Градирня

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Гиперболоидные градирни ТЭЦ-21 в Москве

Гради́рня (нем. gradieren — сгущать соляной раствор; первоначально градирни служили для добычи соли выпариванием) — устройство[1] 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 теплообменных аппаратов (как правило, на тепловых электростанциях (в том числе АЭС) и ТЭЦ. В гражданском строительстве градирни используются, например, для охлаждения конденсаторов холодильных установок, при кондиционировании воздуха, охлаждении аварийных электрогенераторов. Наибольшее распространение применение градирен получило в промышленности для охлаждения разного рода технологического оборудования, при химической очистке веществ, часто в связке с системой местных очистных сооружений (МОС). Имеют широкое применение на предприятиях ВПК, энергетической, судостроительной, авиационной, химической отраслей, металлургии, машиностроения, и пищевого производств и т.д.

При замыкании водооборотного цикла на местные водоочистные сооружения решается и задача утилизации значительного количества технических сточных вод, перенаправляемых на градирную установку. А технические решения по утилизации тепловой энергии (избытка пара) с применением теплонасосных установок (ТНУ) позволяют преобразовывать её в электроэнергию.

Процесс охлаждения в случае классических вентиляторных градирен 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. В инновационных эжекционных градирнях охлаждение происходит за счёт создаваемой среды, приближенной к условиям вакуума специальными форсунками (обеспечивающие площадь тепломассообмена, каждая — 450 м² на 1 м³ прокачиваемой жидкости, и 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.

Как правило, градирни используются там, где нет возможности использовать для охлаждения большие водоёмы (реки, озёра, моря), а также из-за опасности их загрязнения.

Простая и дешёвая альтернатива градирням — брызгальные бассейны, где вода охлаждается простым разбрызгиванием, правда, с небольшим эффектом.

История[править | править код]

В Российской империи градирни применялись при солеварении. Так по указу Екатерины II от 15 февраля 1771 года генерал-квартирмейстером Ф. В. Бауэром на реке Полисть в Старой Руссе был основан солеваренный завод. В двух градирнях этого завода вода, поднимаемая водяными насосами, частично испарялась тем самым насыщая соляной рассол[2].

Первая гиперболоидная градирня была построена по конструкции профессора машиностроения и директора голландских государственных шахт Фредерика ван Итерсона (англ.) в 1918 году в голландском городе Херлен[3]. До этого конструкции градирен были различных форм: прямоугольные, круглые, овальные.

Характеристики[править | править код]

Градирни на Новоиркутской ТЭЦ
Гиперболоидные градирни на харьковской ТЭЦ-5
Вентиляторная градирня завода «Арсенал» (Киев)

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 в областях с морозной зимой может быть опасно из-за риска обмерзания градирни. Происходит это чаще всего в местах соприкосновения 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 (но только для градирен с оросителем). В вентиляторных градирнях нагнетательные вентиляторы также часто подвергаются обледенению при неправильной эксплуатации градирни. При использовании эжекционных градирен большая часть этих рисков пропадает из-за отсутствия как вентилятора, так и оросителя.

Классификация[править | править код]

По способу подачи воздуха:

  • башенные (тяга создаётся при помощи высокой вытяжной башни);
  • вентиляторные (тяга создаётся вентилятором);
  • открытые (атмосферные), использующие силу ветра и естественную конвекцию при движении воздуха через ороситель;
  • эжекционные[4], использующие эффект эжекции при движении водо-воздушной смеси на высоких скоростях в специальных каналах.
  • брызгальные, действующие по принципу простого разбрызгивания или фонтана.

По направлению течения сред (охлаждаемой воды и воздуха):

  • с противотоком (наибольший температурный перепад, наибольшее аэродинамическое сопротивление);
  • с перекрестным током (меньшее аэродинамическое сопротивление, меньше капельного уноса);
  • со смешанным током (конструкция градирни содержит и противоток и перекрестный ток).

Вентиляторные градирни до последнего времени были наиболее эффективны с технической точки зрения, так как обеспечивали более глубокое и качественное охлаждение воды, выдерживая большие удельные тепловые нагрузки (однако требуют затрат электроэнергии для привода вентиляторов).

Эжекционные градирни выдерживают наибольшие гидравлические нагрузки и способны охлаждать воду с большим перепадом и с очень высоких температур (до 90 °С). Это обусловлено как отсутствием оросителя, так и большой суммарной площадью поверхности мелкодисперсных капель и высокими скоростями водо-воздушных потоков. Затраты электроэнергии на эксплуатацию систем оборотного водоснабжения с эжекционной градирней при грамотной организации схемы водоснабжения и автоматики не превышают затрат на типовые вентиляторные установки. При этом эжекционные градирни довольно морозостойкие, что делает их эксплуатацию в областях с морозной зимой наиболее экономически выгодной.

Энергетическая башня на основе цикла Майсоценко. Очень часто лимитирующим фактором во многих технологических процессах является температура холодной воды, для охлаждения которой используется охлаждающая башня (градирня). Известно, чем холоднее вода, тем лучше протекает конденсация в аппаратах химической технологии и энергетики. Недостаточно низкий вакуум в конденсаторах электростанций вследствие недостаточного охлаждения воды в градирне приводит к снижению КПД электростанции и повышенному расходу топлива на выработку единицы энергии.  

В своем большинстве промышленные градирни основаны на использовании прямого испарительного охлаждения воды в контактных аппаратах. Температура охлажденной воды в этом случае ограничена температурой мокрого термометра охлаждающего воздуха, т.е. такие градирни наиболее эффективны в районах с сухим климатом (низкой влажностью воздуха). Тем не менее, градирни подобной конструкции широко используются в районах, где влажность достаточно высока. В результате работа градирен протекает в условиях далеких от оптимальных.

Обычно эффективность работы традиционных градирен составляет 70 - 75%. Например, при температуре окружающей среды 35 °С и относительной влажности 40%, теоретическое значение температуры охлажденной воды составляет 23.9 °С, а выходная влажность воздуха – 0.018 кг влаги на килограмм сухого воздуха. Использование насадок пленочного типа позволяет увеличить поверхность контакта воздуха и охлаждаемой воды в заданном объеме. Однако в этом случае удается только повысить компактность аппарата, а не «нижнюю» температуру охлаждения, которая остается близкой к температуре мокрого термометра. Если использовать градирню на основе цикла Майсоценко, то для тех же условий теоретическая температура охлажденной воды может быть близка к температуре точки росы охлаждаемого воздуха (19.4 °С), а влажность воздуха возрастает до 0.033 кг влаги на килограмм сухого воздуха. При осушке воздуха на входе в градирню до 20%, температура воздуха может быть снижена до 7.8 °С.

Схема градирни на основе М-цикла состоит из двух вертикальных концентрических цилиндров, причем внешняя часть внутреннего цилиндра орошается водой. Такие градирни существенно отличаются от традиционных «сухих» градирен большой высоты, эффективность которых ограничена разностью температур воздуха внутри башни и вне ее, а стоимость потребляемой электроэнергии значительна.

В центральном канале градирни на основе М-цикла поток за счет охлаждения движется сверху-вниз, а при нагреве в кольцевом канале – снизу-вверх с увеличением влажности. Вследствие испарения воды в кольцевом канале масса потока на выходе превышает массу воздуха на входе. Наименьшая температура воздуха и воды достигается в нижней части градирни, а на выходе из кольцевого канала температура потока будет близка к температуре мокрого термометра. Применение цикла Майсоценко не ограничено использованием воздуха окружающей среды; в градирнях М-цикла могут быть использованы азот, двуокись углерода, промышленные газы, а в качестве охлаждаемой жидкости - промышленные стоки, морская и засоленная вода. Начало процессам тепло-и массообмена в градирне дает вынужденная подача воздуха окружающей среды во внутренний цилиндр и испарение воды с внешней поверхности внутреннего цилиндра.

Градирня на основе М-цикла может быть использована для выработки электроэнергии, холодного воздуха, пресной и холодной воды. Установленная в нижней части градирни ветроустановка, за счет высокой скорости потока способна производить электрическую энергию. При этом работа такой установки протекает постоянно и не зависит от скорости ветра атмосферы. Расчеты показывают, что градирня высотой 10 м способна производить до 25 кВт-часов электроэнергии ежедневно. Фактически, любая индустриальная труба, снабженная устройством на основе цикла Майсоценко, может быть использована для выработки электроэнергии, охлажденного воздуха (если отбирать часть воздуха в нижней части градирни) и холодной воды.

Пирамидальные градирни ТЭЦ-11 в Москве

Интересные факты[править | править код]

  • Самая производительная градирня в мире — градирня немецкой АЭС Изар[5]. Она охлаждает 216 000 кубометров воды в час. Её высота 165 метров, диаметр основания — 153 метра.
  • Самая высокая градирня в мире — построена в 2012 году для индийской ТЭС Калисиндх, её высота 202[6] метра. До этого, начиная с 2002 года, самой высокой считалась градирня немецкой ТЭС Нидерауссем, работающей на буром угле, высотой 200 метров.
  • Самая высокая градирня в России — построена в 2012 году для 1-го энергоблока Нововоронежской АЭС-2. Её высота 172,5[7] метра. Спроектированы градирни высотой 179 метров для Курской АЭС-2[8].
  • Самая большая вентиляторная (по размеру секций) градирня в России — построена в 2012 году для ТЭЦ-11 Иркутскэнерго. Размер её секции составляет 18x18 метров.

Примечания[править | править код]

  1. Пономаренко В. С., Арефьев Ю. И. Градирни промышленных и энергетических предприятий: Справочное пособие / Под общ. ред. В. С. Пономаренко. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — 376 с. — ISBN 5-283-00284-5[1] Архивная копия от 2 апреля 2015 на Wayback Machine
  2. Фальковский Н.И. История водоснабжения в России. — М. ; Л.: Издательство министерства коммунального хозяйства РСФСР, 1947. — С. 129. — 307 с.
  3. Градирни: история, фото, что это?. zavodtriumph.ru. Дата обращения: 25 декабря 2018.
  4. Применяются только в России, инновационная российская разработка и патент
  5. Светлана ААБ. Градирня вышла на рабочий режим (рус.) // «Салаватский Нефтехимик» : газета. — 2012. — 14 июля (№ 26 (5009)). — С. 3.
  6. Comansa Jie builds the world’s highest cooling towers
  7. Мостострой 6 Архивная копия от 3 августа 2013 на Wayback Machine
  8. ОАО «АТОМПРОЕКТ» разработало проект самой высокой в России испарительной градирни. in-power.ru. Дата обращения: 25 декабря 2018.

Ссылки[править | править код]