Объяснение градирни открытого типа: как она работает, где она используется и как ее обслуживать

Что такое градирня открытого типа и как она работает?

Градирня с открытым контуром, также обычно называемая градирней с открытым контуром, представляет собой устройство отвода тепла, которое удаляет избыточное тепло из процесса или здания, передавая его в атмосферу посредством прямого контакта между горячей технологической водой и окружающим воздухом. В отличие от градирни с замкнутым контуром, где технологическая жидкость изолирована в змеевике, вода в системе с открытым контуром течет непосредственно над наполнителем, подвергая его воздействию потока движущегося воздуха. Этот прямой контакт приводит к испарению части воды, а поскольку испарение является эндотермическим процессом, оно отбирает тепло у оставшейся воды, охлаждая ее, прежде чем она вернется обратно в технологическое оборудование.

Основной рабочий цикл прост. Горячая вода из конденсатора чиллера, промышленного процесса или системы отопления, вентиляции и кондиционирования перекачивается в верхнюю часть градирни и равномерно распределяется по наполнителю — структурированному или произвольному насадочному материалу, который максимально увеличивает площадь поверхности воды, подвергающейся воздействию воздуха. Воздух всасывается или нагнетается через наполнитель одновременно либо сбоку, либо снизу, в зависимости от конструкции башни. Когда вода стекает через наполнитель, испарение и конвективный теплообмен охлаждают ее обычно на 5–15°C. Охлажденная вода собирается в резервуаре с холодной водой внизу, а затем перекачивается обратно к источнику тепла, чтобы повторить цикл. Небольшой процент воды — обычно 1–3% от общей скорости циркуляции — теряется в результате испарения, дрейфа и продувки, и его необходимо постоянно пополнять за счет подпиточной воды.

Ключевые компоненты градирни открытого цикла

Понимание отдельных компонентов градирни с открытым контуром помогает операторам диагностировать проблемы с производительностью, планировать техническое обслуживание и оценивать обновления системы. Каждая часть играет определенную роль в общем процессе отвода тепла.

• Наполнитель (упаковка): Наполнение – это сердце градирня открытого типа . Он разбивает поток воды на тонкие листы или капли, значительно увеличивая площадь контакта воздух-вода и время пребывания. Наполнение бывает двух основных типов — пленочное, при котором вода течет тонкими пленками по близко расположенным гофрированным листам ПВХ, и наполнение разбрызгиванием, при котором капли воды многократно разбиваются горизонтальными брызговиками. Пленочный наполнитель более термически эффективен, но более склонен к засорению при работе с грязной водой.
• Устранители дрейфа: Расположенные над наполнителем каплеуловители представляют собой перегородки синусоидальной или шевронной формы, которые заставляют воздушный поток несколько раз менять направление, в результате чего увлеченные капли воды сталкиваются с поверхностями перегородок и стекают обратно в башню, а не выносятся с отработанным воздухом. Современные высокоэффективные каплеуловители снижают унос воды до уровня менее 0,0005% от скорости циркуляционного потока.
• Система распределения воды: Распределительная система равномерно подает горячую воду по всей поверхности заполнения. Обычно он состоит из главной коллекторной трубы, боковых распределительных труб и распылительных форсунок или отверстий с гравитационной подачей. Неравномерное распределение воды создает в наполнителе сухие пятна, которые снижают тепловые характеристики и могут привести к ускоренному биологическому росту.
• Вентилятор и двигатель в сборе: Вентиляторы перемещают необходимый объем воздуха через наполнитель для поддержания испарительного охлаждения. В градирнях с механической тягой осевые пропеллерные вентиляторы являются наиболее распространенным выбором из-за их высокой производительности воздушного потока и относительно низкого энергопотребления. Двигатели вентиляторов обычно полностью закрыты и охлаждаются вентилятором (TEFC), чтобы противостоять влажной и агрессивной среде внутри башни.
• Бассейн с холодной водой: Бассейн у основания башни собирает охлажденную воду перед ее возвратом в процесс. Бассейн также служит отстойником для всасывания циркуляционного насоса, а его конструкция влияет на время пребывания воды, накопление осадка и риск биологического роста. Большинство бассейнов имеют вход для подпиточной воды с поплавковым клапаном, переливное отверстие, соединение для продувки и точку доступа для очистки.
• Конструкция и корпус башни: Градирни открытого типа изготавливаются из различных материалов в зависимости от применения. Оцинкованная сталь является стандартом для общепромышленного использования. Пластик, армированный стекловолокном (FRP), предпочтителен в агрессивных средах, таких как химические заводы или прибрежные сооружения. Бетон используется для строительства очень больших башен коммунального назначения из-за его долговечности и низких затрат на долгосрочное обслуживание.

Типы градирен открытого типа

Градирни с открытым контуром классифицируются по направлению воздушного потока относительно падающей воды и по механизму, используемому для перемещения воздуха через систему. Каждая конфигурация имеет различные характеристики производительности, требования к установке и аспекты обслуживания.

Противоток против перекрестного потока

В противоточной градирне воздух движется вертикально вверх через наполнитель, а вода падает вниз — два потока движутся в противоположных направлениях. Такое расположение создает наиболее эффективный контакт воздуха и воды, поскольку самая холодная вода внизу встречается с самым сухим входящим воздухом, максимизируя движущую силу испарения. Противоточные башни, как правило, выше и компактнее в плане, что делает их хорошо подходящими для объектов с ограниченной занимаемой площадью.

В перекрестноточной градирне воздух движется через наполнитель горизонтально, а вода падает вертикально. Горячая вода распределяется из резервуара с гравитационной подачей в верхней части наполнителя, а не распыляется под давлением. Башни с перекрестным потоком обычно шире и ниже по профилю, чем конструкции с противотоком, что может упростить установку, доступ для обслуживания и требования к напору насоса. Они обычно используются в крупных системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и в процессах легкой промышленности, где давление напора является ограничением.

Вынужденный драфт против принудительного драфта

В градирне с принудительной тягой вентилятор расположен в верхней части башни и вытягивает воздух вверх через наполнитель. Это, безусловно, наиболее распространенная схема для башен с открытым контуром, поскольку вентилятор работает в относительно чистом воздухе с низкой влажностью, что повышает надежность вентилятора и двигателя. Отрицательное давление, создаваемое внутри башни, также снижает риск рециркуляции горячего и влажного отработанного воздуха обратно в воздухозаборник.

В градирне с принудительной тягой вентилятор расположен у воздухозаборника — обычно у основания или сбоку башни — и проталкивает воздух через наполнитель. Вентиляторы с принудительной тягой могут быть расположены вдали от влажной среды башни, что упрощает механическое обслуживание. Однако положительное давление внутри башни делает рециркуляцию более вероятной, а вентилятор обрабатывает насыщенный входящий воздух, увеличивая риск обледенения в холодном климате.

Градирни с естественной тягой

Градирни открытого типа с естественной тягой — культовые гиперболоидные бетонные конструкции, которые можно увидеть на электростанциях — используют плавучесть теплого влажного вытяжного воздуха для создания воздушного потока без каких-либо механических вентиляторов. Гиперболическая форма создает эффект высокого дымохода, который создает постоянную тягу вверх. Эти башни экономичны только в очень больших масштабах, обычно с отводом тепла более 100 МВт, из-за высокой стоимости строительства бетонной оболочки. Они не требуют затрат на электроэнергию для вентиляторов и чрезвычайно низкие требования к техническому обслуживанию после постройки.

Градирни открытого и закрытого контура: какая из них вам нужна?

Выбор между градирней с открытым или закрытым контуром (с жидкостным охладителем) является одним из первых важных решений при проектировании любой системы охлаждения. Каждый тип имеет принципиально разные взаимоотношения между технологической жидкостью и окружающей средой, что имеет серьезные последствия для производительности системы, управления качеством воды и капитальных затрат.

Испарительный процесс прямого контакта в градирне с открытым контуром делает ее по своей сути более термически эффективной, чем система с замкнутым контуром, поскольку она может охлаждать воду до температуры на несколько градусов от температуры окружающей среды по влажному термометру. Башни замкнутого цикла предпочтительны, когда технологическая жидкость должна оставаться незагрязненной (например, в пищевой промышленности, фармацевтическом производстве или охлаждении центров обработки данных) или когда сама жидкость дорогая или опасная и не может подвергаться риску воздействия в атмосферу.

Общие промышленные и коммерческие применения

Испарительные градирни с открытым контуром являются одними из наиболее широко используемых систем отвода тепла в тяжелой промышленности и коммерческих зданиях. Их способность отводить большое количество тепла при низких эксплуатационных расходах делает их выбором по умолчанию в широком спектре применений.

• Конденсаторы холодильных машин HVAC: Наиболее распространенным применением градирен открытого типа является отвод тепла со стороны конденсатора чиллеров с водяным охлаждением в крупных коммерческих зданиях, больницах, гостиницах и торговых центрах. Чиллерные системы с водяным охлаждением в сочетании с градирнями открытого типа значительно более энергоэффективны, чем альтернативы с воздушным охлаждением, при этом значения COP обычно на 30–50% выше.
• Производство электроэнергии: Тепловые электростанции, в том числе угольные, газовые, атомные и концентрированные солнечные, используют крупномасштабные градирни открытого типа для конденсации пара после его прохождения через турбину. Градирня является важнейшим компонентом термодинамической эффективности цикла Ренкина, и ее производительность напрямую влияет на производительность установки и потребление воды.
• Обработка стали и металлов: Градирни обслуживают доменные печи, электродуговые печи, оборудование непрерывного литья заготовок, гидравлические системы прокатных станов. Эти приложения требуют башен с высоким расходом и высоким перепадом температур, способных выдерживать нарушения технологического процесса и переменные нагрузки.
• Нефтехимия и нефтепереработка: Нефтеперерабатывающие и химические заводы широко используют воду градирни для конденсации технологических паров, охлаждения теплообменников и отвода тепла от реакторов. На этих предприятиях часто эксплуатируются несколько крупных ячеек градирен в центральном помещении, обслуживающих одновременно десятки технологических установок.
• Литье под давлением и пластмассы: Машины для формования пластмасс требуют точного контроля температуры формы. Градирни с открытым контуром обеспечивают объемную охлаждающую способность, при этом вода в градирне обычно проходит через теплообменник перед поступлением в контуры пресс-формы для поддержания качества воды и стабильности температуры.
• Производство продуктов питания и напитков: Пивоварни, молочные заводы и предприятия пищевой промышленности используют градирни для отвода тепла от холодильных конденсаторов, пастеризаторов и технологических охладителей, хотя в большинстве случаев используется промежуточный теплообменник для отделения воды в градирне открытого контура от любых контуров, контактирующих с пищевыми продуктами.

Как определить размер и выбрать градирню открытого типа

Правильный расчет градирни открытого типа требует четкого понимания тепловой нагрузки, имеющихся условий окружающей среды и требуемой температуры воды на выходе. Занижение размеров приводит к недостаточному отводу тепла и повышению температуры процесса; превышение размеров приводит к растрачению капитала и неоправданному увеличению эксплуатационных расходов.

Определите тепловой режим

Отправной точкой является расчет общего коэффициента отвода тепла, выраженного в киловаттах (кВт), тоннах холода (TR) или мегаваттах (МВт) в зависимости от отрасли. При использовании чиллера HVAC градирня должна отводить как охлаждающую нагрузку здания, так и отводимое тепло компрессора — обычно на 20–30 % больше, чем номинальная холодопроизводительность чиллера. Для промышленных процессов тепловая нагрузка определяется на основе баланса массы и энергии охлаждаемого технологического оборудования.

Установите расчетную температуру по влажному термометру

Поскольку градирни с открытым контуром отводят тепло в основном за счет испарения, их производительность определяется температурой окружающей среды по влажному термометру (WBT), а не температурой по сухому термометру. Расчетный WBT обычно выбирается при летних расчетных условиях 1% или 0,4% на основе климатических данных ASHRAE для местоположения проекта, то есть превышение WBT составляет только 1% или 0,4% от общего количества часов в год. Выбор слишком консервативного WBT неоправданно увеличивает размер башни; выбор слишком агрессивного значения приводит к недостаточному охлаждению в пиковые летние условия.

Установите диапазон и подход

Два параметра определяют тепловые характеристики градирни открытого типа. Диапазон представляет собой разницу температур между входом горячей воды и выходом холодной воды — обычно 5–10 °C для систем отопления, вентиляции и кондиционирования и до 15 °C для некоторых промышленных систем. Метод основан на разнице между температурой холодной воды на выходе и температурой окружающей среды по влажному термометру. Меньший подход требует более крупной башни и большей площади заполнения. Приблизительная температура ниже 3°C, как правило, экономически нецелесообразна для стандартных башен открытого типа и может потребовать применения специальных конструкций.

Учет ограничений, специфичных для конкретного объекта

Помимо тепловых расчетов, при выборе башни важную роль играют ограничения на месте установки. Доступный объем определяет, нужна ли одна большая ячейка или несколько ячеек меньшего размера. Ограничения по высоте здания, чувствительность соседних территорий к шуму, преобладающее направление ветра (которое влияет на риск рециркуляции), требования к сейсмической зоне и качество местной воды — все это влияет на окончательную конфигурацию башни, спецификации материалов и выбор вспомогательного оборудования.

Очистка воды для градирен открытого цикла

Очистка воды является одним из наиболее важных и часто недооцениваемых аспектов эксплуатации системы градирни с открытым контуром. Поскольку циркулирующая вода находится в постоянном контакте с атмосферой, она подвержена концентрации растворенных минералов в результате испарения, загрязнению переносимыми по воздуху частицами, биологическому росту и коррозии металлических компонентов системы. Без надлежащего устранения все эти проблемы ухудшают производительность системы, повреждают оборудование и увеличивают эксплуатационные расходы.

Циклы концентрации и продувки

Когда вода испаряется из башни, растворенные в ней минералы остаются в циркулирующей воде, в результате чего их концентрация со временем увеличивается. Отношение концентрации минералов в оборотной воде к концентрации минералов в подпиточной воде называется циклами концентрации (ЦПК). Большинство систем открытого цикла работают при 3–6 COC. Превышение этого диапазона увеличивает риск отложения накипи и коррозии. Продувка — намеренный сброс контролируемого потока концентрированной воды из бассейна и замена его свежей подпиточной водой — используется для поддержания COC в целевом диапазоне. Автоматические контроллеры продувки, использующие измерение проводимости, являются стандартной практикой в ​​хорошо управляемых системах.

Ингибиторы накипи и коррозии

Ингибиторы накипи — обычно соединения на основе фосфонатов или полимеров — дозируются непрерывно, чтобы предотвратить отложение карбоната кальция, сульфата кальция и кремнезема на поверхностях теплообменника и наполняющей среде. Ингибиторы коррозии защищают стальные детали, медные сплавы и оцинкованные поверхности, образуя тонкую защитную пленку на металлических поверхностях. Правильный химический состав ингибитора выбирается на основе анализа подпиточной воды, металлургии системы и действующего COC. Уровень pH поддерживается в диапазоне 7,0–8,5, чтобы сбалансировать склонность к образованию отложений и коррозии.

Биологический контроль и профилактика легионеллы

Градирни открытого типа признаны потенциальными местами размножения Legionella pneumophila, бактерии, вызывающей болезнь легионеров. Теплая, богатая питательными веществами циркулирующая вода обеспечивает идеальные условия для роста, если ею не управлять должным образом. Программы биоцидов, сочетающие окисляющие биоциды (такие как соединения хлора или брома, дозированные для поддержания свободного остатка 0,5–1,0 частей на миллион) с неокисляющими биоцидами (такими как изотиазолинон или DBNPA, периодически используемые для шокового дозирования), являются отраслевым стандартом биологического контроля. Меры физического контроля, включая регулярную очистку бассейнов, техническое обслуживание сепараторов и устранение тупиков, дополняют химическую программу. Нормативные требования к оценке риска легионеллы и планам управления водными ресурсами градирен в настоящее время являются обязательными во многих юрисдикциях, включая США (ASHRAE 188), Великобританию (L8 ACoP) и Европейский Союз.

Передовой опыт технического обслуживания градирен открытого типа

Структурированная, упреждающая программа технического обслуживания необходима для поддержания работы градирни с открытым контуром с расчетной эффективностью и максимального увеличения срока ее службы — обычно 15–25 лет для хорошо обслуживаемых агрегатов из стеклопластика или оцинкованной стали. Следующие методы представляют собой лучшие отраслевые стандарты обслуживания градирен.

• Очистка бассейна: Осадок, биологическая слизь и мусор со временем накапливаются в бассейне с холодной водой, обеспечивая питательные вещества для роста микробов и блокируя всасывающий фильтр. Бассейны следует физически очищать и дезинфицировать не реже одного раза в год (обычно во время планового закрытия) или чаще, если биологическая активность высока. Подметальные машины для бассейнов или системы боковой фильтрации могут уменьшить накопление осадка между полными чистками.
• Проверка заполнения носителя: Проверяйте наполнитель на предмет биологического загрязнения, накипи, провисания или физических повреждений не реже одного раза в год. Заблокированный или разрушенный наполнитель уменьшает поток воздуха и распределение воды, что значительно ухудшает тепловые характеристики. Наполнитель из ПВХ, который стал хрупким с возрастом или подвергся разрушению под воздействием ультрафиолета, следует заменить до того, как он выйдет из строя структурно и приведет к отключению системы.
• Обслуживание вентилятора и системы привода: Осмотрите лопасти вентилятора на наличие эрозии, точечной коррозии или дисбаланса. Проверьте настройки угла наклона лопастей вентилятора и при необходимости отрегулируйте их для поддержания расчетного воздушного потока. Смажьте подшипники вала вентилятора согласно графику производителя. На башнях зубчатого привода ежегодно проверяйте уровень и качество масла в коробке передач и меняйте масло через рекомендованные интервалы. На мачтах с ременным приводом проверяйте натяжение и износ ремня каждые 3–6 месяцев.
• Проверка системы распределения: Осмотрите распылительные форсунки или отверстия гравитационного распределения на предмет засорения, износа или смещения. Частично заблокированные форсунки создают сухие участки в наполнителе, которые снижают производительность и способствуют биологическому росту. Очистите или замените форсунки в рамках ежегодного обслуживания. Проверьте боковые соединения труб и перегородки бассейна горячей воды на наличие трещин и коррозии.
• Оценка средства устранения дрейфа: Проверьте каплеуловители на предмет правильности посадки, трещин и деформации. Поврежденные или неправильно установленные сепараторы приводят к неприемлемому переносу воды, увеличению потребления подпиточной воды и, что особенно важно, к потенциальному выбросу аэрозоля, содержащего легионеллу, в окружающую среду.
• Структурная проверка: Осмотрите корпус башни, жалюзи, стенки бассейна и опорную конструкцию на наличие коррозии, трещин и повреждений крепежных элементов. Для опор из оцинкованной стали проверьте состояние оцинкованного покрытия и нанесите состав для холодного цинкования или эпоксидное покрытие на все участки, на которых виден оголенный металл или пятна ржавчины. Немедленно устраняйте любые структурные недостатки, чтобы предотвратить прогрессирующее ухудшение.

Распространенные проблемы с производительностью и способы их диагностики

Если градирня с открытым контуром не соответствует расчетной температуре воды на выходе, необходимо систематически оценить несколько возможных причин, прежде чем приступать к замене оборудования или серьезным восстановительным работам.

При диагностике недостатков тепловых характеристик всегда начинайте с проверки фактической температуры окружающей среды по влажному термометру в соответствии с расчетными условиями. Градирня, которая, как кажется, работает неэффективно во время необычно жаркого и влажного лета, на самом деле может работать правильно — от нее просто требуют работать сверх проектных пределов. Сравнение нормализованных данных о производительности (с поправкой на фактическую и расчетную температуру по влажному термометру и скорость потока воды) дает гораздо более надежную картину истинного состояния башни, чем только необработанные показания температуры.