В настоящее время используются два основных типа испарительных охлаждающих устройств.
- Градирня открытого типа.
Устройство, где нагретая вода и атмосферный воздух контактируют друг с другом, передавая теплоту от источника непосредственно в воздух.
- Градирня с замкнутым контуром (закрытая градирня).
Это устройство предусматривает непрямой контакт между нагретой жидкостью и атмосферой, по существу объединяя теплообменник и градирню в одно относительно компактное устройство.
Вентиляторные градирни с прямым контактом
Из вентиляторных градирен с прямым контактом наиболее примитивным является градирня с разбрызгиванием, которая подает воду непосредственно в поток воздуха. В этом устройстве площадь поверхности воды, подвергаемой воздействию воздуха, зависит от эффективности распыления, а время контакта зависит от высоты конструкции градирни и давления системы распределения воды.
Для увеличения поверхности контакта, а также времени взаимодействия атмосферного воздуха с нагретой водой, на пути прохождения воздуха, ниже системы распределения воды, устанавливаются теплопередающие устройства или наполнители, которые еще называют оросителями. В градирнях NIBA используются 3 типа наполнителей:
- оросители пленочного типа;
- оросители типа «бигуди»;
- оросители брызгального типа.
Задача любого оросителя – создать максимальную поверхность теплообмена между воздухом и охлаждаемой водой. Разница между ними состоит в том, что каждый ороситель применяется для определенного качества воды.
Пленочные оросители
Оросители типа “БИГУДИ”
Брызгальные оросители
Наибольшей эффективностью обладают оросители пленочного типа. Их конструкция заставляет воду течь тонким слоем по листам из многослойной ПВХ пленки, которые расположены вертикально. Но пленочные оросители имеют максимальные требования к качеству воды. Пленочные оросители предназначены для охлаждения воды с нормальной жесткостью и минимальным количеством взвесей до 100 ррм.
Оросители типа «бигуди» являются наиболее универсальными распространенными, т.к. их требования к качеству охлаждаемой воды и загрязненности воздуха не столь высоки, как у пленочных оросителей. Оросители типа «БИГУДИ» изготавливаются из полипропилена и предназначены для охлаждения воды температурой до 90˚С с повышенной жесткостью, средней степенью загрязненности, высокой концентрацией твердых частиц, а также для работы в пыльной среде. Практичны в эксплуатации и легко очищаются.
Оросители с разбрызгиванием заставляют воду проходить через каскад расположенных в шахматном порядке стержней с некоторой степенью свободы, позволяющей им вибрировать с некоторой амплитудой. Оросители брызгального типа изготавливаются из полипропилена и состоят из сеток обеспечивающих свободный проход воздуха и воды. Данный тип предназначен для работы в загрязненной и пыльной среде, с водой до 90˚С высокой жесткости, содержанием оксидов металлов, а также количеством взвесей более 100 ррм.
Любой тип оросителей может быть использован в противоточных и поперечноточных градирнях. Для диапазона тепловых характеристик, обычно применимых для реализации систем кондиционирования воздуха и холодоснабжения, обычно применяются градирни с пленочными оросителями, поскольку они являются более компактными. Если проводить сравнение оросителей брызгального типа со специально сконфигурированными и имеющими большую поверхность контакта, оросителями пленочного типа, то они не являются такими же компактными и эффективными, как последние. Однако в силу конструкционных особенностей системы распределения воздуха и воды, применение градирен с оросителями брызгального типа является предпочтительным для их использования в системах с высоким риском отложения накипи, ила или биологических загрязнений.
Вентиляторные градирни с непрямым контактом
Градирни с непрямым контактом содержат два отдельных контура жидкости: внешний контур, в котором вода также, как и в градирне открытого типа, взаимодействует с атмосферным воздухом, растекаясь сверху вниз по каскаду труб теплообменника змеевикового типа, и внутренний контур, в котором охлаждаемая жидкость циркулирует внутри трубок теплообменника. В таком устройстве теплота переходит из внутреннего контура жидкости через стенки трубок змеевика во внешний водяной контур, а затем посредством тепломассопереноса рассеивается в атмосферном воздухе.
Поскольку внутренний контур жидкости никогда не контактирует с атмосферным воздухом, градирни закрытого типа можно использовать для охлаждения жидкостей, отличных от воды, и / или для предотвращения загрязнения основного контура охлаждения находящимися в воздухе грязью и примесями. Некоторые конструкции градирен с замкнутым контуром имеют оросители для интенсификации процесса теплообмена в змеевике.
Одной из разновидностей градирни закрытого типа является градирня с изолированной секцией теплообменника и с механической тягой воздуха. Секция теплообменника (невентилируемая) расположена под обычной градирней оросительного противоточного или поперечноточного типа с вентиляторами вытяжного или нагнетательного типа. Эти устройства аналогичны по функциям охладителям жидкости с замкнутым контуром, за исключением того, что у них имеется дополнительные оросители, а поток воздуха проходит только через зону оросителя градирни.
Основные конфигурации градирен
Ниже описываются различные конфигурации градирен с оросителями брызгального или пленочного типа, применяемых для систем холодоснабжения и кондиционирования воздуха. В целом базовых конфигураций градирен не много, и они достаточно просты. Эти конфигурации определяются направлением потоков воздуха и воды через оросители градирни и расположением вентилятора или вентиляторов.
Потоки воздуха и воды
В противоточных градирнях вода и воздух движутся в противоположных направлениях, вода стекает вертикально вниз, а воздух движется вертикально вверх. В перекрестноточных градирнях оба потока располагаются под углом 90° друг к другу, то есть вода стекает через оросители вертикально вниз, а воздух проходит через них горизонтально.
Расположение вентилятора
Градирня должна иметь принудительную тягу, которая появляется тогда, когда поток воздуха прогоняется через нее вентилятором или вентиляторами, входящими в ее конструкцию. В конфигурации, когда вентилятор(ы) расположен(ы) на входной стороне градирни, а ороситель находится под избыточным давлением, используются вентиляторы нагнетательного типа. В конфигурации, когда вентилятор(ы) расположен(ы) на стороне выхода воздуха из градирни (в верхней части), а ороситель находится под отрицательным давлением, используются вентиляторы вытяжного типа.
Перекрестный ток и противоток
Как у перекрестноточной, так и у противоточной градирни есть свои преимущества и недостатки как со стороны воды, так и со стороны воздуха. Однако, как показано в Таблице ниже, самые большие различия между этими типами градирен заключаются в следующем:
Сравнение перекрестноточных и противоточных градирен
Конфигурация
Потоки
Преимущества
Недостатки
Перекрестноточная
Вода
Ниже напор насоса, низкая потребляемая мощность насоса и меньше потери энергии при циркуляции. Удобный доступ к системе распределения воды для техобслуживания. С помощью экономайзера снижено влияние изменения потока воды на работу градирни.
Высокий риск засорения водяных форсунок и неравномерное распределение воды в оросителе. В водяном поддоне могут образовываться биологические загрязнения Большая площадь основания градирни.
Воздух
Меньше потери статического давления при более низком энергопотреблении вентилятора. Меньше потери воздушного потока. Меньше рециркуляция. Требуется меньше ячеек для больших производительностей.
Большая площадь сечения входных жалюзи затрудняет контроль обледенения.
Противоточная
Вода
Система распределения воды оптимизирует размер капель. Больший вертикальный габарит градирни позволяет уменьшить предельную разность температур (approach).
Требуется более высокий напор насоса из-за распылительных форсунок, потребляемая мощность насоса выше и выше гидравлические потери. Затруднен доступ для очистки и обслуживания форсунок системы водораспределения.
Воздух
Противоток имеет большую энергетическую эффективность теплообмена.
Высокие потери статического давления, для вентиляторов требуется более высокие затраты электроэнергии. Высокие скорости входа могут занести загрязнители в поддон. Неравномерное распределение воздушного потока через ороситель снижают эффективность градирни.
Градирни с непосредственным контактом
Градирни без механической тяги
Эти градирни не содержат оросителей и не используют механическое устройство для перемещения воздуха. В них движение воздуха вызвано движением потока водяных капель или перепадом плотности воздуха по высоте. Аспирационный эффект вертикального или горизонтального потока водяных брызг, вызывает движение воздуха через градирню в виде параллельного потока.
Поскольку скорости воздуха для вертикальной распылительной градирни (как входящего, так и выходящего) являются относительно низкими, такие градирни чувствительны к неблагоприятным воздействиям ветра и, следовательно, обычно используются для реализации в системах с низкой стоимостью, когда точное поддержание рабочих температур не является критическим для системы в целом. В некоторых горизонтальных распылительных градирнях используются распылители высокого давления, которые создают более интенсивный поток воздуха и улучшают контакт воздуха и воды.
Башенные (гиперболические) градирни
Башенные градирни используются в основном для отвода избыточной теплоты крупных энергетических установок. Теплообмен в таких устройствах может осуществляться в режимах прямотока, противотока или перекрестного тока воздуха и воды.
Движение воздуха через такую градирню осуществляется благодаря существующей разнице плотностей между более легким, увлажненным теплым воздухом на выходе из башни и атмосферным воздухом снаружи. Внутреннее пространство градирни может иметь брызгальный или пленочный ороситель. В строительстве трубных градирен используется в основном железобетон, поскольку ранние деревянные конструкции имели ограничения по размеру.
Механические градирни
Существует пять вариантов традиционных конструкций градирен с механической тягой. Вентиляторы могут быть как на стороне входа воздуха (нагнетательный тип вентилятора) так и стороне выхода воздуха (вытяжной тип вентилятора). Тип выбранного вентилятора, центробежный или осевой, зависит от требований к величине внешнего статического давления, допустимого уровня шума и к потреблению электроэнергии. Вода всегда стекает вниз, воздух может быть восходящим потоком (теплообмен с противотоком) или горизонтальным потоком (теплообмен с поперечным током). Воздух может проходить через одну, две, три или все четыре стороны градирни. Все пять типов градирен производятся в различных конфигурациях и типоразмерах.
Еще градирни можно классифицировать как:
- полностью собранные на заводе, где градирня поставляется на объект целиком;
- собранные частично, когда несколько крупных компонентов (секций) градирни собираются на месте производства и отправляются на объект для монтажа;
- полностью строящиеся на объекте.
Большинство градирен имеют металлическую конструкцию, обычно из оцинкованной стали. Однако, конструкция градирни или отдельные ее компоненты, могут быть изготовлены из нержавеющей стали или стеклопластика (FRP).
Градирни, целиком возводимые на объекте, также могут быть изготовлены из оцинкованной или нержавеющей стали. Металлы с полимерным антикоррозионным покрытием, прежде всего сталь, также используются для комплектных градирен или их компонентов. Кроме этого для сборки градирен на объекте может использоваться стеклопластик, из которого обычно изготавливают элементы обшивки.
Градирни специального назначения с механической тягой, которые могут осуществлять как испарительное, так и сухое охлаждение, имеют в своей конструкции теплообменник с воздушным охлаждением из оребрённых труб, которые используются для уменьшения количества испаряющейся воды. Иногда, особенно в прохладную погоду, над градирней поднимается шлейф пара, вызванный выходом потока теплого и влажного воздуха. С помощью этого теплообменника, через который проходящий воздух нагревается потоком горячей воды, но его влагосодержание не изменяется, поскольку он не контактирует с водой, удается существенно уменьшить это паровой шлейф, что благоприятно сказывается на окружающей среде.
Градирня с функцией снижения выброса пара обычно имеет относительно небольшой теплообменный элемент с воздушным охлаждением, который снижает относительную влажность выходящего воздуха и, таким образом, минимизирует появление парового шлейфа. С другой стороны, градирня с функцией экономии воды обычно требует теплообменник с воздушным охлаждением большей производительности, позволяющий значительно снизить потребление воды и уменьшить выбросы пара. Некоторые конструкции градирен в условиях пониженной температуры окружающей среды могут реализовывать требуемые тепловые нагрузки полностью за счет использования только теплообменника с воздушным охлаждением.
Существует вариант градирни с испарительным (сухим) охлаждением. Данные градирни оснащаются теплообменником для предварительного адиабатического охлаждения (увлажнения) воздуха, что позволяет в летний сезон экономить воду по сравнению с обычными градирнями. Секции оросителей таких градирен обычно работают не постоянно, а только при определенных погодных условиях в теплый период года, в то время как работа в условиях полного сухого охлаждения может осуществляться при температуре окружающей среды, равной 10-20°C.
Градирни закрытого типа
Градирни с замкнутым контуром с механической тягой
Также как градирни с непосредственным контактом, градирни закрытого типа имеют четыре основных конфигурации: перекрестноточные или противоточные, с вентиляторами на стороне нагнетания или всасывая. Эти градирни имеют в своей конструкции теплообменники змеевикового типа, расположенные внутри свободного пространства градирни. Они также имеют встроенные насосы для транспортировки воды из нижнего сборного бассейна в систему орошения, как показано на рисунке в начале статьи.
Внутренние теплообменники могут быть изготовлены из нескольких материалов, но преобладают оцинкованная сталь, нержавеющая сталь и медь. Градирни с замкнутым контуром, широко используются в системах водоохлаждающих машин и водяных тепловых насосов с винтовыми и центробежными компрессорами, и позволяют существенно снизить затраты времени и средств на техническое обслуживание, и повысить надежность централизованных систем холодоснабжения или кондиционирования воздуха с замкнутым контуром. Градирни с замкнутым контуром имеют теплообменник, который взаимодействует с потоками воды и воздуха, подобно оросителям открытой градирни.
Гибридные градирни
Конструкция гибридных градирен для увеличения площади поверхности внешнего теплообмена включают в себя дополнительные брызгальные или пленочные оросители. На рисунке выше показано, как поток воздуха проходит вниз через змеевиковый теплообменник параллельно потоку воды, подаваемой сверху, и выходит горизонтально на всасывание вентилятора. Затем подаваемая вода проходит через ороситель градирни, где она дополнительно охлаждается вторым потоком воздуха перед тем, как повторно пройти через змеевик. Производительности градирен с открытым и закрытым контурами напрямую не сопоставимы из-за наличия промежуточного замкнутого контура, участвующего в процессе теплообмена.
Гибридные градирни сочетают в себе несколько типов охлаждения: явное, адиабатическое и испарительное охлаждение. Это позволяет снизить потребление воды и электроэнергии по сравнению с традиционными типами градирен. Экономия воды достигается за счет различных комбинаций этих типов охлаждения. При использовании в большей степени адиабатического, прямого испарительного или косвенного испарительного охлаждения потребляется меньше электроэнергии за счет использования большего количества воды. И наоборот, когда в большей степени используется явное охлаждение, потребляется меньше воды за счет использования большего количества электроэнергии. Следующие режимы работы могут использоваться как отдельно, так и в комбинации.
Режимы работы градирни
Влажный режим
В этом режиме используется только испарительное охлаждение при высоких значениях температуры или тепловой нагрузки. В этом режиме работы градирни оптимизируется энергия вентилятора и / или температура рабочей жидкости с повышенным расходом воды от испарения.
Сухой / Влажный режим
Режим сухой / влажный одновременно использует испарительное и явное охлаждение, когда это допускается умеренными значениями температуры окружающей среды или тепловой нагрузки. Этот режим обеспечивает заданную производительность градирни, одновременно снижая потери воды вследствие ее испарения за счет увеличения потребления электроэнергии вентилятором или регулирования потока воздуха через испарительный теплообменник. Этот режим также позволяет уменьшить паровые шлейфы на выходе из градирни.
Режим адиабатического охлаждения
В этом режиме теплота отводится через сухой теплообменник, а распыляемая вода просто служит для насыщения и предварительного адиабатического охлаждения поступающего наружного воздуха. Адиабатическое охлаждение поступающего воздуха приводит к снижению его температуры, что увеличивает долю явного теплообмена. Видимый паровой шлейф и потребление воды значительно снижены.
Сухой режим
В сухом режиме используется явное охлаждение, когда это допускается пониженной тепловой нагрузкой и / или температурой окружающей среды. Этот режим полностью исключает потребление воды при одновременном обеспечении требуемой производительности за счет увеличения потребления электроэнергии вентилятором. В этом режиме полностью отсутствует паровой шлейф.
Мы рады, если данная статья оказалась для Вас полезной. Обратившись в компанию NIBA RUS, Вы сможете получить консультацию по вопросам подбора, поставки и обслуживания градирен открытого и закрытого типов. Вы также сможете получить цену на градирни от производителя и купить вентиляторную градирню на максимально выгодных для Вас условиях.