Что такое градирня: принцип работы и назначение

На территории крупных электростанций и промышленных комбинатов часто можно увидеть высокие бетонные башни, из которых поднимается белый пар. Это не дымовые трубы и не признак аварии. Это градирни, сооружения, которые охлаждают воду, участвующую в производственных циклах. Без них не обойтись на тепловых и атомных станциях, металлургических заводах, химических предприятиях и даже в крупных системах кондиционирования.

В этой статье разберем, что такое градирня, как она устроена, по какому принципу работает и какие типы градирен существуют. Также покажем, где именно в Украине можно увидеть эти сооружения сегодня.

Читайте также: можно использовать градирню без чиллера

Что такое градирня

Градирня это инженерное сооружение, предназначенное для охлаждения больших объемов воды за счет контакта с атмосферным воздухом. Слово происходит от немецкого Gradierwerk. 

Если коротко: градирня это теплообменное сооружение, в котором горячая вода отдает тепло воздуху и охлаждается перед тем, как вернуться в технологический цикл предприятия. Вода в таком цикле не расходуется одноразово, а циркулирует по замкнутому контуру: нагревается в конденсаторах турбин или реакторах, затем охлаждается в градирне, и снова идет на охлаждение оборудования.

Без такой системы пришлось бы либо постоянно забирать свежую воду из реки или водохранилища в огромных объемах, либо мириться с тепловым загрязнением водоемов, когда сброшенная горячая вода вредит рыбе и другим обитателям реки. Градирня решает обе проблемы одновременно.

Зачем нужна градирня

Основное назначение градирни: отвод избыточного тепла из технологической воды. В промышленности это требуется в нескольких типовых ситуациях:

• охлаждение конденсаторов паровых турбин на тепловых и атомных электростанциях;
• отвод тепла от компрессоров и холодильных машин на промышленных объектах;
• охлаждение технологической воды в металлургическом и химическом производстве;
• поддержание температурного режима в системах кондиционирования крупных зданий и дата-центров;
• охлаждение оборотной воды на нефтеперерабатывающих и газоперерабатывающих заводах.

Во всех этих случаях градирня позволяет повторно использовать воду вместо того, чтобы брать новую из источника и сбрасывать нагретую обратно. Это и экономически выгоднее, и менее вредно для окружающей среды.

Принцип работы градирни

Рассмотрим, как работает градирня, шаг за шагом, на примере самой распространенной мокрой градирни с естественной тягой.

1. Горячая вода температурой примерно 35–45°C подается трубопроводами в верхнюю часть градирни.
2. Специальные разбрызгиватели или оросительные насадки распыляют воду тонкими каплями по всей площади оросителя.
3. Снизу вверх через градирню движется поток воздуха: либо за счет естественной тяги (разница плотности теплого и холодного воздуха), либо принудительно, с помощью вентиляторов.
4. Воздух контактирует с каплями воды, часть влаги испаряется, забирая тепло, а часть воды просто охлаждается за счет конвективного теплообмена.
5. Охлажденная вода стекает в поддон (бассейн) в нижней части сооружения и оттуда снова подается в технологический цикл.
6. Теплый влажный воздух вместе с паром поднимается вверх и выходит через верхнее отверстие башни. Именно это мы видим как белое облако над градирней.

Ключевая физика здесь проста: испарение воды забирает значительное количество тепла даже при небольшом изменении температуры воздуха. На испарение одного килограмма воды тратится примерно 2260 кДж энергии, и именно за счет этого эффекта достигается основное охлаждение, а не просто за счет контакта с холодным воздухом.

Упрощенно тепловой баланс градирни можно записать так:

Q = m × c × ΔT + m_исп × L

где Q это количество отводимого тепла, m это масса циркулирующей воды, c это удельная теплоемкость воды, ΔT это разница температур на входе и выходе, m_исп это масса испарившейся воды, а L это удельная теплота парообразования.

Эффективность градирни зависит от температуры и влажности наружного воздуха, площади контакта воды и воздуха, скорости воздушного потока и качества оросителя. В жаркую и влажную погоду градирня охлаждает воду хуже, чем в прохладную и сухую, поэтому летом производительность тепловых и атомных станций иногда немного снижается.

Основные типы градирен

Градирни классифицируют по нескольким признакам: способу движения воздуха, конструкции и принципу контакта воды с воздухом.

По способу движения воздуха

Атмосферные (башенные) градирни используют естественную тягу. Высокая башня, иногда до 150–200 метров высотой, создает перепад давления, который сам затягивает воздух снизу вверх без дополнительных механизмов. Такие сооружения экономичны в эксплуатации, но зависят от погодных условий и требуют значительных капитальных затрат на строительство.

Вентиляторные градирни имеют принудительную циркуляцию воздуха благодаря одному или нескольким вентиляторам. Они компактнее башенных, работают стабильнее независимо от погоды, но потребляют электроэнергию на работу вентиляторов и требуют регулярного технического обслуживания подвижных частей.

По принципу контакта воды с воздухом

Мокрые (открытые) градирни, самый распространенный тип, где вода непосредственно контактирует с воздухом через распыление. Они наиболее эффективны, но часть воды теряют на испарение, поэтому требуют постоянной подпитки свежей водой.

Сухие градирни охлаждают воду через стенки трубчатых теплообменников, без прямого контакта с воздухом и без испарения. Они не теряют воду, но менее эффективны в жаркую погоду и дороже в строительстве.

Гибридные (комбинированные) градирни сочетают оба принципа: в прохладную погоду работают в сухом режиме, а в жару подключают мокрый контур для дополнительного охлаждения. Это компромисс между экономией воды и стабильной производительностью.

Ниже приведена короткая сравнительная таблица основных типов.

Тип градирни	Движение воздуха	Расход воды	Типовое применение
Башенная мокрая	естественная тяга	высокий	АЭС, крупные ТЭС
Вентиляторная мокрая	принудительное	высокий	ТЭЦ, промышленные предприятия
Сухая	естественное или принудительное	минимальный	объекты с дефицитом воды
Гибридная	естественное + принудительное	средний	дата-центры, химические заводы

Где применяют градирни

Чаще всего градирни работают там, где есть большие тепловые нагрузки и нужно охлаждать оборотную воду в промышленных масштабах:

• атомные электростанции, где градирня охлаждает воду вторичного контура после конденсаторов турбин;
• тепловые электростанции и теплоэлектроцентрали;
• металлургические комбинаты, где охлаждается вода прокатных станов и доменных печей;
• нефтехимические и химические производства;
• сахарные и пищевые заводы с большими объемами технологической воды;
• дата-центры и крупные торговые комплексы с централизованным кондиционированием.

Где в Украине есть градирни

В Украине градирни можно увидеть прежде всего на атомных и тепловых электростанциях, а также на ряде крупных промышленных предприятий.

Хмельницкая АЭС охлаждает воду с помощью градирен, поскольку станция расположена не на крупной реке, а на реке Горынь с ограниченным водным ресурсом. Здесь работает несколько башенных градирен значительной высоты.

Ровенская АЭС также использует градирни по той же причине: река Стырь возле станции не смогла бы обеспечить достаточный объем воды для прямого водного охлаждения всех энергоблоков.

Южноукраинская АЭС и Запорожская АЭС, напротив, преимущественно охлаждаются с помощью прудов-охладителей, а не градирен, потому что расположены возле крупных водоемов. Южноукраинская станция расположена возле Южного Буга и Ташлыкского водохранилища, а Запорожская, на берегу Каховского водохранилища (до его разрушения в 2023 году станция использовала именно водохранилище как основной источник охлаждения).

Из тепловых станций градирни можно увидеть на ряде ТЭЦ в крупных городах, в частности на теплоэлектроцентралях, обслуживающих централизованное отопление и горячее водоснабжение в областных центрах. Промышленные градирни также работают на металлургических комбинатах Кривого Рога, Запорожья и Каменского, а также на химических и нефтеперерабатывающих предприятиях в разных регионах страны.

Стоит отметить, что после 2022 года часть энергетической инфраструктуры, включая некоторые градирни на ТЭС, получила повреждения в результате боевых действий, поэтому актуальное состояние конкретных объектов следует уточнять в официальных источниках соответствующих компаний.

Преимущества и недостатки градирен

Преимущества градирен:

• позволяют повторно использовать воду вместо постоянного забора новой;
• уменьшают тепловую нагрузку на природные водоемы;
• работают автономно от погодных условий (в случае вентиляторных систем);
• подходят для объектов, расположенных далеко от крупных рек или озер.

Недостатки:

• потеря части воды на испарение, что требует постоянной подпитки;
• необходимость химической обработки воды против накипи и размножения бактерий;
• шум от вентиляторных градирен;
• значительные капитальные затраты на строительство башенных градирен.