67. Градирни

Необходимая для охлаждения воды площадь поверхности ее соприкосновения с воздухом создается в градирнях на оросительных устройствах (оросителях), которые могут быть капельными, пленочными или комбинированными. Имеются градирни бей оросителей, в которых над водосборными бассейнами внутри башни устанавливаются высоконапорные разбрызгивающие сопла. Эти так называемые брызгальные градирни менее эффективны, чем градирни с капельным или пленочным оросителем, поскольку площадь поверхности контакта воды с воздухом в них относительно меньше.

Ороситель называется поперечноточным, если воздух проходит через него горизонтально — поперек стекающих вниз пленок или падающих капель воды, и противоточным, если воздух движется в нем вверх — навстречу стекающей воде.

Водораспределительные и оросительные устройства градирен. Охлаждаемая вода распределяется над оросителем градирни по системе деревянных или железобетонных лотков, в дне которых имеются отверстия со вставленными в них трубочками (гидравлическими насадками). Струи воды, вытекающие из насадков, падают на разбрызгивающие тарелочки, образуя фонтаны брызг, орошающие расположенный ниже ороситель. Гидравлические насадки и тарелочки изготовляют из фарфора или пластмассы. Их располагают над оросителем с таким расчетом, чтобы факелы брызг, создаваемых соседними тарелочками, перекрывали друг друга, что достигается при расстоянии между ними 1 —1,25 м. Применяют также напорное водораспределительное устройство из нержавеющих труб, например асбестоцементных. В этом случае вода разбрызгивается над оросителем с помощью специальных   низконапорных    сопл.

Капельный ороситель состоит из большого числа деревянных реек треугольного или прямоугольного сечения, расположенных горизонтальными ярусами (VII.11, а). При падении капель воды с верхних реек на нижние образуются факелы мелких брызг, создающие большую поверхность соприкосновения с воздухом.

Пленочный ороситель состоит из щитов,   устанавливаемых   вертикально (VII.11,6) или под небольшим углом к вертикали. По    поверхности щитов стекает вода, образуя пленку толщиной    0,3—0,5 мм. Щиты выполняют из отдельных досок, располагаемых горизонтально на  некотором расстоянии друг от друга. Применяют и сплошные щиты из хорошо смачивающихся материалов, например асбестоцементные прессованные листы толщиной 6—8 мм. Для создания сплошной пленки на нижней кромке щита делают треугольные вырезы (фестоны), сосредоточивающие стекающую воду в отдельные струйки, которые как бы растягивают пленку по поверхности щита. При стекании пленки со щитов отдельными струйками уменьшается сопротивление проходу воздуха под оросителем.

Применяют также оросители комбинированные капельно-пленочные (VII.11,в).

При конструировании оросителя следует стремиться к уменьшению сопротивления движению воздуха, так как это дает возможность увеличить расход воздуха через градирню и, следовательно, интенсифицировать охлаждение в ней воды. В этом смысле пленочный ороситель предпочтительнее капельного, так как он оказывает меньшее сопротивление движению воздуха, однако для его изготовления требуется больший расход материалов.

Постоянный контакт с текущей теплой водой и влажным воздухом приводит к быстрому износу деревянных конструкций оросителей, поэтому срок их службы невелик и требуются частые ремонты.

В настоящее время широкое распространение получили оросители градирен, выполняемые из плоских или волнистых асбестоцементных листов с несушим каркасом из сборных железобетонных конструкций.

Изыскиваются и испытываются новые материалы, в частности пластмассы.

При эксплуатации градирен в зимнее время возникают трудности в связи с обледенением участков оросителей, расположенных вблизи воздуховходных окон градирен. Обледенение может привести к обрушению оросителя из-за дополнительных нагрузок от образовавшегося льда. Во избежание обледенения уменьшают поступление воздуха в градирню в зимнее время, для чего перед воздуховходными окнами устанавливают навесные или поворотные щиты. Применяют также обливание расположенных вблизи воздуховходных окон участков оросителя теплой водой, которая подводится по специальному трубопроводу, оборудованному разбрызгивающими соплами.

Тепловой и аэродинамический расчет градирен. Вода охлаждается в градирне, отдавая тепло воздуху за счет теплопередачи и испарения. Коэффициенты теплоотдачи определяются на основании исследований, проводимых на опытных установках, и для удобства расчетов условно относятся к единице объема оросителя. Эти объемные коэффициенты теплоотдачи зависят от скорости движения воздуха в оросителе и конструкции оросителя.

Теоретический метод теплового расчета градирни был предложен инж. В. В. Проскуряковым. При расчете по этому методу оросительное устройство разбивается на участки сечениями, перпендикулярными направлению движения воздуха. Для каждого участка, начиная с нижнего, определяется изменение температуры воды и состояния воздуха (его температуры и влажности) путем подсчета количества тепла, переданного водой воздуху соприкосновением и за счет испарения.

Если расход воздуха через градирню неизвестен, то расчет проводится для нескольких значений скорости движения воздуха в оросителе. Действительную скорость движения воздуха в этом случае находят путем сопоставления аэродинамического сопротивления градирни и тяги воздуха.

На основе подобных расчетов составляют графики зависимости температуры охлажденной на градирнях воды от тепловой и гидравлической нагрузок и различных метеорологических условий. Эти графики, уточненные затем путем проведения натурных наблюдений, используют при практических расчетах. В качестве примера на VII. 12, а дан график для определения температуры охлажденной воды на гиперболической градирне скомбинированным оросителем при температуре воздуха 25° С и его относительной влажности 54%, а на VII.12, б — вспомогательный график для внесения поправок к температуре охлажденной воды при других параметрах воздуха.

Открытые градирни. Открытые градирни бывают двух типов: брызгальные и с капельным оросителем.

Первые представляют собой небольшой брызгальный бассейн, огражденный со всех сторон жалюзийными решетками, препятствующими большому выносу брызг воды за пределы градирни. Разбрызгивающие сопла небольшой производительности располагаются на высоте 4—5 м над уровнем воды в резервуаре и направлены      вниз.     

Открытые градирни капельного типа имеют ороситель из деревянных брусков, заключенный в жалюзийные стенки, которые выполняются из щитов, устанавливаемых под углом 45° к вертикали. Водораспределительное устройство выполняется в виде лотков с гидравлическими насадками и разбрызгивающими тарелочками или в виде системы труб с соплами. Плотность орошения в таких градирнях принимается от 2 до 4 м3/ч на 1 м2.

Башенные градирни. Вытяжные башни градирен служат для создания естественной тяги за счет разности удельных весов наружного воздуха, поступающего в градирню, и нагретого и увлажненного воздуха, выходящего из градирни.

При противоточных оросителях вытяжные башни сооружаются над ними. Поперечноточные оросители располагаются кольцом вокруг башни.

Площадь сечения башни должна составлять не менее 30—40% площади оросителя.

Башни градирен малой и средней производительности могут быть цилиндрическими или иметь форму усеченного конуса либо усеченной многогранной пирамиды.

Башни крупных градирен выполняются, как правило, в виде оболочек гиперболической формы (VII.14), которая наиболее рациональна по условиям устойчивости и внутренней аэродинамики.

В зимнее время башни градирен находятся в тяжелых условиях воздействия влажного теплого воздуха на внутреннюю поверхность оболочки и морозного воздуха с наружной стороны. Поэтому к материалам, из которых сооружаются башни и их конструкции, предъявляются высокие требования.

В настоящее время применяются два основных технических решения: каркасно-обшивные и железобетонные монолитные башни.

В первых каркас выполняется из стальных элементов на сварке, а обшивка — из деревянных щитов, асбестоцементных волнистых листов или коррозионно-устойчивого листового алюминия. Деревянные щиты пропитываются антисептиками и антипиренами. Асбестоцементные листы пропитываются парафино-стеариновой эмульсией, а стыки между ними уплотняются битумной мастикой. Листовой алюминий крепится к каркасу на болтах с неметаллическими прокладками.

Тонкостенные оболочки железобетонных башен возводятся с применением переставной опалубки, которая перемещается с одного яруса бетонирования на другой с помощью специальных подъемных приспособлений.

В последние годы для возведения железобетонных оболочек стала применяться скользящая опалубка, которая обеспечивает скоростное строительство башен. Бетон подается бетононасосами или шахтными подъемниками и укладывается в оболочку с переставных подмостей, устраиваемых по окружности башни с внутренней стороны.

К качеству бетона предъявляются повышенные требования по плотности и морозостойкости. Внутренняя поверхность оболочки покрывается гидроизоляцией.

Башня обычно опирается на рамную конструкцию (колоннаду), между стойками которой проходит воздух, поступающий в градирню.

Внизу под оросителем градирни устраивается водосборный резервуар, выполняемый из монолитного железобетона с гидроизоляцией внутренней поверхности. Резервуар оборудуется трубопроводом с воронкой для перелива излишков воды, а также выпуском для его опорожнения.

Подлежащая охлаждению вода подается в водораспределительное устройство по стоякам, размещаемым обычно в центре градирни. Часто в связи с неравномерным распределением воздуха по площади противоточного оросителя применяют и дифференцированную плотность орошения, увеличивая гидравлическую нагрузку на периферии и уменьшая ее в центральной части оросителя. Зимой при снижении гидравлической нагрузки орошение центральной части полностью отключают.

В настоящее время в СССР широко применяются противоточные градирни производительностью до 30 000 м3/ч с гиперболическими башнями высотой до 100 м, выполняемыми из железобетона или металлического каркаса, обшитого алюминием. Оросители этих градирен площадью до 4000 м2, как правило, монтируются из асбестоцементных  листов, устанавливаемых на каркасе из сборных железобетонных конструкций.

Запроектированы градирни производительностью 50 000 т3рч с площадью оросителя 6000 м2 и высотой башни 135 м.

Вентиляторные градирни. Имеются два основных типа вентиляторных градирен: башенные, оборудованные вентиляторами большой производительности с использованием естественной тяги воздуха, и секционные, состоящие из ряда стандартных секций, каждая из которых обслуживается отдельным вентилятором.

Для уменьшения уноса капель воды за пределы градирни, связанного с повышенными скоростями движения воздуха в ее оросителе, применяют водоуловительные жалюзийные решетки.

В горловине башен одновентиляторных градирен (VII.15) над оросителем устанавливают большие вентиляторы с диаметром лопастей от 10 до 18 м. Вентиляторы приводятся в действие электродвигателем через редуктор и гидромуфту, служащую для изменения частоты вращения вентилятора. Снижением частоты вращения при благоприятных метеорологических условиях достигается сокращение расхода электроэнергии на привод вентиляторов.

Технологические процессы некоторых предприятий (например, химических цехов) требуют стабильной температуры охлаждающей воды. В этих случаях на линиях труб охлаждающей воды устанавливают термопары, воздействующие через специальное реле на масляный насос, подающий масло в гидромуфту. Это дает возможность автоматически регулировать частоту вращения вентиляторов и, следовательно, расход воздуха через градирню, поддерживая, таким образом, температуру охлаждающей воды на заданном уровне

Секционные вентиляторные градирни состоят из нескольких прямоугольных стандартных секций, в которые воздух входит с одной стороны или с двух сторон. Каждая секция оборудуется отсасывающим или нагнетательным вентилятором с лопастями диаметром до 10 м и электроприводом.   Вентиляторы   отсасывающего  типа,   которые устанавливаются над оросителем, обеспечивают более равномерное распределение воздуха в оросителе и, находясь в зоне теплого воздуха, не обмерзают в зимнее время. Нагнетательные вентиляторы устанавливаются на входном отверстии градирни у ее основания.

На VII. 16 показана вентиляторная шестисекционная градирня с капельным оросителем, оборудованная отсасывающими вентиляторами с диаметром лопастей 7 м. Размер каждой секции в плане 12X12 м. Производительность градирни 12 000 м3/ч охлаждаемой воды. Смазка вентиляторов осуществляется смазочным агрегатом, установленным в специальном помещении вблизи градирни.

Радиаторные охладители. За последние годы в связи с растущим дефицитом пресной воды во многих промышленно развитых районах начали получать распространение радиаторные охладители, так называемые сухие градирни. В них охлаждаемая вода не имеет непосредственного контакта с воздухом, поэтому не происходит ее потерь на испарение и на унос капель воздушным потоком, которые имеют место в испарительных охладителях.

Удачная конструкция радиаторов в виде охлаждающих колонн, состоящих из алюминиевых трубок диаметром 15 мм с насаженными на них общими штампованными алюминиевыми ребрами толщиной 0,3 мм, разработана доктором Форго (Венгерская Народная Республика). Эти радиаторы изготовляются стандартных размеров (2,5X5 м) и устанавливаются в воздуховходных окнах сухой градирни.

Передача тепла от воды к воздуху происходит через стенку трубок и насаженные на трубки ребра при относительно низком коэффициенте теплопередачи, поэтому требуется большая поверхность теплопередачи. В связи с малой теплоемкостью воздуха требуется большой его расход.

Градирни - это специальные устройства для охлаждения большого количества  воды посредством  направленного потока воздуха. Второе, наверное, более понятное название  градирен – охладительные башни.

Исторически градирни использовались для добычи соли (ее выпаривали из солевого раствора). Сейчас предназначение градирен несколько изменилось: градирни применяются в системах оборотного водоснабжения для охлаждения теплообменных устройств. Они используются на  атомные  и тепловые электростанциях, ТЭЦ и мини-ТЭС, предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Градирни чаще всего используют там, где нет возможности применить для этой цели естественные водоёмы (либо из-за того, что попросту нет рядом прудов и озер, либо если есть опасность загрязнения окружающей среды).