il76

Всё об устройстве охлаждения воды – градирни

Градирни являются наиболее экономичным и эффективным способом охлаждения больших объемов воды и различных жидкостей, поскольку в них не используется аммиак, фреон и прочие вещества, участвующие в теплообмене, для которых требуется дополнительная электроэнергия и поэтому могут считаться экологичным решением.



Градирня – это специальное устройство, предназначенное для охлаждения воды потоком атмосферного воздуха.

Слово «градирня» произошло от немецкого «gradieren», что значит – сгущать солевой раствор, так как изначально градирни служили для добычи соли путем выпаривания.
Первая башенная градирня (охладительная башня), в том виде, которую мы сейчас знаем, появилась в 1918 г. в Голландии в городе Херлен. Типовую гиперболоидную конструкцию градирни с естественной тягой разработал профессор машиностроения Фредерик Ван Итерсон. С тех пор вид башенных градирен не менялся. Но появилось много новых видов градирен – современных и технически усовершенствованных.

Градирни служат для охлаждения теплоносителя, циркулирующего в замкнутых системах, с помощью воздуха из окружающей среды.

Содержание

  • Классификация – какие бывают градирни.
  • Эжекционные градирни.
  • Вентиляторные градирни.
  • Башенные градирни.
  • Закрытые градирни.
  • Мокрые градирни NCT и их применение.
  • Сухая градирня или драйкулер.
  • Выбор типа градирни для конкретных условий.

Классификация – какие бывают градирни

В зависимости от решаемых задач, существует множество различных типов градирен. В данной статье мы остановимся на наиболее распространенных разновидностях этого оборудования.

Все градирни подразделяются на две большие категории:

  • испарительные или мокрые градирни,
  • сухие градирни или драйкулеры.

Основные принципы работы:

В градирнях испарительного(мокрого) типа охлаждение теплоносителя(вода, антифриз, водогликолевый  раствор и т.п) происходит за счет испарения влаги в окружающую среду. Принцип их работы состоит в том, что в процессе испарения расходуется энергия, и эту энергию «отнимают» у жидкости, которую требуется охладить. Известно, что чтобы испарить 1 кг воды необходимо затратить 0,67 кВт энергии, поэтому при испарении больших объемов влаги теплопотери будут значительными. Испарение в градирне происходит с помощью принудительной циркуляции подаваемого воздуха.

Сухие градирни охлаждают теплоноситель без подачи воды (поэтому они и называются сухими), только за счет направленного воздушного потока, который, нагреваясь, уносит с собой часть «отнятого» тепла. Понятно, что эффективность драйкулера всегда меньше, чем эффективность испарительной градирни, и в жаркую погоду она минимальна.

Испарительные (их еще иногда называют мокрыми градирнями, в отличие от «сухих» драйкулеров) градирни в свою очередь делятся на:

  • открытые градирни,
  • закрытые градирни.

Градирни открытого типа отличаются более простым устройством по сравнению с закрытыми. В открытых градирнях охлаждаемый теплоноситель имеет непосредственный контакт с окружающей средой, т.е. с подаваемым воздухом. В мокрых градирнях открытого типа происходит непосредственный контакт окружающей среды с оборотной водой. Горячая вода разбрызгивается через форсунки и охлаждаться центробежными или осевыми вентиляторами.
По наличию оросителя открытые мокрые градирни делятся на:

  • эжекционные,
  • оросительные.

В оросительных градирнях подача воздушных масс производится с помощью центробежных или осевых вентиляторов. Градирни такого типа незаменимы, когда потребителю, например, холодильной машине, необходимо охлаждать большое количество теплоносителя, а также в ситуации, когда требуется получить на выходе теплоноситель с низкими значениями температуры.

Но и это не все – оросительные градирни также подразделяются на:

  • вентиляторные градирни,
  • башенные градирни.

Эжекционные градирни

Схема работы эжекционной градирни. 

Принцип действия эжекционной градирни:

Горячий теплоноситель подается в градирню с большой скоростью, порядка 16-20 м/с, и через очень мелкие отверстия (эжекторы). В результате образуется мелкодисперсная водяная пыль, которая, двигаясь очень быстро, образует внутри градирни область пониженного давления. За счет этого, совместно с влагой, через эжекторы внутрь градирни затягивается холодный атмосферный воздух, который смешивается с водой и охлаждает ее.

В результате этого происходит теплообмен, который производится на всей поверхности капель. Понятно, что площадь соприкосновения холодного воздуха и горячих капель очень велика, поэтому эффективность теплообмена большая.

Градирня эжекционного типа состоит из стального корпуса с трубопроводом, через который поступает вода в виде мелкодисперсной пыли. В эжекционных градирнях жидкость распыляется под давлением примерно в 4-7 бара. Благодаря этому капли получаются очень маленького размера (не более пятой части миллиметра), но движутся с высокой скоростью (около 18 метров в секунду). Водяной поток смешивается с атмосферным воздухом, в результате чего происходит нужный теплообмен

Основное назначение эжекционной градирни – охлаждение очень горячего теплоносителя. Она может эффективно работать при температуре охлаждаемой жидкости 50°С, 60°С и даже выше, другие градирни на такое не способны. 

Главное преимущество эжекционных градирен  – возможность охлаждать воду с высокой температуры. При необходимости она может охлаждать воду, температура которой превышает 60°С (ороситель не выдерживает подобных температур).

Однако их широкому распространению мешает сразу несколько серьёзных недостатков:

  • Для работы нужно создать в градирне высокое давление (требуется обеспечить на входе высокое давление жидкости: 0,4-0,7 МПа). Для этого используются водяные насосы, которые должны быть достаточно мощными, больше мощность – больше эксплуатационные расходы. Например,  если эффективная работа вентиляторной градирни возможна при мощности насоса в 45 кВт, то в эжекционной градирне понадобится насос с мощностью в два-три раза больше. Помимо больших расходов, это также приводит к повышенному износу трубопроводов подачи воды.
  • Зимой эксплуатация эжекционных градирен практически невозможна. Мелкодисперсная водяная пыль быстро замерзает, что требует организации байпасирования.
  • Эжекционные градирни приводят к большому расходу воды в результате ее уноса. Использование водоуловителей на выходе воздушного потока невозможно, так как это сильно ухудшает эффективность работы.

Эжекционные градирни рекомендуется использовать только в том случае, если вам обязательно необходимо охлаждать очень горячую воду или ее незначительное количество.

Вентиляторные градирни

Вентиляторные (вентиляционные) градирни – это устройства для охлаждения оборотной воды воздухом, нагнетаемым с помощью вентилятора.

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».

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.

Схема работы вентиляторной градирни.

Принцип действия вентиляторной градирни:

Горячий теплоноситель подается в градирню сверху, разбрызгивается через форсунки в виде капель на оросителе, 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.

Жидкость, которую требуется охлаждать, разбрызгивается на ороситель, после чего стекает в накопитель. Воздух для охлаждения подается через нижнюю часть корпуса и далее идет вверх за счет работы вентилятора. Уменьшение потерь воды достигается посредством монтажа каплеуловителя, который находится на пути воздушного потока.

Использование различных вариантов оросительных блоков и вентиляторов разной мощности позволяет использовать градирни этого типа во многих отраслях промышленности. Наличие регулирующих установок и возможности реверса привода дает возможность эксплуатировать градирни при отрицательной температуре воздуха.

Если говорить о конструкции, то внутри вентиляторных градирен находятся следующие элементы:

  • вентилятор с электродвигателем;
  • водораспределительная система (каплеуловитель, форсунки, ороситель);
  • фильтры;
  • фланцы;
  • поддон;
  • термостат.

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.

Капельно-пленочные оросители наиболее эффективны.

В градирнях вентиляторного типа используются два вида вентиляторов: осевые и центробежные. У каждого из которых есть свои преимущества и недостатки:

  • Градирни с осевым вентилятором отличаются пониженным электропотреблением, но при этом значительно меньшим напором, а значит и меньшим перепадом температур.
  • Градирни с центробежным вентилятором создают перепад до 30-35°С, обеспечивая глубокое охлаждение, но при этом их энергопотребление выше.

Вентиляторные градирни также отличаются по исполнению и бывают:

  • заводской готовности
  • и строительные.

И еще одним критерием в классификации вентиляторных градирен является различие по направлению воды и воздуха в градирнях  и бывают:

  • Противоточная градирня – если поток подаваемой воды параллелен потоку воздуха (последний подается навстречу). К противоточным градирням относятся вентиляторные и башенные градирни.
  • Перекрестноточная градирня – когда воздух подается под углом в 90 градусов к потоку воды. В этом типе градирни воздух перемещается в горизонтальной плоскости и под прямым углом к потоку воды.

Подаваться воздух может с одной стороны от потока жидкости или с противоположных. В соответствии с этим параметром выделяют два вида градирен:

  • Однопоточная.
  • Двухпоточная.

Вода для охлаждения поступает через верхнюю часть устройства и попадает в водораспределяющее устройство лоточного типа. Далее вода течет самотеком вниз по оросителю. Контакт с большим количеством воздуха приводит к частичному испарению воды и ее охлаждению.

Перекрестноточные градирни широко распространены в промышленности, однако имеют несколько минусов:

  • из-за перекрестноточного потока воды и воздуха они показывают меньшую эффективность, чем противоточные. Для достижения той же мощности приходится использовать градирни больших размеров и стоимости;
  • высокое аэродинамическое сопротивление орошаемой поверхности и отсутствие подпора затрудняет эксплуатацию при минусовой температуре воздуха. Часто градирни обмерзают и не выполняют возложенных на них задач.

Использовать градирни перекрестноточного типа целесообразно в местности с теплым климатом. Они позволяют рационально использовать производственные площади, так как разрабатываются высокими, но компактными. В российских реалиях их эксплуатация нецелесообразна, тем более что такие изделия обычно делают зарубежные производители и выполнять их текущий ремонт, как правило, сложно и дорого.

На заметку:

  • «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.

Плюсы вентиляторных (вентиляционных) градирен очевидны:

  • максимальная гибкость и настраиваемость конструкции;
  • отсутствие намерзания льда в зимний период;
  • высокая эффективность охлаждения жидкости;
  • простота повседневной эксплуатации и ремонта.

Башенные градирни

Башенные градирни предназначены для охлаждения значительного количества жидкости на небольшую температуру (перепад около 5-10°С) без использования электроэнергии. Они работают на естественной тяге, в отличие от вентиляторных.

Эти градирни тоже относятся к испарительному типу, но имеют весьма специфический характер применения благодаря своим возможностям – башенная градирня предназначена для охлаждения большого количества теплоносителя за счет естественных процессов, т.е. без использования электроэнергии. При этом охладить влагу башенная градирня способна только в пределах 5°С… 10°С. Обычно башенные градирни строят у крупных предприятий и электростанций, где на постоянной основе производятся большие объемы воды, которую нужно дешево охладить. Тяга воздуха в градирне этого типа создается из-за перепадов давления воздуха внизу башни и на ее выходе. Поэтому башенные градирни просто не могут быть «маленького роста» – не будет тяги.

Башенная градирня представляет собой конструкцию из металла или железобетона, которая имеет вид усеченного конуса. Внутри располагаются такие элементы, как:

  • система, подающая воду;
  • ороситель;
  • резервуар.

Принцип действия башенной градирни:

Атмосферный воздух поступает внутрь через отверстия внизу сооружения, проходит через трубу и ороситель за счет природной тяги и охлаждает воду. Тяга создается благодаря разнице между удельным весом поступающего воздуха в градирню и нагретого, выходящего из нее, а также благодаря высоте и конструктивным особенностям башни.

Чаще всего башенные градирни используются для охлаждения воды на больших промышленных предприятиях, таких как теплоэлектростанции или АЭС.

Экономичная эксплуатация башенных градирен довольно выгодна, однако их строительство требует немалых затрат и большой площади для размещения.

Закрытые градирни

В градирне закрытого типа охлаждаемый теплоноситель и охлаждающие его вода и воздух разделены – контакт между ними отсутствует. Теплоноситель, который требуется охладить, проходит внутри градирни по теплообменнику змеевидной формы, на поверхность которого подаются вода и воздух, имеющие более низкую температуру.

Схема работы закрытой градирни:

Таким образом, внутри закрытой градирни созданы два контура подачи жидкости: первичный, по которому циркулирует охлаждаемый теплоноситель, и вторичный или внешний, по которому циркулирует вода, подаваемая на змеевик, чтобы охладить его. Поэтому иногда закрытые градирни называют гибридными.

Принцип действия закрытой градирни:

Циркулирующая оросительная вода подается сверху, омывает змеевик теплообменника и, смешиваясь с подаваемым наружным воздухом, охлаждает его. Далее она падает в виде капель, собирается внизу агрегата и с помощью циркуляционного насоса вновь подается на змеевик.

В мокрых градирнях закрытого типа расположен герметичный теплообменник, через который проходит вода или охлаждающая жидкость основного контура, а сам теплообменник охлаждается водой и воздухом из внешней среды.

Благодаря такому расположению исключается контакт оборотной воды с окружающей средой, а значит и исключено попадание в контур различного мусора и загрязнений.

Технология косвенно-испарительного охлаждения

Закрытые градирни обладают рядом достоинств:

  • в градирне закрытого типа применяется одновременно как испарительное, так и сухое охлаждение, что позволяет более эффективно отводить теплоту и настраивать режим работы, в зависимости от погодных условий. Например, применять испарительное охлаждение, когда температура окружающей среды довольно высока и сухое охлаждение малоэффективно. И включать сухое охлаждение, когда температура воздуха низкая;
  • комбинация «два в одном» разных систем охлаждения позволяет снизить эксплуатационные расходы, но стоимость таких градирен может быть выше;
  • отсутствие контакта охлаждаемой жидкости с окружающей средой улучшает качество теплоносителя, ввиду снижения риска попадания в него загрязнений,
  • снижается частота технического обслуживания градирни.

Мокрые градирни NCT и их применение

Непосредственное охлаждение технологических процессов(примеры):

  • Охлаждение термопластавтоматов в производстве пластика.
  • Охлаждение вакуумно-выпарных установок в производстве крахмала, подсолнечного масла, томатной пасты и проч.
  • Охлаждение сварочных станков.
  • Охлаждение компрессоров сжатого воздуха.

2. Охлаждение конденсаторов холодильных установок (чиллеров)

Самое большое применение градирни находят в области систем кондиционирования воздуха для водяного охлаждения конденсаторов чиллеров мощностью более 500 кВт. Холодильный коэффициент чиллера при замене воздушного охлаждения (Т конденсации = 45-55°С) на водяное охлаждение с помощью градирен (Т конденсации = 30-35°С) вырастает в два раза, а значит снижается электропотребление чиллера в два раза.

Для абсорбционных (работающих на тепловой энергии) и турбочиллеров градирни являются единственным вариантом. Нужно добавить, что цена градирни в два-три раза ниже цены воздушного конденсатора. Именно поэтому большинство крупных систем кондиционирования выполнены на мокрых градирнях (Москва-сити, Кремль, и так далее).

Мокрая градирня. Принцип действия:

Охлаждаемая вода проходит через распределительную систему (1) и подается на форсунки (2), которые распыляют воду над оросителем (3), установленным в корпусе (4)градирни. За счет развитой поверхности оросителя обеспечивается равномерное стекание воды в виде тонкой пленки. При этом обеспечивается эффективное охлаждение воды встречным потоком наружного воздуха.

Небольшое количество воды испаряется, а основной объем охлажденной воды поступает в поддон (5) градирни. Перед возвратом в систему вода проходит механическую очистку в сетчатом фильтре. Для очистки фильтра и обслуживания рабочих механизмов градирни предназначен сервисный люк.

Испарившаяся вода компенсируется открытием клапана подпитки, подключенного к системе водоснабжения. Необходимый минимальный уровень воды в поддоне поддерживается совместной работой реле уровня воды и клапана подпитки. При аварийном превышении допустимого уровня, избыточная вода удаляется из градирни через переливной трубопровод.

Для защиты воды в поддоне градирни от замерзания, предусмотрена установка ТЭНов с управлением по термостату.

Сухая градирня или драйкулер

Схема работы драйкулера.

Принцип действия сухой градирни:

В драйкулере охлаждаемый теплоноситель движется по замкнутому теплообменнику, который обдувается потоком воздуха, создаваемого с помощью вентиляторов. Для улучшения качества теплообмена теплообменник изготавливают из медных или алюминиевых трубок с ребристым профилем, увеличивающим площадь поверхности теплообмена. Возможностей драйкулера хватает, чтобы охладить теплоноситель не более, чем на 5°С… 7°С.

Наибольшее распространение сухие градирни получили в системах кондиционирования, с использованием  чиллера с водяным охлаждением конденсатора. В большинстве случаев при такой схеме чиллер устанавливается внутри здания – в эксплуатационном помещении, в то время как сухая градирня размещается снаружи здания: на крыше или на прилегающей территории.

При реализации этой схемы теплоноситель сначала направляется в градирню, где происходит начальная фаза его охлаждения, а затем уже поступает в теплообменное устройство чиллера. Там жидкость окончательно остывает до заданных значений температуры.

  • В зависимости от температуры окружающей среды, количество воздуха, необходимое для охлаждения поверхности теплообменника, различно. Поэтому драйкулеры оснащаются регуляторами скорости вращения вентиляторов, которые позволяют задать нужный режим их работы в соответствии со значениями температуры наружного воздуха и/или температуры воды в контуре охлаждения конденсатора.

В ночное время, когда окружающий воздух достаточно прохладен, сухая градирня самостоятельно охлаждает теплоноситель до нужного значения, а чиллер просто отключается – при этом экономится значительная часть дорогостоящей электроэнергии.

Выбор типа градирни для конкретных условий

Как и любое другое оборудование, разные типы градирен предназначены для решения различных вопросов. Чтобы вам было проще сориентироваться при подборе подходящего для конкретного проекта типа градирни, мы собрали рекомендации по их применению в одном месте. Чтобы коротко и по делу, итак:

  • Драйкулеры незаменимы, когда в качестве теплоносителя используются токсичные жидкости, например, этиленгликоль. Поэтому сухие градирни наиболее часто применяются при кондиционировании помещений.
  • Закрытые градирни нужны, если существуют жесткие требования по составу и чистоте теплоносителя, а диапазон охлаждения теплоносителя шире, чем 5°С… 7°С, как у драйкулера.
  • Башенные градирни хороши лишь для крупных предприятий и объектов.
  • Эжекционная градирня оправдана, если температура охлаждаемой жидкости равна 50°С и выше. И если температура охлажденного теплоносителя на выходе не должна быть очень низкой.

Во всех остальных случаях выгоднее приобрести вентиляторную градирню.

Технология Dry & Spray для сухих градирен

На заметку:

  • «Наибольшее распространение сухие градирни получили в системах кондиционирования с использованием чиллера с водяным охлаждением конденсатора. В большинстве случаев при такой схеме чиллер устанавливается внутри здания – в эксплуатационном помещении, в то время как сухая градирня размещается снаружи здания: на крыше или на прилегающей территории».

Другие важные критерии выбора градирен

 Помимо конструкционных особенностей и принципа действия градирни, при выборе подходящего оборудования для организации собственного производства необходимо обращать внимание и на ряд других факторов:

  • Величина капитальных затрат на приобретение оборудования, покупку дополнительных устройств и услуги по монтажу.
  • Срок эксплуатации градирни без необходимости ремонта.
  • Простота и экономичность обслуживания.
  • Материалы, из которых сделана градирня.

Например, существуют:

  • Стеклопластиковые градирни, которые не подходят для эксплуатации в условиях российского климата.
  • Есть металлические градирни, более надежные и качественные, но подвержены коррозии, за исключением градирен со специальным антикоррозийным покрытием, такие как градирни NCT с покрытием Armour.
  • Также существуют бетонные градирни (башенные).

Популярные модели:

Материалы по теме: