Ковылин А.А.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГРАДИРЕН *
Аннотация:
статья представляет детальный обзор градирен — специализированных устройств для охлаждения оборотной воды, применяемых в разных промышленных секторах. Главная идея заключается в том, что градирни являются ключевым инструментом для эффективного и экономичного отвода тепла, оптимизируя процессы в энергетике, химическом производстве и судостроении. Рассматриваются разновидности градирен, классифицируемые по способам охлаждения, конструктивным особенностям и принципу действия. Особое внимание уделено двум базовым группам: испарительным (мокрым) и сухим, а также их подтипам — противоточным и поперечноточным системам. Подчёркивается роль тепломассообмена и влияние увеличенной площади контакта воды с воздухом на эффективность охлаждения. В свете современных экологических и экономических требований акцентируется, что градирни функционируют без химических хладагентов, обеспечивая безопасность, энергоэффективность и экологичность. Отмечены преимущества конкретных конструкций и их адаптация к различным климатическим условиям. В итоге работа формирует целостное представление о градирнях как важнейших компонентах промышленных систем охлаждения, подчёркивая их многофункциональность и критическую значимость для современного механического оборудования и водообеспечения.
Ключевые слова:
градирни, анализ, типология, охлаждение, водные ресурсы, хладоноситель, тепло-массообмен, энергозатраты, водоснабжение
Градирня представляет собой промышленную установку, служащую для охлаждения циркуляционной воды, отводящей тепло от технологического оборудования в системах замкнутого водоснабжения. Понижение температуры обеспечивается теплообменом с атмосферным воздухом.Сегодня высокопроизводительные градирни задействуются в системах оборотного водоснабжения для теплоотвода от теплообменников, прежде всего на ТЭС. В гражданском строительстве их используют, скажем, при охлаждении конденсаторов холодильных установок, в системах кондиционирования воздуха и для отвода тепла от резервных генераторов. Наиболее массово градирни применяются в промышленности: для охлаждения различного технологического оборудования, при химической очистке сред, зачастую совместно с МОС. Широкий спектр предприятий ВПК, энергетики, судостроения, авиации, химии, металлургии, машиностроения и пищевой отрасли активно эксплуатирует такие установки.Замыкание водооборотного цикла на локальные водоочистные сооружения одновременно решает задачу утилизации больших объёмов технических сточных вод, перенаправляемых на градирню. Применение теплонасосных установок (ТНУ) для утилизации избыточного пара позволяет преобразовывать тепловую энергию в электрическую.В классических вентиляторных градирнях охлаждение достигается испарением части воды, стекающей плёнкой либо каплями по оросителю, вдоль которого навстречу потоку воды подаётся воздух. В новаторских эжекционных градирнях температура снижается благодаря среде, близкой к вакууму, создаваемой особыми форсунками (площадь тепломассообмена 450 м² на 1 м³ перекачиваемой жидкости, двойное действие — жидкость охлаждается как снаружи, так и изнутри) и конструктивным решениям. При испарении 1 % воды классическая схема уменьшает температуру оставшейся массы на 5,48 °C, тогда как эжекционный метод обеспечивает снижение на 7,23 °C.Промышленные градирни считаются наиболее экономичным и эффективным методом охлаждения больших объёмов воды и других жидкостей, так как здесь не применяются аммиак, фреон и прочие теплоносители, требующие дополнительной электроэнергии. Чем шире площадь соприкосновения воды с воздухом, тем лучше теплопередача в градирнях. Расширение этой поверхности и сам контакт потоков обеспечиваются разными способами.Работа промышленной градирни строится на охлаждении заданного объёма жидкости с помощью атмосферного воздуха. Ключевое отличие такой установки от кондиционеров, холодильных систем и чиллеров в том, что в ней хладагентом выступает лишь воздух, без применения других охлаждающих сред.Классификация градирен.В современной теплотехнике по характеристикам контура различают два типа:- испарительные – открытые,- сухие – закрытые.Открытая мокрая градирня работает так: нагретую воду распыляют в воздушное пространство, где она встречается с потоком более прохладного атмосферного воздуха. Часть жидкости испаряется, унося тепло с тёплым воздухом наружу, а оставшийся объём воды при этом охлаждается.Опыт показывает: каждые 1 % испарившейся воды охлаждают оставшиеся 99 % на 5,7 °C. Обычно открытые градирни теряют с паром около 2 % подаваемой жидкости.Испарительные градирни классифицируют по методу подачи воздуха:- поперечноточные,- противоточные,- брызгальные,- эжекционные.Сухая установка (драйкулер) по принципу автомобильного радиатора охлаждает воду: под давлением жидкость проходит через обычно медный теплообменник, интенсивно обдуваемый воздухом. В закрытых градирнях тепло отводится исключительно через стенки теплообменника.Вентиляторные градирни.В вентиляторной градирне вода охлаждается, в зависимости от её конструкции, за счёт теплоотдачи воздуху и испарительного эффекта.Конструкция и функционирование подобных установок достаточно очевидны. Нагретая вода поступает в распределительную систему, состоящую из трубопроводов с форсунками либо соплами. Под давлением или самотеком струя дробится на капли диаметром 2-3 мм и равномерно заполняет объём градирни. Затем жидкость попадает на ороситель — устройство с развитой поверхностью. Проходя через него, потоки перераспределяются, перемешиваются и переходят в турбулентный режим, что усиливает эффект охлаждения.Схема вентиляторной градирни.Через воздухозаборные оконца к потоку воды одновременно подается воздух. В результате такого контакта тёплый, увлажнённый воздух удаляется в атмосферу. Перемещение воздуха осуществляется естественной тягой в башенных градирнях или вентиляторами во вентиляторных системах. Вентиляторы, в зависимости от схемы, размещаются снизу градирни (нагнетательные) либо сверху (вытяжные).Охлаждённая вода стекает в водосборную ёмкость, откуда снова подаётся в систему. Габариты градирни определяют формат резервуара: это может быть небольшой поддон либо крупный бетонный бассейн, одновременно выполняющий функцию фундамента. Указанная схема подходит для градирен любых теплообменных типов, где вода не контактирует напрямую с воздухом.Разнообразные оросительные модули и широкая линейка осевых вентиляторов позволяют адаптировать мокрые градирни под разные расходы воды, обеспечивая эффективное охлаждение при температурной разнице до 30 °C.Также в конструкцию можно интегрировать воздухорегулирующие жалюзи и режим реверса двигателя, что гарантирует стабильную работу градирни даже при экстремальных зимних морозах.Вентиляторные градирни классифицируются по типу оросителя следующим образом:- пленочные,- капельные,- капельно-пленочные.Капельно-пленочные оросители признаны самыми производительными, поскольку объединяют достоинства капельных и пленочных систем, обеспечивая наилучшее охлаждение воды.Для систем с малым объёмом циркуляционной воды вентиляторные градирни поставляются полностью собранными, что упрощает их внедрение на предприятиях. Подобные агрегаты именуют компактными или блочными мини-градирнями.Этот тип мокрых градирен характеризуется небольшим температурным перепадом между подающей и возвращаемой водой и низким энергопотреблением.Противоточные градирни.Данные устройства классифицируют на две главные группы: охлаждающие башни и вентиляторные системы. Ключевое различие между ними — способ формирования воздушного потока: естественная тяга или принудительное перемещение вентиляторами.В обеих конфигурациях нагретая вода подается по распределительной системе и через форсунки распыляется вниз на оросительные блоки. По их поверхности вода равномерно разливается, взаимодействует с потоками внешнего воздуха и теряет тепло. Затем охлаждённая жидкость стекает в предназначенный для её сбора резервуар.Башенный охладитель.Охладительная башня представляет собой коническое сооружение из железобетона либо металла. Внутри размещены водораздающая система, оросительная насадка и приемный резервуар. Воздух засасывается через нижние порталы и поднимается вверх через оросителя под действием естественной тяги в шахте.Подобные системы циркуляции воды широко используются на крупных промышленных площадках, например ТЭЦ и АЭС. Они дают высокую тепловую мощность, обрабатывая большие объемы воды при малом температурном градиенте 5–10 ℃.Башенные градирни классифицируются на два вида по материалу каркаса:- железобетонные — это монолитная конструкция, требующая периодического сервиса, включая восстановление гидроизоляции спецсоставами,– каркасно-обшивные: представляют собой металлический каркас, облицованный пластиковыми, алюминиевыми либо гофрированными металлическими листами. При монтаже швы между листами следует уплотнять спецлентами.Главная особенность этих градирен — отсутствие механической тяги, поэтому для регулирования воздушного потока требуются дополнительные меры, например установка тамбуров или управляемых жалюзи, что особенно важно зимой.Главное достоинство башенных градирен — отсутствие энергозатрат на подачу воздуха. Однако их возведение требует колоссальных капитальных инвестиций и больших площадей под объект. Эти обстоятельства нередко становятся серьёзным барьером при выборе данного вида градирен.Поперечноточные градирни.Здесь вода из коллектора поступает в лоточный резервуар-распределитель, затем без дополнительного давления самотёком стекает тонким слоем по конструкции с водоуловителем и жалюзи.Интенсивный воздушный поток, создаваемый вентилятором, обеспечивает процессы теплоотдачи и испарения. В подобных градирнях воздух движется горизонтально через оросительный слой, пересекаясь с падающей сверху водой, поэтому установки именуют поперечноточными. По расположению воздухозаборных проёмов различают однопоточные системы (поддув с одной стороны) и двухпоточные (поддув с обеих сторон).Характеристики поперечноточных градирен:Работа поперечноточных градирен зимой вызывает значительные трудности. При безнапорном водораспределении аэродинамическое сопротивление оросителя возрастает примерно на 30 %. Поэтому такие установки в основном применяются в теплых странах, например в ОАЭ, Иране, Индии и Пакистане.Конструкция объединяет водоуловитель и жалюзи, что позволяет одновременно предотвращать унос водяных капель и снижать их разбрызгивание.В нижнем секторе оросителя формируется зона недостаточного смачивания. Чтобы уменьшить риск ледообразования в холодный сезон, оросительный слой делают под уклоном, сдвигая нижний уровень к оси.Промышленные градирни.Промышленные открытые (мокрые) градирни охлаждают воду посредством прямого контакта с воздухом.Исходя из метода смешения воды с воздухом, мокрые (испарительные) градирни классифицируются следующим образом:Оросительные (насадочные) градирни подразделяются на противоточные и поперечноточные. В них воздух контактирует с водой на поверхности насадки — оросительного слоя с большой площадью теплообмена. Когда потоки воды и воздуха направлены навстречу, градирня считается противоточной. Если же воздух движется перпендикулярно падающей воде, это поперечноточная градирня.Безнасадочный тип включает брызгальные и эжекционные установки. Их работа базируется на распылении воды в мелкодисперсные капли. Теплообмен происходит прямо на поверхности капель, обеспечивая высокую эффективность охлаждения.Брызгальные градирни, или брызгальные бассейны, отличаются от эжекционных градирен давлением, задействованным для распыления воды.В эжекционных градирнях вода под давлением 0,3–0,4 МПа через распылители превращается в мелкодисперсный аэрозоль: капли около 0,2 мм разгоняются до 16–20 м/с.
Номер журнала Вестник науки №6 (87) том 3
Ссылка для цитирования:
Ковылин А.А. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГРАДИРЕН // Вестник науки №6 (87) том 3. С. 2357 - 2365. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/24498 (дата обращения: 11.02.2026 г.)
Вестник науки © 2025. 16+