Градирни — системы охлаждения воды¶
Градирня — это инженерное сооружение (отдельно стоящая конструкция или устройство), предназначенное для охлаждения воды путём отдачи тепла в окружающую атмосферу. Градирни применяются на тепловых и атомных электростанциях, в металлургических, нефтехимических и химических производствах, а также в системах кондиционирования воздуха крупных зданий. Принцип работы основан на частичном испарении воды, при котором скрытая теплота парообразования отводит значительную часть тепловой энергии.
¶Принцип работы
Вода, подлежащая охлаждению, подаётся в верхнюю часть градирни через распределительную систему (водораспределительную ванну или форсунки) и распыляется на специальную насадку (заполнение). Стекая по насадке тонкими плёнками и каплями, вода контактирует с восходящим потоком воздуха, который нагнетается естественной тягой или вентилятором. Часть воды испаряется, забирая тепло, остальная охлаждается за счёт теплообмена с воздухом. Охлаждённая вода собирается в нижней части — водосборном бассейне — и по трубопроводам возвращается в технологический контур.
¶Классификация
Градирни классифицируют по нескольким признакам.
По способу создания тяги:
- Естественная тяга — воздух движется за счёт разницы плотности тёплого влажного воздуха внутри градирни и холодного окружающего воздуха. Такие градирни имеют большие габариты, но не требуют электропривода вентиляторов.
- Искусственная тяга — воздух нагнетается вентиляторами, что позволяет уменьшить размеры сооружения и повысить интенсивность охлаждения.
По конструкции:
- Башенные (дымовые) — высокие бетонные конструкции цилиндрической формы, часто объединённые с дымовой трубой ТЭС. Характерный пример — градирни-башни на российских электростанциях, например на Новочеркасской ГРЭС или Нижнекамской ТЭЦ.
- Канальные — состоят из ряда отдельных каналов, разделённых перегородками, с общей водораспределительной системой.
- Камерные (блочные) — наборные сооружения из отдельных модулей (ячеек), что упрощает строительство и расширение.
- Капельные — вода распыляется форсунками и охлаждается в виде капель, падающих через поток воздуха. Насадка в них отсутствует.
- Плёночные — вода стекает по насадке тонкой плёнкой, что увеличивает площадь теплообмена.
По назначению:
- Градирни-охладители — охлаждают воду замкнутого цикла (например, конденсаторы ТЭС), вода в атмосферу не выбрасывается.
- Градирни-испарители — часть воды испаряется и удаляется, оставшаяся используется повторно.
- Градирни-охладители-испарители — комбинированный тип, наиболее распространённый на электростанциях.
¶Конструктивные элементы
Основные элементы градирни:
- Водосборный бассейн — резервуар в нижней части, накапливает охлаждённую воду.
- Водораспределительная система — ванны, трубы или форсунки, равномерно распределяющие воду.
- Заполнение (насадка) — элементы, увеличивающие площадь контакта воды с воздухом. Изготавливаются из дерева, пластика, асбоцемента или металла. Современные капельные градирни используют пластиковые каплеловители.
- Воздухозаборные устройства — жалюзи, регулирующие подачу воздуха.
- Вентилятор — для градирен с искусственной тягой.
- Обводнозаборные устройства — удаляют избыток солей, накапливающихся при испарении.
¶Характеристики
Ключевые параметры градирни:
- Холодильный дефицит — разность температур входящей и охлаждённой воды, типичное значение 5–10 °C.
- Температура охлаждённой воды — обычно на 3–7 °C выше температуры «мокрого» термометра окружающего воздуха.
- Удельная нагрузка — количество теплоты, отводимое с единицы поверхности или объёма.
- Расход электроэнергии — у градирен с вентиляторами составляет 20–60 кВт на 1000 м³/ч воздуха.
¶Применение
На тепловых электростанциях градирни обеспечивают охлаждение конденсаторов паровых турбин. На ТЭС с системой оборотного водоснабжения градирни позволяют сократить потребление свежей воды в десятки раз по сравнению с прямоточным охлаждением. В металлургии градирни охлаждают воду для прокатных станов и доменных печей. В системах кондиционирования применяются компактные блочные градирни, устанавливаемые на кровле зданий.
¶Экологические аспекты
Испарение приводит к образованию видимого облачка над градирней — это водяной пар, конденсирующийся в холодном воздухе. При работе на минерализованной воде возможен выброс капель, содержащих соли и химические реагенты (ингибиторы коррозии, биоциды). Для снижения каплеуноса применяются каплеуловители. В зимнее время градирни требуют антиобледенительных мероприятий.
В России крупнейшие градирни-башни высотой 100–165 м расположены на Новочеркасской ГРЭС, Нижнекамской ТЭЦ-2, Пермской ГРЭС и других станциях. Некоторые из них являются градостроительными ориентирами соответствующих городов.
¶История
Первые градирни появились в XIX веке на металлургических заводах. Широкое распространение они получили в XX веке вместе с развитием тепловой энергетики. В СССР массовое строительство градирен-башен началось в 1950–1960-е годы, когда возводились крупные ТЭС с оборотным водоснабжением.
Источники:
- ГОСТ 22841-85 «Градирни естественной тяги. Общие технические условия»
- Справочник «Тепловые электрические станции» под ред. В. М. Пушкина
- «Теплоэнергетика» — учебник для вузов, под ред. А. В. Судникова
- Статья «Градирни» в Большой инженерной энциклопедии