Градирня

Содержание

1. Общее описание градирни 

2. Физические принципы работы градирни

3. Градирня с естественной тягой (атмосферная градирня)

3.1. Краткое описание градирни с естественной тягой

3.2. Принцип работы градирни с естественной тягой

3.3. Преимущества градирни с естественной тягой

3.4. Недостатки градирни с естественной тягой

4. Градирня с механической тягой

4.1. Преимущества градирни с механической тягой 

4.2. Недостатки градирни с механической тягой

4.3. Градирня с поперечным протоком воздуха

4.4. Градирня с противоточным протоком воздуха

4.5. Градирня с индукционной механической тягой

4.6. Градирня с принудительной механической тягой

5. Сравнение градирни с другими типами промышленных водохладителей

5.1. Градирня и драйкуллер (сухой охладитель)

5.2. Градирня и промышленный чиллер

 6. Психометрическая таблица

1. Общее описание градирни

Градирня — система испарительного охлаждения, в виде специализированного теплообменного аппарата для отвода теплоты от воды, в котором охлаждаемая вода и охлаждающий воздух находятся в непосредственном контакте.  Классические градирни еще называют «открытыми» или «мокрыми» градирнями (бывают также сухие градирни или сухие охладители — драйкуллеры). Теплота от воды передается непосредственно атмосферному воздуху, как следствие, снижается температура воды. Когда воздух проходит через падающую воду, происходит теплообмен, теплота отводится посредством испарения некоторой части рециркулируемой воды, испарившаяся часть воды вместе с отнятой у воды теплотой, выходит в атмосферу из верхней части башни градирни, в виде тумана (пара). Охлажденная вода, после процесса теплообмена с воздухом, падает в резервуар в нижней части градирни и посредством насоса подается в помещения для обеспечения охлаждающей потребности технологического процесса.

2. Физические принципы работы градирни

Для понимания процесса рассеивания теплоты, необходимо рассмотреть два термина — явная теплота и скрытая теплота.

 (Краткое определение) Явная теплота — это количество тепловой энергии, которое подводится к объекту (веществу) или отводится от него для изменения его измеряемой температуры.

(Краткое определение) Скрытая теплота — это количество тепловой энергии, которое необходимо подвести к объекту (веществу) или отвести от него для изменения его агрегатного состояния.

Например:

вода - скрытая теплота = лед;

вода + скрытая теплота = пар;

пар - скрытая теплота = вода.

В частности, в градирнях — системах испарительного охлаждения, посредством скрытой теплоты испарения воды, отводят ощутимую теплоту от воды. 

При расчете эффективной градирни, стремятся обеспечить максимальный контакт воды и воздуха для максимизации скрытого теплообмена, с этой целью увеличивают поверхность соприкосновения воды с воздухом. Технически, это достигается путем увеличения площади теплообменной поверхности и интенсификации воздушного потока (объемного расхода и скорости протока воздуха через теплообменную поверхность).

Физико-теоретическим основанием функционирования любых испарительных систем и градирен, в частности, является температура по влажному термометру. 

(Краткое определение) Температура по влажному термометру — является наименьшей температурой, при которой теплота отводится от воды путем ее частичного испарения. Чем ниже относительная влажность, тем ниже эта температура, тем более эффективно вода отдает теплоту воздуху в градине.

Этот параметр учитывается для расчета температуры охлажденной воды на выходе из градирни, путем определения наименее эффективных условий охлаждения. Т.е. номинальную производительность градирня должна обеспечивать, при наихудших условиях — высокой температуре по влажному термометру, при среднемаксимальной относительной влажности в конкретной местности, при колебаниях условий в лучшую сторону (снижении относительной влажности — низкой температуре по влажному термометру) эффективность градирни будет выше.

Открытые градирни, могут охладить жидкость до температуры, приблизительно, на 5 — 7K выше температуры по влажному термометру.

Психометрическая таблица соотношений температур по сухому и влажному термометру, согласно относительной влажности воздуха, будет размещена в конце данной статьи.

(Краткое определение) Разница температур между водой, поступающей для охлаждения и водой после охлаждения в градирне называют — температурным дифференциалом охлаждения (ΔT) или диапазоном охлаждения. Данный дифференциал (ΔT) является только фактическим показателем, а не расчетным.

Эффективность градирни

Эффективность или КПД (η) градирни можно вычислить по формуле. Обычно колеблется в пределах 70 — 75%.

η = (T1-T2) * 100 / (T1-Tвл.), где:

Т1 —  температура воды на входе в градирню;

Т2 —  температура воды на выходе виз градирни;

T вл. —  температура по влажному термометру.

Температурный дифференциал (T1-T2), чаще всего, находится в пределах 10 — 15K.

 

Теплотехнический расчет (расчет тепловой нагрузки) на охлаждаемую воду от технологического оборудования является стандартным и универсальным для всех типов охладителей жидкостей (чиллеров, сухих градирен т.п.). Ознакомиться с ним Вы можете в других статьях пройдя по одной из ссылок: расчет мощности сухой градирни (пункт 5 в статье); расчет мощности чиллера.

3. Градирня с естественной тягой (атмосферная градирня)

3.1. Краткое описание градирни с естественной тягой

Градирни с естественной тягой часто применяют для промышленных производств и крупных электростанций. Градирня функционирует за счет отвода отработанной теплоты, путем подъема нагретого пара, который выбрасывается в атмосферу. Такие градирни имеют форму башни с гиперболической формой, башни строят значительной высоты, с целью создания требуемого воздушного потока снизу-вверх.

Градирня с естественной тягой является теплообменником открытого типа - прямого контакта двух сред. В такой градирне нагретая вода из технологического цикла производства или из конденсатора кожухотрубного чиллера, охлаждается посредством прямого контакта с атмосферным (уличным) воздухом.

3.2. Принцип работы градирни с естественной тягой

(схему можно развернуть кликом мышки и далее увеличить)

Нагретая вода принудительно (насосом) подается в распределительный коллектор и распыляется из форсунок с целью увеличения площади теплообмена.

Вода распыляется на специальный наполнитель — теплообменную поверхность.

Данная теплообменную поверхность, служит для увеличения площади контакта между охлаждающей водой с воздухом. Воздух проходит вверх через теплообменную поверхность, в то время как распыленная капельная вода падает вниз, в резервуар, под действием силы тяжести. При прохождении воздуха через наполнитель, распределенная по теплообменной поверхности наполнителя вода, частично испаряется (незначительная часть), а неиспарившаяся часть (большая часть) охлаждается за счет отнятой у нее теплоты, которая была отведена от нее вместе с испарившейся водой — паром. По принципу испарительного охлаждения.

Проток наружного воздуха через градирню обеспечивает т.н. эффект дымохода, он обусловлен конструкцией башни. За счет разности давлений нагретый пар (с плотностью ниже, чем у сухого уличного воздуха), после процесса теплообмена выходит из градирни в атмосферу, тем самым втягивая снизу (создавая приток) сухого более плотного воздуха. Итак, проток воздуха возникает из-за разности давлений, которое возникает вследствие разности плотностей между паром и сухим уличным воздухом. 

(Пояснение) Теплый пар движется вверх, освобождая пространство, которое он занимал, как бы создавая некоторое разряжение, снижая давление в месте откуда он поднимается, это пространство под воздействие разности давлений заполняет воздух, входящий снизу башни — как в дымовой трубе. Данный процесс и цикличен, и непрерывен во время работы градирни. 

(Краткое определение) Интенсивность протока воздуха через градирню называют — напором.

Расчет давления естественной тяги, создаваемое разностью плотностей, рассчитывают по формуле:

 ΔP [Па, Н/м2] = h * (ρ нар. - ρ п) * g

где:

 h — высота башни градирни - высота между входом и выходом воздуха [м];

ρ нар. — плотность наружного воздуха кг/м3];
ρ п. — плотность поднимающегося пара [кг/м3];
g — ускорение свободного падения = 9.8 [м/с].

Для достижения требуемого протока воздуха, стараются максимально увеличить высоту башни, так как разность плотностей (ρ нар. - ρ п) — относительно невелика и этой величиной сложно манипулировать, так как она не является точно контролируемой. В этой связи, градирни с естественной тягой очень высокие (до 200 метров, иногда более) и широки в поперечнике.

Во время того как пар поднимается из башни градирни, с ним уносится микрокапельки воды — эффект дрейфа. Над градирнями моно наблюдать дымчатый шлейф белого цвета. Капельки, унесенные с паром, требуют восполнения рециркулируемой воды, что при большой мощности градирни бывает весьма затратно.

Для минимизации уноса капелек воды, монтируют каплеуловители.

Каплеуловители состоят из изогнутых параллельно расположенных пластин и располагаются в верхней части градирни, перед выходом воздуха из градирни. Данные пластины удаляют капельки воды из выходящего воздушного потока.

Каплеуловители производятся такой форты, чтобы уловленные капельки воды меняли направление движения несколько раз - путь потока, как бы, извивается. Это связано с тем, что воздух меняет направление движения, согласно изгибам пластин, а капельки воды, оседая на каплеуловителе, стекают обратно резервуар. Далее, поток, уже без относительно крупных капелек движется по каплеуловителю и частички насыщенного пара, также попадая на пластины — конденсируются и также стекают в резервуар.

Полностью удалить всю влагу из восходящего воздушного потока невозможно, но тем не менее эта мера (монтаж каплеуловителей) считается эффективной. Благодаря этой мере удается минимизировать унос из системы до 1% рециркулируемой воды.

 Существуют две ключевые причины, строительства градирен с естественной тягой гиперболической формы. Такая форма башни ускоряет проток воздуха через градирню, увеличивая ее производительность. Также градирни гиперболической формы обладают высочайшей конструктивной прочностью, устойчивой к экстремальным ветровым нагрузкам, в том числе поэтому им отдается предпочтение в сравнении с  градирнями ровной цилиндрической формы.

3.3. Преимущества градирни с естественной тягой

— Низкий уровень шума;

— Невысокие затраты на техническое обслуживание, так как не используются вентиляторы, которые чаще всего выходят из строя в градирнях с принудительной циркуляцией воздуха;

— Долговечность конструкции;

— Низкие потери воды в системе, обычно, менее 1% от текущего объемного расхода;

— Высокая интенсивность охлаждения — за счет габаритов;

— Энергопотребление ниже за счет отсутствия вентиляторов.

3.4. Недостатки градирни с естественной тягой

— Высокая начальная стоимость строительства;

— Относительно большая циркуляция воды через градирню, относительно градирни с принудительной циркуляцией (рециркулируемой объемный расход);

— Требуется большая площадь на земле для строительства;

— Ввиду большой высоты не везде возможно получить разрешение на строительство;

— Невозможно получить стабильную производительность, так как она зависит от многих неконтролируемых переменных, таких как: направление ветра, скорость ветра и относительная влажность. Поэтому градирни строятся со значительным запасом для наихудших возможных условий эксплуатации, при максимальной тепловой нагрузке на охлаждаемую воду, что дополнительно влияет на удорожание конструкции.

— Огромная сложность, а чаще невозможность перемещения градирни, при переносе предприятия (релокацию), тогда как градирню с принудительной циркуляцией, чаще всего, не так сложно демонтировать и смонтировать на новом месте.

4. Градирни с механической тягой

В такого типа градирнях воздух прокачивается через башню посредством принудительного воздушного потока, создаваемого вентилятором одним или несколькими. Применяют как осевые, так и центробежные модели вентиляторов. Градирни с вентиляторами имеют более эффективный теплообмен между водой и воздухом, чем градирни с естественной тягой, как следствие имеют сравнительно компактные габариты, при сопоставимой производительности, однако они потребляют больше электроэнергии и более затратны в эксплуатации.

Механические градирни любого типа должны быть расположены таким образом, чтобы выходящий воздух свободно диффундировал без возможности рециркуляции через градирню, уже нагретого воздуха, а воздухозаборники не должны быть заслонены для обеспечения должного объема всасывания воздуха. Градирни должны располагаться максимально близко к потребителю, охлажденной воды, на сколько это возможно. Также градирни должны располагаться по возможности ниже потребителя, чтобы позволить воде беспрепятственно стекать из охлаждаемой системы в резервуар градирни, при отключении насоса.

Аналогично, как и в градирнях с естественной тягой, во избежание захвата капель воды выходящим потоком воздуха, используются каплеуловителями.

Градирни с механической тягой подразделяются по направлению воздушного потока, относительно падения направления воды и по расположению вентиляторов.

Воздушный поток может быть противоточным или поперечным по отношению к падающей воды. При поперечном протоке — воздушный проток перпендикулярен к падающей воде. При противоточном протоке — воздушный поток движется во встречном, направлении падающей воде.

Вентилятор(ы) могут располагаться в верхней части башни градирни (тип градирни с индукционной тягой) и в основании — сбоку башни градирни (тип градирни с принудительной тягой).

Типы механических градирен компонуются, между собой, например:

— градирня с индукционной тягой и поперечным протоком воздуха

— градирня с индукционной тягой и противоточным протоком воздуха

— градирня с принудительной тягой и поперечным протоком воздуха

— градирня с принудительной тягой и противоточным протоком воздуха

4.1. Преимущества градирни с механической тягой

— Значительно компактнее атмосферных градирен, за счет более интенсивного воздушного потока через охлаждаемую воду, посредством вентилятора(ов);

— Контролируемая производительность за счет регулировки интенсивности воздушного потока, путём управления скоростью вращения вентилятора(ов);

— Легче получить разрешение на монтаж вне помещения, в сравнении с громоздкими атмосферными градирнями;

— При релокации производства, возможно демонтировать и смонтировать на новом месте;

— Меньше рециркулируемой воды в сравнении с атмосферными градирнями для достижения той же интенсивности теплообмена;

— Начальная – закупочная стоимость значительно ниже, нежели у атмосферной градирни;

— Градирни с механической тягой могут монтироваться внутри производственных помещений, например, совместно с воздуховодами отвода нагретого воздуха.

4.2. Недостатки градирни с механической тягой

— Более сложное и дорогостоящее обсаживание, в частности за счет наличия вентиляторов;

— Повышенное потребление электроэнергии, опять же, за счет наличия вентиляторов;

— Более высокий уровень шума, по той же причине;

— Более существенный капельный унос воды из системы, так как вентиляторы создают более сильный воздушный поток в сравнении с естественной тягой.

4.3. Градирня с поперечным протоком воздуха

Градирни с поперечным потоком получили свое название, потому что прокачиваемый через башню воздух, пересекает падающую воду перпендикулярно, поперек башни градирни. В градирнях с поперечным потоком используются жалюзи, которые направляют воздушный поток в горизонтальной плоскости. Охлаждаемая вода, под действием силы тяжести стекает вниз из распределительных коллекторов, сверху башни.

Градирни с поперечным протоком воздуха являются одними из самых простых в обслуживании типов градирен. Это связано с тем, что вода падает вниз под действием гравитации, без избыточного давления. Коллекторы в такой системе могут представлять собой открытые распределительные желоба или бассейны под атмосферным давлением. Стало быть, могут применяться насосы меньшей мощности, которые поднимают воду на высоту, но не создают избыточного давления в распределительном коллекторе для ее распыления. 

(недостатки) Градирни с поперечным протоком менее эффективны, в сравнении с противоточными градирнями. Кроме того, они более подвержены засорению и подмерзанию воды на теплообменной поверхности.

4.4. Градирня с противоточным протоком воздуха

В противоточных градирнях воздух движется в противоток охлаждаемой воде, как бы навстречу, с противоположных концов градирни.  Вода движется с верхней части градирни — вниз, как и в типе с поперечным протоком, с той разницей, что воздух также перемещается вертикально вверх через теплообменную поверхность. В противоточных градирнях не получится применить открытые коллекторы (желоба, бассейны) с гравитационным падением воды. Для “противодействия” встречному воздушному потоку, требуются закрытые коллекторы с форсунками, куда под давлением подаётся охлаждаемая вода.  

Противоточные градирни компактнее, эффективнее (при сопоставимых габаритах). Противоточные градирни более устойчивы к подмерзанию воды на теплообменной поверхности, чем градирни с поперечным потоком. Обширная площадь более мелких брызг, делает теплопередачу более эффективной.

(недостатки) Увеличение потребление электроэнергии за счет необходимости установки более мощных насосов высокого давления. Уровень шума выше, чем у поперечно-потоковых градирен, в связи с тем, то охлаждённая вода со дна теплообменной поверхности падает дальше вниз — в резервуар.

4.5. Градирня с индукционной механической тягой

В градирнях с механической индукционной тягой вентилятор(ы), расположены в верхней части градирни, на выходе нагретого воздуха из корпуса — башни. 

Значимым преимуществом градирни с индукционной тягой является то, что воздух движется с высокой скоростью, при выходе из градирни. Эта высокая скорость выбрасывает воздух достаточно далеко, чтобы предотвратить нежелательную рециркуляцию нагретого воздуха (повторное всасывание).

Принцип работы индукционной градирни

Нагретый горячий воздух двигается вверх и наружу, в то время как вода течет вниз. Итак, самая холодная вода внизу (уже отдала теплоту воздуху в процессе теплообмена) соприкасается с самым сухим воздухом (уличным, только что втянутым вентилятором), а самая теплая вода наверху (пришедшая для охлаждения) соприкасается с влажным воздухом наверху (который уже увлажнился от охлажденной воды, поднимаясь снизу), это приводит к повышению эффективности теплообмена. Воздух поступает внутрь градирни через направленные жалюзи. 

4.6. Градирня с принудительной механической тягой

Основное отличие градирни с принудительной тягой от индукционной, заключается в том, что вентилятор протока воздуха монтируется в основании — сбоку градирни, на входе воздуха в градирню, а не на выходе воздуха, как в индукционного градирни.

Вентиляторы, нагнетают воздух в градирню, а не вытягивают его из нее.

 На подаче вентилятора — внизу башни, давление (и скорость) более высокое, на выходе из башни давление (и скорость) более низкое, так как трение в теплообменной поверхности и каплеуловителе замедляет скорость потока. Охлаждаемая вода встречается с потоком воздуха в теплообменной поверхности, где происходит теплообмен. Из — за менее интенсивного выброса нагретого воздуха из градирни (с меньшим давлением и скоростью), градирни с принудительной тягой сильно подвержены нежелательной рециркуляции воздуха.

Данные градирни более дорогие в производстве и эксплуатации, так как требуют более мощных вентиляторов. Градирни с принудительной тягой более подвержены замерзанию, чем индукционные модели.

(примечание) Наиболее не морозостойкое сочетание — градирня с принудительной тягой и поперечным протоком. Наиболее морозостойкое сочетание — противоточная градирня с индукционной тягой.

Если применять градирни с принудительной тягой в местности, где нет рисков замерзания или сильного засорения, то способ подачи воздуха, значительно лучше, чем у индукционных моделей и благоприятно сказывается на сроке службы вентиляторов. Это связано с тем, что вентилятор прокачивает через себя только свежий уличный воздух (в отличие от индукционной градирни), без капелек охлаждаемой воды, которая может иметь разные жесткие примеси, которые со временем оседают на различных элементах вентилятора, способствуют эрозии и ухудшают его функциональность, иногда примеси бывают агрессивные для материалов вентилятора, приводящие к быстрой поломке. Для воды с большой концентрацией агрессивных примесей, градирня с принудительной тягой бывает почти незаменима.

5. Сравнение градирни с другими типами промышленных водохладителей

5.1. Градирня и драйкуллер (сухой охладитель)

Температура охлаждаемой воды в градирнях существенно ниже, чем в драйкуллерах (сухих охладителях), которые ограничены нижним пределом температуры воздуха + теплообменная дельта ~5K. Т.е. конечная температура охлаждения воды в драйкуллере, в среднем, на 5К выше температуры окружающего (охлаждающего) воздуха. У градирен конечная температура охлаждения воды ниже температуры окружающего воздуха за счет использования скрытой теплоты испарения с минимальным пределом температуры воды равной температуре по влажному термометру.

(Пример) Температура воздуха на улице (по термометру) +30°C.  При правильно выбранной сухой градирне, возможно охладить воду до ~ +35°C. В открытой градирне, при относительной влажности ~50%, температура по влажному термометру будет равна ~ +22.0°C. Прибавим к данной температуре дельту, в среднем 6K, итого, получится ~ +28.0°C. Таким образом, мы охладим целевую жидкость, с помощью потока воздуха и испарения, фактически, до температуры ниже температуры уличного воздуха, что принципиально недостижимо для сухой градирни. Представим, что влажность на улице будет еще ниже, например —  в сухом климате = ~ 34%, следовательно, при уличной температуре воздуха +30°C, удастся охладить жидкость до ~ +25.0°C! Проверяем: +30°C – 11°C (разница между сухим и влажным термометрами, с учетом влажности – по психометрической таблице  - дана в конце статьи) + 6°C (дельта между конечным охлаждением жидкости и влажным термометром) = +25.0°C.

5.2. Градирня и промышленный чиллер

Промышленные чиллеры способны поддерживать точную и стабильную температуру воды (вплоть до 0.1К), но они потребляют в разы и десятки раз больше электроэнергии, при сопоставимой производительности. Кроме того, чиллеры технически гораздо более сложное оборудование, производство чиллеров дороже и цена закупки выше, чем у большинства механических градирен. В чиллерах применяется хладагенты, чаще всего фреоны, массовое применение которых крайне негативно отражается на окружающей среде.

6. Психометрическая таблица

Таблица соотношений температур по сухому и влажному термометру, согласно относительной влажности воздуха.

Разница температура между показанием флажного и сухого термометра, [Δ]

Относительная влажность, [%]

Сухой термометр [°C]	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
0	100	81	63	45	28	11
1	100	83	65	48	32	16
2	100	84	68	51	35	20
3	100	84	69	54	39	24	10
4	100	85	70	56	42	28	14
5	100	86	72	58	45	32	19	6
6	100	86	73	60	47	35	23	10
7	100	87	74	61	49	37	26	14
8	100	87	75	63	51	40	29	18	7
9	100	88	76	64	43	42	31	21	11
10	100	88	76	65	54	44	34	24	14	5
11	100	88	77	66	56	46	36	26	17	8
12	100	89	78	68	57	48	38	29	20	11
13	100	89	79	69	59	49	40	31	23	14	6
14	100	89	79	70	60	51	42	34	25	17	9
15	100	90	80	71	61	52	44	36	27	20	12	5
16	100	90	81	71	62	54	46	37	30	22	15	8
17	100	90	81	72	64	55	47	39	43	24	17	10
18	100	91	82	73	65	56	49	41	34	27	20	13
19	100	91	82	74	65	58	50	43	35	29	22	15
20	100	91	83	74	66	59	51	44	37	30	24	18
21	100	91	83	75	67	60	52	46	39	32	26	20
22	100	92	83	76	68	61	54	47	40	34	28	22
23	100	92	84	76	69	61	55	48	42	36	30	24
24	100	92	84	77	69	62	56	49	43	37	31	26
25	100	92	84	77	70	63	57	50	44	38	33	27
26	100	92	85	78	71	64	58	51	46	40	34	29
27	100	92	85	78	71	65	59	52	47	41	36	30
28	100	93	85	78	72	65	59	53	48	42	37	32
29	100	93	86	79	72	66	60	54	49	43	38	33
30	100	93	86	79	73	67	61	55	50	44	39	34