XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

1. Актуальность вопроса. Энергетика является ведущей отраслью промышленности. При этом в ней объединены все процессы потребления электроэнергии: генерирование, передача и трансформация. В настоящее время существует множество задач, основной из которых является энергоресурсосбережение. От выбора стратегии по решению этой задачи зависит развитие экономики всей страны. Россия обладает не только необходимыми природными ресурсами, но и интеллектуальным потенциалом для благополучного решения вопросов, связанных с энергетикой [1]. Вопрос изучения объектов энергетики является одной важнейших тем текущего времени. В настоящее время для охлаждения различного технологического оборудования, которое установлено на АЭС, ТЭС и других промышленных предприятиях используется огромное количество оборотной воды. Поэтому необходимо применение специальных охладительных установок, таких как градирни.

Градирня – важное устройство, которое избавляет воду от излишков теплоты. Данные экологических исследований показывают, что сброс воды в естественные водоемы ведет к местному потеплению климата, что отражается на общем глобальном потеплении. Поэтому современные предприятия все чаще используют системы оборотного водоснабжения, в которых вода совершает круговорот, каждый раз охлаждаясь при помощи градирен.

Градирни используются для охлаждения воды в оборотных системах водоснабжения:

- на атомных электростанциях,

- на тепловых электростанциях,

- на теплоэлектроцентралях.

2. Конструктивные типы градирен. Градирни делятся на следующие типы от вида, установленного оросителя [1]:

- плёночные,

- капельные,

- эжекционные,

- брызгальные.

В зависимости от того, в каком направлении движется воздух и вода, которая охлаждается, градирни бывают:

- с противотоком,

- с перекрестным током,

- со смешанным током.

В зависимости от способа подачи воздуха градирни делятся на:

- вентиляторные,

- открытые градирни (атмосферные), принцип действия которых основан на естественной конвекции,

- башенные.

3. Конструктивные решения вентиляторных градирен. Вентиляторные градирни конструируются из секций или отдельностоящими (рис.1). В плане они могут иметь квадратную, прямоугольную, многоугольную или круглую форму. Корпус такой градирни может быть в металлическом, железобетонном либо стеклопластиковом исполнении [2].

Основными элементами вентиляторной градирни являются: оболочка, она состоит из каркаса, обшитого листовым материалом, водораспределительное устройство, ороситель, водоуловитель, водосборный бассейн и вентиляторная установка.

С помощью вентиляторов происходит подача воздуха, вместе с тем лопасти движутся и затягивают теплый воздух. По стенкам вода перемещается в резервуар, а теплые пары с помощью диффузора отводятся в атмосферу. Кроме того, применяется каплеуловитель, он предназначен для уменьшения потерь оборотной воды.

Достоинства вентиляторных градирен:

- простота в эксплуатации и ремонтопригодность,

- возможность установки в различных климатических условиях,

- высокий эффект охлаждения,

- размещение не требует большой площади, что позволяет расположить их практически в любом удобном для этого месте.

Недостатки вентиляторных градирен:

- значительный расход электроэнергии для вентиляторов,

- необходимо наличие эксплуатационного персонала,

- повышенный каплеунос.

Вентиляторные градирни применяютсяв системах оборотного водоснабжения, где требуется высокий эффект охлаждения (например, заводы по нефтепереработке) при том, что необходимо сократить объемы строительных работ, регулировать температуру охлажденной воды, а также при плотной застройке, если необходимо разместить сооружения достаточно компактно [3].

Рис.1. Вентиляторная градирня	Рис.2. Градирня открытого типа

4. Конструктивные решения открытых градирен. Принцип действия открытых градирен основан на конвекции воздушных масс и ветра. Горячая вода разбрызгивается через форсунки, что способствует ее охлаждению (рис.2) [4]. Унос жидкости из бассейна предотвращается установкой специальных жалюзи, ограждающих каналы для орошения [5].

Достоинства открытых градирен:

- простота конструкции и эксплуатации,

- ремонтопригодность,

- высокий эффект охлаждения,

- минимальные затраты энергии.

Недостатки открытых градирен:

- необходимость размещения на незастроенной площадке,

- высокая инертность.

Открытыеградирни целесообразно применятьпри сравнительно небольшой требуемой производительности (до 500-700 м³/час), а также, если допустимо понижение охладительного эффекта в период штиля, что ограничивает число предприятий, где данный вид градирен может быть использован. Открытые градирни предназначаются преимущественно для систем, которые расходуют воду для производственных (технических) целей на предприятиях промышленности, транспорта, энергетики, сельского хозяйства, а на также для тушения пожаров [2].

5. Конструктивные решения башенных градирен. Башенные градирни – это один из самых эффективных видов оборудования, которое применяется на промышленных предприятиях для охлаждения воды. При этом в башенных градирнях происходит естественная тяга при помощи вытяжной башни. Данное оборудование может обеспечить большой объем охлаждаемой воды.

Башенные градирни – это самое эффективное оборудование, которое охлаждает воду на промышленных предприятиях, например, на Нововоронежской АЭС [6] (рис.3). Поскольку башенные градирни способны охладить большой объем воды, то это обуславливает их применение преимущественно на АЭС, ТЭС, а также в ряде случаев на других предприятиях промышленности. От того, как эффективно работает градирня, зависят технико-экономические показатели работы электростанции.

Рис.3. Градирни башенного типа на Нововоронежской АЭС

Башенные градирни делятся на следующие виды:

- испарительные,

- радиаторные (сухие),

- смешанные (испарительно-сухие). К ним относятся те, в которых происходит набрызг воды на радиаторы.

Чаще всего башенные градирни проектируются испарительные и с противоточной схемой движения сред (воды и охлаждаемого воздуха).

Основными технологическими элементами башенных градирен являются водораспределительное устройство, ороситель, водосборный бассейн, водоуловитель и воздухорегулирующее устройство.

Ороситель – один из важнейших элементов градирни, применяемый для увеличения площади контакта воды и воздуха, и соответственно для более эффективной работы градирни (рис.4,а). Попадая на поверхность оросителя, вода встречается с охлаждающим воздухом, который течет в противоположном направлении и отводит тепло в атмосферу. Оросители необходимы для того, чтобы равномерного распределить воду по площади его поверхности (рис.4, б). Оросители встречаются трех типов [7]:

- пленочный,

- капельный,

- капельно-пленочный.

а
б

Рис.4. Оросители: а – схема распределения воды в слое оросителя; б – виды оросителей;

1 – капельно-пленочный, 2 – пленочный, 3 – капельный

Фундаменты под градирни изготавливаются из монолитного железобетона, но также возможно фундамент под башню и стенку водосборного бассейна выполнить из сборного железобетона. Подземные конструкции под вытяжные башни градирен, изготовленные из железобетона, выполняются в виде ленточных фундаментов, а под каркасно-обшивные башни фундаменты выполняются отдельно стоящие или ленточные.

Конструкция может быть изготовлена из стального каркаса с внутренней обшивкой или из сборного или монолитного железобетона. На рис.5 дана схема башенной градирни со стальным каркасом площадью орошения 144 м² [8].

Рис. 5. Схема градирни: 1 – каркас вытяжной башни, 2 – обшивка, 3 – оросительное устройство, 4 – воздухораспределительное пространство, 5 – водосборный бассейн,

6 – подводящий водовод

Для каркасно-обшивных градирен необходимо выполнять надежную гидроизоляцию не только самих листов обшивки, но и стыков обшивочных материалов. А железобетонные башни необходимо возводить из высокопрочного и водостойкого бетона, а также покрывать проникающей гидроизоляцией. Однако процесс возведения каркасно-обшивных башен значительно проще по сравнению с железобетонными сооружениями, поэтому они являются наиболее эффективным решением. На рис.6 и рис.7 приведена схема градирен с каркасной обшивкой вытяжной башней гиперболической формы [9].

Достоинства башенных градирен:

- простота эксплуатации,

- минимальные затраты на охлаждение жидкости,

- устройство может быть размещено достаточно близко к объекту промышленности,

- незначительный капельный унос,

- отвод испарившейся воды на большой высоте, из-за чего отсутствует обледенение соседних сооружений.

Недостатки башенных градирен:

- сложность конструкции,

- большие расходы на строительство,

- обледенение оросительного устройства,

- цветение воды в градирне.

Рис.6. Схема градирни с каркасной обшивкой: 1 – вытяжная башня; 2 – водоуловитель;

3 – водораспределительная система; 4 – оросительное устройство; 5 –воздухорегулирующее устройство; 6 – водосборный бассейн

В табл.1 представлены технико-экономические характеристики различных типов градирен с каркасной обшивкой [11].

Рис.7. Серия башенных градирен с металлическим каркасом площадью орошения А равной:

а) А=1100 м²; б) А=1600 м²; в) А=2300м²; г) А=3200м².

Таблица 1

Технико-экономические и экологические показатели градирен

Показатель	Вентиляторные	Открытые	Башенные
Удельная тепловая нагрузка, кВт/м²	93-175	35-60	7-120
Перепад температуры воды, ºС	3-20	5-10	5-15
Температура охлажденной воды (среднегодовая), ºС	16-18	26-28	21-23
Глубина охлаждения воды, ºС	4-5	10-12	8-10
Выброс тепла с паровым факелом, МДж/ч	12-80	20-40	20-60
Выброс воды с капельным уносом и продувкой, м³/ч (не более)	0,035	0,02	0,03
Потребление свежей воды, отнесенные к 1м³ охлаждаемой воды, м³/ч (не более)	0,05	0,03	0,04

Башенные градирни применяют в оборотных системах водоснабжения, где необходимо устойчивое и глубокое охлаждение воды при высоких нагрузках. Башенные градирни используются при большом температурном перепаде. В основном данный тип градирен применяется на АЭС и ТЭЦ, но они также нашли широкое применение во многих других отраслях промышленности.

6. Выводы. Проведенный анализ различных типов градирен и сравнение ТЭП позволил выявить следующее.

1. Технологические процессы, протекающие на тепловых и атомных электростанциях, нуждаются в охлаждении оборотной воды, поэтому градирни важные сооружения для функционирования предприятия.

2. Рассмотрены основные виды градирен, отражены достоинства, недостатки и применение каждого вида, приведено сравнение их технико-экономических показателей.

3. Показанона основе подробного анализа конструктивных решений башенных градирен, что для объектов энергетики наиболее эффективным решением является использование башенных градирен с каркасной обшивкой.

4. Башенные градирни могут быть построены из различных материалов, но наиболее эффективным решением являются металлические каркасно-обшивные градирни, поскольку их уровень монтажа намного выше, по сравнению с возведением из железобетона.

5. Проектирование градирни является сложной задачей. Должны быть учтены климатические условия региона с учетом среднегодовой и среднесуточной температуры, роза ветров, размеры промышленного предприятия, используемые им объемы воды и некоторые дополнительные факторы.

Таким образом, в настоящее время градирни являются достаточно важными сооружениями. Альтернативные способы охлаждения воды могут оказывать негативное влияние на окружающую среду, что делает градирни незаменимым устройством.

Проведенный анализ может быть использован при выборе конструктивной схемы градирни на реальных объектах.

Список литературы

1. Энергосберегающие технологии, энергосбережение [Электронный ресурс] / URL: http://www.saveplanet.su/ (дата обращения 18.11.2019).

2. СП 340.1325800.2017. Конструкции железобетонные и бетонные градирен. Правила проектирования – 46 с.

3. СП 31.13330.2012 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84*. –135 с.

4. Пособие к проектированию градирен (к СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения) / ВНИИ ВОГЕО Госстроя СССР. – М: ЦИТП Госстроя СССР, 1989 – 190 с.

5. Лаптев А.Г. Устройство и расчет промышленных градирен // А.Г. Лаптев, И.А. Ведьгаева / Казань: КГЭУ, 2004. – 180 с.

6. Новая генерация [Электронный ресурс] – URL: https://manbw.ru/ (дата обращения 05.11.2019).

7. Аквилон [Электронный ресурс] – URL: http://akvilon-holod.ru/ (дата обращения 07.11.2019).

8. Вентиляция и кондиционирование [Электронный ресурс] – URL: https://ventilsystem. ru/ (дата обращения 28.10.2019).

9. Башенная испарительная градирня [Электронный ресурс] – URL: http://elib.spbstu.ru/ (дата обращения 16.11.2019).

10. Расчет технико-экономических показателей сооружения [Электронный ресурс] – URL: https://studopedia.ru/ (дата обращения 20.10.2019).

11. Шакирбеков Н.А. Сравнительный анализ типов градирен // Н.А. Шакирбеков, Э.М. Смагулова / Студенческий электронный научный журнал 2019, № 11(55). – URL: https://sibac.info/journal/student/55/135317 (дата обращения 05.12.2019).

Код для цитирования: Скопировать