5 Индивидуальное задание

5.1 Градирни

Гради́рня (нем. gradieren — сгущать соляной раствор; первоначально градирни служили для добычи соли выпариванием) — устройство для охлаждения большого количества воды направленным потоком атмосферного воздуха. Иногда градирни называют также охладительными башнями. В настоящее время градирни большой производительности применяются в системах оборотного водоснабжения для охлаждения воды поступающей на теплообменные аппараты (как правило, на тепловых электростанциях (в том числе АЭС) и ТЭЦ.

Принцип действия

Градирни имеют очень простой принцип действия. Снижение температурных показателей у жидкости происходит за счет отдачи тепла воздуху при испарении. При испарении 1% объема воды оставшаяся жидкость становится прохладнее на 6 градусов. Восполнение испарившейся воды производится из внешних источников.

Охлаждение воды, попадающей в градирню, осуществляется:

• обратным потоком;

• благодаря распылению под давлением нагретой жидкости с помощью форсунок на наполнитель с большой площадью поверхности, по которому вода медленно стекает в виде тонкой пленки;

• при помощи распыления теплоносителя в специальных каналах, где происходит естественный захват капель атмосферными воздушными потоками.

Во всех перечисленных случаях жидкость контактирует с воздухом, которому передает часть своего тепла, быстро охлаждаясь. После снижения температуры до требуемых показателей вода снова поступает на производственное оборудование, которому необходимо охлаждение.

Главные узлы конструкции:

• Ороситель. Это основная часть, которая определяет эффективность работы конструкции. Главной задачей данного элемента является создание наибольшей площади поверхности соприкосновения воды с потоками воздуха.

• Водоуловитель. Имеет волнообразную форму, необходим для снижения уноса капель при низком сопротивлении воздушному потоку. Служит для улавливания и осаждения летящих в воздухе капель. Также выполняет функцию распределителя и изменения направления потоков во время выхода из градирни.

• Водораспределительная система. Предназначена для равномерного распределения (зачастую распыления) жидкости по поверхности оросителя. Состоит из многочисленных трубопроводов с разбрызгивающими соплами на концах.

• Вентиляторные установки. Требуются для создания воздушного потока необходимой силы. Состоят из рабочего колеса, электрического привода и диффузора.

Во время работы градирен нужно применять различные фильтры, так как в технической воде, участвующей в оборотном процессе, часто находится большое количество взвешенных частиц. Это может быть ржавчина, окалины, ил, песок и т. д. Взвешенные части портят оборудование, засоряя форсунки.

Конструкции градирен обладают высокой эффективностью и производительностью. Их проектируют с учетом современных требований к использованию оборудования.

В зависимости от решаемых задач, существует множество различных типов градирен. Все градирни подразделяются на две большие категории:

• испарительные или мокрые градирни,

• сухие градирни или драйкулеры.

В градирнях испарительного типа охлаждение теплоносителя 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.

Существуют два основных типа открытых градирен:

• 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

Принцип действия эжекционной градирни таков. 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.

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.

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. Но за все надо платить, и эжекционная градирня имеет несколько серьезных недостатков:

• чтобы подавать теплоноситель внутрь с большой скоростью, требуется обеспечить на входе высокое давление жидкости: 0,3-0,4 МПа. А это означает, что в эжекционной градирне требуется установить водяной насос повышенной мощности. Больше мощность - больше эксплуатационные расходы, а также больше и износ трубопроводов подачи теплоносителя;

• в холодное время года эксплуатация эжекционных градирен сильно затруднена, т.к. водяная пыль легко замерзает;

• это, пожалуй, самый неэкономичный вариант с точки зрения расхода испаряемого теплоносителя, значительная часть которого просто улетает в атмосферу. Использование каплеуловителей на выходе воздушного потока невозможно, так как это сильно ухудшает эффективность работы эжекционной градирни.

Рисунок 3 - Схема работы эжекционной градирни

Вентиляторные градирни

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.

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

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.

Рисунок 4- Схема работы вентиляторной градирни

Капельно-пленочные оросители наиболее эффективны.

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.

Башенные градирни

Рисунок 5 - Градирни Baltimore Aircoil VXI закрытого типа

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.

Башенные градирни дешевы в эксплуатации, но требуют больших капитальных затрат на этапе строительства, а также значительной 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.

Рисунок 6 - 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.

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.

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.

Сухая градирня или драйкулер

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.

Рисунок 7 – Схема работы драйкулера

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.