3.3 Градирні

Ці охолоджувальні пристрої останнім часом застосовують на багатьох підприємствах. Основна перевага градирень полягає у тому, що для їх розташу-вання необхідна значно менша площа порівняно з іншими типами охолоджувачів і їх можна розміщати на території підприємства.

Градирні виготовляють у вигляді башт прямолінійних або криволінійних обрисів висотою у декілька десятків метрів, див. рис. 2.5.

У районах з розрахунковою температурою холодної п’ятиденки до - 23°С башти виконуються у вигляді металевого каркасу з обшивкою із азбестоце-ментних листів, або пластику. При нижчій температурі застосовується обшивка з алюмінію чи дерева. У більшості випадків башти виготовляють з монолітного залізобетону, який надійно служить до температури - 28°С.

На рівні землі в стінках башти передбачаються вікна для припливу повітря. Вище вікон на опорному поясі розташовується зрошувальний пристрій. Верхня частина башти служить для створення тяги потоку повітря.

Зрошувальний пристрій служить для дроблення потоку води на краплі і струмені, тобто для збільшення поверхні контакту повітря і води.

Сучасні зрошувачі градирень виготовляють з полімерних матеріалів, наприклад, морозостійкого поліетилену низького тиску. На периферії зрошувального пристрою встановлюються дірчасті щити (рис. 2.6).

Вода, що охолоджується, подається у башту на розподільний пристрій у вигляді радіальних жолобів, які розташовані на 5 – 10 м вище зрошувального пристрою. Розтікаючись жолобами, вода витікає через зроблені у них отвори, рівномірно розподіляючись по перерізу башти. Часто для розбризкування води використовують форсунки, які забезпечують більш рівномірне розбризкування і додаткове охолодження. Проте форсунки вимагають подачі води з підвищеним тиском (до 1.5 – 2.5 м). Падаючи на зрошувач, вода у вигляді крапель і плівок стікає вниз і збирається у приймальному басейні. Звідси самотічними каналами вода подається до циркуляційних насосів.

Охолодження води інтенсифікується зустрічним потоком повітря. За способами створення потоку повітря градирні поділяється на баштові, вентиляторні і відкриті. У баштових градирнях потік повітря створюється високою баштою за рахунок природної тяги, а у вентиляторний – вентилятором, у відкритій – внаслідок обтікання вітром. Баштові градирні розповсюджені на електростанціях. Вентиляторні застосовуються у районах з жарким кліматом, а відкриті – в установках малої потужності.

За конструкцією зрошувачі градирні поділяються на крапельні, плівкові і крапельно-плівкові. Найбільш ефективними є плівкові і крапельно-плівкові, які забезпечують найбільші питомі гідравлічні і теплові навантаження зрошувача.

Основні характеристики градирень такі:

1. Гідравлічне навантаження G, т/год, води, що охолоджується. Інколи цю характеристику називають продуктивністю градирні.

2. Теплове навантаження Q = G·c_р·(t₂ – t₁), Дж/год, де t₂ і t₁ – відповідно початкова і кінцева температури води, °С; с_р – питома теплоємність води, Дж/(кг·°С).

3. Щільність зрошування, G/F, м³/(м²·год.), F – площа зрошувача, яка є основною конструкційною характеристикою градирні.

Досконалість градирні як теплообмінного апарату характеризується перепадом температури охолоджуваної води Δt = t₂ - t₁ і величиною δ = τ - t₁, яка показує ступінь наближення кінцевої температури води до теоретичної межі охолодження τ яка рівна температурі повітря виміряній за вологим термометром. Для найбільш розповсюджених крапельно-плівкових градирень Δ t = 6 ÷ 12°С, а δ = 5 ÷ 10°С.

Рівняння, що описують тепломасообмін у градирні в інтегральній формі можна представити так,

G_в∙с_р∙(t₁ – t₂) + G_вв∙с_р∙t₂ = G_п∙(i₂ – i₁), (2.15)

G_в∙с_р∙(t₁ – t₂) + G_вв∙с_р∙t₂ + G_ж∙с_р∙(t₂ – t_ж) = Р_T. (2.16)

β_xv ∙V∙<Δi> = G_п∙(i₂ – i₁), (2.17)

G_вв = G_п∙[x(θ₂) - x(θ₁)]. (2.18)

Перше рівняння (2.15) представляє баланс теплових потоків (повітря та води) у градирні (G_в – витрата оборотної води; G_вв –витрата випареної води; G_п – витрата повітря, кг/с; с_р – питома теплоємність води, кДж/(кг·К); t₁, t₂ – темпе-ратури нагрітої та охолодженої води, ^оС; і₁, і₂ – ентальпії вхідного і вихідного з градирні потоків повітря, кДж/кг); друге (2.16) – тепловий баланс водної системи та ТО охолоджувачів виробничого обладнання (Рт - теплова потужність, що генерується при роботі обладнання, G_ж – витрата води на підживлення СОВП); третє (2.17) характеризує тепломасообмін у градирні (β_xv – об’ємний коефіцієнт масообміну, V – об’єм зрошувача градирні, <Δi> - середня по зрошувачу зміна ентальпії повітря); четверте (2.18) представляє масовий баланс випареної води та водяної пари (x(θ₁), x(θ₂) – вологовміст пари при відповідних температурах повітря).

Вирази (2.15) – (2.18) зв’язують конструкційні та експлуатаційні параметри градирень, дозволяють порівняти варіанти їх вибору.

Експериментальні дослідження градирень зі зрошувачами, виготовленими з плоских шиферних листів, показали, що об’ємний коефіцієнт масообміну β_xv залежить від конструкції зрошувача (його висоти та віддалі між листами) і питомих масових витрат води та повітря у градирні. Обробка даних на підставі критеріального рівняння масообміну

St = f(λ); , (2.19)

St – критерій Стентона, q_п, q_в - віднесені до одиниці поверхні зрошення масові витрати повітря і води; b – характерна віддаль між листами зрошувача;

приводить до залежності

β_xv = А∙ q_пⁿ ∙q_в^1-n . (2.20)

У дослідах віддаль між щитами змінювали від 15 до 35 мм, при цьому показ-ник n, див. (2.20), виявився рівним 0.6. Для краплинних градирень з різними зро-шувачами коефіцієнт А змінюється у межах 0.23 - 0.51 м^-1. Точніші дані, див. [4].

Використовуючи співвідношення (2.15) – (2.18) , можна також розрахувати масову витрату випареної води

(2.21)

. (2.22)

При застосуванні (2.22) виникає проблема з вимірюваннями температури повітря за сухим термометром на виході зі зрошувача θ₂. Вона полягає у тому, що повітря там насичене дрібними краплинами і датчик температури негайно покривається плівкою води і тому він фактично фіксує температуру за вологим термометром. Тому для θ₂ тут приймається наближення

, (2.23)

яке якісно правильно відображає характер зміни температури повітря, але дає неконтрольовану похибку при розрахунках.

З формули (2.22) випливає, що коефіцієнт випаровування К_вип залежить не лише від температури зовнішнього середовища (повітря) θ₁, як це прийнято у СНИП 2.04.02-84, див. табл. 36, але і від інших параметрів циркуляційної системи охолодження на що, зокрема, вказувалося у [4].

Як бачимо з (2.15) – (2.22) процес охолодження води в градирні залежить від багатьох факторів і описується досить складними рівняннями. На підставі них розроблені номограми, користуючись якими можна визначити основний конструкційний розмір градирні – площу зрошувача, а при відомій його площі та висоті – температуру охолоджуваної води.

Н а рис. 2.7 зображена номограма для розрахунку краплинно-плівкової градирні. Наприклад, якщо задано G = 10000 м³/год, t₁ = 34°С, Δt = 10°С, θ = 25°С, φ = 80%, то необхідна площа зрошувального пристрою визначається таким чином. За нижнім графіком визначають температурну поправку р = 4.5°С.

З урахуванням поправки зведена температура охолоджуваної води буде дорівнювати t = 34 – 4.5 = 29.5 °С.

Цій температурі і Δt = 10 °С відповідає по верхньому графіку щіль-ність зрошування ρ_зр = 5.3 м³/(м²·год). Необхідна площа зрошувача для заданих умов дорівнює: F = 10000/5.3 = 1887 м².

Велике поширення на території СНД мають краплинно-плівкові гра-дирні з залізобетонних башт гіперболо-їдної форми (табл. 2.1).

Градирні розташовується з під-вітряної сторони головної споруди на відстані 50 – 100 м. На електростанції повинно бути не менш як дві градирні.

Таблиця 2.1

Типорозміри градирень з краплинно-плівковим зрошувачем.

Середня площа зро-шувача, м2	915	1730	2060	2240	2680	3180	10000
Середній діаметр зро-шувача, м	31.9	44.0	48.3	50.8	56.3	60.0	100
Висота башти гра-дирні, м	42.7	55.3	64.1	79.3	85.5	64.6	150

К рім описаних вище, використовують сухі (радіаторні) градирні, у яких охолоджувач виготовлений із тонкостінних алюмінієвих трубчастих панелей, див. рис. 2.8. Застосовують їх разом зі змішувальними конденсаторами (пара змішується з конденсатом, як у деаераторі). Система, яка складається із сухої градирні і конденсатора, є герметичним контуром, який не має втрат конденсату.

Сухі градирні використовують у маловодних районах з додатною річною температурою повітря. Досвід застосу-вання таких градирень на території СНД показав низьку надійність їх роботи взимку. При від’ємних темпе-ратурах повітря трубчасті панелі замо-рожуються і виходять з ладу. Не захищає від заморожування і подача підігрітої води на периферію градирні.

Охолодження води влітку може інтенсифікуватися зрошенням радіатор-ної решітки водою, яку подають у найжаркіші дні.

Загальна площа радіаторів (ребер + трубок) F, м², визначається за виразом

, (2.24)

t₁, t₂ –температури нагрітої та охолодженої води; t_с, θ_с – середні температури води та повітря в охолоджувачі; α_р –коефіцієнт тепловіддачі радіатора, визначають експериментально.

Витрата повітря визначається з рівняння теплового балансу системи «повітря-охолоджувана вода»

, (2.25)

с_п – теплоємність повітря ≈1.05 кДж/кг; G_в – витрата оборотної води, кг/с; G_п – витрата повітря; t₁, t₂ - температури нагрітої та охолодженої води; θ₁, θ₂ – температури повітря на вході і виході з градирні.