Мокрые градирни — это устройства для охлаждения теплоносителя за счёт эффекта адиабатного увлажнения воздуха. Большинство из них относится к числу градирен отрытого типа — контур теплоносителя не замкнут, причём часть теплоносителя постоянно теряется в процессе охлаждения. В таких системах обязательно должен быть предусмотрен механизм подпитки теплоносителя. Тем не менее, мокрые градирни являются наиболее экономичными и эффективными средствами для охлаждения больших объёмов воды.
Виды градирен
Градирни предназначены для охлаждения теплоносителя, который в свою очередь охлаждает какое-либо технологическое оборудование. Охлаждение теплоносителя происходит за счёт окружающей среды, то есть за счёт наружного воздуха. Другими словами можно сказать, что технологическое оборудование отдаёт тепло теплоносителю, а тот «сбрасывает» его в окружающую среду. Чтобы осуществить этот «сброс» тепла и нужны градирни.
Глобально специалисты выделяют два вида градирен — сухие и мокрые. Сухие представляют собой теплообменник, обдуваемый наружным воздухом. Проходя через трубки теплообменника, теплоноситель охлаждается до температур, близких к температуре наружного воздуха. В мокрых градирнях используется эффект испарительного охлаждения: испаряя воду, воздух охлаждается, и именно этот поток воздуха низкой температуры охлаждает теплоноситель.
Далее, мокрые градирни подразделяются на открытые и закрытые, открытые — на оросительные и эжекционные, оросительные — на вентиляторные и башенные, которые, в свою очередь, бывают различного строительного исполнения с различными направлениями движения воды и воздуха.
В рамках данной статьи мы рассмотрим основные виды мокрых градирен — открытые и закрытые, оросительные и эжекционные — схему их работы, сферу применения, преимущества и недостатки.
Принцип работы мокрых градирен
В мокрых градирнях наружный воздух адиабатно увлажняется за счёт воды. При этом его температура снижается на несколько градусов. Например, воздух с температурой 30°С и влажностью 40% при достижении влажности 90% будет иметь температуру 21°С, то есть охладится на 9°С. Воздух с температурой 25°С и влажностью 50% может быть охлажден до 19°С, то есть на 6°С, и так далее.
Суть в том, что охлаждение теплоносителя (в большинстве случаев теплоносителем является вода) происходит тем эффективнее, чем ниже температура воздуха. А для получения воздуха с низкой температурой применяется адиабатное (распылительное) увлажнение воздуха.
Возникает вопрос, какую воду использовать для адиабатного охлаждения воздуха — непосредственно теплоноситель или отдельный поток воды. Так появляются градирни открытого и закрытого типов.
Мокрые градирни закрытого типа
В мокрых градирнях закрытого типа для охлаждения воздуха применяется отдельный поток воды. Теплоноситель течёт по трубкам теплообменника, который обдувается увлажненным наружным воздухом. В свою очередь воздух продувается через градирню вентилятором. Попадая в неё, на пути воздуха распыляется вода. Испаряя её и охлаждаясь, воздух охлаждает трубки с теплоносителем. Далее на пути воздуха стоит каплеуловитель, который удерживает неиспарившуюся воду.
Мокрые градирни закрытого типа, по сути, представляют собой сухие градирни с адиабатным увлажнением наружного воздуха. Они могут быть применены как для сброса тепла от нагревающегося оборудования в промышленности, так и для охлаждения чиллеров с конденсаторами водяного охлаждения в системах холодоснабжения зданий различного назначения.
К преимуществам мокрых градирен закрытого типа относят сам закрытый контур — отсутствие потерь теплоносителя, в контур не попадают внешние загрязнители, единожды подготовленный теплоноситель сохраняет свои качества в течение долгого времени. Однако есть некоторые проблемы при работе таких градирен зимой.
В первую очередь речь идёт об опасности замерзания бассейна с водой в нижней части градирни, и образования наледи поверх трубок с теплоносителем. На самом деле проблема преувеличена, так как увлажнение наружного воздуха актуально только в летнее время. При температурах наружного воздуха ниже 15°С особого смысла в увлажнении нет, поэтому задолго до наступления заморозков система должна быть подготовлена к зимнему режиму — бассейн опорожнён, система подпитки отключена, трубопроводы перекрыты.
Кроме того, для надёжной работы градирни следует избегать обмерзания теплообменника изнутри. Такой риск возможен при отрицательных температурах наружного воздуха и малом протоке теплоносителя. Решение этой проблемы кроется в правильной настройке системы автоматики, то есть в регулировании расхода воздуха, продувающего градирню, а также в регулировании расхода воды и её байпасирования.
Мокрые градирни открытого типа
В мокрых градирнях открытого типа теплоноситель распыляется в воздухе, который продувает градирню. Обычно воздух движется снизу вверх, а теплоноситель распыляется сверху и под действием силы тяжести оседает вниз. В процессе движения через встречный поток распыленного теплоносителя, воздух частично испаряет его, охлаждается сам и охлаждает его. В верхней части градирни наружу выходит горячий влажный воздух. В нижней части скапливается охлажденный теплоноситель. По такому принципу работают оросительные градирни открытого типа.
Движение воздуха снизу вверх в оросительных градирнях может осуществляться как за счёт естественных сил (подобно естественной вытяжке в многоэтажных домах), так и за счёт вентилятора.
В первом случае для воздуха нужен канал большого сечения. Такие установки хороши для охлаждения больших объёмов воды на небольшую дельту по температуре (5-10°С). Они применяются на АЭС, ТЭЦ, в крупных промышленных предприятиях и называются башенными градирнями. Их преимущества — минимальное энергопотребление, большой теплосъём, работа с большими расходами воды. Главный недостаток — масштабная конструкция, требующая немалых затрат при строительстве.
Во втором случае воздух нагнетается вентилятором, поэтому площадь сечения канала для воздуха может быть существенно снижена. Такие градирни называются вентиляторными оросительными градирнями. Теплоноситель подаётся сверху и разбрызгивается на ороситель, после чего в охлаждённом виде собирается в накопителе в нижней части градирни. Воздух всасывается вентилятором снизу и нагнетается вверх навстречу теплоносителю. В верхней части градирни устанавливается каплеуловитель, препятствующий излишнему уносу воды в наружный воздух.
В градирнях с охлаждением теплоносителя на небольшую величину (до 10°С) применяют осевые вентиляторы, с существенным охлаждением теплоносителя (до 40°С) — центробежные вентиляторы. Вентиляторные градирни не зависят от естественной тяги, хорошо поддаются автоматизации, регулированию и наладке различных режимов работы, характеризуются высокой эффективностью охлаждения жидкости. Сфера их применения широка — интенсивное и не очень охлаждение различных объёмов теплоносителя в различных отраслях промышленности.
Наконец, рассмотрим ещё один вид мокрых градирен открытого типа — эжекционные градирни. В них распыление теплоносителя осуществляется снизу вверх, а движение воздуха обеспечивается за счёт эффекта эжекции. В данном случае суть эжекции заключается в том, что распыляемый теплоноситель увлекает за собой потоки воздуха, с которыми он и контактирует — увлажняет их, охлаждает их, за счёт чего охлаждается сам.
Далее нагретый увлажненный воздух покидает градирню через отверстие в верхней зоне. Интересно отметить, что этот процесс также происходит за счёт естественных сил — нагретый воздух легче холодного, поэтому стремится наверх, и влажный воздух легче сухого, поэтому тоже стремится вверх. Соответственно, нагретый влажный воздух, если можно так выразиться, с удвоенной силой стремится вверх. Всё это способствует эффективному воздухообмену внутри градирни.
Охлажденный теплоноситель в виде капель оседает в нижней части градирни, откуда насосом по трубопроводам нагнетается к оборудованию, которое необходимо охлаждать.
Эжекционные градирни способны эффективно охлаждать теплоноситель высокой температуры (до 60°С и более). Среди недостатков — высокая потребляемая мощность насосов для распыления теплоносителя. Чтобы теплоноситель увлекал за собой потоки воздуха, его скорость на выходе из форсунки должна быть велика (более 60км/ч), а для этого нужны в
Юрий Хомутский, технический редактор журнала «Мир Климата»
