4. Градирни

Градирня представляет собой сооружение для охлаждения воды в оборотных системах водоснабжения.

По способу передачи тепла атмосферному воздуху их можно классифицировать:

1. испарительные, в которых передача тепла от воды воздуху осуществляется в основном за счет испарения;

2. радиаторные, или сухие, в которых передача тепла от воды воздуху осуществляется через стенку радиаторов за счет теплопроводности и конвекции;

3. смешанные, в которых используется передача тепла за счет испарения, теплопроводности и конвекции.

По способу создания тяги воздуха градирни разделяются:

1. вентиляторные, через которые воздух прокачивается нагнетательными или отсасывающими вентиляторами;

2. башенные, в которых тяга воздуха создается высокой вытяжной башней;

3. открытые, или атмосферные, в которых для протока воздуха через них используются естественные токи воздуха - ветер и отчасти естественная конвекция.

В зависимости от конструкции оросительного устройства и способа увеличение поверхности соприкосновения воды с воздухом, градирни подразделяются на пленочные, капельные и брызгальные.

Вентиляторные градирни

Вентиляторная градирня (рисунок 5.4) включает в себя следующие основные элементы: оболочку (корпус), состоящую из каркаса, обшитого листовым материалом, водораспределительное устройство, ороситель, водоуловитель, водосборный бассейн и вентиляторную установку.

В градирнях применяют преимущественно низконапорные трубчатые системы распределения воды с разбрызгивающими соплами. Схемы и конструктивные размеры пластмассовых сопел - тангенциального, ударного с зубчатым отражателем и раструбного - приведены на рисунке 5.5.

Рисунок 5.4 - Схема вентиляторной противоточной градирни

1 - диффузор; 2 - вентилятор; 3 - водоуловитель; 4 - водораспределительная система; 5 - оросительное устройство; 6 - воздухонаправляющий козырек; 7 - воздуховходные окна; 8 - воздухораспределительное пространство; 9 - переливной водовод; 10 - грязевой водовод; 11 - водосборный бассейн; 12 - ветровая перегородка; 13 - отводящий водовод; 14 - подводящий водовод

В градирнях применяются три типа оросительных устройств (рисунок 5.6): пленочные, капельные и брызгальные.

Пленочный ороситель обеспечивает наибольшую поверхность соприкосновения для тепломассообмена воды с воздухом при меньших по сравнению с другими типами аэродинамических сопротивлениях и имеет наиболее высокий эффект охлаждения воды.

Ороситель брызгального типа представляет собой воздухонаправляющие щиты, которые одновременно несколько увеличивают поверхность соприкосновения воды с воздухом и время контакта этих сред.

Рисунок 5.6 - Разбрызгивающие пластмассовые сопла

а - тангенциальное; б - ударное с зубчатым отражателем; в – раструбное

Рисунок 5.7 - Конфигурации оросителей

а - б – деревянные капельные оросители, в - д – пленочные щитовые оросители, е – ж – капельно-пленочные оросители

К водоуловителям предъявляются требования максимально возможного снижения выноса капель из градирни с потоком воздуха при минимальном аэродинамическом сопротивлении. Некоторые конструкции водоуловителей изображены на рисунке 5.8.

Рисунок 5.8 - Схемы водоуловителей

I - деревянный двухрядный, II - пластмассовый уголковый конструкции ВНИИГ, III - асбестоцементный с криволинейным очертанием лопаток, IV - пластмассовый с криволинейным очертанием лопаток, V - пластмассовый трехрядный

Расчет вентиляторных градирен

Перед началом расчета надлежит разработать тип и конструкцию градирни, наметить марку вентилятора, выбрать основные размеры градирни (секции), воздуховходных окон, воздухораспределителя, оросителя, водоуловителя.

Конечной целью расчета вентиляторных градирен является определение плотности орошения q_ж и числа градирен (или секций), обеспечивающих охлаждение заданного количества воды G_ж от температуры t₁ до температуры t₂ при расчетных параметрах атмосферного воздуха J₁, j₁ (t₁) и P_б.

Тепловой расчет градирен производится на неблагоприятные для работы этих сооружений атмосферные условия в летние месяцы года. Расчет градирен необходимо выполнять исходя из среднесуточных температур атмосферного воздуха.

Расчет можно условно разделить на два этапа. На первом этапе определяется удельный расход воздуха l, на втором - плотность орошения q_ж и число градирен (секций) N.

Первый этап. Для определения величины l вычисляются вспомогательные величины Y, U и R по формулам:

, (5.10)

; (5.11)

; (5.12)

. (5.13)

Величины удельных энтальпий воздуха, входящих в формулы (5.10) и (5.11), могут быть определены по номограмме рисунок 5.9 или формулам приведенным в справочной литературе.

i²₁ = f (t₁, j, P_б), кДж/кг при j = 1;

i²₂ = f (t₂, j, P_б) кДж/кг при j = 1;

i₁ = f (J₁, j₁, P_б) кДж/кг при j = 1.

Величина di² вычисляется по формуле

, (5.13)

i″_m = f (t_ср, j, Р_б) при j = 1;

Входящие в формулу (7) величины h_ор, m и А принимаются в зависимости от выбранной конструкции оросителя по табличным данным с учетом выбранного проекта градирни.

Рисунок 5.9 - Номограмма для определения величины удельных энтальпий воздуха

В тех случаях, когда в проекте применен ороситель другой высоты, но той же самой конструкции, необходимо произвести корректировку величины А:

, (5.14)

где определяется по графику, рисунок 5.10, h_ор - высота оросителя, h_пр - принятая в проекте высота оросителя h_ор, отличающаяся от табличной; А_пр - поправочный коэффициент к величине h_ор.

Величина l вычисляется по формуле:

. (5.15)

Рисунок 5.10 - График для определения коэффициента

Второй этап. На втором этапе технологического расчета определяется плотность орошения q_ж, кг/ (м²·ч), и по ней число градирен (секций) N.

Плотность орошения определяется по уравнению любым математическим методом:

, (5.16)

где ; (5.17)

, (5.18)

, (5.19)

z₁ = k_ор h_ор + 0,000025 l + 0,0002, (5.20)

z₂ = z_гр + z_с.о. h_ор + 0,1 l + z_в.у. (5.21)

Коэффициенты Л, М и d_в принимаются по таблицам. Плотность влажного атмосферного воздуха g₁, кгс/м³, определяется по графику рисунок 5.11.

Значения коэффициента аэродинамического сопротивления сухого оросителя z_c.o и коэффициента k_ор, учитывающего дополнительные аэродинамические сопротивления от стекающей по оросителю воды, принимаются по таблицам в зависимости от выбранной конструкции оросителя.

Значение коэффициента аэродинамического сопротивления градирни без оборудования (оросителя и водоуловителя) z_гр определяется по рисунку 5.12 в зависимости от отношения площади воздуховходных окон градирни (секции) f_ок к площади градирни (секции) в плане f_оp.

Рисунок 5.11 - График для определения плотности влажного воздуха

Рисунок 5.12 - График зависимости z_гр от отношения f_ок/ f_ор

1 - башенные градирни; 2 - отдельно стоящие градирни с конфузором и диффузором перед и после вентилятора; 3 - квадратные секционные градирни; 4 - прямоугольные секционные градирни (отношение сторон 1:1,5)

Коэффициент аэродинамического сопротивления водоуловителей z_ву принимается табличным данным.

Буквой l в формулах (5.20) и (5.21) обозначена длина воздухораспределителя; при двухпоточной градирне (входные окна для воздуха с двух противоположных сторон) величина l равна 1/4 ширины градирни, при однопоточной - 1/2 ширины градирни. Для градирни с забором воздуха со всех сторон l равна половине радиуса круглой градирни в плане или половине длины стороны квадрата для градирни, квадратной в плане.

По величине q_ж, определенной по уравнению (5.16), вычисляется число градирен N:

. (5.22)

После определения плотности орошения необходимо проверить соответствие аэродинамических сопротивлений градирни напору, развиваемому вентилятором. Для этой цели вычисляется подача воздуха вентилятором, G″_в, м³/ч, исходя из формулы:

. (5.23)

Если окажется, что вычисленная таким образом подача воздуха вентилятором будет равна номинальной или близка к ней, то аэродинамическое сопротивление градирни считается соответствующим напору вентилятора. Отклонение от номинальной подачи допускается до ± 20 %.

В ряде случаев при отсутствии надежных данных о сопротивлениях отдельных элементов градирен или характеристики вентилятора, можно приблизительный расчет градирни производить исходя из номинальной подачи воздуха вентилятором.

При этом первый этап расчета выполняется по методике, изложенной выше. По величине l, полученной в результате первого этапа, и по номинальной подаче воздуха вентилятором G″_в, м³/ч, определяется плотность орошения по формуле:

. (5.24)

Башенные градирни

Башенные градирни применяют в системах оборотного водоснабжения, требующих устойчивого и глубокого охлаждения воды при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках.

Рисунок 5.13 - Башенная противоточная градирня

1 - вытяжная башня; 2 - водоуловитель; 3 - водораспределительная система; 4 - оросительное устройство; 5 - воздухорегулирующее устройство; 6 - водосборный бассейн

Расчет башенных градирен

Потери воды на испарение G_и определяются по формуле:

G_и = k_и Dt G_ж, м³/ч, (5.25)

где k_и - коэффициент, учитывающий долю теплоотдачи испарением в общей теплоотдаче, принимаемый в зависимости от температуры наружного воздуха по сухому термометру по графику приведенному в справочниках.

Потери на унос через башни: для градирни, оборудованной водоуловителем меньше 0,05 %, без водоуловителя 0,5 - 0,8 % циркуляционного расхода воды.

Потери воды на унос ветром через воздуховходные окна составляют 0,02 - 0,05 % циркуляционного расхода воды (при средней скорости ветра до 3 м/с).

Задачей технологического расчета является определение температуры охлажденной в градирне воды по графикам, приведенным в справочной литературе.

Исходными данными для технологических расчетов являются:

• многолетние среднемесячные температуры атмосферного воздуха, относительная влажность атмосферного воздуха, скорость ветра и барометрическое давление;

• график обеспеченности температуры атмосферного воздуха для среднего и жаркого года и кривые связи температуры и относительной влажности воздуха;

• средние температуры и влажности воздуха в 13 ч для наиболее жаркого месяца;

• температура воздуха наиболее холодной пятидневки;

• роза ветров, преобладающее направление ветра в летний и зимний периоды года;

• расчетный ветровой район.

Рисунок 5.14 - График охлаждения воды для башенной градирни площадью f_ор = 1100 м³ с высотой градирни 52 м, высотой воздуховходных окон 4,5 м; диаметром башни на уровне верха оросителя 38,2 м; диаметр выходного сечения башни 25 м

Рисунок 5.15 - Графики охлаждения воды и поправок на Dt для градирен площадью f_ор = 1200; 1600; 2600 м²

Высота градирен 48,4; 53,7; 71,0 м; высота воздуховходных окон 3,3; 3,3; 4,3 м; диаметр башен на уровне верха оросителя 40,0; 46,0; 58,2 м; диаметр выходного сечения башен 26,0; 30,4; 37,9 м; плотность орошения q_ж = 6 м³/ (м²·ч); перепад температур воды Dt = 10 °С; для градирни f_ор = 2600 м² к температуре охлажденной воды t₂, определенной по графику, вводится поправка dt₂ = - 0,2 °С

Открытые градирни

Открытые градирни - капельные и брызгальные - предназначаются преимущественно для систем с расходом оборотной воды от 10 до 500 м³/ч. На рисунке 5.16 приведена схема открытой капельной градирни.

Рисунок 5.16 - Схема открытой капельной градирни

1 - водораспределительная система; 2 - оросительное устройство; 3 - воздухонаправляющие жалюзи; 4 - переливной водовод; 5 - грязевой водовод; 6 - отводящий водовод

Градирни характеризуются высоким охладительным эффектом без затраты электроэнергии на подачу воздуха, простотой строительных конструкций, условий эксплуатации и ремонта. Однако применение их ограничивается возможностью размещения на незастроенной площадке, сильно продуваемой ветром, а также допустимостью кратковременного повышения температуры охлаждаемой воды в период штиля.

Охладительный эффект работы открытых градирен надежно обеспечивается при оптимальных условиях:

• удельной тепловой нагрузке 29,3 - 62,6 МДж/ (м²·ч) [7 - 15 тыс. ккал/ (м²·ч)];

• перепада температуры воды 5 - 10 °С;

• глубине охлаждения воды t₂ - t₁ = 10 - 12 °С.

Определение площади оросителя и охладительного эффекта открытых градирен производится по графику, приведенному на рисунке 5.17.

Рисунок 5.17 - График охлаждения воды для открытой капельной градирни

Высота оросителя открытой капельной градирни принимается не более 10 м при числе ярусов решетника от 10 до 12. Расстояние между щитами решетника по высоте принимается от 0,75 до 0,9 м.

Распределение воды по площади оросителя осуществляется в виде напорной трубчатой системы с водоразбрызгавающими соплами или безнапорной системы с применением желобов со сливными трубками и разбрызгивающими розетками.

В открытых брызгальных градирнях оросительное пространство остается свободным от решетника для беспрепятственного падения капель воды в водосборный бассейн.

Направление ветра в зимний период по возможности должно обеспечивать унос паров и капель воды в сторону от близрасположенных сооружений и дорог.