Більшість промислових процесів і систем кондиціонування повітря виробляють тепло, яке повинно бути відведено і розсіяно. Зазвичай вода використовується як передавач для відведення тепла від промислових теплообмінних апаратів, конденсаторів холодильних машин і т.д.
У минулому це досягалася шляхом безперервної подачі води з міських систем водопостачання або з природних джерел води, яка нагрівалася у міру проходження процесу теплообміну і скидалася в каналізацію або назад в поверхневе джерело води.
Зараз вода від комунальних підприємств стала надмірно дорогою через постійно зростаюче водоспоживання і високої вартості очищення стічної води. Аналогічно і охолоджуюча вода з природних джерел відносно недоступна, у зв'язку з порушенням екологічної ситуації викликаної скиданням води з підвищеною температурою.
З метою розсіювання тепла безпосередньо в атмосферу можуть застосовуватися апарати повітряного охолодження, але купівельна ціна і витрати електроенергії на привід вентиляторів цих пристроїв дуже високі.
Крім перерахованих недоліків додається низька ефективність охолодження-АВО можуть забезпечити температуру охолодженої води на 11 °С вище за температуру повітря по «сухому» термометру. Такі температури охолоджуючої води занадто високі для переважної більшості промислових процесів.
Градирні дозволяють подолати більшість з цих проблем, і є широко вживаними для розсіювання тепла від холодильних установок, систем кондиціонування і більшості промислових процесів. Витрати оборотних систем з градирнями складають тільки 5% від загальної кількості циркулюючої води, що робить їх найбільш дешевим рішенням для систем з покупними водопостачанням. Також значення величини продування для систем з градирнями дуже низька, що значно знижується вплив на навколишнє середовище. І найголовніше, градирні здатні охолодити воду до позначки, що всього на 2-3 ° С перевищує температуру повітря по «вологому» термометру. Таким чином, температура води після градирень може бути на 20 ˚С нижче, ніж на виході з апаратів повітряного охолодження при порівняно однакових габаритних розмірах.
Настільки ефективне охолодження досягається за рахунок поєднання ефекту теплопередачі і масопередачі. Нагріта вода подається у водорозподільчу систему і розпорошується на зрошувальну середу, в якій закладено велику площу (до 150 м² поверхні в 1 м³ зрошувача) для контакту з атмосферним повітрям. Циркуляція повітря в градирні може створюватися вентиляторами, конвективними потоками, природними потоками або за рахунок явища ежекції від форсунок. При контакті з повітрям частина води змінює агрегатний стан з рідкого на пароподібний, що супроводжується поглинанням тепла. Таким чином, тепло пароутворення передається від води в рідкому стані до повітряного потоку.
|
|
|
Рис. 1. Процес охолодження води та нагрівання повітря в градирні |
На рис. 1 відображена залежність між водою і повітрям у міру проходження противоточної градирні. Криві показують падіння температури охолодженої води (від точки А до точки В) і підвищення температури повітря по «вологому» термометру (від точки С до точки D) при їх контакті в градирні.
Різниця між температурою вхідної та вихідної води визначає ширину зони охолодження (температурний перепад). Для одноконтурної системи, зі сталим режимом і постійним гідравлічним навантаженням, температурний перепад на градирні відповідає підвищенню температури води в технологічному обладнанні.
Відповідно температурний перепад визначається витратою води і теплової навантаженням технологічного обладнання, і не має ніякого відношення до розміру або охолоджувальної здатності градирні.
Різниця між температурою охолодженої води і вхідною температурою повітря по «вологому» термометру (точка В мінус точка С) на рис. 1 називається наближенням до «вологого» термометра або глибиною охолодження. Глибина охолодження є функцією охолоджувальної здатності градирні. При однаковому тепловому навантаженні, витраті води і кліматичних параметрах, градирня з більшою площею зрошення забезпечить кращу (меншу) глибину охолодження, тобто більш низьку температуру води на виході з градирні.
Таким чином, кількість тепла розсіяного градирнею в атмосферу завжди дорівнювала кількості тепла виробленого технологічним обладнанням, а температурний режим, при якому відбувається розсіювання тепла, залежить від охолоджувальної здатності градирні та температури повітря по «вологому» термометру.
Температура повітря по «вологому» термометру являється самим важливим кліматичним параметром, який впливає на роботу градирні. Дана температура може бути виміряна за допомогою обгортання цибулини звичайного термометра вологою матерією і подальшого обдування її потоком повітря. Температура повітря по сухому термометру (вимірюється звичайним термометром) і відносна вологість (вимірюється гігрометром), якщо їх розглядати окремо, мають незначний вплив на теплову ефективність градирні з примусовою тягою. Однак ці параметри впливають на величину випаровування в градирні.
 |
|
Рис. 2. Процес тепломассопередачі в градирні
|
На рис. 2 відображено психометричний аналіз повітря, який проходить через градирню.
Повітря входить в градирню при атмосферних умовах визначених точкою А, поглинає тепло і масу (вологість) від води, і виходить з градирні за умов точки В в насиченому стані - при вологості 100% (в умовах низького теплового навантаження повітря може бути ненасиченим). Кількість тепла переданого від води в повітря пропорційно різниці ентальпій повітря при умовах на вході і виході з градирні (hB-hA). Оскільки напрямок ліній постійних ентальпій збігається з напрямком ліній постійних температур повітря по «вологому» термометру, різниця ентальпії може бути визначена різницею температури повітря «вологого» термометра.
Процес нагрівання повітря представлений вектором АВ може бути розділений на дві складові - вектор АС, який показує кількість сухого тепла поглиненого повітрям за рахунок різниці температур води і повітря, і вектор ВС, який визначає величину прихованої теплоти фазового переходу, що утворюється при випаровуванні.
Якщо перенести в точку D параметри повітря на вході в градирню (підвищується температура повітря по «сухому» термометру при незмінній температурі повітря по «вологому» термометру), то загальна тепловіддача, певна вектором BD, залишається без змін, але разюче змінюються складові сухої і прихованої теплоти. Вектор DE представляє процес сухого охолоджування повітря (тобто повітря не забирає сухе тепло від води, а навпаки передає сухе тепло воді), тоді як вектор відображає передачу прихованої теплоти від води в повітря, що проходить повз неї, яка істотно вище в порівнянні з попередніми атмосферними умовами. Таким чином, сухий нагрів води повітрям компенсується збільшеною часткою випаровування води в градирні.
Масопередача (випаровування) здійснюється лише складовою прихованої теплоти в процесі теплопередачі і пропорційна зміні відносної вологості. На рис. 2 величина випаровування у разі АВ (wB-wA) значно менше в порівнянні з випадком DB (WB-WD). Співвідношення сухої і прихованої теплоти має значення при аналізі водоспоживання градирні.
Оскільки значення «сухого» термометра або відносної вологості на вході в градирню впливають на співвідношення складових процесу теплопередачі, вони також впливають на величину випаровування води в міру її охолодження. Величина випаровування для звичайних розрахункових параметрів повітря, в умовах помірного кліматичного поясу, становить 1% від загального потоку води на кожні 7 °С температурного перепаду.
Однак, середня величина випаровування протягом року нижче, ніж розрахункова через збільшення цієї складової процесу теплопередачі при зниженні вхідної температури повітря по «сухому» термометру.
