наиболее эффективны.

При выборе типа вентилятора для градирни следует помнить, что применение вентилятора осевого типа обеспечивает сравнительно меньший напор воздуха, что не позволяет охлаждать жидкость с более высокой температурой. При использовании центробежного вентилятора возможности градирни по температуре теплоносителя повышаются. Зато у осевых вентиляторов меньше энергопотребление.

Последнее замечание относительно вентилятора — расход потока воздуха, создаваемого вентилятором открытой градирни, в 5 раз меньше, чем в закрытой. Поэтому стоимость вентилятора тоже существенно меньше.

Размещение и эксплуатация градирни (с осевыми вентиляторами)

Для обеспечения удобства и безопасности обслуживания гpадиpни должны иметь площадки, устроенные в соответствиями с требованиями соответствующих СНиП. Перед началом эксплуатации вентиляторной градиpни нужно проверить гидравлическую плотность трубопроводов, резервуаров, а также состояние установленной арматуры. Оптимальный вариант, когда каждый водоохладитель устанавливается на крыше отдельно. Если это не возможно, то выбор места установки должно быть таким, что бы не возникало рециркуляции (рис.3) При этом нужно учесть возможные порывы ветра (подветренная сторона) и ближайшее расположение строений, которое может изменить поток нагнетаемого воздуха назад в воздухозаборник.

Рис.3 Влияние ветра и преград

Перед первым пуском необходимо осуществить промывку водяных магистралей для удаления сора и окалины, которые могли там образоваться в процессе проведения сварочных работ, и затем визуально проверить равномерность работы всех форсунок. Все обнаруженные дефекты должны быть устранены до начала эксплуатации. Периодические осмотры градиpен рекомендуется производить не реже чем один раз в месяц. Текущие ремонты градирен должны производиться по мере надобности, но не реже одного раза в год, и приурочиваться, по возможности, к летнему времени. В объеме текущих ремонтов входят работы, не требующие остановки градирни на длительный срок, например очистка и ремонт водораспределительного устройства, трубопроводов и сопел, водо-уловителей, приведение в порядок регулировочных и запорных устройств. При капитальном ремонте выполняются все работы, требующие длительного отключения оборудования: устранение повреждений оросителя, водораспредельной системы, ремонт или замена вентиляторной установки и др.

3 Основные типы

Поскольку главной их задачей является обеспечение теплообмена с атмосферой, основным различием по принципу действия можно считать применяемый в них способ передачи тепла.

По этому признаку выделяют:

прямые или открытые;
косвенные (закрытые);
сухие.

В прямых теплоноситель находится в непосредственном контакте с воздухом. Нагретая вода проходит через систему орошения в негерметичном корпусе, смачивая наполнитель, обеспечивающий большую поверхность её контакта с воздухом. Охлаждённая испарением, она собирается в резервуар, расположенный ниже наполнителя. Оттуда вода снова подаётся в рабочий процесс поглощения тепла. Нагретый и увлажнённый воздух уводится в атмосферу на достаточном удалении от точки входа для предотвращения его обратного всасывания в градирню.

В косвенных прямой контакт между охлаждаемой жидкостью и воздухом исключён. Этот тип градирен состоит из двух контуров — открытого и закрытого. Замкнутый соединён с производственным процессом и в нём протекает жидкость, требующая охлаждения. Открытым является тот, который выполняет работу по удалению тепла. Теплообмен происходит при прохождении через трубчатый радиатор теплоносителя в присутствии протекающего процесса испарительного охлаждения при контакте нагретого воздуха и охлаждающей воды.

Существуют также сухие градирни, принцип работы которых основан на конвективном охлаждении воздушными потоками, нагнетаемыми вентиляторами на радиаторы теплообменника. В отличие от мокрых, в сухих градирнях не используется испарение, но возможно оснащение их оросителями в качестве опции. Этот тип оборудования применяется в основном для охлаждения технологических жидкостей и востребован в большинстве случаев на предприятиях, так как производит большое количество шума.

Устройство башенной градирни. Принцип работы

В башенной градирне тяга воздуха, как уже было сказано выше, создается за счет высоты самой башни, а именно за счет разноси весов воздуха поступающего внизу башни и уже нагретого воздуха на выходе из нее.

Внизу башни расположен водосборный резервуар. В результате конвекции часть воды с паром облаками уносится ветром, а основная часть возвращается в цикл теплообменного устройства для дальнейшего охлаждения. Восполнение воды в цикле идет за счет сторонних ресурсов – река, озеро, море и даже очистные сооружения канализации.

Горячая вода в градирне после распыления множеством форсунок медленно стекает по оросителю и за счет потоков воздуха охлаждается на 20-30 градусов по Цельсию, в зависимости от мощности сооружения.

Основным преимуществом башенной градирни является минимизация энергозатрат. Однако сам процесс охлаждения весьма медленный, поэтому башенный градирни строятся такими огромными, чтобы обеспечивать потребности электростанций в охлажденной воде.

Основной материал используемый при строительстве градирен – бетон, реже – железобетон, так как он больше подвержен разрушению при постоянных перепадах температур. Тем не менее в районах с суровым зимним климатом зачастую башни имеют каркасную пирамидальную форму и строятся из оцинкованного металла. Такие сооружения собирают исключительно из высокопрочных болтовых соединений, а контроль сварных швов проходят только сами элементы каркаса.

Основной принцип работы градирни

Для того, чтобы было проще разобраться с тем, какое устройство подойдёт именно вам для выполнения конкретных задач на производстве, стоит вникнуть в принцип работы подобного устройства и учитывать особенности его функционирования:

Установленный в сухой градирне насос отвечает за качественное и своевременное охлаждение нагретого хладоносителя.
Воздушный поток, с температурными показателями на несколько градусов ниже нагретого хладоносителя, благодаря установленным вентиляторам проходит через теплообменники и устраняет в них излишки тепла, тем самым снижая общую температуру в трубках, по которым проходит хладоноситель.
После охлаждения хладоносителя, он переходит из теплообменников в обратный контур и готов к подаче потребителю.

Отдельно стоит отметить, при установке сухой градирни опционально ее можно оснастить системой орошения, снижающей температуру хладоносителя дополнительно на несколько градусов, что особенно актуально в жаркие периоды. Система работы предельно понятна: в нужный момент вентиль открывает подачу жидкости на форсунки, распыляющие воду на теплообменники. В момент испарения, она частично аккумулирует различные загрязнения и стекает в специальный резервуар, необходимый не только для более экономичного расхода воды, но и для регулярной очистки от накопившейся грязи.

Классификация градирен

Разновидности по принципу охлаждения

Испарительные («мокрые») используют открытый контур. Применяются при температурах не выше +65°С. Используется теплота фазового перехода (вода – пар). Потоки воздуха уносят пар и тепловую энергию в атмосферу.

Требуется подпитка и водоподготовка.
Эффективность работы зависит от температуры «влажного» термометра.

Радиаторные («сухие»): закрытый контур. Применяются при температурах выше +50…60°С. Охлаждаемая вода циркулирует через радиаторный теплообменник. Теплота снимается потоками воздуха от вентиляторов.

Нет парения.
Не нужны подпитка и водоподготовка.
Эффективность работы зависит от температуры «сухого» термометра.

Комбинированные (гибридные, адиабатические): их конструкция позволяет поочередно или одновременно использовать оба способа охлаждения, испарительный и радиаторный.

По наличию контакта охлаждаемой жидкости с наружным воздухом

Открытые испарительные градирни: испаряется сама охлаждаемая вода, имеется прямой контакт с воздухом.

Требуется подпитка и водоподготовка.

Закрытые испарительные градирни: в них охлаждаемая вода циркулирует по закрытому контуру через теплообменник. На теплообменник распыляется (разбрызгивается) техническая вода, которая, испаряясь, отводит теплоту с поверхности теплообменника.

Состав охлаждаемой жидкости стабилен, но потери на унос технической воды существенные.
Требуется подпитка и водоподготовка.

По способу организации воздушной тяги

Эжекционные испарительные градирни применяются при температурах выше 40…50°С. Насосы под высоким давлением подают охлаждаемую воду, она через форсунки распыляется и испаряется, а воздух подсасывается естественным образом из образовавшихся зон с пониженным давлением.

Используются в технологии, в диапазоне малых и средних мощностей.

Башенные градирни обладают большой единичной мощностью (сотни МВт), используются в электроэнергетике, системах оборотного водоснабжения крупных промышленных предприятий.

Как правило, используется естественная тяга воздуха, но для увеличения эффективности могут оснащаться и вентиляторами.

Вентиляторные градирни: самый распространенный и эффективный вид градирен. В вентиляторных градирнях теплота с водяным паром выносится в атмосферу вентиляторами.

Применяются при температурах до 40°С.
Диапазон мощностей – от десятков кВт до сотен МВт.
Имеется много разновидностей конструктивных решений.
Не требуют выполнения большого объема строительных работ.

По способу подачи воздуха в рабочую зону

Испарительные градирни с осевыми вентиляторами — наиболее современный и эффективный тип градирен.

Испарительные градирни с центробежными вентиляторами применяются в системах невысокой мощности.

Основным их преимуществом являются небольшие габариты.
Однако электропотребление и капельный унос значительно выше чем у градирен с осевыми вентиляторами.

По взаимному движению потоков воздуха и воды

Противоточные градирни эффективны, позволяют обеспечивать охлаждение с большой разностью входной/выходной температур. К отрицательным факторам эксплуатации можно отнести сравнительно большие потери воды из-за капельного уноса, однако современные производители эффективно решают эту проблему.

Принцип работы градирни перекрестноточного типа: воздух нагнетается перпендикулярно движению воды. Подаваться воздух может с одной (однопоточная система) либо с двух (двухпоточная система) сторон. Вода стекает по специальным устройствам, имеющим лоточную структуру, после чего попадает в ороситель.

Преимущество такой перекрестноточной схемы мокрой градирни по сравнению с противоточной – меньшие потери воды.
Минус: меньшая эффективность, следовательно, большие габариты при равной производительности вентиляторов.

По способу транспортировки и сборки

Также надо отметить, что для клиента важной является классификация градирен по способу транспортировки и сборки. Современные производители предлагают градирни, которые можно смонтировать из нескольких элементов (что исключает провоз изделия спецавтотранспортом как негабаритного груза и минимизирует затраты на доставку изделия), а также градирни в сборе (их установка осуществляется очень просто и занимает всего один день). Градирни предлагаются в исполнении:

Градирни предлагаются в исполнении:

Эксплуатация градирни в зимнее время

В зимнее время эксплуатация может усложняться из-за обмерзания их конструкций, особенно это относится к градирням расположенным в суровых климатических условиях. Обмерзание градирен может привести к аварийному состоянию, вызывая деформации и обрушение оросителя из-за дополнительных нагрузок от образовавшегося на нем льда. Обмерзание гpадирни начинается обычно при температурах наружного воздуха ниже -10°С и происходит в местах, где входящий в гpадирню холодный воздух соприкасается с относительно небольшим количеством теплой воды. Внутреннее обледенение является опасным потому, что из-за интенсивного туманообразования оно может быть обнаружено только после разрушения оросителя. Поэтому в зимний период не следует допускать колебаний тепловой и гидравлической нагрузок, необходимо обеспечивать равномерное распределение охлаждаемой воды по площади оросителя и не допускать понижения плотности орошения на отдельных участках. В связи с большими скоростями входящего воздуха плотность орошения в вентиляторных градирнях в зимнее время целесообразно поддерживать не менее 10 м3/м2 (не ниже 40% от полной нагрузки). Критерием для определения необходимого расхода воздуха может служить температура охлажденной воды. Если расход поступающего воздуха регулировать таким образом, чтобы температура охлажденной воды не была ниже +12oC … +15°С, то обледенение грaдирен обычно не выходит за пределы допустимого. Уменьшение поступления в градирню холодного воздуха может быть достигнуто отключением вентилятора или переводом его на работу с пониженным числом оборотов. Исключить обледенение градирен можно путем подачи всей воды только на часть градирен с полным отключением остальных, иногда со снижением расхода циркуляционной воды. Нагнетательные вентиляторы подвержены обмерзанию. Это может вызываться двумя причинами: попаданием на вентилятор водяных капель изнутри оборудования и рециркуляцией уходящего из градирни воздуха, содержащего мелкие капли воды и пар, который конденсируется при смешении с холодным наружным воздухом. В таких случаях можно избежать обледенения лопастей вентилятора следующими способами: — снизить скорость вращения вентилятора, — проконтролировать давление перед форсунками и при необходимости произвести их очистку, — использовать стеклопластиковые рабочие колеса, — использовать автономный обогрев обечаек вентилятора с помощью гибких электронагревателей. Следует отметить, что неравномерное образование льда на лопастях может приводить к разбалансировке и вибрации вентилятора. Если в зимний период по какой-либо причине производилось отключение вентиляторов градирен, то перед их пуском необходимо проконтролировать состояние обечаек на наличие на них наледи. При обнаружении наледи ее необходимо удалить во избежание поломки рабочих колес вентиляторов.

Принцип работы градирни

Вентиляторная градирня – это устройство, предназначенное для дисперсии в атмосферном воздухе потока тепла, полученного охлаждающей водой в охладительных устройствах. В градирне происходит непосредственный контакт охлаждаемой воды с атмосферным воздухом.

Теплая вода доплывает в главный коллектор водораспределителя. Далее происходит дистрибуция через трубную систему к форсункам. Форсунки распыляют струи воды на ороситель, создавая пленку воды с большой развитой поверхностью контакта. Вода, отрывающаяся от нижних краев элементов стока оросителя, опадает в форме дождя в резервуар, находящийся под градирней, откуда нагнетается обратно в охлаждаемые устройства.

Процесс охлаждения воды проходит, в главной мере, за счет испарения протекающей струей воздуха небольшой части струи охлаждаемой воды (транспорт массы), с использованием теплоты фазового перехода (теплоты испарения), получаемой от водной струи, а также — в меньшей мере – за счет конвективного теплообмена между водой и воздухом (транспорт тепла).

Противоточное течение воздуха в градирни, вызвано вытяжным действием осевого вентилятора, производительность которого подобрана к требуемым параметрам охлаждения. Вентилятор установлен внутри корпуса, на перекрытии отсека градирни. Воздух втягивается внутрь отсека через входные окна, оснащенные в жалюзи входа воздуха, которые предохраняют от втягивания твердых тел из окружения, например листьев, а также от разбрызгивания охлаждаемой воды вне градирни. Втянутый воздух протекает далее через зону дождя под оросителем, через оросительное заполнение, зону разбрызгивания воды над оросителем, а далее происходит уловление капель каплеуловителем, который сводит к минимуму потерю воды из-за возношения капель. Подогретый и увлажненный воздух протекает через вентилятор, после чего через верхний разрез корпуса вентилятора выдувается наружу, в окружение.

Степень охлаждения воды в мокрой градирни зависит от температуры термометра влажного воздуха, втягиваемого снаружи, объема воздуха (производительности вентилятора) и технических решений самой градирни. Градирни проектируются для получения ожидаемого эффекта охлаждения в наиболее неблагоприятных условиях (высокая температура и влажность воздуха) и учетом необходимости изъятия максимального количества тепла из воды. Под такие условия подбирается также мощность вентилятора. При понижении температуры окружения, или количества тепла, которое следует отводить, установленная мощность становится лишней. Для понижения эксплуатационных расходов, а также для улучшения безопасности эксплуатации, в приводах вентилятора могут быть установлены двухскоростные двигатели (устанавливаемые по отдельному заказу). Обороты вентиляторов, а следовательно и расход электроэнергии, устанавливается в таких случаях в зависимости от температуры охлажденной воды.

Для обеспечения стабильной и безопасной работы системы охлаждения, следует позаботиться о сохранении соответствующих свойств охлаждающей воды, так как из-за постоянного испарения, растет концентрация химических и механических засорений в охладительном цикле. Соответствующая очистка воды, продувка и пополнение охладительной системы, являются одними из главных параметров, влияющих на долговечность частей градирни и других устройств, связанных с охладительным циклом.