Градирня — это устройство, которое отводит отработанное тепло в атмосферу посредством охлаждения потока охлаждающей жидкости , 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 до температуры, близкой к температуре воздуха по сухому термометру, используя радиаторы .
Обычные области применения включают охлаждение оборотной воды, используемой на нефтеперерабатывающих заводах , нефтехимических и других химических заводах , тепловых электростанциях , атомных электростанциях и системах HVAC для охлаждения зданий. Классификация основана на типе всасывания воздуха в башню: основными типами градирен являются градирни с естественной и принудительной тягой .
Градирни различаются по размеру от небольших агрегатов на крыше до очень больших гиперболоидных структур , которые могут быть высотой до 200 метров (660 футов) и диаметром 100 метров (330 футов), или прямоугольных структур, которые могут быть высотой более 40 метров (130 футов) и длиной 80 метров (260 футов). Гиперболоидные градирни часто ассоциируются с атомными электростанциями , [1] хотя они также используются на многих 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 многие агрегаты, установленные на зданиях или рядом с ними для отвода тепла от систем кондиционирования воздуха . Также широкая общественность и активисты-экологи часто считают, что градирни выделяют дым или вредные пары, когда на самом деле выбросы из этих башен в основном не вносят вклад в углеродный след , состоящие исключительно из водяного пара . [2] [3]
Градирни появились в 19 веке в результате разработки конденсаторов для использования с паровым двигателем . [4] Конденсаторы используют относительно холодную воду, с помощью различных средств, для конденсации пара, выходящего из цилиндров или турбин. Это снижает противодавление , что в свою очередь снижает потребление пара, а значит, и расход топлива, в то же время увеличивая мощность и переработку котловой воды. [5] Однако конденсаторы требуют достаточного запаса охлаждающей воды, без которой они непрактичны. [6] [7] Хотя использование воды не является проблемой для судовых двигателей , оно создает существенное ограничение для многих наземных систем. [ требуется ссылка ]
К началу 20-го века несколько испарительных методов рециркуляции охлаждающей воды использовались в районах, где отсутствовало налаженное водоснабжение, а также в городских районах, где муниципальные водопроводные сети могли быть недостаточно мощными, надежными в периоды высокого спроса или иным образом не подходящими для удовлетворения потребностей в охлаждении. [4] [7] В районах с доступной землей системы принимали форму охлаждающих прудов ; в районах с ограниченной землей, таких как города, они принимали форму градирен. [6] [8]
Эти ранние башни располагались либо на крышах зданий, либо как отдельно стоящие конструкции, снабжаемые воздухом с помощью вентиляторов или полагаясь на естественный поток воздуха. [6] [8] Американский учебник по инженерии 1911 года описывал одну конструкцию как «круглую или прямоугольную оболочку из легкой пластины — по сути, дымовую трубу, сильно укороченную по вертикали (от 20 до 40 футов в высоту) и сильно увеличенную по бокам. Наверху находится набор распределительных желобов, в которые должна быть закачана вода из конденсатора; из них она стекает по «матам», сделанным из деревянных планок или плетеных проволочных сеток, которые заполняют пространство внутри башни». [8]
Гиперболоидная градирня была запатентована голландскими инженерами Фредериком ван Итерсоном и Герардом Кёйперсом в Нидерландах 16 августа 1916 года. [9] Первые гиперболоидные железобетонные градирни были построены на голландской государственной шахте (DSM) Эмма в 1918 году в Херлене . [10] Первые 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), испарительно-охлаждающий цикл Майсоценко (M-цикл) с непрямой точкой росы является теоретически обоснованным методом снижения рабочей жидкости до точки росы окружающей жидкости, которая ниже температуры влажного термометра окружающей жидкости. M-цикл использует психрометрическую энергию (или потенциальную энергию), доступную из скрытой теплоты воды, испаряющейся в воздух. Хотя его текущее проявление — это M-цикл HMX для кондиционирования воздуха, посредством инженерного проектирования этот цикл может применяться в качестве устройства рекуперации тепла и влаги для устройств сгорания, градирен, конденсаторов и других процессов, в которых задействованы потоки влажного газа.
Потребление охлаждающей воды внутренними перерабатывающими и электростанциями, по оценкам, приведет к снижению доступности электроэнергии для большинства тепловых электростанций к 2040–2069 гг. [12]
В 2021 году исследователи представили метод повторного улавливания пара. Пар заряжается с помощью ионного пучка, а затем улавливается в проволочной сетке противоположного заряда. Чистота воды превысила стандарты пригодности для питья EPA . [13]
Градирня HVAC ( отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха) используется для утилизации («отвода») нежелательного тепла от охладителя . Чиллеры с жидкостным охлаждением обычно более энергоэффективны, чем чиллеры с воздушным охлаждением, из-за отвода тепла в воду башни при температуре влажного термометра или близкой к ней . Чиллеры с воздушным охлаждением должны отводить тепло при более высокой температуре сухого термометра и, таким образом, иметь более низкую среднюю эффективность обратного цикла Карно . В жарком климате крупные офисные здания, больницы и школы обычно используют градирни в своих системах кондиционирования воздуха. Как правило, промышленные градирни намного больше башен HVAC. Использование градирни в HVAC объединяет градирню с чиллером с жидкостным охлаждением или конденсатором с жидкостным охлаждением. Тонна кондиционирования воздуха определяется как отвод 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 эквивалента отходящего тепла энергии, необходимого для работы компрессора охладителя. Эта эквивалентная тонна определяется как отбрасывание 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), предполагая, что коэффициент производительности охладителя (COP) равен 4,0. [14] Этот COP эквивалентен коэффициенту энергоэффективности (EER), равному 14.
Градирни также используются в системах HVAC, которые имеют несколько тепловых насосов с водяным источником , которые совместно используют общий водяной контур трубопровода . В этом типе системы вода, циркулирующая внутри водяного контура, отводит тепло от конденсатора тепловых насосов, когда тепловые насосы работают в режиме охлаждения, затем наружная градирня используется для отвода тепла из водяного контура и сброса его в атмосферу . Напротив, когда тепловые насосы работают в режиме отопления, конденсаторы отбирают тепло из водяного контура и отводят его в отапливаемое помещение. Когда водяной контур используется в основном для подачи тепла в здание, градирня обычно отключается (и может быть осушена или подготовлена к зиме для предотвращения повреждений от замерзания), а тепло подается другими способами, обычно от отдельных котлов .
Промышленные градирни могут использоваться для отвода тепла из различных источников, таких как машины или нагретые технологические материалы. Основное применение больших промышленных градирен — отвод тепла, поглощенного в системах циркуляционной охлаждающей воды, используемых на электростанциях , нефтеперерабатывающих заводах , нефтехимических заводах, заводах по переработке природного газа , предприятиях по переработке пищевых продуктов, полупроводниковых заводах и на других промышленных объектах, таких 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 циркулирующая вода требует подпитки водой примерно на 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 бы однократная охлаждающая вода, ему потребовалось бы около 100 000 кубических метров в час [17] Большой забор охлаждающей воды обычно убивает миллионы рыб и личинок ежегодно, поскольку организмы попадают на приемные экраны . [18] Большое количество воды пришлось бы постоянно возвращать в океан, озеро или реку, из которых 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 убить рыбу и другие водные организмы (см. тепловое загрязнение ), а также может вызвать увеличение нежелательных организмов, таких как инвазивные виды зебровых дрейссенов или водорослей .
Градирня служит для рассеивания тепла в атмосферу, так что диффузия ветра и воздуха распространяет тепло на гораздо большую площадь, чем горячая вода может распределить тепло в водоеме. Испарительная охлаждающая вода не может быть использована для последующих целей (кроме дождя где-то), тогда как охлаждающая вода только с поверхности может быть использована повторно. Некоторые угольные и атомные электростанции , расположенные в прибрежных районах, действительно используют однократно проточную океанскую воду. Но даже там, выход для сброса воды в море требует очень тщательного проектирования, чтобы избежать проблем с окружающей средой.
Нефтеперерабатывающие заводы также могут иметь очень большие системы градирен. Типичный крупный НПЗ, перерабатывающий 40 000 метрических тонн сырой нефти в день (300 000 баррелей (48 000 м 3 ) в день), прогоняет около 80 000 кубических метров воды в час через свою систему градирен.
Самая высокая градирня в мире — 210-метровая (690 футов) градирня электростанции Пиншань II в Хуайбэе , провинция Аньхой, Китай. [19]
Эти типы градирен собираются на заводе и могут быть легко транспортированы на грузовиках, поскольку они являются компактными машинами. Мощность башен пакетного типа ограничена, и по этой причине их обычно предпочитают объекты с низкими требованиями к отводу тепла, такие как пищевые заводы, текстильные фабрики, некоторые химические заводы или здания, такие как больницы, гостиницы, торговые центры, автомобильные заводы и т. д.
В связи с тем, что градирни пакетного типа часто используются в жилых районах или вблизи них, контроль уровня шума является относительно более важной проблемой.
Такие объекты, как электростанции, сталелитейные заводы, нефтеперерабатывающие заводы или нефтехимические заводы, обычно устанавливают градирни полевого типа из-за их большей мощности отвода тепла. Градирни полевого типа обычно намного больше по размеру по сравнению с градирнями пакетного типа.
Типичная градирня, монтируемая на месте, имеет конструкцию из пултрузионной пластмассы , армированной волокном (FRP), облицовку из FRP , механический блок для создания тяги воздуха и каплеуловитель.
В зависимости от используемого механизма теплопередачи основными типами являются:
В мокрой градирне (или градирне открытого цикла) теплая вода может быть охлаждена до температуры ниже температуры сухого термометра окружающего воздуха, 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 для испаренной воды. Испарение приводит к насыщенным условиям воздуха, понижая температуру воды, обрабатываемой башней, до значения, близкого к температуре влажного термометра , которая ниже температуры сухого термометра окружающего воздуха , разница определяется начальной влажностью окружающего воздуха.
Для достижения лучшей производительности (большего охлаждения) используется среда, называемая наполнителем, для увеличения площади поверхности и времени контакта между потоками воздуха и воды. Наполнитель для разбрызгивания состоит из материала, помещенного для прерывания потока воды, вызывающего разбрызгивание. Наполнитель из пленки состоит из тонких листов материала (обычно ПВХ ), по которым течет вода. Оба метода создают увеличенную площадь поверхности и время контакта между жидкостью (водой) и газом (воздухом), чтобы улучшить теплопередачу.
По способу прокачки воздуха через градирню различают три типа градирен:
16 августа 1916 года [21] Фредерик ван Итерсон получил патент Великобритании (108 863) на «Улучшенную 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 проектирования для всех градирен с естественной тягой из-за их структурной 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 обманчива, поскольку тот же тип градирен часто используется на крупных угольных электростанциях и некоторых геотермальных станциях. Паровая турбина — это то, что требует градирни. И наоборот, не все атомные электростанции имеют градирни, и некоторые вместо этого охлаждают свою рабочую жидкость водой из озера, реки или океана.
Обычно более низкие первоначальные и долгосрочные затраты, в основном из-за требований к насосу.
Crossflow — это конструкция, в которой поток воздуха направлен перпендикулярно потоку воды (см. схему слева). Поток воздуха поступает в одну или несколько вертикальных поверхностей градирни, чтобы встретиться с материалом оросителя. Вода течет (перпендикулярно воздуху) через ороситель под действием силы тяжести. Воздух проходит через ороситель и, таким образом, проходит мимо потока воды в открытый объем пленума. Наконец, вентилятор вытесняет воздух в атмосферу.
Распределительный или горячеводный бассейн, состоящий из глубокого поддона с отверстиями или соплами в его дне, расположен вблизи вершины башни с поперечным потоком. Гравитация равномерно распределяет воду через сопла по всему материалу наполнителя. Поперечный поток V/s Противоток
Преимущества конструкции с поперечным потоком:
Недостатки конструкции с поперечным потоком:
В противоточной конструкции поток воздуха прямо противоположен потоку воды (см. схему слева). Сначала поток воздуха поступает в открытую область под оросительной средой, а затем поднимается вертикально вверх. Вода распыляется через напорные форсунки вблизи верхней части башни, а затем течет вниз через оросительную среду, противоположно потоку воздуха.
Преимущества противоточной конструкции:
Недостатки противоточной конструкции:
Общие аспекты обоих проектов:
Как конструкции с поперечным, так и с противоточным потоком могут использоваться в градирнях с естественной и принудительной тягой.
Количественно материальный баланс вокруг системы мокрой испарительной градирни регулируется эксплуатационными переменными объемного расхода подпитки , потерями на испарение и ветровое сопротивление, скоростью отбора и циклами концентрации. [29] [30]
На соседней схеме вода, откачиваемая из бассейна башни, является охлаждающей водой, проходящей через технологические охладители и конденсаторы на промышленном предприятии. Холодная вода поглощает тепло из горячих технологических потоков, которые необходимо охладить или конденсировать, а поглощенное тепло нагревает циркулирующую воду (C). Теплая вода возвращается в верхнюю часть градирни и стекает вниз по оросительному материалу внутри башни. По мере стекания она 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 сопротивления воздуха или дрейфа (W), а часть воды (E) испаряется . Тепло, необходимое для испарения воды, поступает из самой воды, которая охлаждает воду до исходной температуры воды бассейна, и затем вода готова к рециркуляции. Испарившаяся вода оставляет свои растворенные соли в основной массе воды, которая не испарилась, тем самым повышая концентрацию соли в циркулирующей охлаждающей воде. Чтобы предотвратить слишком высокую концентрацию соли в воде, часть воды отводится или сдувается (D) для утилизации. Подпитка свежей водой (M) подается в бассейн башни для компенсации потери испаренной воды, потери воды на ветровое сопротивление и отводимой воды.
Используя эти единицы измерения расхода и концентрации:
Водный баланс во всей системе тогда будет следующим: [30]
Поскольку испаряемая вода (E) не содержит солей, хлоридный баланс в системе составляет: [30]
и, следовательно: [30]
Из упрощенного теплового баланса вокруг градирни:
Потери на ветер (или дрейф) (W) — это объем общего потока воды в башне, который увлекается потоком воздуха в атмосферу. Для крупномасштабных промышленных градирен, при отсутствии данных производителя, можно предположить, что:
Цикл концентрации представляет собой накопление растворенных минералов в рециркулирующей охлаждающей воде. Сброс отвода (или продувка) используется в основном для контроля накопления этих минералов.
Химический состав подпиточной воды, включая количество растворенных минералов, может сильно различаться. Подпиточная вода с низким содержанием растворенных минералов, например, из поверхностных источников воды (озера, реки и т. д.), как правило, агрессивна к металлам (вызывает коррозию). Подпиточная вода из подземных источников воды (например, скважины ) обычно содержит больше минералов и склонна к образованию накипи (отложению минералов). Увеличение количества минералов, присутствующих в воде, путем циклирования может сделать воду менее агрессивной к трубопроводам; 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 выпадать в осадок в виде твердых минералов и вызывать загрязнение и проблемы с теплообменом в градирне или теплообменниках . Температура рециркулирующей воды, трубопроводов и поверхностей теплообмена определяет, будут ли и где осаждаться минералы из рециркулирующей воды. Часто профессиональный консультант по очистке воды оценивает подпиточную воду и условия эксплуатации градирни и рекомендует подходящий диапазон для циклов концентрации. Использование химикатов для очистки воды, предварительная обработка, такая как умягчение воды , регулировка pH и другие методы, могут влиять на приемлемый диапазон циклов концентрации.
Циклы концентрации в большинстве градирен обычно варьируются от 3 до 7. В Соединенных Штатах многие источники воды используют воду из скважин, которая имеет значительные уровни растворенных твердых веществ. С другой стороны, один из крупнейших источников воды, для Нью-Йорка , имеет источник поверхностной дождевой воды с довольно низким содержанием минералов; таким образом, градирни в этом городе часто позволяют концентрировать до 7 или более циклов концентрации.
Поскольку более высокие циклы концентрации представляют собой меньшее количество подпиточной воды, усилия по экономии воды могут быть сосредоточены на увеличении циклов концентрации. [31] Высокоочищенная переработанная вода может быть эффективным средством снижения потребления питьевой воды градирнями в регионах, где питьевая вода недостаточна. [32]
Очистите резервуар с холодной водой от видимой грязи и мусора, а также поверхности с видимой биопленкой (например, слизью). [ необходима ссылка ]
Уровень дезинфицирующих средств и других химических веществ в градирнях и джакузи должен постоянно поддерживаться и регулярно контролироваться. [33]
Необходимо проводить регулярные проверки качества воды (в частности, уровня аэробных бактерий) с использованием дипслайдов , поскольку присутствие других организмов может поддерживать легионеллу, производя органические питательные вещества, необходимые ей для процветания. [ необходима цитата ]
Помимо обработки циркулирующей охлаждающей воды в крупных промышленных системах градирен для минимизации образования накипи и загрязнения , вода должна фильтроваться для удаления частиц, а также дозироваться биоцидами и альгицидами для предотвращения роста, который может помешать непрерывному потоку воды. [29] При определенных условиях биопленка микроорганизмов, таких как бактерии, грибки 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 . Обычная промышленная практика заключается в использовании двух биоцидов, таких как окисляющий и неокисляющий типы, чтобы дополнять сильные и слабые стороны друг друга и обеспечивать более широкий спектр воздействия. В большинстве случаев используется непрерывный низкоуровневый окисляющий биоцид, затем чередующийся с периодической ударной дозой неокисляющих биоцидов. [ необходима цитата ]
Альгициды, как можно предположить по их названию, предназначены для уничтожения водорослей и других родственных им растительных микробов в воде. Биоциды могут уменьшить количество других живых веществ, которые остаются, улучшая систему и поддерживая чистоту и эффективность использования воды в градирне. Одним из наиболее распространенных вариантов, когда дело касается биоцидов для вашей воды, является бром. [34]
Среди проблем, которые вызывают наибольший ущерб и нагрузку на системы водонапорной башни, — образование накипи. Когда нежелательный материал или загрязняющее вещество в воде накапливается в определенной области, это может привести к образованию отложений, которые со временем увеличиваются. Это может вызвать проблемы, начиная от сужения труб и заканчивая полной блокировкой и отказом оборудования. [34]
Потребление воды градирней происходит из-за уноса, отвода, потери испарения, вода, которая немедленно пополняется в градирне из-за потерь, называется подпиточной водой. Функция подпиточной воды заключается в том, чтобы обеспечить безопасную и стабильную работу машин и оборудования. [ необходима цитата ]
Другой очень важной причиной использования биоцидов в градирнях является предотвращение роста легионеллы , включая виды, вызывающие легионеллез или болезнь легионеров, в первую очередь L. pneumophila , [35] или Mycobacterium avium . [36] Различные виды легионелл являются причиной болезни легионеров у людей, а передача происходит через воздействие аэрозолей — вдыхание капель тумана, содержащих бактерии. Распространенными источниками легионеллы являются градирни, используемые в открытых рециркуляционных испарительных системах охлаждения воды, бытовые системы горячего водоснабжения, фонтаны и аналогичные диссеминаторы, которые подключаются к общественному водоснабжению. Природные источники включают пресноводные пруды и ручьи. [37] [38]
Французские исследователи обнаружили, что бактерии легионеллы распространялись на расстояние до 6 километров (3,7 миль) по воздуху от большой загрязненной градирни на нефтехимическом заводе в Па-де-Кале, Франция. Эта вспышка унесла жизни 21 из 86 человек, у которых была лабораторно подтверждена инфекция. [39]
Дрейф (или ветер) — это термин для капель воды технологического потока, которые могут выходить в сброс градирни. Каплеуловители используются для того, чтобы удерживать скорость дрейфа обычно на уровне 0,001–0,005% от скорости циркулирующего потока. Типичный каплеуловитель обеспечивает несколько направленных изменений воздушного потока для предотвращения утечки капель воды. Хорошо спроектированный и хорошо установленный каплеуловитель может значительно снизить потери воды и потенциал для легионеллы или воздействия химикатов для очистки воды. Кроме того, примерно каждые шесть месяцев проверяйте состояние каплеуловителей, чтобы убедиться, что нет зазоров, позволяющих свободно течь грязи. [40]
Центры по контролю и профилактике заболеваний США (CDC) не рекомендуют, чтобы медицинские учреждения регулярно проверяли наличие бактерий Legionella pneumophila . Плановый микробиологический мониторинг легионеллы остается спорным, поскольку его присутствие не обязательно свидетельствует о потенциальной возможности вызывать заболевание. CDC рекомендует агрессивные меры дезинфекции для очистки и обслуживания устройств, известных как переносчики легионеллы , но не рекомендует регулярные плановые микробиологические анализы на бактерии. Тем не менее, плановый мониторинг питьевой воды в больнице может быть рассмотрен в определенных условиях, где люди очень восприимчивы к болезням и смертности от инфекции легионеллы (например, отделения трансплантации гемопоэтических стволовых клеток или отделения трансплантации твердых органов). Кроме того, после вспышки легионеллеза должностные лица здравоохранения соглашаются, что мониторинг необходим 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, как струи водяного пара поднимаются из выпускного отверстия градирни, и их можно ошибочно принять за дым от пожара. Если наружный воздух находится на уровне или близком к насыщению, а градирня добавляет больше воды в воздух, может быть выпущен насыщенный воздух с жидкими каплями воды, что рассматривается как туман. Это явление обычно происходит в прохладные, влажные дни, но редко встречается во многих климатических условиях. Туман и облака, связанные с градирнями, можно описать как гомогенные, как и другие облака искусственного происхождения, такие как инверсионные следы и следы кораблей . [46]
Это явление можно предотвратить, уменьшив относительную влажность насыщенного выбрасываемого воздуха. Для этого в гибридных башнях насыщенный выбрасываемый воздух смешивается с нагретым воздухом с низкой относительной влажностью. Часть воздуха поступает в башню выше уровня каплеуловителя, проходя через теплообменники. Относительная влажность сухого воздуха еще больше мгновенно снижается, поскольку он нагревается при входе в башню. Выбрасываемая смесь имеет относительно более низкую относительную влажность, и туман невидим. [ необходима цитата ]
Вопросы, связанные с прикладной метеорологией градирен, включая оценку влияния градирен на усиление облачности, рассматривались в серии моделей и экспериментов. Один из результатов группы Хамана указал на значительные динамические влияния конденсационных следов на окружающую атмосферу, проявляющиеся в нарушениях температуры и влажности. Механизм этих влияний, по-видимому, был связан либо с потоком воздуха над следом как препятствием, либо с вертикальными волнами, создаваемыми следом, часто на значительной высоте над ним. [47]
Когда мокрые градирни с морской водой устанавливаются в различных отраслях промышленности, расположенных в прибрежных зонах или вблизи них, дрейф мелких капель, выбрасываемых из градирен, содержит около 6% хлорида натрия, который оседает на близлежащих участках суши. Это отложение солей натрия на близлежащих сельскохозяйственных и растительных землях может превратить их в солончаковые или солончаковые почвы в зависимости от характера почвы и повысить солоноватость грунтовых и поверхностных вод. Проблема отложения солей из таких градирен усугубляется там, где стандарты контроля загрязнения не вводятся или не реализуются для минимизации выбросов дрейфа из мокрых градирен с морской водой. [48]
Вдыхаемые взвешенные частицы размером менее 10 микрометров (мкм) могут присутствовать в дрейфе из градирен. Более крупные частицы размером более 10 мкм обычно отфильтровываются в носу и горле с помощью ресничек и слизи, но твердые частицы размером менее 10 мкм, называемые PM 10 , могут оседать в бронхах и легких и вызывать проблемы со здоровьем. Аналогично, 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 поражать другие органы. Хотя общие выбросы твердых частиц из мокрых градирен с подпиткой пресной водой намного меньше, они содержат больше PM 10 и PM 2,5 , чем общие выбросы из мокрых градирен с подпиткой морской водой. Это связано с меньшим содержанием соли в пресной воде (ниже 2000 частей на миллион) по сравнению с содержанием соли в морской воде (60 000 частей на миллион). [48]
На некоторых современных электростанциях, оборудованных очисткой дымовых газов , таких как электростанция Гросскроценбург и электростанция Росток , градирня также используется в качестве дымовой трубы (промышленной трубы), что позволяет сэкономить на стоимости отдельной конструкции дымовой трубы. На заводах без очистки дымовых газов могут возникнуть проблемы с коррозией из-за реакций сырого дымового газа с водой с образованием кислот . [ требуется цитата ]
Иногда градирни с естественной тягой строятся с использованием конструкционной стали вместо бетона (RCC), когда время строительства градирни с естественной тягой превышает время строительства остальной части завода или местный грунт недостаточно прочен, чтобы выдержать большой вес градирен из RCC, или цены на цемент на месте выше, поэтому выбирают более дешевые градирни с естественной тягой, изготовленные из конструкционной стали. [ необходима ссылка ]
Некоторые градирни (например, системы кондиционирования воздуха в небольших зданиях) сезонно отключаются, осушаются и готовятся к зиме, чтобы предотвратить повреждения от замерзания.
Зимой на других объектах постоянно работают градирни с температурой воды на выходе из башни 4 °C (39 °F). В холодном климате часто применяются подогреватели бассейнов, дренаж градирен и другие методы защиты от замерзания. Эксплуатируемые градирни с неисправностями могут замерзать в очень холодную погоду. Обычно замерзание начинается в углах градирни с пониженной или отсутствующей тепловой нагрузкой. Сильные заморозки могут создавать растущие объемы льда, что приводит к увеличению структурных нагрузок, которые могут привести к повреждению или обрушению конструкции.
Для предотвращения замерзания применяются следующие процедуры:
Градирни, построенные полностью или частично из горючих материалов, могут поддерживать внутреннее распространение огня. Такие пожары могут стать очень интенсивными из-за высокого отношения поверхности к объему башен, и пожары могут быть дополнительно усилены естественной конвекцией или тягой вентилятора. Полученный ущерб может быть достаточно серьезным, чтобы потребовать замены всей ячейки или конструкции башни. По этой причине некоторые кодексы и стандарты [49] рекомендуют, чтобы горючие градирни были снабжены автоматической системой пожаротушения . Пожары могут распространяться внутри конструкции башни, когда ячейка не работает (например, для обслуживания или строительства), и даже когда башня работает, особенно те, которые относятся к типу с принудительной тягой, из-за наличия относительно сухих зон внутри башен. [50]
Будучи очень большими сооружениями, градирни подвержены повреждениям от ветра, и в прошлом произошло несколько впечатляющих неудач. На электростанции Феррибридж 1 ноября 1965 года станция стала местом крупного структурного разрушения , когда три градирни рухнули из-за вибраций при ветре со скоростью 85 миль в час (137 км/ч). [51] Хотя сооружения были построены с расчетом на более высокие скорости ветра, форма градирен привела к тому, что западные ветры попали в сами башни, создав вихрь . Три из восьми первоначальных градирен были разрушены, а оставшиеся пять были серьезно повреждены. Позже башни были перестроены, и все восемь градирен были укреплены, чтобы выдерживать неблагоприятные погодные условия. Строительные нормы были изменены, чтобы включить улучшенную структурную поддержку, и были введены испытания в аэродинамической трубе для проверки конструкций и конфигурации башен. [ необходима цитата ]
Степень магистра
Представлено как курсовая работа для PH241, Стэнфордский университет, зима 2015 г.
{{citation}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)