Типы градирен по принципу работы, особенностям их устройства и конструкции

Что такое градирня? Ее назначение

Градирня – это специальное устройство, предназначенное для охлаждения воды потоком атмосферного воздуха.

Промышленные градирни являются наиболее экономичным и эффективным способом охлаждения больших объемов воды и различных жидкостей, поскольку в них не используется аммиак, фреон и прочие вещества, участвующие в теплообмене, для которых требуется дополнительная электроэнергия.

История охладительных башен

Слово «градирня» произошло от немецкого «gradieren», что значит – сгущать солевой раствор, так как изначально градирни служили для добычи соли путем выпаривания.
Первая башенная градирня для охлаждения (охладительная башня), в том виде, которую мы сейчас знаем, появилась в 1918 г. в Голландии в городе Херлен. Типовую гиперболоидную конструкцию градирни с естественной тягой разработал профессор машиностроения Фредерик Ван Итерсон. С тех пор вид башенных градирен не менялся. Но появилось много новых видов градирен для охлаждения – современных и технически усовершенствованных.

Классификация и виды градирен. Особенности конструкции и эксплуатации

Принцип работы градирни любого типа основан на охлаждении воды или другой жидкости атмосферным воздухом. Воздух в данном случае выступает в качестве хладагента, что отличает градирню от других видов холодильных установок.

На сегодняшний день существует несколько разновидностей и типов градирен для охлаждения, которые классифицируются по различным параметрам.

2 основных типа градирен

Специалисты разделяют градирни на 2 вида в зависимости от принципа их работы:

Сухие градирни

Градирня сухого типа по-другому называется «драйкулер».

Устройство состоит из корпуса, в котором размещен закрытый теплообменник. Таким образом, вода циркулирует по закрытому контуру, а обмен тепловой энергии происходит за счет потока воздуха, поступающего от вентилятора. Аналогичным образом происходит охлаждение антифриза в системе охлаждения мотора внутреннего сгорания. Благодаря закрытому теплообменнику исключается прямой контакт воды и воздуха, соответственно, потери жидкости сводятся к минимуму.
Для улучшения эффективности радиаторы изготавливаются из меди или алюминия, что увеличивает себестоимость агрегата.

Драйкулеры рекомендуется использовать в следующих случаях:

при необходимости охлаждения теплоносителя без его контакта с внешней средой;
при невозможности обеспечения постоянной подачи новой воды, которая теряется в результате уноса;
когда вместо воды в качестве хладагента используется этиленгликоль или другая токсичная жидкость;
при необходимости охлаждения жидкости с высокой температурой.

Во всех остальных случаях предпочтение лучше отдать мокрой вентиляторной градирне.

Мокрые градирни (испарительные)

Испарительная градирня функционирует следующим образом: горячая вода разбрызгивается через форсунки в мелкодисперсную водяную пыль. Благодаря контакту с атмосферным воздухом, температура которого значительно ниже, и эффекту испарения, жидкость охлаждается и оседает в поддон на дне градирни, а часть жидкости выходит наружу в виде пара.

Мокрые градирни являются наиболее эффективным и выгодным оборудованием для охлаждения больших объемов воды.

По способу контакта охлаждающей жидкости с наружным воздухом мокрые градирни подразделяются на закрытые и открытые.

Мокрые градирни закрытого типа

В мокрых градирнях закрытого типа расположен герметичный теплообменник, через который проходит вода или охлаждающая жидкость основного контура, а сам теплообменник охлаждается водой и воздухом из внешней среды.

Благодаря такому расположению исключается контакт оборотной воды с окружающей средой, а значит и исключено попадание в контур различного мусора и загрязнений.

Градирни открытого типа

В испарительных градирнях открытого типа происходит непосредственный контакт окружающей среды с оборотной водой. Горячая вода разбрызгивается через форсунки и охлаждаться центробежными или осевыми вентиляторами.
По наличию оросителя открытые мокрые градирни делятся на эжекционные и оросительные.

Открытая градирня: принцип действия

У любой вентиляторной градирни принцип работы основан на охлаждении воды или другой жидкости атмосферным воздухом. Воздух в данном случае выступает в качестве хладагента, что отличает градирню от других видов холодильных установок.

Схема градирни открытого типа и принцип ее работы

На рисунке показано устройство градирни и ее основные элементы. Охлаждаемая вода проходит через распределительную систему (1) и подается на форсунки (2), которые распыляют воду над оросителем (3), установленным в корпусе (4) градирни.

За счет развитой поверхности оросителя обеспечивается равномерное стекание воды в виде тонкой пленки. При этом обеспечивается эффективное охлаждение воды встречным потоком наружного воздуха.

Небольшое количество воды испаряется, а основной объем охлажденной воды поступает в поддон (5) градирни. Перед возвратом в систему вода проходит механическую очистку в сетчатом фильтре. Для очистки фильтра и обслуживания рабочих механизмов градирни предназначен сервисный люк.

Испарившаяся вода компенсируется открытием клапана подпитки, подключенного к системе водоснабжения. Необходимый минимальный уровень воды в поддоне поддерживается совместной работой реле уровня воды и клапана подпитки. При аварийном превышении допустимого уровня, избыточная вода удаляется из градирни через переливной трубопровод.

Для защиты воды в поддоне градирни от замерзания, предусмотрена установка ТЭНов с управлением по термостату. Наружный воздух, нагнетаемый радиальным вентилятором (6), подается на ороситель противотоком относительно воды. Проходя через ороситель, воздух насыщается влагой, отводит теплоту испарения воды и выбрасывается в атмосферу. Для предотвращения капельного уноса в градирне установлен каплеуловитель (7). Рабочее колесо вентилятора приводится в движение электродвигателем посредством клиноременной передачи.

Щит управления и автоматики предназначен для регулирования производительности и обеспечения безаварийной работы градирни.

Открытые эжекционные градирни

Промышленная градирня эжекционного типа состоит из стального корпуса с трубопроводом, через который поступает вода в виде мелкодисперсной пыли. Благодаря высокой скорости водяного потока он затягивает наружный воздух, который смешивается с водой и охлаждает ее.

В эжекционных градирнях жидкость распыляется под давлением примерно в 4-7 бара. Благодаря этому капли получаются очень маленького размера (не более пятой части миллиметра), но движутся с высокой скоростью (около 18 метров в секунду). Водяной поток смешивается с атмосферным воздухом, в результате чего происходит нужный теплообмен.

Главное преимущество эжекционных градирен – возможность охлаждать воду с высокой температуры. При необходимости она может охлаждать воду, температура которой превышает 60°С (ороситель не выдерживает подобных температур).

Однако их широкому распространению мешает сразу несколько недостатков:

Для работы нужно создать в эжекционной градирне высокое давление. Для этого используются водяные насосы, которые должны быть достаточно мощными. Если эффективная работа вентиляторной градирни возможна при мощности насоса, например, в 45 кВт, то в эжекционной градирне понадобится насос с мощностью в два-три раза больше. Помимо больших расходов, это также приводит к повышенному износу трубопроводов подачи воды.
Зимой эксплуатация эжекционных градирен практически невозможна. Мелкодисперсная водяная пыль быстро замерзает, что требует организации байпасирования.
Эжекционные градирни приводят к большому расходу воды в результате ее уноса. Использование водоуловителей на выходе воздушного потока невозможно, так как это сильно ухудшает эффективность работы.

Эжекционные промышленные градирни рекомендуется использовать только в том случае, если вам обязательно необходимо охлаждать очень горячую воду или ее незначительное количество.

Оросительные градирни

Конструктивно оросительные градирни состоят из системы подачи нагретой жидкости с сетчато-пленочным оросителем и бассейном, куда стекает остывшая жидкость. В градирню подается теплая вода, которая распыляется через сопла на ороситель. Поступление воздушного потока осуществляется либо за счет естественной тяги (в башенных моделях), либо с помощью вентиляторов (в вентиляторных градирнях). Обе разновидности имеют похожее внутреннее устройство.
В оросительных градирнях используется специальный оросительный слой для большего контакта воды с воздухом, поступающим через воздухозаборные окна. Вода стекает пленкой или каплями на оросительный слой, охлаждается и испаряется, то есть, обмен тепловой энергии происходит по всей поверхности каждой капли воды. Теплый воздух при этом отводится из градирни.

Оросительные градирни делятся на два типа: башенные и вентиляторные.

Башенные градирни

Градирни ТЭЦ — типичные башенные градирни. Они предназначены для охлаждения значительного количества жидкости на небольшую температуру (перепад около 5-10°С) без использования электроэнергии. Работают на естественной тяге, в отличие от вентиляторных. Башенная градирня представляет собой конструкцию из металла или железобетона, которая имеет вид усеченного конуса.

Внутри располагаются такие элементы, как:

система, подающая воду;
ороситель;
резервуар.

Атмосферный воздух поступает внутрь через отверстия внизу сооружения, проходит через трубу и ороситель за счет природной тяги и охлаждает воду. Тяга создается благодаря разнице между удельным весом поступающего воздуха в градирню и нагретого, выходящего из нее, а также благодаря высоте и конструктивным особенностям башни.

Чаще всего башенные градирни используются для охлаждения воды на больших промышленных предприятиях, таких как теплоэлектростанции или АЭС.

Экономичная эксплуатация промышленных башенных градирен довольно выгодна, однако их строительство требует немалых затрат и большой площади для размещения.

Вентиляторные градирни

Вентиляторные градирни (вентиляционные) – это устройства для охлаждения оборотной воды воздухом, нагнетаемым с помощью вентилятора.

Жидкость, которую требуется охлаждать, разбрызгивается на ороситель, после чего стекает в накопитель. Воздух для охлаждения подается через нижнюю часть корпуса и далее идет вверх за счет работы вентилятора. Уменьшение потерь воды достигается посредством монтажа каплеуловителя, который находится на пути воздушного потока.

Использование различных вариантов оросительных блоков и вентиляторов разной мощности позволяет использовать градирни этого типа во многих отраслях промышленности. Наличие регулирующих установок и возможности реверса привода дает возможность эксплуатировать эти испарительные градирни при отрицательной температуре воздуха.

Если говорить о конструкции, то внутри вентиляторных градирен находятся следующие элементы:

вентилятор с электродвигателем;
водораспределительная система (каплеуловитель, форсунки, ороситель);
фильтры;
фланцы;
поддон;
термостат.

В градирнях вентиляторного типа используются два вида вентиляторов: осевые и центробежные. У каждого из которых есть свои преимущества и недостатки.

С осевым вентилятором отличаются пониженным электропотреблением, но при этом значительно меньшим напором, а значит и меньшим перепадом температур.
Градирни с центробежным вентилятором создают перепад до 30-35°С, обеспечивая глубокое охлаждение, но при этом их энергопотребление выше.

Вентиляторные градирни также отличаются по исполнению и бывают заводской готовности и строительные.

Их основные плюсы и преимущества:

максимальная гибкость и настраиваемость конструкции;
отсутствие намерзания льда в зимний период;
высокая эффективность охлаждения жидкости;
простота повседневной эксплуатации и ремонта.

Перекрестноточные и противоточные градирни

И еще одним критерием в классификации вентиляторных градирен является различие по направлению воды и воздуха в градирнях.
Если поток подаваемой воды параллелен потоку воздуха (последний подается навстречу), градирня называется противоточной.
К противоточным градирням относятся вентиляторные и башенные градирни.
Когда воздух подается под углом в 90 градусов к потоку воды, градирня относится к классу перекрестноточных.

Перекрестноточная градирня

В этом типе вентиляторной градирни воздух перемещается в горизонтальной плоскости и под прямым углом к потоку воды. Подаваться воздух может с одной стороны от потока жидкости или с противоположных.

В соответствии с этим параметром их делят на два типа:

однопоточная;
двухпоточная.

Вода для охлаждения поступает через верхнюю часть устройства и попадает в водораспределяющее устройство лоточного типа. Далее вода течет самотеком вниз по оросителю. Контакт с большим количеством воздуха приводит к частичному испарению воды и ее охлаждению.

Перекрестноточные градирни широко распространены в промышленности, однако имеют несколько минусов:

из-за перекрестноточного потока воды и воздуха они показывают меньшую эффективность, чем противоточные вентиляторные градирни. Для достижения той же мощности приходится использовать градирни больших размеров и стоимости;
высокое аэродинамическое сопротивление орошаемой поверхности и отсутствие подпора затрудняет эксплуатацию при минусовой температуре воздуха. Часто градирни обмерзают и не выполняют возложенных на них задач.

Использовать вентиляторные градирни перекрестноточного типа целесообразно в местности с теплым климатом. Они позволяют рационально использовать производственные площади, так как разрабатываются высокими, но компактными. В российских реалиях их эксплуатация нецелесообразна, тем более что такие изделия обычно делают зарубежные производители и выполнять их текущий ремонт, как правило, сложно и дорого.

Другие важные критерии выбора градирен

Помимо конструктивных особенностей и принципа действия градирни, при выборе подходящего оборудования для организации собственного производства необходимо обращать внимание и на ряд других факторов:

Величина капитальных затрат на приобретение оборудования, покупку дополнительных устройств и услуги по монтажу.
Срок эксплуатации градирни без необходимости ремонта.
Простота и экономичность обслуживания.
Материалы, из которых сделаны градирни (металлические, бетонные и пр.).

Например, существуют стеклопластиковые градирни, которые не подходят для эксплуатации в условиях российского климата. Есть металлические градирни, более надежные и качественные, но подвержены коррозии, за исключением градирен со специальным антикоррозийным покрытием, такие как вентиляторные градирни NCT с покрытием Armour. Также существуют бетонные градирни (башенные).

Деревянные градирни

Стеклопластиковые градирни

Градирни из профлиста или ПВХ

Бетонные градирни

Металлические градирни

Одним из примеров градирен с оптимальным соотношением технических характеристик и стоимости являются градирни NCT.

Вентиляторные градирни этой торговой марки изготавливаются в корпусе из оцинкованной стали или нержавейки, поэтому не подвержены коррозии и могут прослужить более 15 лет. Помимо этого, все градирни комплектуются необходимым оборудованием для монтажа и пуска градирни в эксплуатацию.

Свяжитесь со специалистами нашей компании, и мы подберем для вас градирню, которая будет технические характеристики которой будут оптимально соответствовать поставленным задачам.