Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КОЧЕТОВА ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ

Изобретение относится к контактным охладителям, в частности к градирням, и может быть использовано на тепловых электрических станциях для охлаждения оборотной воды. Предлагаемая градирня также может применяться при кондиционировании воздуха в гражданском строительстве для охлаждения конденсаторов холодильных агрегатов, реже - для охлаждения аварийных электрогенераторных агрегатов большой мощности; в промышленном секторе градирни используются в технологических операциях широкого профиля, требующих эффективного и неэнергоемкого рассеяния тепла, создаваемого во время рабочего цикла компрессорных установок, холодильных машин и станций, металлургических производств, машин по формовке пластических масс, технологических процессов по химической очистке веществ, восстановления чистых химических растворителей.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является способ испарительного охлаждения воды по а.с. СССР №435442, C02B 1/10 от 04.07.72 г., заключающийся в том, что воду разбрызгивают посредством форсунок, которую собирают в бак для сбора воды, а поток воздуха направляют навстречу факелу воды посредством вентилятора (прототип).

Недостатками известного способа являются сравнительно невысокая эффективность из-за невысокой степени распыла жидкости форсунками и неэкономичность из-за перерасхода воды за счет отсутствия пластинчатого оросителя и каплеуловителя.

Технический результат - повышение производительности работы градирни.

Это достигается тем, что в способе испарительного охлаждения воды, заключающемся в том, что воду разбрызгивают посредством форсунок, которую собирают в бак для сбора воды, а поток воздуха направляют навстречу факелу воды посредством вентилятора, коллектор разбрызгивающего устройства с цельнофакельными форсунками располагают в верхней части корпуса вентиляторной градирни, а над ним располагают каплеуловитель с тройным рифлением, где поток воздуха три раза изменяет направление движения, а под коллектором располагают ороситель, который выполняют в виде пакета гофрированных и последовательно соединенных пластин с высокой степенью смачиваемости, с помощью которого при плотности орошения 15÷25 м³/(час·м²) и скорости воздуха 3÷4 м/сек охлаждают воду до 25°C и ниже, при этом количество воды, которое необходимо добавлять в систему для компенсации испарения, определяют исходя из расхода воды и разности температур воды на входе и на выходе из градирни по следующей формуле:

ΔG_W=1,67G_WC_P(t_ВХ-t_ВЫХ),

где ΔG_W - величина подпитки (кг/час), G_W - расход охлаждаемой воды, м³/ч, C_P - теплоемкость воды (ккал/кг·град), t_ВХ - температура воды на входе в градирню (°C), t_ВЫХ - температура воды на выходе из градирни (°C), а количество тепла, отводимое через градирню, определяется по следующей формуле:

Q_Г=G_WC_P(t_ВХ-t_ВЫХ) (ккал/час),

а абсолютное давление воды определяют по манометру, устанавливаемому перед входным коллектором по формуле: Н=10P_A, где Н - напор воды перед форсункой (м вод. ст.), P_A - показания манометра (кг/см²), при этом расход воды через градирню определяют по формуле:

w=G¹ _W·n,

где G¹ _W - расход воды через форсунку (м³/ч), n - количество форсунок (шт.),

при этом диапазон давлений перед форсунками обеспечивают в оптимальном интервале величин: от 1,2 до 7,0 метров водяного столба, а расход воды через форсунку (м³/ч) определяют по следующей формуле:

G_W=2,245·√H,

где Н - напор воды перед форсункой (м вод. ст.).

На фиг.1 изображена схема вентиляторной градирни для реализации предложенного способа, на фиг.2 - общий вид форсунки для распыливания жидкости, на фиг.3 - график производительности форсунки, т.е. зависимость расхода воды через форсунку от напора воды перед форсункой.

Способ испарительного охлаждения воды осуществляют в испарительной градирне открытого типа, которая состоит из двух частей (фиг.1): верхней части, состоящей из корпуса 1, в нижней части которого находится ороситель 3, в верхней - каплеотделитель 4, а между ними расположены коллекторы 5 разбрызгивающего устройства с цельнофакельными форсунками (фиг.2). В нижней части градирни расположен бак-водосборник 2 для сбора охлаждаемой воды с установленными на нем посредством диффузора вентилятором 6.

При этом коллектор 5 разбрызгивающего устройства располагают в верхней части корпуса 1 и на его параллельно расположенных трубах в шахматном порядке закрепляют посредством хомутов с замками цельнофакельные форсунки. При этом ороситель 3 изготавливают методом вакуумной штамповки из пластика с добавкой, обеспечивающей высокопрочный, химически стойкий материал, не поддерживающий горения и сохраняющий свои эксплуатационные свойства при температуре наружного воздуха от -60°C до +55°C. Ороситель 3 выполняют в виде пакета гофрированных и последовательно соединенных пластин с высокой степенью смачиваемости, и при плотности орошения 15÷25 м³/(час·м²) и скорости воздуха 3÷4 м/сек позволяет охладить воду до 25°C и ниже. Каплеотделитель 4 выполняют с тройным рифлением (не показано), где поток воздуха три раза изменяет направление движения и за счет этого достигается значительное уменьшение каплеуноса. При скорости воздуха в живом сечении каплеотделителя 4 до 4,5 м/сек, степень отделения капельной влаги - (эффективность) не ниже 99,9%. Вентилятор 6 выполняют с пластиковым рабочим колесом, а также многоскоростным электродвигателем, позволяющим в процессе работы в зависимости от погодных условий изменять производительность градирни за счет изменения расхода воздуха. Возможна конструкция со специальным частотным приводом регулирования оборотов вращения вентилятора 6, что обеспечит более чем двукратную экономию потребления электроэнергии.

Градирня имеет аэродинамически выверенную конфигурацию проточной части корпуса, что повышает равномерность распределения потока воздуха через ороситель 3 градирни и увеличивает равномерность и степень охлаждения воды в градирни.

Коллектор 5 разбрызгивающего устройства выполняют в виде труб с проточными отверстиями 7 и располагают в верхней части корпуса 1 с цельнофакельными форсунками (фиг.2). Каждую из форсунок выполняют в виде полого осесимметричного корпуса 8, ось которого перпендикулярна оси отверстия коллектора, а по форме корпус выполнен в виде тела вращения, образованного кривой второго порядка, например сферическим, в виде усеченного эллипсоида или параболоида вращения и др. Со стороны проточного отверстия 7 трубы коллектора 5 в форсунке устанавливают спрямляющий элемент 12, который демпфирует турбулентность потока жидкости, идущей от коллектора 5 к форсунке. Спрямляющий элемент выполняют в виде кольца, имеющего центральную втулку 12, с которой жестко соединены радиально расположенные, по крайней мере, три лопасти 13, соединенные с корпусом 8 форсунки.

Вентиляторная градирня для реализации предложенного способа испарительного охлаждения воды (фиг.1) представляет собой испарительную градирни открытого типа и при весьма умеренном энергопотреблении обеспечивают приготовление воды, используемой в целях охлаждения с температурой на 5°C ниже температуры наружного воздуха по сухому термометру. Градирня состоит из двух частей: верхней части, состоящей из корпуса 1, в нижней части которого находится ороситель 3, в верхней - каплеотделитель 4, а между ними расположены коллекторы 5 разбрызгивающего устройства с цельнофакельными форсунками (фиг.2). В нижней части градирни расположен бак-водосборник 2 для сбора охлаждаемой воды с установленными на нем вентилятором 6.

Корпус изготовлен из тонколистовой нержавеющей стали, что обеспечивает надежную многолетнюю эксплуатацию градирни, небольшой вес и, как следствие, возможность установки градирни на крышах производственных зданий. В конструкции бака 2 предусмотрен диффузор, который представляет собой часть корпуса и соединен с вентилятором, при этом увеличено расстояние между вентилятором 6 и потоком воды, стекающей с оросителя 3, что полностью исключает попадание брызг воды на обечайку вентилятора 6 и образование наледи на ней, а каплеотделитель 4 и ороситель 3, обладающие низким сопротивлением, обеспечивают выход пара вверх, а не через обечайку вентилятора, что также исключает образование наледи за счет конденсации пара на обечайке.

Коллектор 5 разбрызгивающего устройства расположен в верхней части корпуса 1 и представляет собой систему параллельно соединенных труб с отверстиями 7, на которых в шахматном порядке закреплены посредством хомутов с замками цельнофакельные форсунки. Он не проходит через стенку градирни, а следовательно, отсутствует узел уплотнения коллектора и связанные с этим протечки воды через него. Ороситель 3 и каплеотделитель 4 изготавливаются методом вакуумной штамповки из пластика, срок эксплуатации которого составляет не менее 15 лет. Материал оросителя ПВХ (поливинилхлорид) с добавкой, обеспечивающей высокопрочный химически стойкий пластик, не поддерживающий горения и сохраняющий свои эксплуатационные свойства при температуре наружного воздуха от -60°C до +55°C. Ороситель 3, используемый в градирне, представляет собой пакет гофрированных и последовательно соединенных пластин с высокой степенью смачиваемости и при плотности орошения 15÷25 м³/(час·м²) и скорости воздуха 3÷4 м/сек позволяет охладить воду до 25°C и ниже. Каплеотделитель 4 выполнен с тройным рифлением (не показано), где поток воздуха три раза изменяет направление движения и за счет этого достигается значительное уменьшение каплеуноса. При скорости воздуха в живом сечении каплеотделителя 4 до 4,5 м/сек степень отделения капельной влаги - (эффективность) не ниже 99,9%. Градирня выполнена по одновентиляторной схеме с нижним расположением вентилятора, т.к. градирни с несколькими вентиляторами суммарно потребляют больше электроэнергии и при выходе из строя одного вентилятора происходит неконтролируемый унос воды через обечайку неисправного вентилятора. Вентилятор 6 выполнен с пластиковым рабочим колесом, а также с односкоростным или многоскоростным электродвигателем, позволяющим в процессе работы в зависимости от погодных условий менять производительность градирни за счет изменения расхода воздуха. Возможна конструкция со специальным частотным приводом регулирования оборотов вращения вентилятора 6, что обеспечит более чем двукратную экономию потребления электроэнергии.

Градирня имеет аэродинамически выверенную конфигурацию проточной части корпуса, что повышает равномерность распределения потока воздуха через ороситель 3 градирни и увеличивает равномерность и степень охлаждения воды в градирне.

Коллектор 5 разбрызгивающего устройства имеет проточное отверстие 7 и расположен в верхней части корпуса 1 с цельнофакельными форсунками (фиг.2). Каждая из форсунок выполнена в виде полого осесимметричного корпуса 8, ось которого перпендикулярна оси отверстия коллектора, а по форме корпус выполнен в виде тела вращения, образованного кривой второго порядка, например сферическим, в виде усеченного эллипсоида или параболоида вращения и др. Со стороны проточного отверстия 7 трубы коллектора 5 в форсунке установлен спрямляющий элемент 12, который демпфирует турбулентность потока жидкости, идущей от коллектора 5 к форсунке. Спрямляющий элемент выполнен в виде кольца, имеющего центральную втулку 12, с которой жестко соединены радиально расположенные, по крайней мере, три лопасти 13, соединенные с корпусом 8 форсунки. Корпус 8 выполнен с двумя противоположно расположенными перпендикулярно оси форсунки уступами 11, посредством которых через хомуты 9 с замками 10 форсунка закрепляется на коллекторе 5. В нижней части корпуса 8 форсунки выполнено коническое калиброванное дроссельное отверстие 15, соединенное с камерой смешения 14, которая расположена между отверстием 15 и спрямляющим элементом 12. Камера смешения 14 предназначена для образования вихревого турбулентного потока, формировавшегося на выходе из отверстия 15 форсунки. Для этой цели на внутренней поверхности камеры смешения имеются винтообразные канавки (не показано), которые могут быть образованы токарной обработкой по копиру или получены литьевым способом. В результате этого на выходе из форсунки образуется мелкодисперсный и равномерный факел распыла жидкости. Расходная характеристика форсунки представлена на фиг.3. Рекомендуемый диапазон давлений для цельнофакельной форсунки от 1,2 до 7,0 метров водяного столба. При данном диапазоне давлений обеспечивается полное раскрытие и заполнение факела форсунки капельной влагой.

Градирня вентиляторная работает следующим образом.

Эффект охлаждения в градирне достигается за счет испарения - 1% циркулирующей через градирню воды, которая разбрызгивается форсунками 8 и в виде пленки стекает в бак 2 через сложную систему каналов оросителя 3 навстречу потоку охлаждающего воздуха, нагнетаемого вентилятором 6. Эффективный каплеотделитель 4 позволяет снизить потери воды в результате капельного уноса. Количество капельной влаги, уносимое потоком воздуха, зависит от плотности орошения и при максимальном значении - 25 м³/(час·м²) не превышает 0,1% от величины объемного расхода охлаждаемой воды через градирню.

Форсунки 8 разбрызгивающего устройства работают следующим образом.

Жидкость под давлением поступает со стороны проточного отверстия 7 коллектора 5 в форсунку и встречает на своем пути спрямляющий элемент 12, который демпфирует турбулентность потока жидкости, идущей от коллектора 5 к форсунке. Камера смешения 14 предназначена для образования вихревого турбулентного потока, формировавшегося на выходе из отверстия 15 форсунки. Для этой цели на внутренней поверхности камеры смешения имеются винтообразные канавки (не показано), в результате чего на выходе из форсунки образуется мелкодисперсный и равномерный факел распыла жидкости. Расходная характеристика форсунки представлена на фиг.3. Расход воды через форсунку (м³/ч) определяется по следующей формуле:

G_W=2,245·√H,

где H - напор воды перед форсункой (м вод. ст.).

Рекомендуемый диапазон давлений для цельнофакельной форсунки от 1,2 до 7,0 метров водяного столба (фиг.3). При данном диапазоне давлений обеспечивается полное раскрытие и заполнение факела форсунки капельной влагой. При давлении ниже указанного раскрытия факела не происходит, а при давлениях выше рекомендуемого может наблюдаться повышение капельного уноса воды. Превышение давления перед форсунками обычно свидетельствует об их засорении и необходимости их очистки.

Предлагаемая градирня может применяться при кондиционировании воздуха в гражданском строительстве для охлаждения конденсаторов холодильных агрегатов, реже - для охлаждения аварийных электрогенераторных агрегатов большой мощности. В промышленном секторе градирни используются в технологических операциях широкого профиля, требующих эффективного и неэнергоемкого рассеяния тепла, создаваемого во время рабочего цикла компрессорных установок, холодильных машин и станций, металлургических производств, машин по формовке пластических масс, технологических процессов по химической очистке веществ, восстановления чистых химических растворителей и т.п. Создание систем оборотного водоснабжения с использованием градирен позволяет уменьшить затраты предприятий на потребление и сброс технической воды, повысить КПД использования оборудования, благодаря чему затраты на приобретение и монтаж градирен окупаются в течение нескольких месяцев. Одновременно подобные системы позволяют решать актуальные сегодня проблемы экологии.

Для обеспечения удобства и безопасности обслуживания градирни имеются площадки, устроенные в соответствии с требованиями соответствующих СНиП (не показано). В зимнее время эксплуатация градирен может усложняться из-за обмерзания их конструкций, особенно это относится к градирням, расположенным в суровых климатических условиях. Обмерзание градирен может привести к аварийному состоянию, вызывая деформации и обрушение оросителя из-за дополнительных нагрузок от образовавшегося на нем льда. Обмерзание градирни начинается обычно при температурах наружного воздуха ниже -10°C и происходит в местах, где входящий в градирню холодный воздух соприкасается с относительно небольшим количеством теплой воды. Внутреннее обледенение градирни является опасным потому, что из-за интенсивного туманообразования оно может быть обнаружено только после разрушения оросителя. Поэтому в зимний период не следует допускать колебаний тепловой и гидравлической нагрузок, необходимо обеспечивать равномерное распределение охлаждаемой воды по площади оросителя и не допускать понижения плотности орошения на отдельных участках. В связи с большими скоростями входящего воздуха плотность орошения в вентиляторных градирнях в зимнее время целесообразно поддерживать не менее 10 м³/м² (не ниже 40% от полной нагрузки). Критерием для определения необходимого расхода воздуха может служить температура охлажденной воды. Если расход поступающего воздуха регулировать таким образом, чтобы температура охлажденной воды не была ниже +12÷+15°C, то обледенение градирен обычно не выходит за пределы допустимого. Уменьшение поступления в градирню холодного воздуха может быть достигнуто отключением вентилятора или переводом его на работу с пониженным числом оборотов. Исключить обледенение градирен можно путем подачи всей воды только на часть градирен с полным отключением остальных, иногда со снижением расхода циркуляционной воды. Нагнетательные вентиляторы подвержены обмерзанию. Это может вызываться двумя причинами: попаданием на вентилятор водяных капель изнутри градирни и рециркуляцией уходящего из градирни воздуха, содержащего мелкие капли воды и пар, который конденсируется при смешении с холодным наружным воздухом. В таких случаях можно избежать обледенения лопастей вентилятора следующими способами:

- снизить скорость вращения вентилятора градирни,

- проконтролировать давление перед форсунками и при необходимости произвести их очистку,

- использовать стеклопластиковые лопасти рабочего колеса,

- использовать автономный обогрев обечаек вентилятора с помощью гибких электронагревателей. Следует отметить, что неравномерное образование льда на лопастях может приводить к разбалансировке и вибрации вентилятора. Если в зимний период по какой-либо причине производилось отключение вентиляторов градирен, то перед их пуском необходимо проконтролировать состояние обечаек на наличие на них наледи. При обнаружении наледи ее необходимо удалить во избежание поломки рабочих колес вентиляторов.

Основными параметрами, определяющими рабочие процессы в градирне, являются: G_W - расход охлаждаемой воды, м³/ч; Δg_W - количество воды для подпитки системы водоснабжения (восполнение испарения), м³/ч; Q_Г - тепловой поток, кВт.

Расход воды через градирню может быть определен по давлению воды во входном коллекторе. Абсолютное давление воды необходимо определять по манометру (не показано), устанавливаемому перед входным коллектором: H=10P_A, где Н - напор перед форсункой (м вод. ст.), P_A - показания манометра (кг/см²). Зная полный напор и количество форсунок, используя график, можно определить расход воды через градирню: w=G¹ _W·n, где G¹ _W - расход воды через форсунку (м³/ч), n - количество форсунок (шт.). Количество воды, которое необходимо добавлять в систему для компенсации испарения, определяется исходя из расхода воды и разности температур воды на входе и на выходе из градирни:: ΔG_W=1,67G_WC_P(t_ВХ-t_ВЫХ), где ΔG_W - величина подпитки (кг/час), C_P - теплоемкость воды (ккал/кг·град), t_ВХ - температура воды на входе в градирню (°C); t_ВЫХ - температура воды на выходе из градирни (°C).

Величина капельного уноса составляет 0,1% от количества воды, проходящей через градирню при номинальном режиме. Снижение расхода воды через градирню уменьшает величину капельного уноса до 0,05%. Увеличение расхода воды выше номинального не рекомендуется. Количество тепла, отводимое через градирню:

Q_Г=G_WC_P(t_ВХ-t_ВЫХ) (ккал/час), или

Q_Г=G_WC_P(t_ВХ-t_ВЫХ)/860 (кВт).