Градирня

Чтобы узнать об историческом элементе иранской архитектуры, см. «Ловец ветра» .

Типичная испарительная градирня открытого типа с принудительной тягой, отводящая тепло из водяного контура конденсатора промышленной холодильной установки.

влажного охлаждения с естественной тягой Гиперболоидные башни на электростанции Дидкот (Великобритания)

Мокрые градирни с принудительной тягой (высота: 34 метра) и мокрая градирня с естественной тягой (высота: 122 метра) в Вестфалии , Германия

Мокрая градирня с естественной тягой в Дрездене (Германия)

Градирня отходящее — это устройство, которое отводит тепло в атмосферу посредством охлаждения потока теплоносителя , обычно потока воды, до более низкой температуры. Градирни могут либо использовать испарение воды для отвода тепла и охлаждения рабочей жидкости до температуры, близкой к температуре воздуха по влажному термометру, либо, в случае сухих градирен , полагаться исключительно на воздух для охлаждения рабочей жидкости почти до температуры, близкой к температуре сухого термометра. температура воздуха с использованием радиаторов .

Общие области применения включают охлаждение циркулирующей воды, используемой на нефтеперерабатывающих , нефтехимических и других химических заводах , тепловых электростанциях , атомных электростанциях и в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха для охлаждения зданий. Классификация основана на типе подачи воздуха в башню: основными типами градирен являются градирни с естественной тягой и градирни с принудительной тягой .

Градирни различаются по размеру: от небольших крышных установок до очень больших гиперболоидных конструкций , которые могут достигать 200 метров (660 футов) в высоту и 100 метров (330 футов) в диаметре, или прямоугольных конструкций, высота которых может превышать 40 метров (130 футов). ) в высоту и 80 метров (260 футов) в длину. Гиперболоидные градирни часто ассоциируются с атомными электростанциями . хотя они также используются на многих угольных электростанциях и в некоторой степени на некоторых крупных химических и других промышленных предприятиях. Паровая турбина – это то, что требует градирни. Хотя эти большие градирни очень заметны, подавляющее большинство градирен намного меньше, включая множество агрегатов, установленных на зданиях или рядом с ними для отвода тепла от систем кондиционирования воздуха . также часто считает, что градирни испускают дым Широкая общественность или вредные испарения, хотя на самом деле выбросы этих башен в основном не способствуют выбросам углекислого газа и состоят исключительно из водяного пара .

История

Гравюра 1902 года, изображающая «Безвентиляторную самоохлаждающуюся башню Барнарда», первую большую испарительную градирню, которая опиралась на естественную тягу и открытые стороны, а не на вентилятор; Вода, подлежащая охлаждению, распылялась сверху на радиальный рисунок вертикальных матов из проволочной сетки.

Градирни возникли в 19 веке благодаря разработке конденсаторов для использования с паровым двигателем . Конденсаторы используют относительно холодную воду различными способами для конденсации пара, выходящего из цилиндров или турбин. Это снижает противодавление , что, в свою очередь, снижает потребление пара и, следовательно, расход топлива, одновременно увеличивая мощность и рециркуляцию котловой воды. Однако конденсаторы требуют достаточного количества охлаждающей воды, без чего они непрактичны. Хотя использование воды не является проблемой для морских двигателей , оно является существенным ограничением для многих наземных систем.

К началу 20-го века несколько испарительных методов рециркуляции охлаждающей воды использовались в районах, где не было налаженного водоснабжения, а также в городских районах, где муниципальных водопроводов может не хватить; надежный в периоды спроса; или иным образом достаточным для удовлетворения потребностей в охлаждении. В районах, где имеется свободная земля, системы принимали форму прудов-охладителей ; в районах с ограниченной землей, например в городах, они принимали форму градирен.

Эти ранние башни располагались либо на крышах зданий, либо как отдельно стоящие конструкции, снабжаемые воздухом вентиляторами или опирающиеся на естественный воздушный поток. В американском учебнике по инженерному делу 1911 года одна конструкция описывалась как «круглая или прямоугольная оболочка из легких пластин — по сути, дымовая труба, сильно укороченная по вертикали (от 20 до 40 футов в высоту) и сильно увеличенная в поперечном направлении. распределительные желоба, в которые должна перекачиваться вода из конденсатора; из них она стекает по «матам» из деревянных реек или плетеных проволочных сеток, заполняющим пространство внутри башни».

Ван Итерсона , 1918 год. Градирня

Гиперболоидная градирня была запатентована голландскими инженерами Фредериком ван Итерсоном и Герардом Кайперсом в Нидерландах 16 августа 1916 года. Первые гиперболоидные железобетонные градирни были построены голландской государственной шахтой (DSM) «Эмма» в 1918 году в Херлене . Первые в Великобритании были построены в 1924 году на электростанции Листер Драйв в Ливерпуле , Англия. В обоих местах они были построены для охлаждения воды, используемой на угольной электростанции.

Согласно отчету Института газовых технологий (GTI) , непрямое испарительное охлаждение по точке росы, цикл Майсоценко (M-цикл), является теоретически обоснованным методом снижения температуры жидкости до температуры точки росы, которая ниже, чем ее температура по влажному термометру. М-цикл использует психрометрическую энергию (или потенциальную энергию), получаемую за счет скрытого тепла воды, испаряющейся в воздух. Хотя в настоящее время он представляет собой M-цикл HMX для кондиционирования воздуха, благодаря инженерному проектированию этот цикл может применяться в качестве устройства рекуперации тепла и влаги для устройств сжигания, градирен, конденсаторов и других процессов, включающих потоки влажных газов.

По оценкам, потребление охлаждающей воды внутренними перерабатывающими и электростанциями приведет к снижению энергообеспеченности большинства тепловых электростанций к 2040–2069 гг.

В 2021 году исследователи представили метод улавливания пара. Пар заряжается с помощью ионного луча, а затем захватывается проволочной сеткой противоположного заряда. Чистота воды превысила стандарты питьевой воды Агентства по охране окружающей среды .

Классификация по использованию

Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (ОВиК)

Две градирни HVAC на крыше торгового центра (Дармштадт, Гессен, Германия)

Основная статья: ОВК

Градирня из стеклопластика, установленная на крыше

Ячейка градирни перекрестного типа с наполнителем и видимой циркулирующей водой

Градирня HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха) используется для отвода («отвода») нежелательного тепла от чиллера . Чиллеры с жидкостным охлаждением обычно более энергоэффективны, чем чиллеры с воздушным охлаждением, из-за отвода тепла в воду градирни при температуре по влажному термометру или близкой к ней . Чиллеры с воздушным охлаждением должны отводить тепло при более высокой температуре по сухому термометру и, таким образом, иметь более низкую среднюю эффективность обратного цикла Карно . В районах с жарким климатом крупные офисные здания, больницы и школы обычно используют одну или несколько градирен как часть систем кондиционирования воздуха. Как правило, промышленные градирни намного больше, чем башни HVAC.Использование градирни в системе HVAC объединяет градирню с чиллером с жидкостным охлаждением или конденсатором с жидкостным охлаждением. Тонна . кондиционирования воздуха определяется как удаление 12 000 британских тепловых единиц в час (3,5 кВт) Эквивалентная тонна на стороне градирни фактически отбрасывает около 15 000 британских тепловых единиц в час (4,4 кВт) из-за дополнительного отходящего теплового эквивалента энергии, необходимой для привода компрессора чиллера. Этот эквивалентная тонна определяется как отвод тепла при охлаждении 3 галлонов США в минуту (11 литров в минуту) или 1500 фунтов в час (680 кг/ч) воды на 10 °F (5,6 °C), что составляет 15 000 британских тепловых температур. единиц в час (4,4 кВт), при условии, что коэффициент производительности охладителя (COP) равен 4,0. Этот COP эквивалентен коэффициенту энергоэффективности (EER), равному 14.

Градирни также используются в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, которые имеют несколько тепловых насосов с водяным источником воды , которые используют общий водяной контур . В системе этого типа вода, циркулирующая внутри водяного контура, отводит тепло от конденсатора тепловых насосов, когда тепловые насосы работают в режиме охлаждения, затем для отвода тепла из водяного контура и отвода тепла используется установленная снаружи градирня. это в атмосферу . Напротив, когда тепловые насосы работают в режиме отопления, конденсаторы забирают тепло из контурной воды и отводят его в обогреваемое помещение. Когда водяной контур используется в основном для подачи тепла в здание, градирня обычно отключается (и может быть осушена или подготовлена ​​к зиме, чтобы предотвратить повреждение от замерзания), а тепло подается другими способами, обычно от отдельных котлов .

Промышленные градирни

Промышленные градирни для электростанции

Промышленные градирни для переработки фруктов

Промышленные градирни можно использовать для отвода тепла из различных источников, таких как оборудование или нагретый технологический материал. Основное применение больших промышленных градирен заключается в отводе тепла, поглощенного в системах циркуляционной охлаждающей воды, используемых на электростанциях , нефтеперерабатывающих заводах , нефтехимических заводах, заводах по переработке природного газа , заводах пищевой промышленности, заводах по производству полупроводников и других промышленных предприятиях. устройствах, например, в конденсаторах ректификационных колонн, для охлаждения жидкости при кристаллизации и т. д. Скорость циркуляции охлаждающей воды на типичной угольной электростанции мощностью 700 МВт _с градирней составляет около 71 600 кубических метров в час (315 000 галлонов США в минуту). а для оборотной воды требуется подпитка подаваемой воды примерно в размере 5 процентов (т.е. 3600 кубических метров в час, что эквивалентно одному кубическому метру в секунду).

Если бы эта же станция не имела градирни и использовала прямоточную охлаждающую воду, ей потребовалось бы около 100 000 кубических метров в час. Большой водозабор охлаждающей воды обычно ежегодно убивает миллионы рыб и личинок , поскольку организмы попадают на водозаборные сетки . Большое количество воды пришлось бы постоянно возвращать в океан, озеро или реку, из которой она была получена, и постоянно поставлять ее на станцию. Кроме того, сброс большого количества горячей воды может повысить температуру принимающей реки или озера до неприемлемого уровня для местной экосистемы. Повышенная температура воды может привести к гибели рыбы и других водных организмов (см. Термическое загрязнение ) или может также вызвать увеличение количества нежелательных организмов, таких как инвазивные виды дрейссены или водорослей .

Вместо этого градирня служит для рассеивания тепла в атмосферу, так что диффузия ветра и воздуха распределяет тепло по гораздо большей площади, чем горячая вода может распределять тепло в водоеме. Воду для испарительного охлаждения нельзя использовать для последующих целей (кроме дождя где-либо), тогда как воду для поверхностного охлаждения можно использовать повторно.Некоторые угольные и атомные электростанции , расположенные в прибрежных районах, используют прямоточную океанскую воду. Но даже в этом случае выпуск сточных вод на море требует очень тщательного проектирования во избежание экологических проблем.

Нефтеперерабатывающие заводы также могут иметь очень большие системы градирен. Типичный крупный нефтеперерабатывающий завод, перерабатывающий 40 000 метрических тонн сырой нефти в день (300 000 баррелей (48 000 м3) ³ ) в день) циркулирует около 80 000 кубических метров воды в час через систему градирни.

Самая высокая градирня в мире — это градирня высотой 210 ​​метров (690 футов) электростанции Пиншань II в Хуайбэе , провинция Аньхой, Китай.

Градирня, возведенная на месте

Классификация по телосложению

Тип упаковки

Градирни, возведенные на местах

Градирня Бротеп-Эко

Пакетная градирня

Градирни этого типа предварительно собираются на заводе и их можно легко транспортировать на грузовиках, поскольку они представляют собой компактные машины. Производительность башен корпусного типа ограничена, и по этой причине их обычно предпочитают объекты с низкими требованиями к отводу тепла, такие как предприятия пищевой промышленности, текстильные заводы, некоторые химические заводы или такие здания, как больницы, гостиницы, торговые центры, автомобильные заводы. , и т. д.

Из-за частого использования в жилых районах или вблизи них контроль уровня шума является относительно более важной проблемой для градирен корпусного типа.

Полевой тип

На таких объектах, как электростанции, сталелитейные заводы, нефтеперерабатывающие или нефтехимические заводы, обычно устанавливаются градирни, монтируемые на месте, из-за их большей способности отводить тепло. Башни, возводимые на месте, обычно намного больше по размеру по сравнению с градирнями пакетного типа.

Типичная градирня, возводимая на месте, имеет конструкцию из пултрудированного армированного волокном пластика (FRP), обшивку из FRP , механический блок для тяги воздуха и сепаратор.

Методы теплопередачи

Что касается используемого механизма теплопередачи , основными типами являются:

• Мокрые градирни , градирни открытого типа или испарительные градирни работают по принципу испарительного охлаждения . Рабочий теплоноситель (обычно вода) представляет собой испаряющуюся жидкость, подвергающуюся воздействию элементов.
• Градирни с замкнутым контуром (также называемые жидкостными охладителями ) пропускают рабочую охлаждающую жидкость через большой теплообменник , обычно радиатор , на который распыляется чистая вода и создается тяга, создаваемая вентилятором. Полученные характеристики теплопередачи близки к характеристикам мокрой градирни, с преимуществом защиты рабочей жидкости от воздействия окружающей среды и загрязнения.
• Адиабатические градирни распыляют воду в поступающий воздух или на картонную подкладку для охлаждения воздуха перед его прохождением через теплообменник с воздушным охлаждением. Адиабатические градирни используют меньше воды, чем другие градирни, но не охлаждают жидкость так близко к температуре по влажному термометру. Большинство адиабатических градирен также являются гибридными градирнями.
• Сухие градирни (или сухие градирни ) представляют собой градирни замкнутого цикла, которые работают за счет передачи тепла через теплообменник, который отделяет рабочий хладагент от окружающего воздуха, например, в радиаторе, используя конвективную передачу тепла. Они не используют испарение.
• Гибридные градирни или мокро-сухие градирни представляют собой градирни замкнутого цикла, которые могут переключаться между влажным, адиабатическим и сухим режимом работы. Это помогает сбалансировать экономию воды и энергии в различных погодных условиях. Некоторые гибридные градирни могут переключаться между сухим, влажным и адиабатическим режимами. В гибридных градирнях наблюдался тепловой КПД до 92%.

В мокрой градирне (или градирне с открытым контуром) теплая вода может быть охлаждена до температуры ниже, чем температура окружающего воздуха по сухому термометру, если воздух относительно сухой (см. Точку росы и психрометрию ). Когда окружающий воздух проходит мимо потока воды, небольшая часть воды испаряется, а энергия, необходимая для испарения этой части воды, берется из оставшейся массы воды, тем самым снижая ее температуру. Приблизительно 2300 килоджоулей на килограмм (970 БТЕ/фунт) тепловой энергии поглощается испаряемой водой. Испарение приводит к насыщению воздуха, снижению температуры воды, обрабатываемой башней, до значения, близкого к температуре по влажному термометру , которая ниже, чем температура окружающей среды по сухому термометру , разница определяется начальной влажностью окружающего воздуха.

Для достижения лучшей производительности (большего охлаждения) используется среда, называемая заливкой, для увеличения площади поверхности и времени контакта между потоками воздуха и воды. Наполнитель для разбрызгивания состоит из материала, который препятствует потоку воды, вызывающему разбрызгивание. Пленочный наполнитель состоит из тонких листов материала (обычно ПВХ ), по которым стекает вода. Оба метода создают увеличенную площадь поверхности и время контакта между жидкостью (водой) и газом (воздухом) для улучшения теплопередачи.

Методы создания воздушного потока

Лестница у подножия массивной гиперболоидной градирни дает ощущение ее масштаба (Великобритания).

Что касается всасывания воздуха через башню, существует три типа градирен:

• Естественная тяга — используется плавучесть за счет высокого дымохода. Теплый влажный воздух естественным образом поднимается вверх из-за разницы в плотности по сравнению с сухим и прохладным наружным воздухом. Теплый влажный воздух менее плотный, чем более сухой воздух при том же давлении. Эта плавучесть влажного воздуха создает восходящий поток воздуха через башню.
  

  

  Вид изнутри из градирни с естественной тягой
• Механическая тяга — для нагнетания или всасывания воздуха через башню используются двигатели вентиляторов с приводом от двигателя.
  • Индуцированная тяга — механическая вытяжная башня с вентилятором на выходе (вверху), который втягивает воздух через башню. Вентилятор выбрасывает горячий влажный воздух из выпускного отверстия. Это обеспечивает низкую скорость входящего и выходящего воздуха, уменьшая возможность рециркуляции , при которой выбрасываемый воздух возвращается обратно в воздухозаборник. Такое расположение вентилятора/ребер также известно как сквозное .
  • Принудительная тяга — механическая тяговая башня с вентилятором нагнетательного типа на воздухозаборнике. Вентилятор нагнетает воздух в башню, создавая высокую скорость воздуха на входе и низкую скорость на выходе. Низкая скорость на выходе гораздо более подвержена рециркуляции. Если вентилятор находится на воздухозаборнике, он более подвержен осложнениям из-за низких температур. Еще одним недостатком является то, что конструкция с принудительной тягой обычно требует большей мощности двигателя, чем эквивалентная конструкция с принудительной тягой. Преимуществом конструкции с принудительной тягой является ее способность работать при высоком статическом давлении . Такие установки можно устанавливать в более ограниченных пространствах и даже в некоторых помещениях. Такая геометрия вентилятора/ребер также известна как продувка .
• Естественная тяга с вентилятором — гибридный тип, который выглядит как установка с естественной тягой, хотя поток воздуха поддерживается вентилятором.

Гиперболоидная градирня

16 августа 1916 г. Фредерик ван Итерсон получил патент Великобритании (108 863) на усовершенствованную конструкцию градирен из железобетона . Патент был подан 9 августа 1917 года и опубликован 11 апреля 1918 года. В 1918 году DSM построила первую гиперболоидную градирню с естественной тягой в Staatsmijn Emma по его проекту.

Гиперболоидные (иногда неправильно называемые гиперболическими ) градирни стали стандартом конструкции для всех градирен с естественной тягой из-за их конструктивной прочности и минимального использования материала. Гиперболоидная форма также помогает ускорить восходящий конвективный поток воздуха, повышая эффективность охлаждения. Эти конструкции обычно ассоциируются с атомными электростанциями . Однако эта ассоциация вводит в заблуждение, поскольку такие же градирни часто используются на крупных угольных электростанциях, а также на некоторых геотермальных станциях. Паровая турбина – это то, что требует градирни. И наоборот, не все атомные электростанции имеют градирни, а некоторые вместо этого охлаждают рабочую жидкость озерной, речной или океанской водой.

Классификация по потоку воздух-вода

Переток

Перекрестноточная градирня с механической тягой, используемая в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Пакетная поперечноточная градирня

Обычно более низкие первоначальные и долгосрочные затраты, в основном из-за требований к насосу.

Crossflow – конструкция, в которой поток воздуха направлен перпендикулярно потоку воды (см. схему слева). Воздушный поток поступает в одну или несколько вертикальных сторон градирни, чтобы встретиться с наполнителем. Вода течет (перпендикулярно воздуху) через наполнитель под действием силы тяжести. Воздух проходит через наполнитель и, таким образом, мимо потока воды в открытый объем камеры. Наконец, вентилятор вытесняет воздух в атмосферу.

резервуар Распределительный или резервуар для горячей воды, состоящий из глубокого поддона с отверстиями или форсунками на дне, расположен недалеко от верха поперечноточной башни. Сила тяжести распределяет воду через форсунки равномерно по наполнителю. Перекрестный поток V/s Противоток

Преимущества перекрестноточной конструкции:

• Самотечное распределение воды позволяет использовать насосы меньшего размера и проводить техническое обслуживание во время использования.
• Распыление без давления упрощает переменный поток.

Недостатки перекрестноточной конструкции:

• Более склонны к замерзанию, чем конструкции с противотоком.
• Переменный расход бесполезен в некоторых условиях.
• Более склонны к скоплению грязи в наполнителе, чем конструкции с противотоком, особенно в пыльных или песчаных местах.

Противоток

Душ внутри градирни

Градирня пакетного типа противоточная с принудительной тягой

В противоточной конструкции поток воздуха направлен прямо напротив потока воды (см. схему слева). Поток воздуха сначала попадает в открытую область под наполнителем, а затем вытягивается вертикально вверх. Вода распыляется через форсунки под давлением в верхней части башни, а затем течет вниз через наполнитель, противоположно потоку воздуха.

Преимущества противоточной конструкции:

• Распределение распыленной воды делает башню более морозостойкой.
• Расщепление воды в распылении делает теплообмен более эффективным.

Недостатки противоточной конструкции:

• Обычно более высокие первоначальные и долгосрочные затраты, в первую очередь из-за требований к насосу.
• Трудно использовать переменный расход воды, так как это может отрицательно сказаться на характеристиках распыления.
• Обычно более шумный из-за большей высоты падения воды со дна заполнения в резервуар с холодной водой.

Общие аспекты

Общие аспекты обеих конструкций:

• Взаимодействие потоков воздуха и воды обеспечивает частичное выравнивание температуры и испарение воды.
• Воздух, насыщенный водяным паром, выбрасывается из верхней части градирни.
• «Сборный бассейн» или «бак холодной воды» используется для сбора и хранения охлажденной воды после ее взаимодействия с потоком воздуха.

Как перекрестноточные, так и противоточные конструкции могут использоваться в градирнях с естественной и механической тягой.

Материальный баланс мокрой градирни

В количественном отношении материальный баланс вокруг системы мокрой испарительной градирни определяется эксплуатационными переменными, такими как объемный расход подпитки , потери на испарение и утечку, скорость отбора и циклы концентрации.

На соседней диаграмме вода, перекачиваемая из бассейна башни, представляет собой охлаждающую воду, протекающую через технологические охладители и конденсаторы на промышленном объекте. Холодная вода поглощает тепло от горячих технологических потоков, которые необходимо охладить или конденсировать, а поглощенное тепло нагревает циркулирующую воду (C). Теплая вода возвращается наверх градирни и стекает вниз по наполнителю внутри градирни. Когда он стекает вниз, он контактирует с окружающим воздухом, поднимающимся вверх через башню, либо за счет естественной тяги, либо за счет принудительной тяги с использованием больших вентиляторов в башне. Этот контакт приводит к потере небольшого количества воды в виде парусности или сноса (W), а некоторая часть воды (E) испаряется . Тепло, необходимое для испарения воды, получается из самой воды, которая охлаждает воду до исходной температуры воды в бассейне, и затем вода готова к рециркуляции. Испаренная вода оставляет растворенные соли в объеме неиспаренной воды, тем самым повышая концентрацию солей в циркулирующей охлаждающей воде. Чтобы предотвратить слишком высокую концентрацию солей в воде, часть воды отбирается или выдувается (D) для утилизации. Подпитка пресной водой (М) подается в бассейн башни для компенсации потерь испаряемой воды, воды из-под паруса и водозаборной воды.

Вентиляторная тяга, противоточная градирня

Используя эти размерные единицы расхода и концентрации:

М	= Подпиточная вода в м 3 /час
С	= Оборотная вода в м 3 /час
Д	= Водозабор в м 3 /час
И	= Испаренная вода в м 3 /час
В	= Потеря воды на парусность, м 3 /час
Х	= Концентрация в ppmw (любых полностью растворимых солей... обычно хлоридов)
Х М	= Концентрация хлоридов в подпиточной воде (М), в ppmw
Х С	= Концентрация хлоридов в оборотной воде (C), в ppmw
Циклы	= Циклы концентрации = X C / X M (безразмерные)
ppmw	= частей на миллион по весу

Тогда водный баланс всей системы будет:

М = Е + Д + Ж

Поскольку испарившаяся вода (E) не содержит солей, баланс хлоридов в системе составляет:

MX _M = DX _C + WX _C = X _C ( D + W )

$MX_{M}=DX_{C}+WX_{C}=X_{C}(D+W)$

и, следовательно:

${X_{C} \over X_{M}}={\text{Cycles of concentration}}={M \over (D+W)}={M \over (M-E)}=1+{E \over (D+W)}$

Из упрощенного теплового баланса вокруг градирни:

$E={C\Delta Tc_{p} \over H_{V}}$

где:
Х В	= скрытая теплота парообразования воды = 2260 кДж/кг
ΔТ	= разница температур воды от верха до низа башни, °C
с п	= удельная теплоемкость воды = 4,184 кДж/(кг $\cdot$°С)

Потери от ветра (или сноса) (W) — это количество общего потока воды в башне, увлекаемого потоком воздуха в атмосферу. Для крупногабаритных промышленных градирен при отсутствии данных производителя можно принять:

W = от 0,3 до 1,0 процента C для градирни с естественной тягой без каплеуловителей ветрового сноса.

W = от 0,1 до 0,3 процента C для градирни с принудительной тягой без каплеуловителей ветрового сноса.

W = около 0,005 процента C (или меньше), если градирня оснащена сепараторами ветрового сноса.

W = около 0,0005 процента C (или меньше), если градирня оснащена сепараторами ветрового сноса и использует морскую воду в качестве подпиточной воды.

Циклы концентрации

Цикл концентрации представляет собой накопление растворенных минералов в оборотной охлаждающей воде. Сброс водозабора (или продувка) используется главным образом для контроля накопления этих минералов.

Химический состав подпиточной воды, включая количество растворенных минералов, может сильно различаться. Подпиточные воды с низким содержанием растворенных минералов, например, из поверхностных источников воды (озера, реки и т. д.), имеют тенденцию быть агрессивными по отношению к металлам (коррозионными). Подпиточные воды из подземных источников воды (например, из колодцев ) обычно содержат больше минералов и имеют тенденцию к отложению (отложения полезных ископаемых). Увеличение количества минералов, присутствующих в воде за счет езды на велосипеде, может сделать воду менее агрессивной для трубопроводов; однако чрезмерный уровень минералов может вызвать проблемы с образованием накипи.

Связь между циклами концентрации и скоростями потока в градирне

По мере увеличения циклов концентрации вода может оказаться не в состоянии удерживать минералы в растворе . Когда растворимость этих минералов превышена, они могут выпасть в осадок в виде твердых минеральных веществ и вызвать засорение и проблемы с теплообменом в градирне или теплообменниках . Температура циркулирующей воды, трубопроводов и поверхностей теплообмена определяет, будут ли и где минералы осаждаться из циркулирующей воды. Часто профессиональный консультант по водоподготовке оценивает подпиточную воду и условия эксплуатации градирни и рекомендует соответствующий диапазон циклов концентрации. Использование химикатов для очистки воды, предварительная обработка, такая как умягчение воды , регулирование pH и другие методы, могут повлиять на приемлемый диапазон циклов концентрации.

Циклы концентрации в большинстве градирен обычно варьируются от 3 до 7. В Соединенных Штатах во многих системах водоснабжения используется вода из колодцев, которая содержит значительные уровни растворенных твердых веществ. С другой стороны, один из крупнейших источников водоснабжения Нью-Йорка имеет поверхностный источник дождевой воды с довольно низким содержанием минералов; таким образом, градирням в этом городе часто разрешается концентрировать до 7 или более циклов концентрации.

Поскольку более высокие циклы концентрации требуют меньше подпиточной воды, усилия по сохранению воды могут быть сосредоточены на увеличении циклов концентрации. Высокоочищенная оборотная вода может быть эффективным средством снижения потребления питьевой воды градирнями в регионах, где питьевой воды не хватает.

Обслуживание

Очистите видимую грязь и мусор из резервуара с холодной водой и поверхностей с видимой биопленкой (например, слизью).

Уровни дезинфицирующих средств и других химикатов в градирнях и гидромассажных ваннах следует постоянно поддерживать и регулярно контролировать.

регулярно проверять качество воды (в частности, уровень аэробных бактерий) с помощью погружных слайдов , поскольку присутствие других организмов может поддерживать легионеллу, производя органические питательные вещества, необходимые ей для развития. Следует

Очистка воды

См. Также: Промышленная очистка воды.

Помимо очистки циркулирующей охлаждающей воды в крупных промышленных системах градирен с целью минимизации образования накипи и загрязнения , воду следует фильтровать для удаления твердых частиц, а также дозировать биоциды и альгициды для предотвращения роста, который может помешать непрерывному потоку воды. При определенных условиях биопленка микроорганизмов, таких как бактерии, грибы и водоросли, может очень быстро расти в охлаждающей воде и снижать эффективность теплопередачи градирни. Биопленку можно уменьшить или предотвратить с помощью хлорита натрия или других химикатов на основе хлора . Обычной промышленной практикой является использование двух биоцидов, например, окислительного и неокисляющего типа, чтобы дополнять сильные и слабые стороны друг друга и обеспечивать более широкий спектр воздействия. В большинстве случаев используется постоянный низкий уровень окисляющего биоцида, затем чередующийся с периодическим ударным приемом неокисляющих биоцидов.

Альгициды и биоциды

Альгициды, как следует из их названия, предназначены для уничтожения водорослей и других родственных им растительных микробов в воде. Биоциды могут уменьшить количество оставшихся живых веществ, улучшая систему и сохраняя чистоту и эффективное использование воды в градирне. Одним из наиболее распространенных вариантов биоцидов для воды является бром.

Ингибиторы накипи

Среди проблем, которые наносят наибольший ущерб и нагрузку на системы водонапорной башни, является образование накипи. Когда нежелательный материал или загрязняющее вещество в воде накапливается в определенной области, это может привести к образованию отложений, которые со временем растут. Это может вызвать проблемы, начиная от сужения труб и заканчивая полной закупоркой и выходом из строя оборудования.

Потребление воды градирней происходит за счет дрейфа, стравливания и потерь на испарение. Вода, которая немедленно пополняется в градирню из-за потерь, называется подпиточной водой. Функция подпиточной воды заключается в обеспечении безопасной и стабильной работы машин и оборудования.

Болезнь легионеров

Legionella pneumophila (увеличение 5000×)

Дополнительная информация: Легионеллез и легионелла.

Множество микроскопических организмов, таких как колонии бактерий, грибы и водоросли, могут легко процветать при умеренно высоких температурах внутри градирни.

Еще одной очень важной причиной использования биоцидов в градирнях является предотвращение роста легионеллы , включая виды, вызывающие легионеллез или болезнь легионеров, особенно L. pneumophila . или Mycobacterium avium . Различные виды легионеллы являются причиной болезни легионеров у людей, а передача происходит через воздействие аэрозолей — вдыхание капель тумана, содержащих бактерии. Обычными источниками легионеллы являются градирни, используемые в открытых рециркуляционных системах испарительного охлаждения, системах горячего водоснабжения, фонтанах и аналогичных рассеивателях, которые подключаются к общественному водоснабжению. Природные источники включают пресноводные пруды и ручьи.

Французские исследователи обнаружили, что бактерии легионеллы перемещаются по воздуху на расстояние до 6 километров (3,7 миль) из большой зараженной градирни на нефтехимическом заводе в Па-де-Кале, Франция. В результате этой вспышки погиб 21 из 86 человек, у которых была лабораторно подтвержденная инфекция.

Снос (или ветровость) — это термин, обозначающий капли воды из технологического потока, которые могут выйти в выпускное отверстие градирни. Уловители дрейфа используются для поддержания скорости дрейфа обычно на уровне 0,001–0,005% от скорости циркулирующего потока. Типичный каплеуловитель обеспечивает многократное изменение направления воздушного потока для предотвращения вылета капель воды. Хорошо спроектированный и хорошо установленный каплеуловитель может значительно снизить потери воды и вероятность заражения легионеллой или воздействием химикатов для очистки воды. Кроме того, примерно каждые шесть месяцев проверяйте состояние каплеуловителей, проверяя, нет ли зазоров, через которые грязь может свободно стекать.

Центры США по контролю и профилактике заболеваний (CDC) не рекомендуют медицинским учреждениям регулярно проверяться на наличие бактерий Legionella pneumophila . Плановый микробиологический мониторинг легионеллы остается спорным, поскольку ее присутствие не обязательно свидетельствует о потенциальной способности вызывать заболевание. CDC рекомендует агрессивные меры дезинфекции для очистки и обслуживания устройств, которые, как известно, передают легионеллу , но не рекомендует регулярно проводить микробиологические анализы на наличие бактерий. Однако плановый мониторинг питьевой воды в больнице может быть рассмотрен в определенных условиях, где люди очень восприимчивы к заболеванию и смертности от инфекции Legionella (например, отделения трансплантации гемопоэтических стволовых клеток или отделения трансплантации твердых органов). Кроме того, после вспышки легионеллеза представители здравоохранения соглашаются с необходимостью мониторинга для выявления источника и оценки эффективности биоцидов или других профилактических мер.

Исследования обнаружили легионеллу в 40–60% градирен.

Терминология

Заливные пластины в нижней части градирни электростанции Иру (Эстония). Башня закрыта, обнажая многочисленные распылители воды.

• Парусность или снос — капли воды, выносимые из градирни с отработанным воздухом. Дрейфующие капли имеют ту же концентрацию примесей, что и вода, поступающая в башню. Скорость сноса обычно снижается за счет использования устройств, похожих на перегородки, называемых сепараторами сноса, через которые воздух должен проходить после выхода из зон заполнения и распыления башни. Снос также можно уменьшить за счет более высоких температур на входе в градирню.

• Выброс — капли воды, выдуваемые ветром из градирни, обычно через воздухозаборные отверстия. Вода также может теряться в отсутствие ветра из-за разбрызгивания или тумана. Для ограничения этих потерь используются такие устройства, как ветровые экраны, жалюзи, отражатели брызг и водоотводы.

• Шлейф — поток насыщенного отработанного воздуха, выходящий из градирни. Шлейф виден, когда содержащийся в нем водяной пар конденсируется при контакте с более прохладным окружающим воздухом, подобно тому, как насыщенный воздух при дыхании затуманивается в холодный день. При определенных условиях шлейф градирни может представлять опасность запотевания или обледенения окружающей среды. Обратите внимание, что вода, испарившаяся в процессе охлаждения, является «чистой» водой, в отличие от очень небольшого процента капель или воды, выдуваемой из воздухозаборников.

• Отвод или продувка — часть потока циркулирующей воды, которая удаляется (обычно сбрасывается в канализацию) для поддержания количества общего количества растворенных твердых веществ (TDS) и других примесей на приемлемо низком уровне. Более высокая концентрация TDS в растворе может быть результатом большей эффективности градирни. Однако чем выше концентрация TDS, тем выше риск образования накипи, биологического роста и коррозии. Величина продувки в первую очередь регулируется путем измерения электропроводности оборотной воды. Биологический рост, накипь и коррозию можно предотвратить химическими веществами (соответственно биоцидом, серной кислотой, ингибитором коррозии). С другой стороны, единственный практический способ снизить электропроводность – это увеличить количество продувочных сбросов и последующее увеличение количества чистой подпиточной воды.

• Нулевой слив для градирен , также называемый нулевой продувкой для градирен , представляет собой процесс, позволяющий значительно снизить потребность в стравливании воды с остаточными твердыми частицами из системы, позволяя воде удерживать больше твердых частиц в растворе.

• Подпитка — вода, которую необходимо добавлять в систему оборотного водоснабжения, чтобы компенсировать потери воды, такие как испарение, потери за счет дрейфа, выбросы, продувки и т. д.

• Шум — Звуковая энергия, излучаемая градирней и слышимая (записываемая) на заданном расстоянии и в заданном направлении. Звук создается ударами падающей воды, движением воздуха вентиляторами, движением лопастей вентилятора в конструкции, вибрацией конструкции, а также двигателями, редукторами или приводными ремнями.

• Подход . Подход заключается в разнице температур между температурой охлажденной воды и температурой по влажному термометру входящего воздуха (twb). Поскольку градирни основаны на принципах испарительного охлаждения, максимальная эффективность градирни зависит от температуры воздуха по влажному термометру. Температура по влажному термометру — это тип измерения температуры, который отражает физические свойства системы со смесью газа и пара, обычно воздуха и водяного пара.

• Диапазон — диапазон представляет собой разницу температур между входом теплой воды и выходом охлажденной воды.

• Наполнитель — внутри башни добавляются наполнители для увеличения поверхности контакта, а также времени контакта между воздухом и водой, чтобы обеспечить лучшую теплопередачу. Эффективность башни зависит от выбора и количества наполнителя. Можно использовать два типа заливок:
  • Наполнитель пленочного типа (заставляет воду растекаться в тонкую пленку)
  • Заливка всплескового типа (разбивает падающую струю воды и прерывает ее вертикальное движение)

• Полнопоточная фильтрация . Полнопоточная фильтрация непрерывно удаляет частицы из всего потока системы. Например, в 100-тонной системе расход составит примерно 300 галлонов в минуту. Фильтр будет выбран для обеспечения всего расхода 300 галлонов в минуту. В этом случае фильтр обычно устанавливается после градирни на нагнетательной стороне насоса. Хотя это идеальный метод фильтрации, для систем с более высоким потоком он может оказаться непомерно дорогостоящим.

• Боковая фильтрация . Боковая фильтрация, хотя и популярна и эффективна, не обеспечивает полной защиты. При боковой фильтрации часть воды фильтруется непрерывно. Этот метод основан на том принципе, что непрерывное удаление частиц будет поддерживать чистоту системы. Производители обычно размещают фильтры бокового потока на салазках в комплекте с насосом и органами управления. Для систем с высоким расходом этот метод экономически эффективен. Правильный выбор размера системы фильтрации бокового потока имеет решающее значение для получения удовлетворительных характеристик фильтра, но ведутся споры о том, как правильно подобрать размер системы бокового потока. Многие инженеры рассчитывают систему так, чтобы она непрерывно фильтровала воду в бассейне градирни со скоростью, эквивалентной 10% от общего расхода циркуляционного потока. Например, если общий расход системы составляет 1200 галлонов в минуту (система емкостью 400 тонн), указывается система с боковым потоком на 120 галлонов в минуту.

• Цикл концентрации — максимально допустимый множитель количества различных веществ в оборотной воде по сравнению с количеством этих веществ в подпиточной воде.

• Обработанная древесина — конструкционный материал для градирен, от которого отказались в начале 2000-х годов. Его до сих пор время от времени используют из-за низких первоначальных затрат, несмотря на короткий срок службы. Срок службы обработанной древесины сильно варьируется в зависимости от условий эксплуатации башни, таких как частота остановов, очистка оборотной воды и т. д. При надлежащих условиях работы расчетный срок службы обработанных деревянных элементов конструкции составляет около 10 лет.

• Выщелачивание — потеря химических веществ, защищающих древесину, в результате промывания водой, протекающей через градирню деревянной конструкции.

• Пултрузионный стеклопластик. (FRP) , распространенный конструкционный материал для небольших градирен, Армированный волокном пластик известен своей высокой коррозионной стойкостью. Пултрузионный стеклопластик производится с использованием технологии пултрузии и стал наиболее распространенным конструкционным материалом для небольших градирен. Он предлагает более низкие затраты и требует меньшего обслуживания по сравнению с железобетоном, который до сих пор используется для строительства крупных конструкций.

Производство тумана

Туман, производимый электростанцией Эггборо

При определенных условиях окружающей среды можно увидеть шлейфы водяного пара, поднимающиеся из выпускного отверстия градирни, и их можно принять за дым от пожара. Если наружный воздух насыщен или близок к насыщению, а башня добавляет в воздух больше воды, насыщенный воздух с каплями жидкой воды может выбрасываться, что рассматривается как туман. Это явление обычно происходит в прохладные и влажные дни, но во многих климатических условиях встречается редко. Туман и облака, связанные с градирнями, можно охарактеризовать как гомогенные, как и другие облака антропогенного происхождения, такие как инверсионные следы и следы кораблей .

Это явление можно предотвратить, уменьшив относительную влажность насыщенного нагнетаемого воздуха. Для этого в гибридных градирнях насыщенный нагнетаемый воздух смешивается с нагретым воздухом с низкой относительной влажностью. Некоторое количество воздуха поступает в градирню выше уровня сепаратора, проходя через теплообменники. Относительная влажность сухого воздуха мгновенно снижается еще больше, поскольку он нагревается при входе в башню. Выбрасываемая смесь имеет относительно низкую относительную влажность и туман незаметен.

Образование облаков

Вопросы прикладной метеорологии градирен, включая оценку влияния градирен на усиление облачности, рассматривались в серии моделей и экспериментов. Один из результатов группы Хамана указал на значительное динамическое влияние конденсационных следов на окружающую атмосферу, проявляющееся в возмущениях температуры и влажности. Механизм этих воздействий, по-видимому, был связан либо с обтеканием тропы воздушным потоком как препятствием, либо с вертикальными волнами, порождаемыми тропой, часто на значительной высоте над ней.

Загрязнение выбросами соли

Когда мокрые градирни с подпиткой морской водой устанавливаются на различных предприятиях, расположенных в прибрежных зонах или вблизи них, снос мелких капель, выбрасываемых градирнями, содержит около 6% хлорида натрия, который откладывается на близлежащих участках суши. Такое отложение солей натрия на близлежащих сельскохозяйственных/растительных землях может превратить их в натриево-засоленные или натриево-щелочные почвы в зависимости от характера почвы и повысить натриевую концентрацию грунтовых и поверхностных вод. Проблема отложения солей из таких градирен усугубляется, когда национальные стандарты контроля загрязнения не вводятся или не соблюдаются для минимизации выбросов сноса из мокрых градирен, использующих подпитку морской воды.

Вдыхаемые взвешенные частицы размером менее 10 микрометров (мкм) могут присутствовать в сносе из градирен. Более крупные частицы размером более 10 мкм обычно отфильтровываются в носу и горле через реснички и слизь, но твердые частицы размером менее 10 мкм, называемые ТЧ ₁₀ , могут оседать в бронхах и легких и вызывать проблемы со здоровьем. Аналогичным образом, частицы размером менее 2,5 мкм (PM _2,5 ) имеют тенденцию проникать в области газообмена легких, а очень мелкие частицы (менее 100 нанометров) могут проходить через легкие и воздействовать на другие органы. Хотя общие выбросы твердых частиц от мокрых градирен с подпиткой пресной водой намного меньше, они содержат больше PM ₁₀ и PM _2,5, чем общие выбросы от мокрых градирен с подпиткой морской водой. Это связано с меньшим содержанием солей в дрейфе пресной воды (ниже 2000 ppm) по сравнению с содержанием солей в дрейфе морской воды (60 000 ppm).

Использование в качестве дымохода

Дымовая труба внутри мокрой градирни с естественной тягой

Подключение дымовой трубы к мокрой градирне с естественной тягой

На некоторых современных электростанциях, оснащенных системой очистки дымовых газов , таких как электростанция Гроскроценбург и электростанция Росток , градирня также используется в качестве дымовой трубы (промышленный дымоход), что позволяет сэкономить на стоимости отдельной конструкции дымохода. На установках без очистки дымовых газов могут возникнуть проблемы с коррозией из-за реакции неочищенного дымового газа с водой с образованием кислот .

Иногда градирни с естественной тягой строятся из конструкционной стали вместо бетона (RCC), когда время строительства градирни с естественной тягой превышает время строительства остальной части электростанции или местный грунт имеет недостаточную прочность, чтобы выдерживать тяжелые нагрузки. вес градирен из железобетона или цены на цемент выше, на объекте стоит выбрать более дешевые градирни с естественной тягой, изготовленные из конструкционной стали.

Эксплуатация в морозную погоду

Большие гиперболоидные градирни из конструкционной стали для электростанции в Харькове (Украина)

Некоторые градирни (например, системы кондиционирования воздуха в небольших зданиях) сезонно отключаются, осушаются и готовятся к зиме, чтобы предотвратить повреждение от замерзания.

Зимой на других объектах постоянно работают градирни, из которых выходит вода температурой 4 ° C (39 ° F). В холодном климате часто используются подогреватели бассейнов, водоотводы из башен и другие методы защиты от замерзания. Действующие градирни с неисправностями могут замерзнуть в очень холодную погоду. Обычно замерзание начинается в углах градирни при пониженной или отсутствующей тепловой нагрузке. Сильные заморозки могут привести к увеличению объемов льда, что приведет к увеличению структурных нагрузок, которые могут привести к повреждению или обрушению конструкции.

Для предотвращения замерзания применяют следующие процедуры:

• Использование байпасных систем с модулированием воды не рекомендуется в морозную погоду. В таких ситуациях гибкость управления двигателями с регулируемой скоростью, двухскоростными двигателями и/или многоячеечными башнями с двухскоростными двигателями следует рассматривать как требование.
• Не эксплуатируйте башню без присмотра. Для мониторинга состояния башни могут быть установлены удаленные датчики и сигнализация.
• Не эксплуатируйте градирню без тепловой нагрузки. Нагреватели бассейна можно использовать для поддержания воды в поддоне градирни при температуре выше нуля. Теплоспутник («нагревательная лента») — это резистивный нагревательный элемент, который устанавливается вдоль водопроводных труб для предотвращения замерзания в холодном климате.
• Поддерживать расчетный расход воды через наполнитель башни.
• Управляйте или уменьшайте поток воздуха, чтобы поддерживать температуру воды выше точки замерзания.

Опасность пожара

Градирни, построенные полностью или частично из горючих материалов, могут способствовать внутреннему распространению пожара. Такие пожары могут стать очень интенсивными из-за высокого соотношения площади поверхности к объему башен, а пожары могут еще больше усилиться за счет естественной конвекции или тяги с помощью вентилятора. Полученный в результате ущерб может быть достаточно серьезным, чтобы потребовать замены всей конструкции ячейки или башни. По этой причине некоторые нормы и стандарты рекомендуется оборудовать горючие градирни автоматической спринклерной системой пожаротушения . Пожары могут распространяться внутри конструкции башни, когда ячейка не работает (например, во время технического обслуживания или строительства), и даже во время эксплуатации башни, особенно башен с принудительной тягой, из-за существования относительно сухих зон. внутри башен.

Структурная стабильность

Будучи очень большими конструкциями, градирни подвержены повреждениям ветром, и в прошлом произошло несколько впечатляющих поломок. На электростанции Феррибридж 1 ноября 1965 года произошла крупная структурная авария , когда три градирни обрушились из-за вибраций при скорости ветра 85 миль в час (137 км/ч). Хотя конструкции были построены так, чтобы выдерживать более высокие скорости ветра, форма градирен заставляла западные ветры направляться в сами башни, создавая вихрь . Три из первоначальных восьми градирен были разрушены, а остальные пять получили серьезные повреждения. Позже башни были перестроены, а все восемь градирен были усилены, чтобы выдерживать неблагоприятные погодные условия. Строительные нормы и правила были изменены, чтобы включить улучшенную структурную поддержку, а также были введены испытания в аэродинамической трубе для проверки конструкций и конфигурации башен.

См. также

• Список самых высоких градирен
• Щелочные почвы
• Архитектурное проектирование
• Охлаждение воды глубокого озера
• Испарительный охладитель
• Испарительное охлаждение
• Электростанция, работающая на ископаемом топливе
• Отопление, вентиляция и кондиционирование
• Гиперболоидная структура
• Машиностроение
• Атомная электростанция
• Электростанция
• Брызги пруд
• Водяное охлаждение
• Катастрофа на острове Уиллоу

Внешние ссылки

• Что такое градирня? Архивировано 7 мая 2010 г. в Wayback Machine – Институте технологий охлаждения.
• «Градирени» - включает схемы - Virtual Nuclear Tourist
• Руководство по мокрым градирням по твердым частицам, Министерство окружающей среды Канады.
• Поразительные фотографии заброшенных градирен Европы , сделанные Реджинальдом Ван де Вельде, Lonely Planet, 15 февраля 2017 г. (см. также отрывок из радиоинтервью , World Update , BBC, 21 ноября 2016 г.)