Промышленное оборудование и системы комфорта общественных зданий генерируют огромное количества тепла, которое необходимо непрерывно рассеивать для эффективности работы производственных процессов и климатических установок. Передача тепла в атмосферу достигается с помощью теплообменников. Градирня — одно из таких устройств, основанное на простейшем принципе охлаждения с помощью испарения воды и потоков искусственного ветра.
История и эволюция устройства
Технология испарительного охлаждения применялась с древних времён, когда реки, моря, озёра и пруды использовались в качестве источников охлаждающей жидкости. При ограниченной производственной деятельности в прошлых веках и избытке природных ресурсов вода использовалась только в прямоточном режиме с возвратом её в водоём без обработки. Примером этому могут быть первые градирни на паровых судах, использующие забортную воду для охлаждения конденсаторов двигателей.
В дальнейшем в связи с тепловым загрязнением окружающей среды непосредственная выгрузка воды в источник становилась всё более экологически неприемлемой. Её необходимо было либо охладить перед возвратом в водоём, либо использовать повторно.
При строительстве объектов с высокой теплогенерацией, таких как электростанции, топографические соображения всегда принимались во внимание. Их размещали в непосредственной близости от водоёмов или создавали искусственные максимальной площади, чтобы иметь возможность хранения, рециркуляции и охлаждения больших масс воды. С целью сокращения зеркала воды или более эффективного использования, существующего на подобных объектах, стали внедрять системы распыления.
Следующим логичным шагом развития теплообменных комплексов было открытие того, что вертикальное распыление сверху вниз с большой высоты позволяет достичь более значительных снижений температуры жидкости. Вскоре после этого на смену ветру и тяге, создававшим в первых устройствах воздушные потоки, пришли специально для этого аэродинамически рассчитанные вентиляторы. Лучшее понимание механики и гидродинамики водяного охлаждения привело к включению в конструкции барьеров, замедляющих падение жидкости и обеспечивающих больший контакт между водой и воздухом для получения дополнительного охлаждения.
Благодаря вертикальной ориентации, необходимая для теплообмена с атмосферой площадь в проекции на землю сократилась до тысячи раз в сравнении с водоёмом. В наше время развитие подобной конструкции градирни для охлаждения воды осуществляется путем применения современных материалов и внедрения принципа модульности в установках.
Принцип работы и применение
Градирня (или градильня, как неверно её называют) представляет собой теплообменник, используемый для передачи отходов технологического тепла в атмосферу путём охлаждения потока рабочей жидкости. Тип отвода тепла в большинстве этих устройств называют испарительным, поскольку наибольшая часть его тратится на испарение в потоке движущегося воздуха, обеспечивая тем самым охлаждение остальной части жидкости. Тепло, переданное подвижному воздуху, вместе с последним уходит в атмосферу.
Градирный способ теплопередачи обеспечивает значительные понижения температуры, недостижимые для воздушного охлаждения или сухих теплообменников, таких как радиатор автомобиля, поэтому испарительные башни считаются самыми эффективными системами для удаления больших количеств тепла. После охлаждения вода возвращается из градирни для повторного использования без той части, которая была потеряна в виде пара и капельного дрейфа, из-за чего для поддержания рабочего цикла нужно добавлять некоторое количество жидкости в систему.
Устройство градирни, её назначение и принцип работы зависят от многих факторов. Главная задача того или иного конструктива — обеспечение максимальной экономической и энергетической эффективности работы систем, нуждающихся в охлаждении. Они могут отличаться по размеру и устройству в зависимости от нагрузки теплообмена и относительной влажности окружающего воздуха. Большинство из представленных на рынке и действующих устройств можно разделить на два класса по их назначению:
- промышленные;
- предназначенные для систем отопления, вентиляции и кондиционирования.
Первые предназначены для отвода большого количества тепла от нагретых материалов, машин или производственных процессов. Самые крупные градирни применяют для рассеивания в окружающую среду калорий, поглощённых циркулирующими водяными системами охлаждения на таких предприятиях, как:
- электростанции;
- нефтеперерабатывающие заводы;
- химические заводы.
Градирни для климатических инсталляций предназначены для отвода избытка тепла от охлаждающих машин и конденсаторов тепловых насосов.
Как правило, они находят применение в промышленных и общественных зданиях в качестве экологически чистых устройств, способных наиболее эффективным образом понизить температуру тёплой воды. Монтаж подобных агрегатов на кровле позволяет избежать шумового загрязнения в городской среде.
Основные типы
Градирни могут быть классифицированы в зависимости от конструкции, формы, мощности, назначения.
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.
Во всём остальном косвенные градирни похожи на прямые. Разница лишь в том, что охлаждаемая жидкость не имеет контакта с атмосферой или рециркуляционной водой испарителя.
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.
Конструктивное разнообразие
Подавляющее большинство градирен работают на смешивании воды и воздуха. Основная задача конструкторов — устроить процесс таким образом, чтобы обеспечить контакт жидкости с воздухом на максимальной площади. По способу организации потоков их можно разделить на естественные и принудительные.
Атмосферные башни. Это те масштабные структуры, которые можно встретить на территории ТЭЦ. Для их башен характерно цилиндрическое исполнение с широким основанием, сужением в середине и расширенным горлом в верхней части. Геометрическая фигура, близкая к форме таких градирен, называется параболическим гиперболоидом. Ответу на вопрос, зачем архитекторы и инженеры делают градирни именно такими, может помочь понимание аэродинамических процессов, происходящих в башне.
В атмосферном (гиперболическом) типе градирен пар от горячей воды поднимается наверх естественным образом, благодаря явлению конвекции. Как правило, их делают высокими, чтобы создать необходимую тягу изнутри башни и обеспечить эффективное рассеивание пара. Сужение башни посередине помогает увеличить скорость параллельных ламинарных потоков без какого-либо их нарушения.
Верхнюю часть градирни расширяют для того, чтобы увеличить площадь, на которой происходит смешивание пара с атмосферным воздухом. Это позволяет производить процесс охлаждения более эффективно. Есть и несколько других причин такой формы у градирен. Например, гиперболоидные высотные конструкции очень прочны в сравнении с цилиндрическими, а широкое основание позволяет получить достаточно места для размещения оборудования.
Градирни атмосферного типа чрезвычайно надёжны и предсказуемы в тепловой производительности. Несмотря на их сравнительно высокую стоимость, они широко используются в сферах производства электроэнергии, где присутствуют большие нагрузки по охлаждению и востребован длительный период амортизации без капитального ремонта.
С принудительной тягой
Механизированные градирни используют один или несколько вентиляторов, чтобы обеспечить прохождение необходимого количества воздуха через башню. Таким образом, теплообмен внутри них более управляем и стабилен, чем у зависящих от атмосферных условий гиперболических конструкций.
В принудительных градирнях вентиляторы могут как создавать приток окружающего воздуха, так и служить источниками вытяжной тяги. Первые менее стабильны и склонны к обледенению. Обычно они оснащены экономичными центробежными вентиляторами, способными работать против статических давления, которые устанавливают в отдельных помещениях. Вентиляторы градирен с механизированной вытяжкой работают со скоростями в несколько раз выше, чем у входных потоков. Это позволяет эффективно создавать зону пониженного давления, но не обладает надёжностью, так как трудно обеспечить безупречную работу механизмов в условиях высокой влажности.
Существуют также гибридные проекты, представляющие собой башни естественной тяги, оснащённые механизмами для увеличения потоков воздуха. Задача таких конструкций — минимизировать мощности, необходимые для их генерации. Принудительные потоки в них создаются только при дефиците тяги, например, в жару или во время пиковых нагрузок. Подобные градирни называют вентиляторными с естественной тягой.
Вентиляторы в градирнях позволяют создавать потоки распыляемой воды и воздуха в любых направлениях. Разделяют два основных типа по этому свойству:
- тангенциальные;
- противоточные.
В первых воздух проходит перпендикулярно падающей жидкости. Горячая вода распределяется под воздействием силы тяжести, что устраняет необходимость в устройстве распыления. Экономичность и простота обслуживания — основные преимущества этого типа охладителей. Противоточные градирни используют вертикальное движение воздуха в комбинации с системами распыления воды под высоким давлением. Такие конструкции в сравнении с тангенциальными требуют вентиляторов большей мощности и дополнительных затрат энергии на работу насосов. Их достоинство — компактные размеры и высокая производительность.
При принятии решения об использовании конкретного типа градирни в том или ином случае инженеры учитывают множество факторов: потребление энергии, воздействие на окружающую среду, стоимость капиталовложений и эксплуатационные расходы, особенности и функциональные возможности.
Несмотря на простоту устройства, градирни требуют комплексного подхода в их применении.
