Градирня - что это такое

ГРАДИРНЯ (от нем. gradieren - сгущать соляной раствор; первоначально градирни служили для получения соли выпариванием), сооружение для охлаждения воды при испарении ее в атмосферный воздух. Применяется главным образом в системах циркуляционного (оборотного) водоснабжения промышленных предприятий.

В сегодняшнем энергонасыщенном производстве, когда практически любые производственные процессы требуют значительных затрат энергии, отвод низкопотенциального тепла в окружающую среду стоит особенно остро.

Охлаждение оборудования водой из системы водоканала или водой из рек, озер или артезианских скважин становится невозможным из-за высокой стоимости, как подготовки такой воды, так и обусловлен серьезными проблемами ее утилизации в канализационных сетях. В этих условиях осуществимыми остаются два варианта охлаждения оборудования окружающим воздухом или создание водооборотных систем, использующих градирни.

Воздушное охлаждение при всей кажущейся простоте, имеет серьезные недостатки, а именно: высокую стоимость теплообменного оборудования, большие габаритные размеры устройств, значительные колебания температуры воздуха в зависимости от времени года и недостаточную глубину охлаждения в летнее время. Температура охлажденной среды не может быть ниже температуры окружающего воздуха.

Оборотная система охлаждения воды, оборудованная градирней позволяет охладить воду в системе ниже температуры окружающего воздуха и это является неоспоримым достоинством испарительных охладителей - градирен.

Здесь необходимо сделать небольшое отступление и объяснить физический смысл этого процесса. Окружающий нас воздух способен вбирать в себя водяные пары. Теплота, используемая для испарения, отбирается от охлаждаемой массы воды. При испарении части воды температура основного количества снижается и при достижении равновесного состояния системы вода - влажный воздух, вода будет иметь температуру на 5-7 С ниже, чем температура окружающего воздуха. Эта равновесная температура получила собственное название - «температура мокрого термометра». Это природное явление и используется в градирнях при охлаждении оборотной воды.

Минусом такого способа охлаждения является необходимость производить добавление воды в водооборотный цикл, чтобы компенсировать затраты воды на испарение - обычно эта величина составляет 0,8-1 % от общего расхода воды в системе оборотного водоснабжения.

За последние годы усилился интерес к вентиляторным градирням малой производительности от 4 до 500 м3/час в одной установке. Это, по всей видимости, связано с децентрализацией промышленных производств и их «рваным» графиком работы, а так же созданием большого количества новых малых производств в пищевой отрасли.

Градирни этого сегмента рынка в нашей стране производят не менее 30 предприятий, распространяют же это оборудование в десятки раз большее количество фирм.

Современные компактные вентиляторные градирни представляют собой, как правило, устройства полной заводской готовности, не требующие специальных строительных работ при монтаже. Использующие современные стандартные осевые и радиальные вентиляторы и высоко эффективные оросители и каплеотделители из полимерных материалов, надежно работающие форсунки.

Ороситель или насадок, используемый в градирне, является ее основной частью и от правильного его выбора зависит насколько эффективно будет происходить процесс охлаждения воды в такой градирне. Существует достаточно много различных типов оросителей пленочного, где охлаждение воды происходит в пленке воды, образующейся на поверхности листов оросителя, капельного, когда вода проходя через сетчатую структуру оросителя многократно дробится на мелкие капли на поверхности, которых происходят процессы испарения и охлаждения воды или комбинированные капельно- пленочного типа. По некотором литературным источникам в нашей стране используется около тридцати различных типов оросителей. На сегодня эффективность охлаждения воды в градирнях использующих эти оросители приблизительно одинакова. При выборе градирни имеет смысл обращать внимание так же и на такие свойства оросителя как пожаробезопасность и долговечность.

Каплеотделитель (элименатор) или водоуловитель является одной из немаловажных частей градирни, так как обеспечивает возврат капельной влаги из потока воздуха, выходящего из градирни. Отсутствие или неправильная укладка каплеотделителя на градирне ведет к необратимым потерям воды из оборотного цикла, причем это величина может составлять до 5% от общего объема воды, проходящей через градирню. Современные каплеотделители, изготавливаемые из полимерных материалов, обеспечивают высокую степень отделения капель из потока воздуха. Отношение величины капельного уноса к общему объему проходящей через градирню воды считается нормальным, если не превышает 0,2%, но уже существуют современные конструкции каплеотделителей, обеспечивающие вдвое лучшее показатели.

Не маловажно, что таких показателей добиваются без существенного увеличения сопротивления каплеоделителя, которое обычно составляет 10-20 Па.

Распределить воду по поверхности оросителя, что бы равномерно образованная пленка омывалась потоками воздуха - такая задача ставится перед разбрызгивающими устройствами - форсунками. Типы форсунок разнообразны, но их условно можно разделить в три класса:

ударные
тангенциальные (центробежные)
струйно-винтовые.

Все типы форсунок обеспечивают надежное образование капель при сравнительно невысоких напорах воды в системе до 0,06 Мпа. При этом форсунки обеспечивают большие углы раскрытия факела, что позволяет сократить высоту градирни. Наиболее распространены форсунки, изготавливаемые из полимерных материалов, что обеспечивает их долговечность, простоту изготовления - высокую повторяемость формы и как следствие однообразность гидродинамических характеристик.

В компактных вентиляторных градирнях, как правило, используют две схемы подачи воздуха:

с нагнетающим свежий воздух вентилятором, расположенным в нижней части градирни под оросителем;
с вентилятором, удаляющим влажный воздух, расположенным в верхней части градирни над оросителем.

Обе схемы имеют свои положительные и отрицательные стороны:

Вентилятор, нагнетающий воздух:

«+» подает свежий менее влажный (более тяжелый) воздух при этом электродвигатель вентилятора не подвергается воздействию капельной влаги и паров воды.
«-» градирня с нижним расположением вентилятора имеет больше ограничений по размещению и взаиморасположению на площадке, так как при неправильной установке такие градирни более склонны к рециркуляции воздуха.

Вентилятор, удаляющий воздух:

«+» поток воздуха выбрасывается с большой скоростью «фонтаном» из градирни при этом влажный воздух хорошо рассеивается в окружающем воздухе.
«-» электродвигатель вентилятора постоянно находится в потоке воздуха с относительной влажность 95-100% и обеспечение надежной герметизации его весьма проблематично.
«-» влажный воздух имеет меньшую плотность и соответственно подача вентилятора будет ниже по сравнению с нагнетающим вентилятором.

Таким образом, в современных конструкциях компактных вентиляторных градирен используются оба эти варианта, причем однозначно определить какой из вариантов предпочтительней бывает довольно сложно. Можно сказать, что применение того или другого типа градирни зависит от местных факторов: расположение градирни на площадке предприятия, периодичность и время ее работы и т.п.

Сами же вентиляторы применяемые в компактных градирнях представляют собой в основном общепромышленные осевые вентиляторы, обеспечивающие подачу больших количеств воздуха до 35 м3/сек при сравнительно высоких к.п.д вентилятора до 76%. Значительно реже в градирнях применяются радиальные вентиляторы низкого давления. Все больше находят применение вентиляторы с лопастями из полимерных материалов, обеспечивающих высокое аэродинамическое качество и значительно меньший шум. Одно из существенных преимуществ таких вентиляторов перед обычными, с металлическими лопастями - это меньшая склонность к обледенению.

Расширение возможностей регулирования производительности градирен и обеспечение их безаварийной работы особенно в зимнее время года позволяет достичь применение многоскоростных электодвигателей, выпуск которых освоен российскими производителями. Альтернативой этому может служить применение преобразователей частоты, хотя такой путь на сегодня значительно дороже, нежели предыдущее решение. Применение этих устройств позволяет не только экономить электроэнергию, но привести производительность градирни к необходимой величине в зависимости от внешних условий. Градирня обычно подбирается по самым неблагоприятным внешним условиям - летний период, самая высокая температура воздуха в течении одного дня. Естественно, что градирня, подобранная для таких условий внешней среды, при других погодных условиях будет избыточна и это будет еще более очевидно при работе градирни в зимних условиях. Расчеты показывают, что градирня, корректно подобранная для работы в летних условиях, в зимний период может отвести в окружающую среду тепловой поток в 2,5 раза большей, чем летом. Можно было бы предположить, что это положительное качество градирни, но так как градирня работает в паре с охлаждаемым устройством, которое и в зимний период времени имеет тот же тепловой поток, что и летом, такое увеличение эффективности отвода теплоты в окружающую среду на градирни приводит лишь к снижению средней температуры воды в оборотном цикле. Такое снижение температуры воды, в определённом смысле, положительно, но когда температура охлажденной воды становится ниже 10 -12 С это приводит к обмерзанию градирни. Обмерзание же процесс, происходящий лавинообразно, и обычно следствием его является обрушение оросителя, выход из строя вентилятора и разрушение деталей корпуса. Избежать всего выше перечисленного можно используя несколько градирен с не регулируемыми вентиляторами: например три или пять штук. Но более правильным решением будет установка одной или двух градирен с регулируемыми приводами вентиляторов.

Использование современных достижений в области производства охлажденной воды позволяет создавать градирни, не уступающие по своим показателям зарубежным образцам, правда, один показатель для российских градирен всегда ниже зарубежных - цена.

к.т.н., Цимбалист А.О. (baltenergomash.pro)