Градирня — это устройство, которое отводит отходящее тепло в атмосферу посредством охлаждения потока теплоносителя , обычно потока воды, до более низкой температуры. Градирни могут либо использовать испарение воды для отвода тепла и охлаждения рабочей жидкости до температуры, близкой к температуре воздуха по влажному термометру, либо, в случае сухих градирен , полагаться исключительно на воздух для охлаждения рабочей жидкости почти до температуры, близкой к температуре сухого термометра. температура воздуха с использованием радиаторов .
Общие области применения включают охлаждение циркулирующей воды, используемой на нефтеперерабатывающих , нефтехимических и других химических заводах , тепловых электростанциях , атомных электростанциях и в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха для охлаждения зданий. Классификация основана на типе подачи воздуха в башню: основными типами градирен являются градирни с естественной тягой и градирни с принудительной тягой.
Градирни различаются по размеру: от небольших крышных установок до очень больших гиперболоидных конструкций , которые могут достигать 200 метров (660 футов) в высоту и 100 метров (330 футов) в диаметре, или прямоугольных конструкций, высота которых может превышать 40 метров (130 футов). ) в высоту и 80 метров (260 футов) в длину. Гиперболоидные градирни часто ассоциируются с атомными электростанциями [1] , хотя они также используются на некоторых угольных электростанциях и в некоторой степени на некоторых крупных химических и других промышленных предприятиях. Паровая турбина – это то, что требует градирни. Хотя эти большие башни очень заметны, подавляющее большинство градирен намного меньше, включая множество агрегатов, установленных на зданиях или рядом с ними для отвода тепла от систем кондиционирования воздуха . Широкая общественность также часто считает, что градирни испускают дым или вредные испарения, хотя на самом деле выбросы этих башен в основном не способствуют выбросам углекислого газа и состоят исключительно из водяного пара . [2] [3]
Градирни возникли в 19 веке благодаря разработке конденсаторов для использования с паровым двигателем . [4] Конденсаторы используют относительно холодную воду различными способами для конденсации пара, выходящего из цилиндров или турбин. Это уменьшает противодавление , что, в свою очередь, снижает потребление пара и, следовательно, расход топлива, одновременно увеличивая мощность и рециркуляцию котловой воды. [5] Однако конденсаторы требуют достаточного количества охлаждающей воды, без чего они непрактичны. [6] [7] Хотя использование воды не является проблемой для морских двигателей , оно является существенным ограничением для многих наземных систем. [ нужна цитата ]
К началу 20-го века несколько испарительных методов рециркуляции охлаждающей воды использовались в районах, где не было налаженного водоснабжения, а также в городских районах, где муниципальных водопроводов может не хватить; надежный в периоды спроса; или иным образом достаточным для удовлетворения потребностей в охлаждении. [4] [7] В районах, где есть свободная земля, системы принимали форму прудов-охладителей ; в районах с ограниченной землей, например в городах, они принимали форму градирен. [6] [8]
Эти ранние башни располагались либо на крышах зданий, либо как отдельно стоящие конструкции, снабжаемые воздухом вентиляторами или опирающиеся на естественный воздушный поток. [6] [8] В американском учебнике инженерного дела 1911 года одна конструкция описывалась как «круглая или прямоугольная оболочка из легких пластин — по сути, дымовая труба, сильно укороченная по вертикали (от 20 до 40 футов в высоту) и очень сильно увеличенная в поперечном направлении. верх представляет собой набор распределительных желобов, куда должна перекачиваться вода из конденсатора; из них она стекает вниз по «матам», сделанным из деревянных реек или плетеных проволочных экранов, которые заполняют пространство внутри башни». [8]
Гиперболоидная градирня была запатентована голландскими инженерами Фредериком ван Итерсоном и Герардом Кайперсом в Нидерландах 16 августа 1916 года. [9] Первые гиперболоидные железобетонные градирни были построены голландской государственной шахтой (DSM) Эмма в 1918 году в Херлене . . [10] Первые электростанции в Соединенном Королевстве были построены в 1924 году на электростанции Листер Драйв в Ливерпуле , Англия. [11] В обоих местах они были построены для охлаждения воды, используемой на угольной электростанции.
Согласно отчету Института газовых технологий (GTI), непрямое испарительное охлаждение по точке росы, цикл Майсоценко (М-цикл), является теоретически обоснованным методом снижения температуры жидкости до температуры точки росы, которая ниже, чем ее температура по влажному термометру. М-цикл использует психрометрическую энергию (или потенциальную энергию), получаемую за счет скрытого тепла воды, испаряющейся в воздух. Хотя в настоящее время он представляет собой M-цикл HMX для кондиционирования воздуха, благодаря инженерному проектированию этот цикл может применяться в качестве устройства рекуперации тепла и влаги для устройств сжигания, градирен, конденсаторов и других процессов, связанных с потоками влажных газов.
По оценкам, потребление охлаждающей воды внутренними перерабатывающими и электростанциями приведет к снижению энергообеспеченности большинства тепловых электростанций к 2040–2069 годам. [12]
В 2021 году исследователи представили метод улавливания пара. Пар заряжается с помощью ионного луча, а затем захватывается проволочной сеткой противоположного заряда. Чистота воды превысила стандарты питьевой воды Агентства по охране окружающей среды . [13]
Градирня HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха) используется для отвода («отвода») нежелательного тепла от чиллера . Чиллеры с жидкостным охлаждением обычно более энергоэффективны, чем чиллеры с воздушным охлаждением, из-за отвода тепла в воду градирни при температуре по влажному термометру или близкой к ней . Чиллеры с воздушным охлаждением должны отводить тепло при более высокой температуре по сухому термометру и, таким образом, иметь более низкую среднюю эффективность обратного цикла Карно . В районах с жарким климатом крупные офисные здания, больницы и школы обычно используют одну или несколько градирен как часть систем кондиционирования воздуха. Как правило, промышленные градирни намного больше, чем башни HVAC. Использование градирни в системе HVAC объединяет градирню с чиллером с жидкостным охлаждением или конденсатором с жидкостным охлаждением. Тонна кондиционирования воздуха определяется как удаление 12 000 британских тепловых единиц в час (3,5 кВт) . Эквивалентная тонна на стороне градирни фактически отбрасывает около 15 000 британских тепловых единиц в час (4,4 кВт) из-за дополнительного отходящего теплового эквивалента энергии, необходимой для привода компрессора чиллера. Эта эквивалентная тонна определяется как отвод тепла при охлаждении 3 галлонов США в минуту (11 литров в минуту) или 1500 фунтов в час (680 кг/ч) воды на 10 °F (5,6 °C), что составляет 15 000 британских тепловых единиц в час (4,4 кВт), при условии, что коэффициент полезного действия холодильной машины (COP) равен 4,0. [14] Этот COP эквивалентен коэффициенту энергоэффективности (EER), равному 14.
Градирни также используются в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, которые имеют несколько тепловых насосов с источником воды , которые используют общий водяной контур . В системе этого типа вода, циркулирующая внутри водяного контура, отводит тепло от конденсатора тепловых насосов, когда тепловые насосы работают в режиме охлаждения, затем для отвода тепла из водяного контура и отвода тепла используется установленная снаружи градирня. это в атмосферу . Напротив, когда тепловые насосы работают в режиме отопления, конденсаторы забирают тепло из контурной воды и отводят его в обогреваемое помещение. Когда водяной контур используется главным образом для подачи тепла в здание, градирню обычно отключают (и ее можно осушить или подготовить к зиме, чтобы предотвратить повреждение от замерзания), а тепло подается другими способами, обычно от отдельных котлов .
Промышленные градирни можно использовать для отвода тепла из различных источников, таких как оборудование или нагретый технологический материал. Основное применение больших промышленных градирен заключается в отводе тепла, поглощенного в системах циркуляционной охлаждающей воды , используемых на электростанциях , нефтеперерабатывающих заводах , нефтехимических заводах, заводах по переработке природного газа , заводах пищевой промышленности, заводах по производству полупроводников и других промышленных предприятиях. таких устройствах, как конденсаторы дистилляционных колонн, для охлаждения жидкости при кристаллизации и т. д. [15] Скорость циркуляции охлаждающей воды на типичной угольной электростанции мощностью 700 МВт с градирней составляет около 71 600 кубических метров в час ( 315 000 галлонов США в минуту) [16] , а для оборотной воды требуется уровень подпитки подаваемой воды примерно 5 процентов (т.е. 3600 кубических метров в час, что эквивалентно одному кубическому метру в секунду).
Если бы на том же заводе не было градирни и использовалась прямоточная охлаждающая вода, это потребовало бы около 100 000 кубических метров в час. [17] Большой водозабор охлаждающей воды обычно убивает миллионы рыб и личинок ежегодно, поскольку организмы попадают в водозабор экраны . [18] Большое количество воды необходимо будет постоянно возвращать в океан, озеро или реку, из которой она была получена, и постоянно поставлять ее на завод. Кроме того, сброс большого количества горячей воды может повысить температуру принимающей реки или озера до неприемлемого уровня для местной экосистемы. Повышенная температура воды может привести к гибели рыбы и других водных организмов (см. Термическое загрязнение ) или может также вызвать увеличение количества нежелательных организмов, таких как инвазивные виды дрейссены или водорослей .
Вместо этого градирня служит для рассеивания тепла в атмосферу, так что диффузия ветра и воздуха распределяет тепло по гораздо большей площади, чем горячая вода может распределять тепло в водоеме. Воду для испарительного охлаждения нельзя использовать для последующих целей (кроме дождя где-либо), тогда как воду для поверхностного охлаждения можно использовать повторно. Некоторые угольные и атомные электростанции , расположенные в прибрежных районах, используют прямоточную океанскую воду. Но даже в этом случае выпуск сточных вод на море требует очень тщательного проектирования, чтобы избежать экологических проблем.
Нефтеперерабатывающие заводы также могут иметь очень большие системы градирен. Типичный крупный нефтеперерабатывающий завод, перерабатывающий 40 000 метрических тонн сырой нефти в день (300 000 баррелей (48 000 м 3 ) в день), циркулирует около 80 000 кубических метров воды в час через систему градирни.
Самая высокая градирня в мире — это градирня высотой 210 метров (690 футов) электростанции Пиншань II в Хуайбэе , провинция Аньхой, Китай. [19]
Градирни этого типа предварительно собираются на заводе и их можно легко транспортировать на грузовиках, поскольку они представляют собой компактные машины. Производительность башен корпусного типа ограничена, и по этой причине их обычно предпочитают объекты с низкими требованиями к отводу тепла, такие как предприятия пищевой промышленности, текстильные заводы, некоторые химические заводы или такие здания, как больницы, гостиницы, торговые центры, автомобильные заводы. , и т. д.
Из-за частого использования в жилых районах или вблизи них контроль уровня шума является относительно более важной проблемой для градирен корпусного типа.
На таких объектах, как электростанции, сталелитейные заводы, нефтеперерабатывающие или нефтехимические заводы, обычно устанавливаются градирни, монтируемые на месте, из-за их большей способности отводить тепло. Башни, возводимые на месте, обычно намного больше по размеру по сравнению с градирнями пакетного типа.
Типичная градирня, возводимая на месте, имеет конструкцию из пултрудированного армированного волокном пластика (FRP), облицовку из FRP , механический блок для тяги воздуха и сепаратор.
Что касается используемого механизма теплопередачи , то основными типами являются:
В мокрой градирне (или градирне с открытым контуром) теплая вода может быть охлаждена до температуры ниже , чем температура окружающего воздуха по сухому термометру, если воздух относительно сухой (см. Точку росы и психрометрию ). Когда окружающий воздух проходит мимо потока воды, небольшая часть воды испаряется, а энергия, необходимая для испарения этой части воды, берется из оставшейся массы воды, тем самым снижая ее температуру. Приблизительно 2300 килоджоулей на килограмм (970 БТЕ/фунт) тепловой энергии поглощается испаряющейся водой. Испарение приводит к насыщению воздуха, снижению температуры воды, обрабатываемой башней, до значения, близкого к температуре по влажному термометру , которая ниже температуры окружающей среды по сухому термометру , разница определяется начальной влажностью окружающего воздуха.
Для достижения лучшей производительности (большего охлаждения) используется среда, называемая заливкой , для увеличения площади поверхности и времени контакта между потоками воздуха и воды. Наполнитель для разбрызгивания состоит из материала, который препятствует потоку воды, вызывающему разбрызгивание. Пленочный наполнитель состоит из тонких листов материала (обычно ПВХ ), по которым стекает вода. Оба метода создают увеличенную площадь поверхности и время контакта между жидкостью (водой) и газом (воздухом) для улучшения теплопередачи.
Что касается всасывания воздуха через башню, существует три типа градирен:
16 августа 1916 года [21] Фредерик ван Итерсон получил патент Великобритании (108 863) на усовершенствованную конструкцию градирен из железобетона . [22] Патент был подан 9 августа 1917 года и опубликован 11 апреля 1918 года. В 1918 году DSM построила первую гиперболоидную градирню с естественной тягой в Staatsmijn Emma по его проекту.
Гиперболоидные (иногда неправильно называемые гиперболическими ) градирни стали стандартом конструкции для всех градирен с естественной тягой из-за их конструктивной прочности и минимального использования материала. [23] [24] [25] [26] Гиперболоидная форма также способствует ускорению восходящего конвективного потока воздуха, повышая эффективность охлаждения. [27] [28] Эти конструкции обычно ассоциируются с атомными электростанциями . Однако эта ассоциация вводит в заблуждение, поскольку такие же градирни часто используются на крупных угольных электростанциях, а также на некоторых геотермальных станциях. Паровая турбина – это то, что требует градирни. И наоборот, не все атомные электростанции имеют градирни, а некоторые вместо этого охлаждают рабочую жидкость озерной, речной или океанской водой.
Обычно более низкие первоначальные и долгосрочные затраты, в основном из-за требований к насосу.
Crossflow – конструкция, в которой поток воздуха направлен перпендикулярно потоку воды (см. схему слева). Воздушный поток поступает в одну или несколько вертикальных сторон градирни, чтобы встретиться с наполнителем. Вода течет (перпендикулярно воздуху) через наполнитель под действием силы тяжести. Воздух проходит через наполнитель и, таким образом, мимо потока воды в открытый объем камеры. Наконец, вентилятор вытесняет воздух в атмосферу.
Распределительный резервуар или резервуар для горячей воды , состоящий из глубокого поддона с отверстиями или форсунками на дне, расположен недалеко от верха поперечноточной башни. Сила тяжести распределяет воду через форсунки равномерно по наполнителю. Перекрестный поток V/s Противоток
Преимущества перекрестноточной конструкции:
Недостатки перекрестноточной конструкции:
В противоточной конструкции поток воздуха направлен прямо напротив потока воды (см. схему слева). Поток воздуха сначала попадает в открытую область под наполнителем, а затем вытягивается вертикально вверх. Вода распыляется через форсунки под давлением в верхней части башни, а затем течет вниз через наполнитель, противоположно потоку воздуха.
Преимущества противоточной конструкции:
Недостатки противоточной конструкции:
Общие аспекты обеих конструкций:
Как перекрестноточные, так и противоточные конструкции могут использоваться в градирнях с естественной и механической тягой.
В количественном отношении материальный баланс вокруг системы мокрой испарительной градирни определяется эксплуатационными переменными, такими как объемный расход подпитки , потери на испарение и утечку, скорость отбора и циклы концентрации. [29] [30]
На соседней диаграмме вода, откачиваемая из бассейна башни, представляет собой охлаждающую воду, протекающую через технологические охладители и конденсаторы на промышленном объекте. Холодная вода поглощает тепло от горячих технологических потоков, которые необходимо охладить или конденсировать, а поглощенное тепло нагревает циркулирующую воду (C). Теплая вода возвращается наверх градирни и стекает вниз по наполнителю внутри градирни. Когда он стекает вниз, он контактирует с окружающим воздухом, поднимающимся вверх через башню, либо за счет естественной тяги, либо за счет принудительной тяги с использованием больших вентиляторов в башне. Этот контакт приводит к потере небольшого количества воды в виде парусности или сноса (W), а некоторая часть воды (E) испаряется . Тепло, необходимое для испарения воды, получается из самой воды, которая охлаждает воду до исходной температуры воды в бассейне, и затем вода готова к рециркуляции. Испаренная вода оставляет растворенные соли в объеме неиспаренной воды, тем самым повышая концентрацию солей в циркулирующей охлаждающей воде. Чтобы предотвратить слишком высокую концентрацию солей в воде, часть воды отбирается или выдувается (D) для утилизации. Подпитка пресной водой (М) подается в бассейн башни для компенсации потерь испаряющейся воды, паровоздушных потерь и водозаборной воды.
Используя эти размерные единицы расхода и концентрации:
Тогда водный баланс всей системы составит: [30]
Поскольку испарившаяся вода (E) не содержит солей, баланс хлоридов в системе составляет: [30]
и, следовательно: [30]
Из упрощенного теплового баланса вокруг градирни:
Потери от ветра (или сноса) (W) — это количество общего потока воды в башне, увлекаемого потоком воздуха в атмосферу. Для крупногабаритных промышленных градирен при отсутствии данных производителя можно принять:
Цикл концентрации представляет собой накопление растворенных минералов в оборотной охлаждающей воде. Сброс водозабора (или продувка) используется главным образом для контроля накопления этих минералов.
Химический состав подпиточной воды, включая количество растворенных минералов, может сильно различаться. Подпиточные воды с низким содержанием растворенных минералов, например, из поверхностных источников воды (озера, реки и т. д.), имеют тенденцию быть агрессивными по отношению к металлам (коррозионными). Подпиточные воды из подземных источников воды (например, из колодцев ) обычно содержат больше минералов и имеют тенденцию к отложению (отложения полезных ископаемых). Увеличение количества минералов, присутствующих в воде за счет езды на велосипеде, может сделать воду менее агрессивной для трубопроводов; однако чрезмерный уровень минералов может вызвать проблемы с образованием накипи.
По мере увеличения циклов концентрации вода может оказаться неспособной удерживать минералы в растворе . Когда растворимость этих минералов превышена, они могут выпасть в осадок в виде твердых минеральных веществ и вызвать засорение и проблемы с теплообменом в градирне или теплообменниках . Температура циркулирующей воды, трубопроводов и поверхностей теплообмена определяет, будут ли и где минералы осаждаться из циркулирующей воды. Зачастую профессиональный консультант по водоподготовке оценивает подпиточную воду и условия эксплуатации градирни и рекомендует соответствующий диапазон циклов концентрации. Использование химикатов для очистки воды, предварительная обработка, такая как умягчение воды , регулирование pH и другие методы, могут повлиять на приемлемый диапазон циклов концентрации.
Циклы концентрации в большинстве градирен обычно варьируются от 3 до 7. В Соединенных Штатах во многих системах водоснабжения используется вода из колодцев, которая содержит значительные уровни растворенных твердых веществ. С другой стороны, один из крупнейших источников водоснабжения Нью-Йорка имеет поверхностный источник дождевой воды с довольно низким содержанием минералов; таким образом, градирням в этом городе часто разрешается концентрировать до 7 или более циклов концентрации.
Поскольку более высокие циклы концентрации требуют меньше подпиточной воды, усилия по сохранению воды могут быть сосредоточены на увеличении циклов концентрации. [31] Высокоочищенная оборотная вода может быть эффективным средством снижения потребления питьевой воды градирнями в регионах, где питьевая вода нехватка. [32]
Очистите видимую грязь и мусор из резервуара с холодной водой и поверхностей с видимой биопленкой (например, слизью). [ нужна цитата ]
Уровни дезинфицирующих средств и других химикатов в градирнях и гидромассажных ваннах следует постоянно поддерживать и регулярно контролировать. [33]
Следует регулярно проверять качество воды (в частности, уровень аэробных бактерий) с помощью погружных слайдов , поскольку присутствие других организмов может поддерживать легионеллу, производя органические питательные вещества, необходимые ей для развития. [ нужна цитата ]
Помимо очистки циркулирующей охлаждающей воды в крупных промышленных системах градирен с целью минимизации образования накипи и загрязнения , воду следует фильтровать для удаления твердых частиц, а также добавлять в нее биоциды и альгициды для предотвращения роста, который может помешать непрерывному потоку воды. [29] При определенных условиях биопленка микроорганизмов, таких как бактерии, грибы и водоросли, может очень быстро расти в охлаждающей воде и может снизить эффективность теплопередачи градирни. Биопленку можно уменьшить или предотвратить с помощью хлорита натрия или других химикатов на основе хлора . Обычной промышленной практикой является использование двух биоцидов, например, окислительного и неокисляющего типа, чтобы дополнять сильные и слабые стороны друг друга и обеспечивать более широкий спектр воздействия. В большинстве случаев используется постоянный низкий уровень окисляющего биоцида, который затем чередуется с периодическим ударным приемом неокисляющих биоцидов. [ нужна цитата ]
Альгициды, как следует из их названия, предназначены для уничтожения водорослей и других родственных им растительных микробов в воде. Биоциды могут уменьшить количество оставшихся живых веществ, улучшая систему и сохраняя чистоту и эффективное использование воды в градирне. Одним из наиболее распространенных вариантов биоцидов для воды является бром. [34]
Среди проблем, которые наносят наибольший ущерб и нагрузку на системы водонапорной башни, является образование накипи. Когда нежелательный материал или загрязняющее вещество в воде накапливается в определенной области, это может привести к образованию отложений, которые со временем растут. Это может вызвать проблемы, начиная от сужения труб и заканчивая полной закупоркой и выходом из строя оборудования. [34]
Потребление воды градирней происходит за счет дрейфа, стравливания и потерь на испарение. Вода, которая немедленно пополняется в градирню из-за потерь, называется подпиточной водой. Функция подпиточной воды заключается в обеспечении безопасной и стабильной работы машин и оборудования. [ нужна цитата ]
Другой очень важной причиной использования биоцидов в градирнях является предотвращение роста легионеллы , включая виды, вызывающие легионеллез или болезнь легионеров, особенно L. pneumophila , [35] или Mycobacterium avium . [36] Различные виды легионеллы являются причиной болезни легионеров у людей, а передача происходит через воздействие аэрозолей — вдыхание капель тумана, содержащих бактерии. Обычными источниками легионеллы являются градирни, используемые в открытых рециркуляционных системах испарительного охлаждения, системах бытового горячего водоснабжения, фонтанах и аналогичных рассеивателях, которые подключаются к общественному водоснабжению. Природные источники включают пресноводные пруды и ручьи. [37] [38]
Французские исследователи обнаружили, что бактерии легионеллы перемещаются по воздуху на расстояние до 6 километров (3,7 миль) из большой зараженной градирни на нефтехимическом заводе в Па-де-Кале, Франция. В результате этой вспышки погиб 21 из 86 человек, у которых была лабораторно подтвержденная инфекция. [39]
Снос (или ветровость) — это термин, обозначающий капли воды из технологического потока, которые могут выйти в выпускное отверстие градирни. Уловители дрейфа используются для поддержания скорости дрейфа обычно на уровне 0,001–0,005% от скорости циркулирующего потока. Типичный каплеуловитель обеспечивает многократное изменение направления воздушного потока для предотвращения вылета капель воды. Хорошо спроектированный и хорошо установленный каплеуловитель может значительно снизить потери воды и вероятность заражения легионеллой или воздействием химикатов для очистки воды. Кроме того, примерно каждые шесть месяцев проверяйте состояние каплеуловителей, проверяя, нет ли зазоров, через которые грязь может свободно стекать. [40]
Центры США по контролю и профилактике заболеваний (CDC) не рекомендуют медицинским учреждениям регулярно проверять наличие бактерий Legionella pneumophila . Плановый микробиологический мониторинг легионеллы остается спорным, поскольку ее присутствие не обязательно свидетельствует о потенциальной способности вызывать заболевание. Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC) рекомендуют агрессивные меры дезинфекции для очистки и обслуживания устройств, которые, как известно, передают легионеллу , но не рекомендуют регулярно проводить микробиологические анализы на наличие бактерий. Однако плановый контроль питьевой воды в больнице может быть рассмотрен в определенных условиях, где люди очень восприимчивы к заболеваниям и смертности от инфекции легионеллы (например , отделения трансплантации гемопоэтических стволовых клеток или отделения трансплантации твердых органов). Кроме того, после вспышки легионеллеза представители здравоохранения соглашаются с необходимостью мониторинга для выявления источника и оценки эффективности биоцидов или других профилактических мер. [41] [ не удалось проверить ]
Исследования обнаружили легионеллу в 40–60% градирен. [42]
При определенных условиях окружающей среды можно увидеть шлейфы водяного пара, поднимающиеся из выпускного отверстия градирни, и их можно принять за дым от пожара. Если наружный воздух насыщен или близок к насыщению, а башня добавляет в воздух больше воды, насыщенный воздух с каплями жидкой воды может выбрасываться, что рассматривается как туман. Это явление обычно происходит в прохладные и влажные дни, но во многих климатических условиях встречается редко. Туман и облака, связанные с градирнями, можно охарактеризовать как гомогенные, как и другие облака антропогенного происхождения, такие как инверсионные следы и следы кораблей . [46]
Это явление можно предотвратить, уменьшив относительную влажность насыщенного нагнетаемого воздуха. Для этого в гибридных градирнях насыщенный нагнетаемый воздух смешивается с нагретым воздухом с низкой относительной влажностью. Некоторое количество воздуха поступает в башню выше уровня сепаратора, проходя через теплообменники. Относительная влажность сухого воздуха мгновенно снижается еще больше по мере его нагревания при входе в башню. Выбрасываемая смесь имеет относительно низкую относительную влажность и туман не виден. [ нужна цитата ]
Вопросы прикладной метеорологии градирен, включая оценку влияния градирен на усиление облачности, рассматривались в серии моделей и экспериментов. Один из результатов группы Хамана указал на значительное динамическое влияние конденсационных следов на окружающую атмосферу, проявляющееся в возмущениях температуры и влажности. Механизм этих воздействий, по-видимому, был связан либо с обтеканием тропы воздушным потоком как препятствием, либо с вертикальными волнами, порождаемыми тропой, часто на значительной высоте над ней. [47]
Когда мокрые градирни с подпиткой морской водой устанавливаются на различных предприятиях, расположенных в прибрежных зонах или вблизи них, снос мелких капель, выбрасываемых градирнями, содержит около 6% хлорида натрия, который откладывается на близлежащих участках суши. Такое отложение солей натрия на близлежащих сельскохозяйственных/растительных землях может превратить их в натриево-засоленные или натриево-щелочные почвы в зависимости от характера почвы и повысить натриенность грунтовых и поверхностных вод. Проблема отложения солей из таких градирен усугубляется, когда национальные стандарты контроля загрязнения не вводятся или не соблюдаются для минимизации выбросов сноса из мокрых градирен, использующих подпитку морской водой. [48]
Вдыхаемые взвешенные частицы размером менее 10 микрометров (мкм) могут присутствовать в сносе из градирен. Более крупные частицы размером более 10 мкм обычно отфильтровываются в носу и горле через реснички и слизь, но твердые частицы размером менее 10 мкм, называемые ТЧ 10 , могут оседать в бронхах и легких и вызывать проблемы со здоровьем. Аналогичным образом, частицы размером менее 2,5 мкм (PM 2,5 ) имеют тенденцию проникать в области газообмена легких, а очень мелкие частицы (менее 100 нанометров) могут проходить через легкие и воздействовать на другие органы. Хотя общие выбросы твердых частиц от мокрых градирен с подпиткой пресной водой намного меньше, они содержат больше PM 10 и PM 2,5 , чем общие выбросы от мокрых градирен с подпиткой морской водой. Это связано с меньшим содержанием солей в дрейфе пресной воды (ниже 2000 ppm) по сравнению с содержанием солей в дрейфе морской воды (60 000 ppm). [48]
На некоторых современных электростанциях, оснащенных системой очистки дымовых газов , таких как электростанция Гросскроценбург и электростанция Росток , градирня также используется в качестве дымовой трубы (промышленный дымоход), что позволяет сэкономить на стоимости отдельной конструкции дымохода. На установках без очистки дымовых газов могут возникнуть проблемы с коррозией из-за реакции неочищенного дымового газа с водой с образованием кислот . [ нужна цитата ]
Иногда градирни с естественной тягой строятся из конструкционной стали вместо бетона (RCC), когда время строительства градирни с естественной тягой превышает время строительства остальной части электростанции или местный грунт имеет недостаточную прочность, чтобы выдерживать тяжелые нагрузки. вес градирен из железобетона или цены на цемент выше, на объекте стоит выбрать более дешевые градирни с естественной тягой, изготовленные из конструкционной стали. [ нужна цитата ]
Некоторые градирни (например, системы кондиционирования воздуха в небольших зданиях) сезонно отключаются, осушаются и готовятся к зиме, чтобы предотвратить повреждение от замерзания.
Зимой на других объектах постоянно работают градирни, из которых выходит вода температурой 4 ° C (39 ° F). В холодном климате часто используются подогреватели бассейнов, водоотводы из башен и другие методы защиты от замерзания. Действующие градирни с неисправностями могут замерзнуть в очень холодную погоду. Обычно замерзание начинается в углах градирни при пониженной или отсутствующей тепловой нагрузке. Сильные заморозки могут привести к увеличению объемов льда, что приведет к увеличению структурных нагрузок, которые могут привести к повреждению или обрушению конструкции.
Для предотвращения замерзания применяют следующие процедуры:
Градирни, построенные полностью или частично из горючих материалов, могут способствовать внутреннему распространению пожара. Такие пожары могут стать очень интенсивными из-за высокого соотношения площади поверхности к объему башен, а пожары могут еще больше усилиться за счет естественной конвекции или тяги с помощью вентилятора. Полученный в результате ущерб может быть достаточно серьезным, чтобы потребовать замены всей конструкции ячейки или башни. По этой причине некоторые нормы и стандарты [49] рекомендуют снабжать горючие градирни автоматической спринклерной системой пожаротушения . Пожары могут распространяться внутри конструкции башни, когда ячейка не работает (например, во время технического обслуживания или строительства), и даже во время эксплуатации башни, особенно башен с принудительной тягой, из-за существования относительно сухих зон. внутри башен. [50]
Будучи очень большими конструкциями, градирни подвержены повреждениям ветром, и в прошлом произошло несколько впечатляющих поломок. На электростанции Феррибридж 1 ноября 1965 года произошла крупная структурная авария , когда три градирни обрушились из-за вибраций при скорости ветра 85 миль в час (137 км/ч). [51] Хотя конструкции были построены так, чтобы выдерживать более высокие скорости ветра, форма градирен приводила к тому, что западные ветры направлялись в сами башни, создавая вихрь . Три из первоначальных восьми градирен были разрушены, а остальные пять получили серьезные повреждения. Позже башни были перестроены, а все восемь градирен были усилены, чтобы выдерживать неблагоприятные погодные условия. Строительные нормы и правила были изменены, чтобы включить улучшенную структурную поддержку, а также были введены испытания в аэродинамической трубе для проверки конструкций и конфигурации башен. [ нужна цитата ]
Степень магистра
Представлено в качестве курсовой работы для PH241, Стэнфордский университет, зима 2015 г.
{{citation}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)