Градирня

Градирня — это устройство для охлаждения большого объёма воды посредством направленного потока атмосферного воздуха. Относится к классу теплообменных аппаратов и применяется в системах оборотного водоснабжения промышленных предприятий, тепловых и атомных электростанций, а также в системах кондиционирования воздуха. Основной принцип работы заключается в испарении части воды, что отводит тепло от оставшегося объёма, либо в передаче тепла от воды к воздуху без изменения агрегатного состояния (в сухих градирнях).

История

Первые устройства, напоминающие градирни, появились в конце XIX века вместе с развитием паровых машин и централизованного электроснабжения. Для конденсации отработавшего пара на электростанциях требовалось большое количество охлаждающей воды, которую необходимо было повторно использовать. В 1870-х годах в Германии и США начали применять открытые бассейны и разбрызгивающие устройства, однако они занимали много места и были неэффективны в жаркую погоду.

В 1890-х годах инженеры разработали первые башенные конструкции с естественной тягой. Классическая гиперболическая форма градирни, ставшая впоследствии символом атомной энергетики, была предложена в 1915 году нидерландским инженером Фредериком ван Итерсоном. Такая форма обеспечивает максимальную устойчивость при минимальном расходе бетона и создаёт устойчивый восходящий поток воздуха за счёт разницы плотностей нагретого и холодного воздуха.

В СССР массовое строительство градирен началось в 1930-е годы в связи с индустриализацией и строительством крупных тепловых электростанций (ТЭС). К середине XX века башенные градирни стали неотъемлемой частью советских энергоблоков. В 1960—1970-х годах, с вводом в эксплуатацию первых атомных электростанций (АЭС), потребность в эффективном охлаждении резко возросла, что привело к совершенствованию как башенных, так и вентиляторных конструкций.

Классификация

Градирни классифицируют по нескольким признакам: способу подачи воздуха, наличию или отсутствию испарения, конструктивному исполнению и типу оросителя.

По способу воздухообмена

• Башенные (с естественной тягой). Воздух движется за счёт разницы плотностей: нагретый влажный воздух внутри башни легче холодного атмосферного. Характерны для крупных электростанций. Высота может достигать 200 метров.
• Вентиляторные (с искусственной тягой). Воздух нагнетается или отсасывается с помощью вентиляторов. Бывают осевыми и центробежными. Компактнее башенных, но потребляют электроэнергию. Часто применяются на промышленных предприятиях и в системах кондиционирования.
• Открытые (атмосферные). Охлаждение происходит за счёт ветра и естественной конвекции. Имеют простую конструкцию, но малую производительность. Используются в маломощных установках.

По типу теплообмена

• Мокрые (испарительные). Основной способ охлаждения — испарение части воды, стекающей по оросителю. Обеспечивают наибольшее охлаждение (до температуры, близкой к температуре мокрого термометра), но требуют постоянной подпитки и вызывают выброс водяного пара и капельной влаги.
• Сухие (радиаторные). Вода течёт по замкнутому контуру через теплообменники, обдуваемые воздухом. Испарения не происходит, потери воды отсутствуют. Менее эффективны в жаркую погоду, дороже и громоздче мокрых. Применяются в районах с дефицитом воды.
• Гибридные (сухо-мокрые). Сочетают оба принципа: в жаркую погоду включается испарительный режим, в холодную — сухой. Позволяют снизить расход воды и уменьшить видимость парового факела.

По конструктивному исполнению

• Башенные гиперболические. Наиболее распространённый тип для крупных энергоблоков. Выполняются из железобетона.
• Секционные (модульные). Собираются из отдельных блоков (секций) с вентиляторами. Удобны для наращивания мощности и ремонта.
• Круглые (цилиндрические). Часто используются в вентиляторных градирнях с верхним подводом воздуха.
• Прямоугольные. Типичны для открытых и вентиляторных градирен малой и средней производительности.

Устройство и принцип работы

Основные элементы

Любая градирня, независимо от типа, содержит следующие конструктивные части:

1. Ороситель (насадка). Элемент, по которому стекает охлаждаемая вода. Предназначен для увеличения поверхности контакта воды и воздуха. Изготавливается из полимерных материалов, керамики, металла или дерева. Бывает плёночным, капельным или комбинированным.
2. Водораспределительная система. Обеспечивает равномерный разлив воды по площади оросителя. Состоит из трубопроводов, сопел и форсунок.
3. Водосборный бассейн (резервуар). Расположен в нижней части градирни. Собирает охлаждённую воду, откуда она вновь подаётся насосами в производственный цикл.
4. Каплеуловитель. Устройство, задерживающее капли воды, уносимые потоком воздуха. Снижает потери воды на унос и предотвращает обледенение окружающей территории зимой.
5. Корпус (оболочка). Для башенных градирен — железобетонная башня, для вентиляторных — металлический или пластиковый каркас с обшивкой.
6. Вентилятор (для вентиляторных типов). Создаёт принудительный поток воздуха.
7. Воздухонаправляющие устройства (жалюзи). Регулируют поступление воздуха и защищают внутренние элементы от мусора.

Принцип действия мокрой градирни

Горячая вода (обычно с температурой 35—45 °C) из технологического контура подаётся в водораспределительную систему, расположенную в верхней части градирни. Через соплы вода разбрызгивается и стекает тонкой плёнкой или каплями по поверхности оросителя. Одновременно снизу вверх (в башенных) или поперёк (в вентиляторных) движется поток атмосферного воздуха. При контакте воды с воздухом происходит два процесса:

• Конвективный теплообмен — передача тепла от более нагретой воды к более холодному воздуху.
• Испарительное охлаждение — часть воды (около 1—2 % от общего расхода) испаряется, забирая теплоту парообразования из оставшейся воды. Именно этот процесс обеспечивает основное охлаждение.

Охлаждённая вода (до 25—30 °C) собирается в бассейне и вновь направляется в производство. Нагретый и насыщенный влагой воздух выбрасывается в атмосферу через верх башни или через вытяжную шахту вентилятора.

Принцип действия сухой градирни

В сухой градирне вода циркулирует по замкнутому контуру, проходя через радиаторные теплообменники (аналоги автомобильным). Воздух, нагнетаемый вентиляторами, обдувает оребрённые трубы, отводя тепло от воды. Испарения не происходит, поэтому потери воды отсутствуют, однако эффективность охлаждения ниже, чем у мокрых градирен, особенно при высоких температурах наружного воздуха.

Применение

Градирни являются неотъемлемой частью систем оборотного водоснабжения в следующих отраслях:

• Энергетика. Тепловые (ТЭС, ТЭЦ) и атомные (АЭС) электростанции. На АЭС градирни используются для охлаждения конденсаторов турбин и вспомогательного оборудования. Крупнейшие градирни в мире установлены на АЭС «Куданкулам» (Индия) и АЭС «Олкилуото» (Финляндия).
• Нефтехимическая и нефтеперерабатывающая промышленность. Охлаждение технологических потоков, конденсация паров, охлаждение компрессоров и насосов.
• Металлургия. Охлаждение доменных печей, прокатных станов, электродуговых печей и кристаллизаторов.
• Химическая промышленность. Охлаждение реакторов, теплообменников, дистилляционных колонн.
• Пищевая промышленность. Охлаждение холодильных установок, пастеризаторов, бродильных чанов.
• Системы кондиционирования воздуха. В крупных зданиях (торговые центры, аэропорты, дата-центры) градирни отводят тепло от чиллеров и конденсаторов.

Экологические аспекты и критика

Эксплуатация градирен, особенно мокрого типа, сопряжена с рядом экологических воздействий:

• Выбросы водяного пара. Пар, выходящий из башенных градирен, может создавать видимый шлейф, который в холодную погоду приводит к туманообразованию и обледенению прилегающих территорий. В некоторых регионах это считается эстетическим недостатком.
• Потери воды. В мокрых градирнях безвозвратно теряется от 1 до 3 % циркулирующей воды на испарение и капельный унос. Для крупной АЭС это может составлять до 10—15 тысяч кубометров воды в сутки.
• Химическое загрязнение. Для предотвращения коррозии и биологического обрастания в воду добавляют химические реагенты (ингибиторы, биоциды). Часть этих веществ может попадать в атмосферу с капельным уносом.
• Шум. Вентиляторные градирни являются источником шума, который может превышать санитарные нормы вблизи жилой застройки.
• Легионеллёз. В тёплой воде мокрых градирен могут размножаться бактерии рода Legionella, вызывающие тяжёлое заболевание лёгких. Для борьбы с легионеллой проводят регулярную дезинфекцию и поддерживают определённый температурный режим.

В ответ на экологические требования разрабатываются гибридные градирни, а также системы сухого охлаждения, которые полностью исключают выброс пара и химических реагентов, но требуют больших капитальных затрат.

Интересные факты

• Самая высокая градирня в мире (по состоянию на 2024 год) находится на АЭС «Калинка» (Россия, Калининградская область) — её высота составляет 213 метров. Она была построена в 2022 году.
• Гиперболическая форма башенных градирен не только оптимальна с точки зрения аэродинамики, но и является одной из самых прочных и материалоёмких конструкций в строительстве.
• В некоторых странах, например в Германии и Японии, из-за высокой плотности населения и строгих экологических норм, мокрые градирни часто заменяют сухими или комбинированными системами.
• Градирни могут быть окрашены в разные цвета — от серого до ярко-красного или синего. Это делается для улучшения видимости в условиях тумана или для корпоративной идентификации.

Источники

• Б. В. Шишков, В. А. Козлов. «Градирни: устройство, расчёт, эксплуатация». — М.: Энергия, 1976.
• В. М. Ларионов, А. А. Захаров. «Теплообменные аппараты и системы водоснабжения ТЭС и АЭС». — М.: Издательство МЭИ, 2015.
• Справочник по теплообменным аппаратам / Под ред. В. П. Кравченко. — М.: Машиностроение, 2008.
• «Cooling Towers: Principles and Practice» by G. B. Hill, 2010.
• Нормативные документы: СП 124.13330.2012 «Тепловые сети», СП 100.13330.2016 «Системы водоснабжения и канализации».