Градирня

Гради́рня — устройство для охлаждения большого количества воды направленным потоком атмосферного воздуха. Иногда градирни называют также охладительными башнями (англ. cooling tower).

В настоящее время градирни в основном применяются в системах оборотного водоснабжения для охлаждения теплообменных аппаратов (как правило, на тепловых электростанциях, ТЭЦ, АЭС). В гражданском строительстве градирни используются при кондиционировании воздуха, например, для охлаждения конденсаторов холодильных установок, охлаждения аварийных электрогенераторов. В промышленности градирни используются для охлаждения холодильных машин, машин-формовщиков пластических масс, при химической очистке веществ.

Процесс охлаждения происходит за счёт испарения части воды при стекании её тонкой плёнкой или каплями по специальному оросителю, вдоль которого в противоположном движению воды направлении подаётся поток воздуха (вентиляторные градирни), а в случае с эжекционными градирнями охлаждение происходит за счёт создаваемой среды, приближенной к условиям вакуума специальными форсунками (обеспечивающими площадь тепломассообмена, каждая — 450 м² на 1 м³ прокачиваемой жидкости, представляющие собой принцип двойного действия, охлаждая распыляемую жидкость не только снаружи, но и внутри) и особенностями конструкции. При испарении 1 % воды, температура оставшейся массы понижается на 5,48 °C, а в случае с описанным эжекционным принципом охлаждения температура оставшейся массы понижается на 7,23 °C.

Основной параметр градирни — величина плотности орошения — удельная величина расхода воды на 1 м² площади орошения.

Основные конструктивные параметры градирен определяются технико-экономическим расчётом в зависимости от объёма и температуры охлаждаемой воды и параметров атмосферы (температуры, влажности и т. д.) в месте установки.

Использование градирен в зимнее время, особенно в суровых климатических условиях, может быть опасно из-за вероятности обмерзания градирни. Происходит это чаще всего в том месте, где происходит соприкосновение морозного воздуха с небольшим количеством теплой воды. Для предотвращения обмерзания градирни и, соответственно, выхода её из строя следует обеспечивать равномерное распределение охлаждаемой воды по поверхности оросителя и следить за одинаковой плотностью орошения на отдельных участках градирни (только для градирен с оросителем). Нагнетательные вентиляторы тоже часто подвергаются обледенению из-за неправильного использования градирни (для вентиляторных градирен). При использовании эжекционных градирен большая часть этих трудностей исчезает, потому что нет ни вентилятора, ни оросителя.

На ТЭЦ для охлаждения циркуляционной воды наиболее часто приме­няются градирни, при этом не требуется источник водоснабжения (река, озеро) расположенный вблизи станции. Их особенностью является компактность. Применяют гра­дирни как при расширении КЭС (если невозможно развитие прямоточного или прудового охлаждения), так и при строительстве КЭС.

По способу перемещения воздуха градирни разделяются на башен­ные, вентиляторные и открытые, а по способу образования поверхности охлаждения – на плёночные, капельные, брызгальные. В зависимости от направления движения воды и воздуха градирни выполняются противоточные, поперечноточные и смешанного типа (рис. 11.5). В башенных градирнях движение воздуха создаётся вытяжной башней, в вентиляторных – вентилятором, а в открытых – естественным движением воздуха (ветром).

Для увеличения контакта воды с воздухом применяются оросительные устройства, которыми вода, подаваемая из конденсатора, разделяется на струи или капли и стекает вниз по щитам. Охлаждение воды происходит за счёт испарения и контакта с воздухом, поступающим в ороситель­ные устройства через окна. Нагретый и насыщенный водяным паром воз­дух отводится из градирни.

В плёночных градирнях оросительное устройство выполняется в виде щитов, выполненных из досок, асбоцементных листов или пластмассовых элементов, выполненных в форме сот. Устанавливаются они вертикально или с небольшим уклоном. Плёнки нагретой в конденсаторах турбин воды стекают по листам и при соприкосновении с воздухом охлаждаются. Воздух движется между листами.

В капельных градирнях оросительное устройство выпол­няется из горизонтальных брусков треугольного или прямоугольного сечения, размещаемых в несколько рядов по высоте. Расположение брусков может быть коридорное, шахматное или каскадное. Капли воды падают с бруска на брусок и при соприкосновении с воздухом охлаждаются. В брызгальных градирнях вода распыливается соплами и в струях фонтанов охлаждается движущимся над брызгальном устройством воздухом. Охлажденная вода собирается в бассейне. Пленочные градирни имеют лучшие технические и экономические показатели благодаря большей поверхности охлаждения воды, стекающей в виде пленок по щитам и меньшему аэродинамическому сопротивлению

Для энергетики РФ характерно применение плёночных башенных градирен с естественной тягой. Вода циркуляционными насосами прокачивается через конденсатор турбин и подаётся к распределительным трубам, расположенным над оросительным устройством. Интенсивность охлаждения плёночной градирни по сравнению с капельной в 1,5÷2 paза выше. Вытяжные башни современных градирен выполнены из монолитного железобетона гиперболической формы. Ранее изготовлялись деревянными. Распределительные трубы пленочных градирен имеют сопла, распыливающие воду при давлении 0,015÷0,018 МПа. Основным размером градирни служит площадь оросительного устройства в горизонтальном сечении, которая достигает 4000÷6000 м², иногда до 9000 м². К оросительному устройству вода подаётся на высоту 9÷18 м, глубина бассейна - 2 м, высота вытяжной башни крупных градирен - 90÷150 м, диаметр выходного сечения - 45÷60 м.

Воздух поступает в нижнюю часть башни через окна высотой 3÷12 м, расположенные по ее периметру. Оросительные щиты выполняются высотой 120 и 250 см, ширина щитов 1,6 м, толщина - 5÷6 см, расстояние между щитами - 2,5 см.

Капельные градирни устанавливаются при неограниченной площади и применяются для охлаждения небольшого количества воды. В этих градирнях вода поступает в систему самотечных лотков, в днище которых установлены цилиндрические насадки. Под насадками расположены пластмассовые или фарфоровые тарелочки, с которых вода в виде струй и капель поступает на горизонтальные планки треугольного или прямоугольного сечения. По высоте они размещаются в несколько рядов. После них вода собирается в бассейне.

Капельно-плёночные градирни на периферии имеют оросительное устройство капельного типа, а в центральной части – устройство плёночного типа, имеющее более низкое гидравлическое сопротивление.

На ТЭЦ применяются крупные градирни площадью оросительного устройства (в горизонтальном сечении) 4000÷6500 м² и 9000 м². Их производительность определяется по летнему режиму при расчётных теплофикационных параметрах пара. В зимнее время температура охлаждённой в градирне воды, не должна быть ниже 10÷12 °С, чтобы исключить обмерзание. Это обеспечивается перекрытием окон щитами и установкой по периметру градирни тепловой завесы.

Вентиляторные градирни применяют в южных районах. Их используют на передвижных электростанциях. Особенность вентиляторных градирен – повышенный эффект охлаждения и простота регулирования температуры охлаждаемой воды. Они имеют меньшие размеры, но расход электроэнергии значительно выше и составляет до 0,5÷0,7 % вырабатываемой энергии. Движение воздуха создаётся пропеллерным вентилятором с вертикальной осью и приводом от электродвигателя. Стоимость вентиляторных и башенных градирен примерно одинакова.

Открытые градирни имеют небольшую производительность и повышенные потери воды при уносе. Применяются на малых ТЭС.

Охлаждение воды в градирнях происходит в основном за счёт испарения. Количество G_и теряемой при испарении воды связано с расходом G_о.в охлаждающей воды следующим соотношением:

. (11.20)

Отсюда доля g_и теряемой при испарении воды

, (11.21)

т.е. около 2 % расхода циркуляционной воды. С учётом конвективного теплообмена потеря воды в градирне снижается до 1,2÷1,5 %.

За счет давление воды, создаваемого циркуляционными насосами, в системе с градирнями преодо­левается высота подъёма, гидравлическое сопротивление конденсатора и трубопро­водов; это давление составляет 0,2÷0,25 МПа и выше.

В связи с дефицитом воды перспективно применение воздушно-конденсационных установок системы Геллера-ФОРГО с поверхностными охладителями в сочетании с конденсаторами смешивающего типа (рис. 11.6). Особенностью схемы с поверхностными охладителями является то, что контур водоснабжения объединяется в конденсаторе с контуром питательной воды парогенераторов. Для охлаждения используется постоянная масса конденсата и чистой воды, проходящей в градирне внутри поверхностных алюминиевых охладителей, которые снаружи омываются воздухом. Охлаждающие колонки располагаются по периметру в нижней части башни в окнах для входа, охлаждающего воздуха. Если движение воздуха в градирне происходит за счёт естественной тяги, то она создаётся башней высотою 100 м и более.

Охлаждающая вода подаётся в конденсатор, конденсирует отработавший в турбине пар и затем делится на два потока: один подается на питание парогенераторов, а второй - на охлаждение в градирню.

Системы циркуляционного водоснабжения с сухими градирнями имеют высокую стоимость, однако их применение, перспективно из-за дефицита воды.

Схема системы оборотного водоснабжения с градирнями представлена на рис. 11.7.

Тепловая нагрузка градирни Q, кДж/ч:

, (11.22)

где G_о.в и G_и - расходы охлаждаемой и испаряемой воды, т/ч; t₁ и t₂ - температура воды на входе в градирню и выходе из нее, °С; с_в– теплоёмкость воды, кДж/(кгК).

Удельная гидравлическая нагрузка или плотность орошения ω, т/(м²· ч)

,

где F_a – активная площадь градирни, м².

Удельная тепловая нагрузка q, кДж/(м²ч°С):

.

Удельная площадь градирен составляет 0,01÷0,02 м²/кВт, что в 300÷400 раз меньше по сравнению с площадью пруда-охладителя. Испарение воды приводит к увеличению концентрации солей в циркуляционной воде, и это требует применения продувки или химической обработки воды систем оборотного водоснабжения с градирнями. Для компенсации продувки и уноса воды в циркуляционную систему вводится добавочная вода.