Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Градирня — теплообменное сооружение, охлаждающее оборотную воду за счёт её частичного испарения при непосредственном контакте с потоком атмосферного воздуха. Понимание того, как работает градирня, сводится к трём вещам: где именно вода отдаёт тепло воздуху, как организован сам контакт двух сред и чем восполняются неизбежные потери. Ниже разобран принцип испарительного охлаждения, устройство рабочей зоны, различия башенных и вентиляторных градирен и водный баланс системы оборотного водоснабжения.
В основе работы испарительной градирни лежит прямой контакт нагретой воды с воздухом. По терминологии стандарта, испарительная градирня — это теплообменное сооружение, в котором теплообмен между водой и воздухом осуществляется прямым контактом. Часть воды при этом переходит в пар, и на испарение расходуется скрытая теплота парообразования, отбираемая от основной массы жидкости. Именно испарение, а не простое соприкосновение с более холодным воздухом, обеспечивает главный охлаждающий эффект.
Удельная теплота парообразования воды при характерных для градирни температурах составляет порядка 2,4 МДж/кг (около 580 ккал/кг) и возрастает с понижением температуры. Из-за этого испарение даже небольшой доли потока снимает значительную тепловую нагрузку: чтобы охладить основную массу воды, испарять требуется лишь малую её часть. Наряду с испарением присутствует и конвективный теплообмен — прямая передача тепла от воды к воздуху, когда воздух холоднее воды, — но его вклад в большинстве режимов второстепенен.
Испаряется, как правило, лишь около 1–2 % циркуляционного расхода — этого достаточно, чтобы отвести всё избыточное тепло контура.
Интенсивность испарения тем выше, чем суше воздух: чем ниже его влажность, тем больше пара он способен принять. Поэтому эффективность градирни напрямую зависит не от температуры воздуха как таковой, а от его влажностного состояния — то есть от температуры по мокрому термометру (о ней подробнее в разделе о тепловых параметрах).
Независимо от типа, испарительная градирня содержит один и тот же набор функциональных узлов, через которые последовательно проходят вода и воздух. Их задача — развить максимальную поверхность контакта воды с воздухом при умеренном аэродинамическом сопротивлении и удержать капли внутри сооружения.
Рабочий цикл во всех типах устроен одинаково и представляет собой встречное (противоточное) или перекрёстное движение воды и воздуха:
Ороситель — ключевой элемент рабочей зоны. Его назначение — раздробить стекающий поток воды и обеспечить длительное время и максимальную площадь её контакта с воздухом при оптимальном аэродинамическом сопротивлении. По способу увеличения поверхности контакта оросители делят на несколько типов.
Современные блоки оросителей изготавливают преимущественно из полимеров — поливинилхлорида (ПВХ), полипропилена (ПП) или полиэтилена, что определяет их рабочий температурный диапазон и стойкость. Геометрия блока (шаг каналов, форма листов) подбирается тепловым и гидравлическим расчётом под конкретный режим и качество воды.
Плёночные оросители дают лучшую охлаждающую способность на единицу объёма, но требовательны к чистоте воды: взвеси и биообрастания забивают узкие каналы. Для загрязнённой воды предпочтительнее капельные или капельно-плёночные конструкции.
Проходя через ороситель, воздух захватывает мелкие капли воды. Чтобы они не покидали сооружение вместе с потоком, над водораспределением устанавливают каплеуловитель (водоуловитель) — устройство для снижения потерь воды, выносимой проходящим через градирню воздухом, за счёт улавливания и возврата мелких капель.
Принцип действия — инерционный. Каплеуловитель собирают из профильных пластин специальной формы (обычно из жёсткого ПВХ), которые заставляют паровоздушный поток несколько раз изменить направление. Капли по инерции ударяются о поверхности пластин, сливаются, укрупняются и под действием силы тяжести стекают обратно в градирню. Профиль подбирают так, чтобы обеспечить «оптическую плотность» (отсутствие сквозных вертикальных щелей) при минимальном аэродинамическом сопротивлении.
Эффективность каплеулавливания зависит от конструкции профиля, схемы укладки, скорости воздуха и сопротивления блока. У современных водоуловителей капельный унос составляет лишь малые доли процента циркуляционного расхода — на порядки меньше потерь на испарение; при отсутствии или деградации каплеуловителя унос заметно возрастает.
Главный признак, по которому различают конструкции, — способ создания тяги воздуха. От него зависят габариты сооружения, энергопотребление и область применения.
Башенная градирня — вид градирни, в которой требуемое количество воздуха обеспечивается естественной тягой, создаваемой за счёт высоты вытяжной башни и разности плотностей воздуха внутри и снаружи. Нагретый и увлажнённый воздух внутри башни легче наружного, поэтому поднимается вверх, а через воздуховходные окна в нижней части подсасывается свежий воздух. Такие градирни отличаются большой высотой вытяжной башни и применяются преимущественно при значительных тепловых нагрузках; вентилятор и его привод отсутствуют, что снижает эксплуатационные затраты на перемещение воздуха.
Вентиляторная градирня — градирня, в которой тяга воздуха осуществляется нагнетательным или отсасывающим вентилятором. Принудительная подача воздуха обеспечивает более глубокое и устойчивое охлаждение, позволяет управлять режимом (в том числе регулировать производительность) и делает конструкцию компактнее при той же тепловой нагрузке. Платой за это становится потребление энергии вентиляторной установкой и её обслуживание.
Отдельно различают противоточные градирни, где воздух движется навстречу стекающей воде, и поперечноточные, где воздух проходит перпендикулярно потоку воды. Противоточная схема, как правило, обеспечивает более полное охлаждение и меньшее недоохлаждение относительно предела, чем поперечноточная.
Испарительная градирня относится к гидротехническим сооружениям. По правилам проектирования железобетонных градирен башенные (с железобетонной вытяжной башней) сооружают в районах с расчётной средней температурой наиболее холодной пятидневки не ниже минус 30 °C, а вентиляторные — не ниже минус 40 °C; при более суровых условиях требуются дополнительные проектные меры.
Режим градирни описывают несколькими взаимосвязанными величинами. Их понимание объясняет, почему одну и ту же воду в разную погоду охлаждают до разной температуры.
Температура мокрого термометра задаёт физический предел: ниже неё охладить воду в градирне данного воздуха невозможно. Она всегда ниже температуры сухого термометра (кроме случая 100 % относительной влажности) и зависит от температуры и влажности наружного воздуха. Реальная температура охлаждённой воды всегда выше предела на величину недоохлаждения — приблизиться к пределу вплотную практически не удаётся.
Q = c · G · Δt
Q
c
G
Δt
Оборотная вода циркулирует по замкнутому контуру, но система не герметична: часть воды безвозвратно теряется, и её нужно восполнять. Баланс любой испарительной градирни описывается суммой потерь, компенсируемых подпиткой.
Q_подп = Q_исп + Q_ун + Q_прод
Q_исп
Q_ун
Q_прод
Основная составляющая потерь. Ориентировочно на каждые 10 °C диапазона охлаждения испаряется порядка 1–2 % циркуляционного расхода; точное значение растёт с увеличением перепада температур и температуры воздуха. В нормативных методиках потери на испарение определяют через коэффициент, учитывающий долю теплоотдачи испарением в общей теплоотдаче, который зависит от температуры воздуха по сухому термометру.
Потери с каплями, увлечёнными воздухом. При исправном каплеуловителе современного типа эта доля мала по сравнению с испарением, поэтому основной резерв снижения потерь — качество водоуловителя и режим по скорости воздуха.
При испарении чистая вода уходит в пар, а растворённые соли остаются, повышая минерализацию оборотной воды. Это ведёт к накипеобразованию и коррозии. Чтобы удержать солесодержание в допустимых пределах, часть воды намеренно сбрасывают (продувка), а взамен подают свежую подпитку. Степень концентрирования характеризует коэффициент упаривания (цикл концентрации) — отношение концентрации солей в оборотной воде к их концентрации в подпиточной.
K
Q_прод ≈ Q_исп / (K − 1)
1000 м³/ч
Δt = 10 °C
Q_исп ≈ 18 м³/ч
K = 2
Q_прод ≈ 18 / (2 − 1) = 18 м³/ч
36 м³/ч
Подбор градирни начинают не с габаритов, а с исходных данных: тепловой нагрузки, требуемой температуры охлаждённой воды и климатических параметров района, прежде всего расчётной температуры мокрого термометра. Несколько практических ориентиров и распространённых просчётов:
Общее правило: градирня работает эффективно, когда согласованы тепловой расчёт, водный баланс и качество воды. Регулярный контроль температур на входе и выходе, температуры мокрого термометра и солесодержания позволяет вовремя корректировать режим.
Нагретую оборотную воду разбрызгивают над оросителем, где она тонкой плёнкой и каплями контактирует с потоком воздуха. Небольшая часть воды испаряется, унося скрытую теплоту парообразования, и за счёт этого основная масса воды охлаждается. Охлаждённая вода собирается в бассейн и возвращается в контур.
Основной эффект даёт испарение: на переход воды в пар расходуется значительная скрытая теплота. Дополнительно действует конвекция — прямая теплоотдача воздуху, когда он холоднее воды. В испарительной градирне вклад испарения преобладает.
В башенной воздух движется за счёт естественной тяги высокой вытяжной башни и разности плотностей воздуха, вентилятора нет. В вентиляторной тягу создаёт нагнетательный или отсасывающий вентилятор, что даёт более глубокое и управляемое охлаждение при меньших габаритах, но с затратами энергии на привод.
Ороситель развивает поверхность контакта воды с воздухом: он дробит поток на плёнку и капли и увеличивает время их соприкосновения с воздухом. Чем больше поверхность контакта при умеренном сопротивлении воздуху, тем эффективнее охлаждение.
Каплеуловитель (водоуловитель) снижает капельный унос — потери воды с каплями, увлечёнными выходящим воздухом. Профильные пластины заставляют поток менять направление, капли осаждаются и стекают обратно, что уменьшает расход подпитки.
Потери складываются из испарения, капельного уноса и продувки. Испарение — основная часть, ориентировочно около 1–2 % циркуляции на каждые 10 °C перепада температур; унос при исправном каплеуловителе мал, а продувка определяется допустимым коэффициентом упаривания и качеством воды.
Физический предел — температура мокрого термометра наружного воздуха; ниже неё охладить воду в градирне нельзя. Реальная температура охлаждённой воды всегда выше предела на величину недоохлаждения. В жаркую и влажную погоду предел выше, поэтому и вода охлаждается слабее.
Подпитка — свежая вода, восполняющая потери контура (испарение, унос, продувку). Продувка — намеренный сброс части оборотной воды, чтобы соли, накапливающиеся из-за испарения, не превысили допустимый уровень и не вызвали накипь и коррозию.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.