Министерство образования и науки РФ ФГАОУ ВО Уральский Федеральный Университет

первого Президента РФ Б. Н. Ельцина» Кафедра строительных конструкций и механики

грунтов

Выполнили:
Квасова А.В,
Сыромятникова И.С
Малинина И.И
Преподаватель: Карлова Е.В.
Группа: СТ-460034(ПГС-2)

Дисциплина: «Спецкурс по проектированию металлических конструкций»
Тема: «Градирни с металлическим каркасом»

Екатеринбург 2019

в замкнутых системах, с помощью воздуха из окружающей среды. Градирни

позволяют эффективно охлаждать большие объемы теплоносителя при небольших энергозатратах и не используют для этого хладагенты.
Поэтому градирни могут считаться экологичным решением. Такие конструкции используют для снижения температуры посредством аппаратов теплообменного типа, входящих в состав разных систем оборотного водоснабжения.
Первоначально, градирня была придумана для добычи соли методом выпаривания, поэтому в переводе с немецкого она означает «сгущать соляной раствор».
В большинстве случаев, градирни устанавливают там, где нет возможности сбрасывать охлажденную воду в естественные водоемы, и отсутствует искусственный пруд.

1. Назначение

Гради́рня (охладительными башня) — устройство для охлаждения большого количества воды направленным потоком атмосферного воздуха.

воды при стекании её тонкой плёнкой или каплями по специальному оросителю,

вдоль которого в противоположном движению воды направлении подаётся поток воздуха. В инновационных эжекционных градирнях охлаждение происходит за счёт создаваемой среды, приближенной к условиям вакуума специальными форсунками и особенностями конструкции. При испарении 1% воды температура оставшейся массы понижается на 5,48°C, а в случае с эжекционным принципом охлаждения температура оставшейся массы понижается на 7,23 °C.

понижения температуры;
расхода воды;
технических расчетов;
химического состава воды (рабочей и добавочной);
местонахождения оборудования

на площадке.

скоростью, порядка 16-20 м/с, и через очень мелкие отверстия (эжекторы).

В результате образуется мелкодисперсная водяная пыль, которая, двигаясь очень быстро, образует внутри градирни область пониженного давления. За счет этого, совместно с влагой, через эжекторы внутрь градирни затягивается холодный атмосферный воздух.
В результате этого происходит теплообмен, который производится на всей поверхности капель. Понятно, что площадь соприкосновения холодного воздуха и горячих капель очень велика, поэтому эффективность теплообмена большая.

может эффективно работать при температуре охлаждаемой жидкости 50°С, 60°С и

даже выше, другие градирни на такое не способны.

Но эжекционная градирня имеет несколько серьезных недостатков:
чтобы подавать теплоноситель внутрь с большой скоростью, требуется обеспечить на входе высокое давление жидкости: 0,3-0,4 МПа. А это означает, что в эжекционной градирне требуется установить водяной насос повышенной мощности. Больше мощность - больше эксплуатационные расходы, а также больше и износ трубопроводов подачи теплоносителя;
в холодное время года эксплуатация эжекционных градирен сильно затруднена, т.к. водяная пыль легко замерзает;
Это, пожалуй, самый неэкономичный вариант с точки зрения расхода испаряемого теплоносителя, значительная часть которого просто улетает в атмосферу. Использование каплеуловителей на выходе воздушного потока невозможно, так как это сильно ухудшает эффективность работы эжекционной градирни

центробежных или осевых вентиляторов. Градирни такого типа незаменимы, когда потребителю,

например, холодильной машине, необходимо охлаждать большое количество теплоносителя, а также в ситуации, когда требуется получить на выходе теплоноситель с низкими значениями температуры.

Открытые градирни

с сетчато-пленочным оросителем и бассейном, куда стекает остывшая жидкость. В

градирню подается теплая вода, которая распыляется через сопла на ороситель. Поступление воздушного потока осуществляется либо за счет естественной тяги (в башенных моделях), либо с помощью вентиляторов (в вентиляторных). Обе разновидности имеют похожее внутреннее устройство.
В оросительных градирнях используется специальный оросительный слой для большего контакта воды с воздухом, поступающим через воздухозаборные окна. Вода стекает пленкой или каплями на оросительный слой, охлаждается и испаряется, то есть, обмен тепловой энергии происходит по всей поверхности каждой капли воды. Теплый воздух при этом отводится из градирни.

Открытые градирни

металлическую трубу конической формы, внутри которой находится система подачи воды,

ороситель и резервуар. Поток наружного воздуха через входные отверстия в нижней части трубы поднимается вверх через ороситель за счет создания естественной тяги в трубе.

гигантского количества воды, охлаждаемого с небольшим температурным перепадом (5-10 0С)
В основном

башни – это градирни ТЭЦ или АЭС.

К достоинствам башенных градирен можно отнести отсутствие потребления электроэнергии.
Гигантские капитальные затраты на строительство и большая занимаемая площадь – большие минусы при выборе этих градирен.
Так же стоит отметить, что ввиду отсутствия принудительной тяги и возможность развернуть поток воздуха , эксплуатация этих  градирен требуют дополнительных приспособлений и мероприятий. Например, тамбур и жалюзи.
Преимущества:
-нет затрат электроэнергии при эксплуатации
-предназначены для больших расходов воды
Недостатки:
-малая глубина охлаждения
-дорогое строительство
-сложное строительство и ремонт
-требуют специальных мероприятий для зимнего периода

подаче большого количества воздуха за счет работы вентилятора с лопастями

с диаметром до 20 метров.

Этот тип градирен характеризуется невысокими перепадами температур на входе и выходе, при этом и электропотребление сравнительно не высоко.
Преимущества:
гибкость конструкции
отсутствие обмерзания
энергоэффективность
легкость ремонта
наличие большого ассортимента запасных частей
Недостатки:
требуется обученный персонал для обслуживания
необходимы дополнительные меры зимой

такие градирни могут быть подобраны в большем диапазоне  нагрузок по

воде и обеспечивать глубокое охлаждение воды с перепадом до 30 °
Кроме того, есть возможность установки воздухорегулирующих жалюзи и реверса двигателя. Это позволит прекрасно эксплуатировать градирню в зимние морозы.
По типу оросителя различают следующие типы вентиляторных градирен:
-пленочные
-капельные
-капельно-пленочные
Наиболее эффективные капельно-пленочные вентиляторные градирни. Они совмещают свойства капельных и пленочных оросителей и лучше всего охлаждают воду.
Для малых расходов оборотной воды вентиляторы градирни поставляются на предприятия в готовом виде, по этому признаку их называют малогабаритными или блочными мини градирнями.

требуется подпитка для поддержания постоянного объема в цикле;
-возможно применение в

качестве хладогена не только воды.
Такие градирни целесообразно применять в засушливых районах или в местах дефицита воды.
При подборе градирни следует учитывать и тот факт, что такая градирня не может охладить воду до температуры близкой к температуре «мокрого термометра». Иными словами, закрытая градирня сможет охладить только до температуры окружающего воздуха. Если по технологии этого будет достаточно, следует обратить внимание и на тот факт, что в такой градирне используется сложное и дорогостоящее оборудование-змеевик. Качество исполнения и даже материал будут существенно влиять на охлаждающую способность градирни. Чаще всего в таких контурах используется ребреный медный змеевик сложной конструкции.
Недостатки закрытых градирен заключаются в следующем:
высокая стоимость в сравнении с аналогичными открытыми градирнями;
требовательность к эксплуатации и обслуживанию оборудования;
не высокая эффективность охлаждения.

ниже наружного воздуха.

и Фарго и изначально использовалась для охлаждения конденсаторов электростанций. Она

представляет собой корпус с размещенным внутри теплообменником (радиатором), по которому циркулирует охлаждающая жидкость и одним, или несколькими вентиляторами, обдувающими радиатор потоком наружного воздуха.

Радиатор из оребренных, чаще всего медных или алюминиевых трубок, обуславливает то, насколько хорошо сухие градирни будут охлаждать воду.
Применение качественного радиатора из меди, с тонкими каналами делает стоимость сухой градирни очень большой. Уменьшая стоимость решения, приходится жертвовать и эффективностью.

воду
возможность работы на кипящей воде
возможность работы

на этиленгликоле
отсутствие капельного уноса

Недостатки:

низкая эффективность охлаждения
дорогая конструкция и материалы
требовательность к обслуживанию и чистке теплообменника

вентилятор
Сухие (радиаторные) градирни

какой тип водосборного бассейна будет применен.
Возможно несколько вариантов:
Железобетонная чаша, заглубленная

в землю;
железобетонная чаша на поверхности земли с обваловкой;
железобетонная чаша над насосной или иным зданием;
металлический поддон наземного исполнения;
стеклопластиковый бассейн на железобетонной плите;

На сегодняшний день самым распространенным является именно железобетонный бассейн. Он может быть выполнен как заглубленным относительно поверхности земли, так и надстроенным.

сооружения градирни ниже, чем железобетонного, но и срок службы гораздо

меньше. Объем такого бассейна обычно принимается меньше чем железобетонного. Высота металлической чаши составляет от 0,6 до 1,5 метров. Такие бассейны устанавливаются, когда отсутствует возможность заглубления. 

обработка для увеличения срока службы. Кроме того, такие поддоны в

зимнее время года требуют постоянного наличия теплой воды для предотвращения замерзания. Для предотвращения обмерзания бассейна производится обваловка грунтом его внешних сторон. Это делается и с ж/б бассейном, расположенным на земле.

Основным недостатком металлического бассейна является его недолговечность по сравнению с железобетонным или стеклопластиковым аналогом.

каркас
Сборный металлический каркас секционной или башенной установки
Многоэлементный каркас из композитных

профилей (FRP или GRP).

МОНТАЖ БАШЕННОЙ ГРАДИРНИ

Как видно из перечня, башенные градирни могут иметь 2 варианта оболочки: из железобетона, или металла, покрытого обшивкой.

имеет 2 типа исполнения несущего металлического каркаса: рамочный и каркасный.
Для

рамочной - это набор однотипных рамок, собранных в единую конструкцию.
Для каркасной - это несущие колонны с технологическими площадками и опорами под ороситель, водораспределительную систему, водоуловитель и т.п. Для двигателей монтируются собственные опоры.

вентилятора к опорам фундамента градирни. Сборка может вестись, как при

помощи монтажной сварки, так и на болтовых соединениях.
Недостатком болтового метода является необходимость постоянной протяжки соединений из-за воздействия динамических нагрузок от вентилятора на каркас. Если такую протяжку не делать регулярно, то вибрации, передаваемые на каркас двигателем, будут приводить к ограничению мощности и ухудшению охлаждения из-за постоянного срабатывания защиты двигателя.
В каркасном варианте вентиляторной градирни это проблема решена введением отдельной опоры под двигатель.

несущих конструкций каркаса на имеющихся закладных деталях железобетонного фундамента.
Затем выполняется

монтаж рамок нижнего пояса каркаса для рамочной градирни или связующих ригелей для каркасной градирни.
Далее последовательно снизу вверх монтируются связующие металлоконструкции, площадки под ороситель и водоуловитель, представляющие собой сетку с шагом 200-300 мм.

и подводка воды. Для этого сначала подвешиваются на шпильки и

хомуты, или опираются на стальные элементы основные коллектора градирни.

Есть два типа технических решений разводки воды в градирне:

Первый тип: кольцевая замкнутая.
Второй тип: гребенчатая, не замкнутая.

Первый вариант подразумевает, что основные коллектора и лучи ВРС образуют замкнутый многогранник:

Второй тип ВРС содержит центральный коллектор и отходящие от него в разные стороны лучи. Лучи в такой системе часто выполняются переменного сечения для поддержания равномерной скорости жидкости и предотвращения забивания ВРС.

сопла.
После того, как внутренняя разводка сделана, монтируются подводящие стояки.

Они не должны давать нагрузку на внутреннюю часть ВРС, поэтому при их установке используют кран и временные опоры.

на основной трубе водоблока, а второй  конец соединяется с вводным

коллектором ВРС.
После протягивания болтов можно убрать опоры-времянки и отделить стропы крана. Труба стояка будет держать сама себя.

Следом за ВРС, или параллельно с ней, в зависимости от количества техники и людей у подрядчика, монтируется вентилятор градирни.

Устанавливают жалюзи, если они предусмотрены, и обшивку.

2 – вертикальные крестовые связи; 3 –стойки.
Конструктивная схема градирен представляет

собой оболочку в форме усеченного конуса, собираемую из плоских панелей трапециевидной формы, являющихся укрупненными монтажными марками. Пространственная
жёсткость башни обеспечивается стойками, горизонтальными кольцами и вертикальными крестовыми связями, располагаемыми в каждой монтажной
марке. К внутренним поясам стоек крепятся горизонтальные ригели для установки обшивки из алюминиевых листов. Монтажные марки соединяются
крестовыми узловыми вставками.

КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА

несущих конструкций

от массы льда;
Кратковременные – ветровые.

центрально-сжатую стойку будет действовать нагрузка:
P=g∙l, кН,
3.1 Постоянная нагрузка

значение пульсационной составляющей основной ветровой нагрузки wp, кПа, определяем по

п. 11.1.8 [СП 20.13330.2016]:
wp=wm∙ζ(ze)∙v,
где wm- нормативное значение средней составляющей основной ветровой нагрузки, кПа;
ζze- коэффициент пульсации давления ветра, т. 11. [СП 20.13330.2016];
v- коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра, по п. 11.1.11 [СП 20.13330.2016
Значение ζ(ze) для ze=160 м определим по формуле:
ζze=ζ10∙ze10-α,
где ζ10 и α- параметры, определяемые по т. 11 [СП 20.13330.2016] в зависимости от типа местности. Таким образом, получим нормативное значение пульсационной составляющей основной ветровой нагрузки:
Результаты сводим в таблицу Ветровая нагрузка.

3.3 Ветровая нагрузка

нагрузка (от массы льда)
Загружение 3 – кратковременная нагрузка (ветровая)

необходим при проектировании новых и привязке существующих проектов градирен к

местным метеорологическим условиям с учетом требований к температуре охлажденной воды и гидравлическим нагрузкам.
Перед началом расчета новых градирен надлежит разработать тип и конструкцию градирни, наметить марку вентилятора, выбрать основные размеры градирни (секции), воздуховходных окон, воздухораспределителя, оросителя, водоуловителя.
При привязке существующих проектов указанные в п. 2.28 параметры являются заданными.
Конечной целью расчета вентиляторных градирен является определение плотности орошения q ж и числа градирен (или секций, если градирни секционные), обеспечивающих охлаждение заданного количества воды G ж от температуры t 1 до температуры t 2 при расчетных параметрах атмосферного воздуха J 1 , j 1 ( t 1 ) и P б .
Конечной целью расчета башенных градирен обычно является определение величины t2 при заданных значениях f ор , q ж , D t , J 1 и j 1 .

для работы этих сооружений атмосферные условия в летние месяцы года.

При выборе расчетных параметров атмосферного воздуха необходимо учитывать допустимость повышения температуры воды t 2 сверх расчетной из условий технологического производства, но ограничивать период этого повышения.
Расчет градирен согласно СНиП 2.04.02-84 надлежит выполнять исходя из среднесуточных температур атмосферного воздуха по сухому и влажному термометрам (или относительной влажности воздуха) по многолетним наблюдениям при обеспеченности 1 - 10 % за летний период года (июнь, июль, август). Выбор обеспеченности можно производить в зависимости от категории водопотребителя по табл. 6, в которой все водопотребители условно разделены на три категории по уровню требований к температурам охлаждаемой воды.
Расчетные параметры атмосферного воздуха для района строительства градирни определяются по табл. 7 (Пособие к СНиП 2.04.02-84 Пособие по проектированию градирен) по величине выбранной в табл. 6 обеспеченности метеорологических параметров.
Указанной в табл. 7 обеспеченности 1 % за три летних месяца соответствует обеспеченность примерно 0,25 % в разрезе года. Аналогично обеспеченности 5 % соответствует обеспеченность 1,25 % и обеспеченности 10 % - обеспеченность 2,5 %.

охлажденной в градирне воды. Каждый типовой проект имеет свои графики,

являющиеся технологическим паспортом градирни, по которым определяется температура охлажденной воды или выбранный типоразмер градирни.
Температуру охлажденной воды башенных градирен следует определять по графикам черт. 62 - 65 - для новой серии градирен, черт. 66 - 77 - старой серии градирен.
Графики составлены для барометрического давления 0,0981 МПа.
Температура охлажденной воды, определенная по графикам, соответствует условиям работы градирен при штиле. Поправочная кривая в условиях ветра составляется по данным натурных исследований градирен в процессе их эксплуатации.
Исходными данными для технологических расчетов являются:
-многолетние среднемесячные температуры атмосферного воздуха, относительная влажность атмосферного воздуха, скорость ветра и барометрическое давление;
-график обеспеченности температуры атмосферного воздуха для среднего и жаркого года и кривые связи температуры и относительной влажности воздуха;
-средние температуры и влажности воздуха в 13 ч для наиболее жаркого месяца;
-температура воздуха наиболее холодной пятидневки;
-роза ветров, преобладающее направление ветра в летний и зимний периоды года;
-расчетный ветровой район.

(СП16.13330.2016).
Марки сталей для конструкций следует принимать по СНиП II-23-81 в

зависимости от расчетной температуры наружного воздуха, при этом следует относить:
к группе 1 - конструкции ригелей, балок и ферм под вентиляторы;
к группе 2 - конструкции балок покрытий и перекрытий (кроме обслуживающих площадок);
к группе 3 - конструкции каркаса (стойки и колонны, опорные плиты, конструкции, поддерживающие ороситель и водораспределительную систему, конструкции водосборного бассейна);
к группе 4 - конструкции фахверка, связей, ограждений, патрубков градирен, площадок и лестниц для обслуживания.
Марки стали для каркасов вытяжных башен башенных градирен следует применять по 2-й группе соответственно СНиП II-23-81.
Предпочтительные марки сталей соответственно группам конструкций:
для    1    группы    - 10Г2С1Д, 15ХСНД;
«        2         «         - ВСт3СП5, ВСт3СП6, 18ГПС;
«        3         «         - 18КП, ВСт3ПС6, 10Г2С1;
«        4         «         - 18КП, ВСт3КП2
Для элементов конструкций, эксплуатирующихся в труднодоступных либо недоступных, без демонтажа оборудования, зонах, следует применять стали марок: 10Г2С1Д, 15ХСНД, 10ХСНД. При технико-экономическом обосновании для таких конструкций следует также применять нержавеющую сталь типа Х13 для обеспечения без окраски долговечности конструкций не ниже долговечности конструкций технологического оборудования.

7. Расчеты стальных конструкций

(СНиП 2.01.07-85) и СНиП II-7-81.
Кроме обычных постоянных и технологических нагрузок,

при расчетах необходимо учитывать аварийную нагрузку (отрыв лопасти вентилятора и обледенение). Обледенение может возникнуть практически в любом месте каркаса градирни, но наиболее вероятные места обледенения - зона окон для входа воздушного потока.
Из опыта проектирования и эксплуатации вентиляторных градирен при средней зимней температуре наиболее холодной пятидневки ниже минус 10 ° С как для каркаса в целом, так и для оросителя, можно принимать расчетную равномерно распределенную нагрузку от обледенения по всей площади оросителя равной 200 кг/м2. При температуре от минус 10 до минус 5 °С эту нагрузку можно принимать равной 100 кг/м2. При температуре выше минус 5 °С нагрузку от обледенения можно не учитывать. Нагрузку от обледенения не следует учитывать и при наличии проверенных, практикой надежных способов предотвращения образования льда.
При проектировании каркасов следует, как правило, учитывать пространственную работу каркаса с передачей горизонтальных воздействий через жесткие диски в уровне покрытия и перекрытия на жесткие связевые торцы и вертикальные связи в продольном направлении (черт. 86 и 87).
При этом стойки (колонны) каркасов следует выполнять в основном с шарнирным примыканием к фундаментам и ригелям покрытия.
Для каркасов вентиляторных градирен площадью орошения 144 м2 и более каждой секции (типовые проекты) возможна другая схема компановки каркасов - центральный железобетонный элемент (башня или столб крестообразного сечения), воспринимающий вертикальную нагрузку от вентилятора, каркас, объединенный жесткими дисками со связевыми торцами и вертикальными связями в продольном направлении, воспринимает все горизонтальные воздействия (ветра, динамические и аварийные, сейсмические нагрузки).

7. Расчеты стальных конструкций

Проверка общей устойчивости
Приведенная толщина наружного слоя оболочки равно
Где F

– площадь сечения стержня, включающая оба пояса;
l – длина стержня.

Трехслойную оболочку заменяем эквивалентной однослойной сплошностенчатой оболочкой толщиной

Трехслойную оболочку заменяем эквивалентной однослойной сплошностенчатой оболочкой толщиной