Градирни — устройство для охлаждения большого количества воды направленным потоком атмосферного воздуха. Иногда градирни называют также охладительными.

В настоящее время градирни в основном применяются в системах оборотного водоснабжения для охлаждения теплообменных аппаратов (как правило, на тепловых электростанциях, ТЭЦ, АЭС). В гражданском строительстве градирни используются при кондиционировании воздуха, например, для охлаждения конденсаторов холодильных установок, охлаждения аварийных электрогенераторов. В промышленности градирни используются для охлаждения холодильных машин, машин-формовщиков пластмасс, при химической очистке веществ.

В зависимости от типа оросителя, градирни бывают:

• плёночные;
• капельные;
• эжекционные;
• брызгальные;
• сухие.

 
По способу подачи воздуха:

• вентиляторные (тяга создаётся вентилятором);
• башенные (тяга создаётся при помощи высокой вытяжной башни);
• открытые (атмосферные), использующие силу ветра и естественную конвекцию при движении воздуха через ороситель.
• эжекционные, использующие естественный захват воздуха при распылении воды в специальных каналах.

 
По направлению течения сред (охлаждаемой воды и воздуха):

• с противотоком (наибольший температурный перепад, наибольшее аэродинамическое сопротивление);
• с перекрестным током (меньшее аэродинамическое сопротивление, меньше капельного уноса);
• со смешанным током (конструкция градирни содержит и противоток и перекрестный ток).

Вентиляторные градирни до последнего времени были наиболее эффективны с технической точки зрения, так как обеспечивали более глубокое и качественное охлаждение воды, выдерживая большие удельные тепловые нагрузки (однако требуют затрат электрической энергии для привода вентиляторов). Эжекционные градирни выдерживают наибольшие гидравлические нагрузки и способны охлаждать воду с большим перепадом и с очень высоких температур (до 90 °С). Это обусловлено как отсутствием оросителя, так и большой суммарной площадью поверхности мелкодисперсных капель и высокими скоростями водо-воздушных потоков. Затраты электроэнергии на эксплуатацию систем оборотного водоснабжения с эжекционной градирней при грамотной организации схемы водоснабжения и автоматики не превышают затрат на типовые вентиляторные установки.

 
Основные критерии, которыми необходимо руководствоваться при выборе градирни:

• Рациональный выбор типа градирни
• Соответствие градирни технологическим требованиям производства
• Энергосбережение
• Пожаробезопасность
• Не обмерзание зимой

Пленочные градирни

Пленочные градирни имеют ряд преимуществ перед другими типами. Наличие тонкого слоя воды позволяет применять высокие скорости воздуха без уноса капель и, следовательно, создавать интенсивный теплообмен. Осуществляя прямолинейное прохождение воздуха противотоком по отношению к движущейся воде, можно получить интенсивный теплообмен при сравнительно малых сопротивлениях. В этом случае сопротивление – воздуха обусловлено главным образом потерями при входе и выходе из насадки, а также сопротивлениями трения при проходе пленочной насадки.

Пленочные градирни весьма компактны и позволяют повышать плотность орошения в 2 – 3 раза по сравнению с капельными при одинаковом эффекте охлаждения. Теория их теплового расчета более ясна, чем капельных градирен.

Вентиляторные многосекционные пленочные градирни применяются в районах с жарким климатом и высокой влажностью воздуха или при ограниченной территории электростанции. Подача воздуха вентилятором для секционных градирен составляет 400 – 1400 тыс. м3 / ч, статический напор вентилятора 100 – 160 Па. Мощность, затрачиваемая на привод вентиляторов, не превышает обычно 0 5 – 0 7 % мощности турбоагрегата.

В пленочных градирнях поверхность соприкосновения воды с воздухом на единицу площади оросителя больше, чем в капельных, поэтому один и тот же охлаждающий эффект в градирнях с оросителями разных типов достигается при различной удельной гидравлической нагрузке на градирни.

В пленочных градирнях решетник заменен вертикальными щитами, по которым вода стекает тонкой пленкой.

Наиболее эффективны пленочные градирни, в которых вода протекает тонким слоем, обеспечивая хороший теплообмен с малым уносом капель.

Интенсивная теплопередача в капиллярных трубках объясняется непосредственным воздействием потока на пограничный слой, прилегающий к стенке. Однако интенсивный теплообмен в капиллярных трубках не мот быть использован в пленочных градирнях в связи со следующим обстоятельством. Если поверхность тонких щелей или капиллярных труб смачивается водой, то стекающая вода в нижней части полностью заполняет сечение, создавая значительное сопротивление потоку воздуха.

Открытые капельные градирни

Открытые капельные градирни вследствие большой скорости движения воздуха в оросителе допускают более высокие плотности дождя, чем башенные градирни. Достоинством их, является также простота изготовления. Охладительный эффект зависит не только от скорости, но в значительной степени и от направления ветров. Поэтому градирни должны размещаться длинной стороной перпендикулярно к направлению летних господствующих ветров. Ввиду малой ширины оросителя ( 3 60 – 4 0 м) при значительных количествах охлаждаемой воды ( больше 1000 мг) длина градирни получается очень большой. Разместить такую градирню ( или несколько коротких) на площадке завода весьма затруднительно, так как градирня должна быть установлена на открытом, доступном действию ветров месте, в достаточном удалении от дорог и ответственных сооружений и к тому же наивыгоднейшим образом по отношению к господствующим ветрам.

Открытые капельные градирни обладают значительно большей охладительной способностью и величиной температурного перепада, чтс объясняется большим совершенством оросительного устройства. Градирни этого типа используются для различных установок, нетребовательных к постоянству температур охлаждающей воды ( компрессорные, трансформаторные и др.) при расходе до 1 000 – 1 200 м3 / час.

Открытые капельные градирни обладают значительно большей охладительной способностью и величиной температурного перепада, что объясняется большим совершенством оросительного устройства.

Открытые капельные градирни состоят из каркаса с равномерно расположенными по высоте горизонтальными решетками. При таком устройстве градирни ниспадающие струи воды раздробляются на капли, что способствует увеличению поверхности, а также и времени соприкосновения воды с воздухом.

Открытые капельные градирни применяются при расходах воды не более 500 – 700 м3 / ч на паротурбинных электростанциях малой мощности и дизельных электростанциях.

Открытые капельные градирни основаны на использовании естественного потока воздуха. Они имеют форму параллелепипеда. Стенки градирни образованы жалюзи для свободного прохождения восходящего потока воздуха.

Открытые капельные градирни применяют на крупных холодильных установках. Они представляют собой башню высотой 8 – 12 м, окруженную жалюзийной решеткой по периметру водосборного поддона. Воду подают в верхнюю часть башни в водораспределительное устройство, состоящее из желобов с треугольными вырезами в стенках, или из желобов с трубами, вваренными в днища. Из водораспределительного устройства воду направляют на орошаемую поверхность, которую обычно выполняют из брусков или досок, расположенных в 10 – 12 ярусов. Расстояние между ярусами 0 6 – 0 9 м; вода вытекает из распределительного устройства, попадает на орошаемую поверхность, выполненную из брусков, и многократно разбрызгивается. При этом меняются скорость и направление движения капель воды.

В открытых капельных градирнях на зиму часть оросителя выключается. Вода подается только на часть секций градирни либо с выключением нескольких верхних ярусов решетника только на нижние ярусы. Второй способ бол ее распространен, так как он сокращает вынос наружу водяных капель и предотвращает образование значительных наледей на прилегающей территории.

Эжекционные градирни

Эжекционные градирни используют для нагнетания воздуха сам процесс разбрызгивания охлаждаемой воды под напором 20-55 м вод. ст. Особенностью эжекционных градирен является наличие эжекционного канала. По этому признаку их можно чётко отличить от брызгально-эжекционных градирен.

Эжекционные градирни надёжнее вентиляторных, поскольку вместо двух нагнетательных аппаратов (насос для воды и вентилятор для воздуха) применяется только один – насос с обязательным резервированием.

Кроме того, в эжекционной градирне нет оросителя, а чем меньше число объектов в технической системе тем она надёжнее по определению.

Эжекционная градирня безопасна для людей, поскольку к ней не надо подводить электроэнергию, она не издаёт низкочастотного шума и не имеет движущихся механизмов.

Градирни рассчитаны на работу в условиях переменных климатических условий, переменных тепловых нагрузок и переменных гидравлических нагрузок. Это позволяет использовать их как для охлаждения объектов с переменным числом подключенных аппаратов, так и для проведения испытаний единичных объектов в разное время года с созданием одинаковых температурных режимов по охлаждающей воде.

Устройство эжекционной градирни :

Корпус градирни выполнен в виде одного или нескольких модулей, каждый из которых имеет один вертикальный и один горизонтальный эжекционных каналы. Углы раскрытия каналов соответствуют максимальному коэффициенту эжекции при работе совместно с эжекционно-струйными форсунками.

Напорные коллектора эжекционных контуров вынесены за пределы воздуховходных окон и размещены таким образом, чтобы улучшить условия входа воздуха.

В процессе работы корпуса градирни служат только для направления водо-воздушных потоков. Охлажденная вода из корпусов сразу стекает в соответствующую секцию бака-накопителя.

Эжекционная градирня обладает возможностью эффективного регулирования её теплосъёма. Чем выше давление воды на соплах, тем мельче капля и выше скорость её вылета, соответственно увеличивается эффект эжекции и, тем самым, осуществляется больший захват эжектируемого воздуха. Кроме того, мелкая капля при одном и том же объёме воды имеет большую поверхность контакта с воздухом, чем крупная, что вместе с повышенной подачей воздуха даёт увеличение тепломассообмена.

Применение эжекционно-струйных форсунок, позволяющих получать сплошной факел распыла, незаменим для создания эжекционных контуров охладителей. Выбор конкретной конструкции соответствует следующим требованиям: достаточно мелкие капли распыла, обеспечивающие развитую поверхность охлаждения; высокая скорость вылета капли из сопла; оптимальный для данной градирни угол раскрытия факела распыла с целью достижения наилучшего эффекта эжекции; небольшое гидравлическое сопротивление и максимальный коэффициент расхода для минимизации потерь; однородность плотности орошения; простота монтажа и очистки от засорения.

Башенные градирни

Башенные градирни используются для охлаждения больших объемов воды, в несколько раз превышающих объемы воды на промышленных предприятиях. Эти градирни применяются преимущественно на тепловых и атомных электростанциях.

Наиболее сложным элементом башенной градирни является вытяжная башня, конструкция которой в основном определяется материалом, из которого ее сооружают.

Горячая вода поступает в градирню, где в зависимости от типа и конструкции градирни, происходит ее охлаждение, до необходимой температуры.

Высота больших башенных градирен, изготавливаемых из монолитного бетона, может достигать 90 метров и иметь площадь орошения до 3200 м2.

Башенную градирню целесообразно использовать на больших промышленных предприятиях. Площадь сечения башни должна занимать не менее 30—40% площади оросителя. Башни градирен средней и малой производительности могут иметь очень разнообразную форму: цилиндрическую, усеченного конуса или в виде усеченной многогранной пирамиды. Башенные градирни обычно выполняются в виде оболочек гиперболической формы, которая оптимальна по условиям внутренней аэродинамики и устойчивости.

В башенных градирнях конвекция воздуха осуществляется за счет естественной тяги или ветра. Высота градирен, изготовленных из бетона, может достигать 100 метров. Площадь орошения в таком случае будет достигать 3500 кв.м. В основном, башенные градирни используются для охлаждения больших объемов воды ТЭС или АЭС.

 
Плюсы башенных градирен:

• экономичность (не нужна электроэнергия);
• простота эксплуатации;
• размещение близко к промышленному объекту.

 
Минусы башенных градирен:

• большая площадь для постройки;
• высокая стоимость.

Схемы башенных градирен с различным характером движения воздуха:

а — с поперечным; б — с поперечно-противоточным; в — с противоточным
 

Вентиляторные градирни

Вентиляторные градирни предназначены для охлаждения воды, циркулирующей по замкнутому контуру оборотной системы. Компактные вентиляторные градирни являются изделиями полной заводской готовности. В градирнях нагретая вода в виде пленок и капель контактирует с атмосферным ненасыщенным воздухом и частично испаряется, отбирая теплоту на испарение от основной массы воды.

Одним из необходимых условий эффективной работы вентиляторных градирен является правильный выбор экономичных вентиляторов. Для градирен обычно используются специальные осевые отсасывающие или нагнетательные вентиляторы. При применении отсасывающих вентиляторов обеспечивается более равномерное распределение воздуха по поперечному сечению в основании градирни, чем при использовании нагнетательных, так как вход воздуха и поворот его под прямым углом для движения вверх осуществляется при меньших скоростях. Снижение скорости движения воздуха при входе достигается благодаря осуществлению входных окон большого сечения со всех или с двух сторон градирни. Равномерность распределения воздуха является важным фактором в получении охладительного эффекта градирни.

Эксплуатация вентиляторных градирен

Для обеспечения удобства и безопасности обслуживания градирни должны иметь площадки, устроенные в соответствиями с требованиями соответствующих СНиП. Перед началом эксплуатации вентиляторной градирни нужно проверить гидравлическую плотность трубопроводов, резервуаров, а также состояние установленной арматуры. Зазор между корпусом и баком-водосборником должен быть заполнен силиконовым герметиком. Особое внимание следует уделять качеству монтажа вентиляторных агрегатов, в частности, правильности их центровки и балансировки. Ороситель градирни должен равномерно заполнять все горизонтальное сечение градирни, между листами оросителя не должно оставаться промежутков. Необходимо устранить все повреждения конструкций оросителя и завалы их посторонними предметами, влияющими на равномерность распределения воды и воздуха в градирне. Стеснение живого сечения градирни вызывает неравномерность распределение воздуха и воды и, как следствие, ухудшение работы градирни. 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.

Во избежание повышенного капельного уноса следует контролировать параметры расхода и давления в соответствии с характеристикой форсунки. Для этого перед входным коллектором следует установить манометр. Превышение давления сверх установленного свидетельствует о засорении форсунок. Для снятия форсунки необходимо вынуть шпильку, снять форсунку и удалить посторонние предметы. Для обеспечения нормальной эксплуатации градирни должна быть выпущена соответствующая инструкция для обслуживающего персонала. Периодические осмотры градирен рекомендуется производить не реже чем один раз в месяц. Текущие ремонты градирни 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, водоуловителей, приведение в порядок регулировочных и запорных устройств. При капитальном ремонте выполняются все работы, требующие длительного отключения градирни: устранение повреждений оросителя, водораспредельной системы, ремонт или замена вентиляторной установки и др.

Вентиляторные градирни ГРД

Устройство

Градирня состоит из двух модулей:

1. Блок с оросителем, каплеотделителем и коллекторами с разбрызгивающими устройствами.
2. Бак с осевым вентилятором.

Материалы исполнения

Корпус: нержавеющая сталь
Ороситель и каплеотделитель: из пластика ПХВ; состоят из набора листов с косонаправленными волнами, развернутыми друг относительно друга на угол 60°.

Дополнительно

Наименьшая достигаемая температура охлажденной воды превышает температуру мокрого термометра окружающего воздуха на три градуса
Занимают меньшую площадь по сравнению с другими типами охладителей при одинаковой эффективности и не требуют специальных строительных работ
 

Круглые градирни ГМ

Преимуществами круглых градирен ГМ производительностью 1,5-20 м3/ч являются высокая технологичность изготовления, малая масса и возможность быстрой замены любой детали или узла без применения специальных подъемных механизмов, низкая стоимость и простота монтажа. Градирни могут работать без промежуточного бака. При необходимости по требованию заказчика они комплектуются насосом и устройством для подпитки системы.

Градирни ГМ имеют традиционную компоновку: осевой вентилятор В 06-300 расположен сверху охлаждающей части градирни, монтируемой на поддоне. Забор воздуха осуществляется через кольцевой зазор между поддоном градирни и колонной. При установке градирни в помещении отработанный воздух может быть отведен наружу при помощи стандартного воздуховода. Подпитка системы осуществляется непосредственно в поддон.
 

Сухие градирни

Сухие градирни можно эксплуатировать, как самостоятельный охладитель жидкостей так и, в помощь другому охладителю – чиллеру, в таком случае, чиллер дополняет сухую градирню или они работают совместно в паре, в которой каждый из них в зависимости от конечной температуры охлаждаемой жидкости и температуры окружающей среды работает с изменяющейся производительностью (наилучшая комбинация такого совмещения – чиллер с фрикулингом). В описанном варианте охлаждаемая жидкость в первую очередь поступает в сухую градирню, где предварительно остывает, а затем в теплообменник чиллера, в котором происходит окончательное снижение температуры жидкости до заданного значения. Такое комбинирование позволяет установить чиллер значительно меньшей производительности, чем без пред охлаждения сухой градирней. При этом в холодное время, например ночью, сухая градирня может работать, снижая температуру жидкости до требуемой, а чиллер автоматически выключится по температуре и не будет потреблять электроэнергию.

Принцип работы сухой градирни

Сухая градирня относится к классу неавтономных систем кондиционирования и в общем случае предназначена для совместной работы с водоохладителями – чиллерами с водяным охлаждением конденсатора, или с другим оборудованием. В большинстве случаев чиллер устанавливается внутри здания – в эксплуатационном помещении, в то время как сухая градирня устанавливается снаружи здания: на крыше или прилегающей территории. Чиллер и сухая градирня подключены к общему гидравлическому контуру охлаждения конденсатора. Основной задачей выносного конденсатора является отвод тепловой энергии, выделяемой в процессе конденсации объединенным холодильным контуром чиллера и выносного конденсатора. На рисунке показана схема работы системы кондиционирования, источником холода в которой является чиллер без конденсатора, работающий совместно с выносным конденсатором. Принцип работы такой системы кондиционирования заключается в переносе тепловой энергии из здания на улицу, или другими словами в переносе холода из улицы в здание. Перенос тепловой энергии осуществляется посредствам термодинамического процесса, протекающего в объединенном холодильном контуре чиллера и выносного конденсатора. Такой термодинамический процесс имеет две важные стадии. Первая стадия – это процесс испарения фреона, который протекает в теплообменнике испарителя чиллера. Во время этого процесса фреон испаряется (Переходит из жидкого состояния в газообразное). В результате этого процесса теплообменная поверхность испарителя охлаждается, что приводит к охлаждению воды протекающей в гидравлическом контуре системы кондиционирования через теплообменник испарителя. Второй важной стадией является процесс конденсации фреона, который протекает в теплообменнике выносного конденсатора. Во время этого процесса фреон конденсируется (Переходит из газообразного состояния в жидкое), что приводит к нагреву теплообменной поверхности выносного конденсатора. При этом тепло, выделяемое в процессе конденсации, отводится в окружающее пространство, а холод поглощается хладагентом.

Схема работы системы кондиционирования на базе сухой градирни

Функциональные элементы сухой градирни

Сухая градирня включает следующие функциональные компоненты:

• – Теплообменник водоохладителя предназначен для обмена тепловой энергией между водой или антифризом, циркулирующим в контуре охлаждения конденсатора и наружным воздухом.
• – Осевые вентиляторы предназначены для организации циркуляции наружного воздуха через теплообменную поверхность водоохладителя.
• – Регулятор скорости вращения вентиляторов предназначен для управления работой вентиляторов сухой градирни.

1)Корпус. 2) Вентиляторы. 3) Теплообменник водоохладителя. 4) Регулятор скорости вращения вентиляторов. 5) Ножки. 6) Вход воды из гидравлического контура охлаждения конденсатора. 7) Выход воды из градирни.

Функциональные элементы сухой градирни

Работа сухой градирни

Основной задачей сухой градирни является охлаждение воды в гидравлическом контуре охлаждения конденсатора. При этом главным функциональным элементом сухой градирни является непосредственно теплообменник водоохладителя. Вентиляторы, создавая циркуляцию наружного воздуха через теплообменную поверхность водоохладителя, охлаждают его и отводят тепло в окружающее пространство. Таким образом тепло удаляется в окружающее пространство а холод поглощается гидравлическим контуром охлаждения конденсатора. В зависимости от температуры наружного воздуха, количество воздуха, необходимое для охлаждения теплообменной поверхности различно. Поэтому регуляторы вентиляторов, уменьшают или увеличивают скорость вращения вентиляторов в зависимости от значения температуры наружного воздуха или температуры воды в контуре охлаждения конденсатора.

Схема работы сухой градирни

 
Сухая градирня – условия при которых рекомендуется использование:

• Если требуется постоянное охлаждение жидкости при условии, что этой жидкостью является – вода или раствор гликоля, масло или т.п.
• Температура жидкости, до которой необходимо её охладить, на 3…5 градусов выше температуры окружающей среды.
• У потребителя охлаждённой жидкости высокие требования по соблюдению чистоты и состава жидкости.
• Ограничения связанные с размещением: не достаточная территория, здания по близости, не достаточная несущая способность площадки фундамента куда запланировано установить оборудование, а так же ограждения, которые препятствуют быстрому уносу подогретого влажного воздуха, в случае применения мокрой градирни, имеется потребность поднять жидкость на высоту или продавить её по протяжённому трубопроводу.
• Планируемое расположение не позволяет использовать оборудование, образующее испарения.
• Отсутствует возможность постоянного пополнения системы новой жидкостью.
• Ограничение для использования мокрой градирни, такое как высокая степень жесткости воды, которая уносится за счет испарения в процессе работы и постоянного добавления оказывает сильное влияние на тепло-передающие свойства оборудования, очень быстро образуя накипь на стенках оборудования и закупоривая трубопровод.
• Недостаточные возможности организации по энергоснабжению водоохлаждающего оборудования.

 
Преимущества использования сухой градирни:

Существенная экономия электроэнергии. Затраты энергии необходимы только для работы вентиляторов. В дополнение к этому, в холодное время, энергию потребляет только часть вентиляторов, что приводит к еще большей экономит электроэнергии. Чиллер тратит энергию не только на работу вентиляторов конденсатора, но и на работу компрессора.

Экономия при первоначальных вложениях. Стоимость сухой градирни – меньше стоимости чиллера аналогичной холодопроизводительности.

Экономия при эксплуатации. Поскольку конструкция достаточно проста, то её техническое обслуживание и эксплуатация требуют более скромных затрат, в сравнении с любыми другими водоохлаждающим установками.

Широкий спектр хладоносителей. Конструкция позволяет охлаждать разнообразные, в зависимости от нужд потребителя, жидкости. Вода, водные растворы гликолей, другие не агрессивные жидкости.

Различные варианты установки – возможно исполнение как для вертикального, так и для горизонтального монтажа, т.е. их можно устанавливать в местах с ограничением полезной высоты или площади.

Особенности оборотного цикла.

Приступая к организации локального водооборотного цикла с градирней, нужно иметь в виду следующее:

Поток теплоты, переданный воде при осуществлении рабочего процесса на объекте Заказчика, равен потоку теплоты, рассеянной в атмосферу градирней; Если расходы воды, циркулирующей через теплообменный аппарат и градирню, одинаковы, то понижение температуры воды на градирне равно ее повышению в теплообменном аппарате. Разницу между температурой нагретой и охлажденной воды (Δ), определяет не градирня, а теплообменный аппарат при заданном тепловом потоке и заданном расходе воды;

Если разность температуры входа-выхода воды на градирне, например, равна 2С вместо заявленных в паспорте 5С, то это не означает, что градирня плохо работает. Причиной малой разницы является избыточный расход воды через объект охлаждения, либо завышенная расчетная величина теплового потока против действительной.