Результат интеллектуальной деятельности: КОМБИНИРОВАННАЯ ГРАДИРНЯ

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к теплообменным аппаратам, и может быть использовано в системах оборотного водоснабжения тепловых электростанций и промышленных предприятий, где применяются башенные и/или вентиляторные градирни.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому объекту является градирня, содержащая корпус с воздуховходными окнами в нижней части, водораспределительную систему с форсунками, направленными выходными отверстиями вверх, и расположенную симметрично продольной оси вытяжной башни, водосборный бассейн, размещенный под корпусом градирни, вытяжное устройство, выполненное в виде вентилятора и расположенное над корпусом, водоуловительное устройство и каплезадерживающее устройство в виде пространственной конструкции (патент РФ № 2306513, МПК F28C 1/00, прототип).

Недостатком известного устройства, где охлаждение воды происходит с поверхности мелкофракционного капельного потока, является сравнительно малый диапазон гидравлических и тепловых нагрузок, при которых этот тип градирни эффективно охлаждает циркуляционный расход воды.

Технически достижимый результат - повышение эффективности использования вторичных энергоресурсов путем увеличения величины активной области градирни без увеличения аэродинамического сопротивления.

Это достигается комбинированной градирней, содержащей корпус в виде вытяжной башни с воздуховходными окнами в нижней части, водоуловительное устройство, водосборный бассейн, размещенный под корпусом градирни, водораспределительную систему с разбрызгивающимися форсунками, выходные отверстия которых направлены вверх, оросительное устройство, разбрызгивающие форсунки, например эвольвентного типа, расположены на удалении от верха оросительного устройства на расстоянии (0,1÷1,0)×h, где h - высота оросительного устройства, при этом напор воды перед разбрызгивающей форсункой находится в диапазоне 0,2÷1,0 атм. Согласно изобретению, оросительное устройство градирни выполнено в виде модуля из слоев полимерных ячеистых труб, а трубы выполнены цилиндрическими, размещены во всех слоях параллельно друг другу и сварены по торцам модуля между собой в местах соприкосновения, при этом полости каждой из труб и межтрубное пространство заполнено полыми полимерными шарами, причем диаметр шаров на 5÷10% больше максимального размера ячейки труб, а система оборотного водоснабжения имеет раздельные гидравлические контуры приготовления и потребления воды, при этом в нижней части корпуса градирен располагают, по крайней мере, два бака для сбора воды, которые соединяют между собой компенсационной трубой, обеспечивая гидравлическую независимость контуров приготовления рабочей воды и ее потребления, при этом один бак соединяют с насосом, который подает охлажденную в градирне воду потребителю, которая снова поступает через вентиль по трубопроводу во второй бак, из которого нагретую воду насосом через фильтр и вентиль подают по трубопроводу в коллектор с форсунками, размещенными в верхней части корпуса градирни, а на участке между фильтром и вентилем устанавливают систему контроля гидравлического сопротивления фильтра, состоящую из манометра и вентиля.

На фиг.1 изображена схема комбинированной градирни с системой оборотного водоснабжения, имеющей раздельные гидравлические контуры приготовления и потребления воды, на фиг.2 представлено оросительное устройство градирни в аксонометрии, на фиг.3 - общий вид эвольвентного сопла, на фиг.4 - общий вид сопла с перфорированным рассекателем, на фиг.5 - общий вид сопла каскадного типа.

Комбинированная градирня содержит вытяжную башню (или корпус вентилятора) 1, водоуловительное устройство 2, водораспределительную систему 3, оросительное устройство 4, воздуховходные окна 5, водосборный бассейн 6. Разбрызгивающие форсунки эвольвентного типа 7 водораспределительной системы 3 размещены на расстоянии (0,1÷1,0)×h от верхней границы оросительного устройства 4, где h - высота оросительного устройства.

Система оборотного водоснабжения имеет раздельные гидравлические контуры приготовления и потребления воды для градирни (возможен вариант с несколькими параллельно соединенными градирнями - на чертеже не показано); она содержит два бака для сбора воды: бак 8 и бак 9 с системой подпитки 10 воды, затрачиваемой на испарение. Баки 8 и 9 (емкости) соединены между собой компенсационной трубой, обеспечивающей гидравлическую независимость контуров приготовления рабочей воды и ее потребления.

Бак 8 соединен с насосом 20, который подает охлажденную в градирне воду потребителю 21. На участке между насосом 20 и потребителем 21 установлена система контроля гидравлического сопротивления системы, состоящая из манометра 13 и вентиля 14. После нагрева воды в потребителе 21 она снова поступает через вентиль 12 по трубопроводу 11 во второй бак 9, из которого нагретая вода насосом 18 через фильтр 19 и вентиль 17 подается по трубопроводу в водораспределительную систему 3 с форсунками 7, размещенными в верхней части оросительного устройства 4 градирни.

Вода охлаждается встречным потоком воздуха, поступающего противотоком снизу, и цикл тепломассообменного процесса повторяется. На участке между фильтром 19 и вентилем 17 установлена система контроля гидравлического сопротивления фильтра 19, состоящая из манометра 16 и вентиля 15.

Оросительное устройство градирни (фиг.2) выполнено в виде модуля из слоев 22 полимерных ячеистых труб 23. Трубы ориентированы во всех слоях 22 параллельно друг другу и сварены по торцам 24 модуля между собой в местах 24 соприкосновения. Полости каждой из труб и межтрубное пространство заполнено полыми полимерными шарами 26, причем диаметр шаров на 5÷10% больше максимального размера ячейки труб 23.

Выполнение градирни таким образом позволяет придать торцам модуля свойства диафрагм жесткости. Это дает возможность избежать просадки слоев оросителя, т.е. обеспечить при монтаже и сохранить в процессе эксплуатации оптимальную геометрию изогнутых ячеистых поверхностей труб для создания по всему объему оросителя тонкой водяной пленки без каплеобразования. Так достигается равномерность тепломассообмена и, следовательно, повышается охлаждающая способность оросителя и снижается его материалоемкость. Дополнительную жесткость конструкции придает заполнение труб и межтрубного пространства полыми полимерными шарами 26.

При этом для увеличения жесткости конструкции трубы в смежных слоях могут быть размещены в шахматном порядке относительно друг друга.

Ячеистые полимерные трубы 23 получают методом экструзии, нарезают на секции, длина которых соответствует длине боковой стороны модуля, и укладывают в кондуктор, соблюдая необходимое направление укладки, т.е. располагая трубы 23 параллельно друг другу. После накопления в кондукторе необходимого количества труб 23 к их торцам подводят нагревательные элементы и сваривают их между собой в местах 25 соприкосновения. За счет этого по торцам 24 модуля оросителя образуются диафрагмы жесткости, позволяющие ему в процессе эксплуатации сохранить исходную оптимальную геометрию своих элементов. Дополнительную жесткость конструкции придает более плотная укладка труб в шахматном порядке в смежных слоях.

Эвольвентные сопла (фиг.3) изготавливаются из специально подобранного ударопрочного материала. Температура эксплуатации -50…+80°С. Максимальное рабочее давление воды перед соплом 1,0 кг/см². Входное отверстие эвольвентного сопла ⌀ 76 мм, выходное - ⌀ 40 мм. Выходное отверстие имеет обрамление в виде гребешкового рассекателя, создающего равномерное распределение воды в факеле разбрызгивания. Конструкция сопл и их горизонтальная установка по оси трубопроводов позволяют им устойчиво работать независимо от степени загрязнения циркуляционных систем. Компоновочные решения расположения сопл имеют существенные отличия от других типов сопл и позволяют в максимальной степени использовать поверхность оросительных устройств. Выходное отверстие в виде гребешкового рассекателя обеспечивает равномерное распределение воды в факеле разбрызгивания. Устойчивая работа в широком диапазоне изменения гидравлических нагрузок.

Сопло с перфорированным рассекателем (фиг.4) обеспечивает расход от:

входного патрубка, в верхней части которого имеется участок с резьбой для подключения к водораспределительной системе;

сменной конусной насадки любого переменного диаметра;

чашечного отражателя с рассеивающими отверстиями, соединенного с патрубком при помощи трех высокопрочных жестких ребер.

Диаметр подбирается индивидуально под конкретную градирню и ее расход. Вода из водораспределительной системы попадает в патрубок и, ударяясь о чашечный отражатель, создает развитый факел разбрызгивания. Диаметр факела регулируется давлением и количеством воды, подводимой к соплу. Сопло может устанавливаться выходным отверстием вверх или вниз. Сопла устанавливаются в трубопроводы из пластмассы и металла. Пропуск потока воды через сопло по прямому каналу без поворотов исключает засорение сопла примесями оборотной воды. Отсутствие гидравлического сопротивления способствует эффективному разбрызгиванию в большом диапазоне производительности. Равномерность орошения по сечению градирни.

Имеет сменную внутреннюю насадку, обеспечивающую маневренное управление расходом и давлением воды. Сменная насадка при постоянной резьбовой части позволяет устанавливать сопло во все типы градирни.

Сопло каскадного типа (фиг.5). По принципу действия сопла относятся к ударным низконапорным разбрызгивающим устройствам с рабочим напором от 2 м вод. ст. и выше, считая от среза выходного отверстия сопла. Диаметр выходного сопла - 38 мм; производительность - до 10 м³/час. Конструкция сопла позволяет избежать образования неорошаемых зон в факеле распыла и получить мелкодисперсное разбрызгивание воды, а прямоточная форма сопла значительно уменьшает вероятность его забивания примесями, содержащимися в воде.

Комбинированная градирня с системой оборотного водоснабжения работает следующим образом.

Вытяжная башня (корпус вентилятора) 1 обеспечивает тягу воздуха, который поступает в комбинированную градирню через воздуховходные окна 5. Попадая в область, занятую оросительным устройством 4, воздушный поток выравнивает свое скоростное поле, и здесь происходит активный теплосъем. Далее воздух направляется через водораспределительную систему 3, снабженную разбрызгивающими форсунками 7, водоуловительное устройство 2 и выбрасывается в атмосферу. Через водораспределительную систему 3 осуществляется подача горячей циркуляционной воды, которая разбрызгивается направленными выходным отверстием вверх разбрызгивающими форсунками 7 в поток поступающего снизу охлажденного в оросительном устройстве 4 воздуха. Здесь происходит охлаждение горячей циркуляционной воды, причем тем интенсивнее, чем больше напор воды на разбрызгивающие форсунки 7. Напор воды, охлаждаемой перед разбрызгивающей форсункой 7, находится в диапазоне 0,2÷1,0 атм. Отсюда упомянутое выше ограничение высотной отметки размещения разбрызгивающих форсунок 7 заключается в обеспечении возможно большего напора охлаждаемой воды на них, чем создается активная область мелкофракционного капельного потока.

Эффект охлаждения в градирне достигают за счет испарения 1% циркулирующей через градирню воды, которая разбрызгивается форсунками 7 и в виде пленки стекает в бак через сложную систему каналов оросителя навстречу потоку охлаждающего воздуха, нагнетаемого вентиляторами (на чертеже не показано). Эффективный каплеотделитель 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.

Одним из важных моментов для наиболее эффективного использования градирен в водооборотной системе является оптимальный выбор схемы гидравлических контуров подключения. Схемы гидравлических контуров могут различаться в зависимости от количества градирен, используемых в одном контуре, а также от характера потребителя. Диапазон регулирования производительности градирни определяется характером потребителя. В области промышленного строительства, особенно когда расход воды, циркулирующий через охладитель потребителя заметно меньше расхода воды, циркулирующего через градирни, применяется схема, приведенная на чертеже. Здесь обратная вода, поступающая от потребителей 21, отстаивается в накопительных (емкостях) баках 8 и 9, объем которых рассчитывается примерно на 5-10 минут работы установки. Из бака 9 насос 18 (насосы) контура приготовления рабочей жидкости откачивает воду на оросительное устройство 4 испарительной градирни. Из градирни охлажденная вода поступает в аналогичную ванну (бак). Основная отличительная черта такой схемы - гидравлическая независимость контуров приготовления рабочей воды и потребления, обеспечиваемая наличием компенсационной трубы между емкостями (баками). Может использоваться также и одна емкость с перегородкой, обеспечивающей перелив между ее частями. Вследствие этого совершенно не обязательно постоянно регулировать мощность градирен в соответствии с требованиями пользователя. Вентиляторы градирен могут работать в режиме просто "Вкл/Выкл". Кроме этого, каждая такая градирня работает всегда с полной нагрузкой и обеспечивает максимально возможное охлаждение воды для данных погодных условий. Обе схемы не чувствительны к заморозкам, поскольку градирни полностью дренируются в накопительные емкости, устанавливаемые в помещении, либо расположенные под землей.

Благодаря наличию этих признаков происходит создание развитого капельного потока, состоящего из мелкофракционных капель. Его охлаждающая способность в области факела разбрызгивания идентична тепло- и массоотдаче в оросительном устройстве. Формирование капельного потока происходит за счет разбрызгивающих форсунок эвольвентного типа, ориентированных выходным сечением вверх. Благодаря эффекту эжекции воздушный поток, выходящий из оросительного устройства, ускоряется. При достижении вертикальной скорости капельного потока нулевого значения капли устремляются вниз, где создают аэродинамическое сопротивление встречному потоку воздуха весьма малых величин. Отсюда область капельного потока оказывается нейтральной по аэродинамическим характеристикам и активной по тепло- и массообменным параметрам.

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. 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.

Предлагаемая комбинированная градирня увеличивает глубину охлаждения циркуляционной воды на 2÷4°С в сравнении с уровнем охлаждения традиционных градирен с пленочным или капельно-пленочным оросительным устройством, что практически приближает эту градирню по эффективности охлаждения циркуляционной воды к градирням вентиляторного типа. В случае, если более глубокое охлаждение воды для конкретной электростанции не представляется необходимым, то за счет выполнения комбинированной области тепло- и массообмена в градирне можно на 20÷30% увеличить единичную производительность градирен башенного или вентиляторного типов. Реализация предлагаемого изобретения не связана с капитальными дополнительными вложениями к смете на возведение новой или реконструкции действующей градирни.

Оросительное устройство градирни работает следующим образом.

Вода, разбрызгиваемая форсунками, поступает на ороситель и стекает тонкой пленкой без каплеобразования по его элементам. При этом происходит равномерный тепломассообмен по всему объему оросителя, а следовательно, повышается охлаждающая способность оросителя и снижается материалоемкость.