Результат интеллектуальной деятельности: ВЕНТИЛЯТОРНАЯ ГРАДИРНЯ

Изобретение относится к теплоэнергетике, может быть использовано для охлаждения оборотной воды.

Известна вентиляторная градирня (см. патент РФ №2411437, МПК F28C 1/100, 2010), содержащая вытяжную башню с воздуховходными окнами по периметру ее нижней части, водоуловитель, водораспределительную систему с суживающимися соплами и расположенную симметрично относительно продольной оси башни, ороситель и бассейн, разделенный на секции перегородками, каждая из которых выполнена из биметалла зигзагообразно с образованием в секции чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров, а водораспределительная система выполнена попарно расположенными суживающимися соплами и на внутренней поверхности каждой из пары сопел выполнены продольно расположенные от большего основания к меньшему криволинейные канавки, при этом в первой из пары сопел направляющая криволинейной канавки имеет направление по ходу часовой стрелки, а во второй направляющая криволинейной канавки имеет направление против движения часовой стрелки.

Недостатком являются непроизводительные энергозатраты, обусловленные работой вентилятора в вытяжной башне с постоянной мощностью привода в изменяющихся погодно-климатических условиях и соответственно температурных режимах атмосферного воздуха, когда при изменяющейся плотности потока, поступающего в вентилятор, изменяется его массовая производительность, приводя к существенному отклонению от нормировано необходимой, особенно при отрицательных температурах окружающей среды.

Известна вентиляторная градирня (см. патент РФ №2500964, МПК F28C 1/00. Опубл. 10.12.2013, Бюл. №34), содержащая вытяжную башню с воздуховходными окнами по периметру ее нижней части, водоуловитель, водораспределительную систему с суживающимися соплами и расположенную симметрично относительно продольной оси башни, ороситель и бассейн, разделенный на секции перегородками, каждая из которых выполнена из биметалла зигзагообразно с образованием в секции чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров, а водораспределительная система выполнена попарно расположенными суживающимися соплами и на внутренней поверхности каждой из пары сопел выполнены продольно расположенные от большего основания к меньшему криволинейные канавки, при этом в первой из пары сопел направляющая криволинейной канавки имеет направление по ходу часовой стрелки, а во второй направляющая криволинейной канавки имеет направление против движения часовой стрелки, кроме того, вытяжная башня снабжена вентилятором, расположенным в ее верхней части, регулятором температуры с датчиком температуры атмосферного воздуха, при этом регулятор температуры своим выходом соединен с регулятором скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт, и регулятор температуры содержит блок сравнения и блок задания, причем блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, и выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, который на выходе подключен к регулятору скорости вращения.

Недостатком является возрастающая энергоемкость при длительной эксплуатации вытяжной башни, обусловленная работой в условиях тепловлажностных воздействий, когда наблюдается интенсивное разрушение как нижнего поверхностного слоя лопастей вентилятора из-за коррозии, возникающей при контакте с воздухом, насыщенным капле- и парообразной влагой и выбрасываемым из градирни, так и верхнего поверхностного слоя при наличии локальной кавитации, испаряющейся капельной влаги под воздействием разряжения, образующегося в месте соединения конфузора с диффузором вытяжного устройства (см., например, стр.309, Исаченко В.П. и др. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с., ил.).

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат, связанных с ненормированными демонтажными работами по замене вентилятора с лопастями, разрушаемыми коррозией и кавитацией в условиях тепловлажностного воздействия воздуха, выбрасываемого из вытяжной башни, что достигается путем нанесения на нижнюю и верхнюю поверхности каждой из лопастей вентилятора наноматериала в виде стеклообразной пленки, причем нанопокрытие выполнено ресурсосберегающим с уменьшающейся толщиной от основания лопасти к переферии.

Технический результат по снижению энергозатрат достигается тем, что вентиляторная градирня содержит вытяжную башню с воздуховходными окнами по периметру ее нижней части, водоуловитель, водораспределительную систему с суживающимися соплами и расположенную симметрично относительно продольной оси башни, ороситель и бассейн, разделенный на секции перегородками, каждая из которых выполнена из биметалла зигзагообразно с образованием в секции чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров, а водораспределительная система выполнена попарно расположенными суживающимися соплами и на внутренней поверхности каждой из пары сопел выполнены продольно расположенные от большего основания к меньшему криволинейные канавки, при этом в первой из пары сопел направляющая криволинейной канавки имеет направление по ходу часовой стрелки, а во второй направляющая криволинейной канавки имеет направление против движения часовой стрелки, причем вытяжная башня снабжена вентилятором, расположенным в ее верхней части, регулятором температуры с датчиком температуры атмосферного воздуха, кроме того, регулятор температуры своим выходом соединен с регулятором скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт, и регулятор температуры содержит блок сравнения и блок задания, причем блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, и выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, который на выходе подключен к регулятору скорости вращения, при этом на нижнюю и верхнюю поверхности каждой лопасти вентилятора нанесен наноматериал в виде стеклоподобной пленки, причем нанопокрытие выполнено ресурсосберегающим с уменьшающейся толщиной от основания лопасти к периферии.

На фиг.1 показан общий вид вентиляторной градирни, на фиг. 2 - разрез корпуса бассейна, на фиг. 3 - внутренняя поверхность суживающегося сопла с продольно расположенными канавками, направляющая которых имеет направление по ходу часовой стрелки, на фиг. 4 - внутренняя поверхность суживающегося сопла с продольно расположенными канавками, направляющая которых имеет направление против часовой стрелки, на фиг. 5 - разрез лопасти вентилятора с наноматериалом в виде стеклоподобной пленки.

Вентиляторная градирня содержит корпус 1 с воздуховходные окнами и водосборным бассейном 2, над которым установлены ороситель 3, водораспределительная система 4, водоуловитель 5. На верхней части корпуса 1 закреплены вытяжное устройство, включающее конфузатор 6 с вентилятором 7, концевой конфузорный канал 8 с устройством регулирования подачи ветрового потока атмосферного воздуха и диффузор 9, за вентилятором 7 жестко укреплены профильные пластины 10, а на внутренней поверхности от входа к выходу диффузора 9 расположены ребра 11, соединенные с кольцевой канавкой 12 и внешней поверхностью конической обечайки 13. Ороситель 3 имеет не менее двух секций из волнообразных пластин 14, водораспределительная система 4 состоит из подводящего коллектора 15 и водораспределителя 16, включающего асимметрично укрепленную трубу 17, относительно корпуса 1, на котором распределены суживающиеся сопла 18 с встроенными в них завихрителями 19.

Водосборный бассейн 2 включает корпус 1, в котором установлены секционные перегородки 20, выполненные зигзагообразными, и образует в каждой секции 21 диффузоры 22 и конфузоры 23, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке.

Водораспределительная система 4 с суживающимися соплами 18 выполнена в виде попарно расположенных суживающихся сопел 24 и 25, при этом на внутренней поверхности 26 суживающегося сопла 24 выполнены продольно расположенные от большего основания 27 к меньшему основанию 28 криволинейные канавки 29, причем направляющая криволинейной канавки 29 имеет направление по ходу часовой стрелки, а на внутренней поверхности 30 суживающегося сопла 25 выполнены продольно расположенные от большего основания 31 к меньшему основанию 32 криволинейные канавки 33 и направляющая криволинейной канавки 33 имеет направление против хода часовой стрелки. Вытяжная башня снабжена вентилятором 7, расположенным в ее верхней части, регулятором скорости вращения 34 привода 35 и регулятором температуры 36, своим выходом соединенным с регулятором скорости вращения 34 в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а регулятор температуры 36 содержит блок сравнения 38 и блок задания 39. Блок сравнения соединен с входом электронного усилителя 40, оборудованного блоком нелинейной обратной связи 41, и выход электронного усилителя 40 соединен с входом магнитного усилителя 42 с выпрямителем, который на выходе подключен к регулятору скорости вращения 34. На верхнюю 43 и нижнюю 44 поверхности каждой лопасти 45 вентилятора 7 нанесен наноматериал 46 в виде стеклоподобной пленки, причем нанопокрытие выполнено ресурсосберегающим с уменьшающейся толщиной от основания 47 лопасти 45 к периферии 48.

Вентиляторная градирня работает следующим образом.

При работе вентилятора 7 поток воздуха, насыщенного паром и каплеобразной влагой, не отделенной в водоотделителе 5, закручивается и после контакта с лопастями 45 проходит профильные пластины 10 и далее через диффузор 9 выбрасывается в атмосферу. В процессе контакта воздуха, насыщенного влагой, с лопастями 45 вентилятора 7 на нижней 44 поверхности оседают мелкодисперсные частицы воды, которые перемещаются под действием центростремительных сил от основания 47 лопасти 45 к периферии 48, сталкиваясь друг с другом, коагулируют и конденсируют пары влаги, интенсифицируя процесс коррозии материала лопасти 45. Одновременно из потока воздуха, насыщенного влагой, при перемещении по профильным пластинам 10 осаждается масса мелкодисперсной воды на верхнюю 43 поверхность лопасти 45 и под действием резкого расширения потока в диффузоре 9 частично испаряется в связи со снижением давления до значений давления насыщенного пара при данной температуре (эффект Джоуле-Томсона, см., например, стр.199. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высш. школа, 1980. - 469 с., ил). В результате пузырьки пара, соприкасаясь с верхней 43 поверхностью лопасти 45, сжимаются до высоких давлений и быстро распадаются, приводя к разрушению лопасти 45, т.е. наблюдается явление локальной кавитации.

Для снижения разрушающего действия коррозии и кавитации на лопасти 45 вентилятора 7 наносится на нижнюю 44 и верхнюю 43 поверхности наноматериал 46 с образованием стеклоподобной пленки (см., например, Киш Л. Кинетика электрохимического растворения металлов. М.: Мир, 1990. - 272 с., ил.). При этом нанопокрытие выполнено ресурсосберегающим, т.е. с уменьшающейся толщиной от основания 47 к периферии 48 лопасти 45. Данное нанесение наноматериала 46 не только позволяет уменьшить расход энергии и материала в процессе покрытия, но и обеспечивает улучшение гидравлического перемещения конденсирующихся и мелкодисперсных частиц влаги под действием как центробежных, так и сил тяжести по профилю поверхностей 43 и 44 лопасти 45.

При этом случае при работе вентилятора 7 мелкодисперсная капельная влага при контакте с нижней 44 поверхностью лопасти 45 лишь частично залипает на ней и стремительно перемещается от утолщенного наноматериалом 46 основания 47 к периферии 48, минимизируя процесс коагуляции и соответственно не осуществляя конденсацию парообразной составляющей закрученного воздушного потока. В результате практически устраняется коррозийное воздействие на нижнюю 44 поверхность лопасти 45 вентилятора 7. Аналогичным образом, на верхней 43 поверхности мелкодисперсные частицы влаги из-за малых сил сцепления со стеклоподобнойной пленкой наноматериала 46 не залипают, а под действием центробежных сил и сил тяжести перемещаются от утолщенного основания 47 к периферии 48, не подвергая кавитационному воздействию лопасти 45 вентилятора 7.

При работе вентилятора 7 поток воздуха в вытяжной башне после водоуловителя 5 закручивается, концентрируя мелкодисперсные капли воды в центре корпуса 1. Тогда толщина нанесения наноматериала 46 на поверхности 43 и 44 лопасти 45 определяется из того, что наибольшая масса мелкодисперсных частиц воды контактирует с нижней 44 поверхностью ближе к основанию 47 лопасти 45, а меньшая часть мелкодисперсной массы воды контактирует с периферией 48. В результате, при нанесении наноматериала с различной толщиной обеспечивается надежность работы лопастей 45 вентилятора 7 и ресурсосбережение как энергии процесса, так и наноматериала.

Уменьшение температуры атмосферного воздуха ниже нормированной (например, 20°С) фиксируется датчиком температуры 37 атмосферного воздуха. При этом, как известно, плотность всасываемого в вентилятор атмосферного воздуха возрастает и увеличивается массовая производительность, т.е. наблюдается излишество количества воздуха, поступающего в воздуховходные окна, по сравнению с нормировано необходимым, что и приводит к ненужным энергозатратам на привод вентилятора.

Сигнал, поступающий с датчика температуры 37, становится большим, чем сигнал блока задания 39, и на выходе блока сравнения 38 появится сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 40 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 41. За счет этого в электронном усилителе 40 компенсируется нелинейность характеристики привода 35 вентилятора 7. Сигнал с выхода электронного усилителя 40 поступает на вход магнитного усилителя 42, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 34 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 40 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 42. В результате снижается момент от привода 35 вентилятора 7, передаваемый на регулятор скорости 36 в виде блока порошковых электромагнитных муфт, и поступление атмосферного воздуха через воздуховпускные окна в нижнюю часть корпуса 1 вытяжной башни, достигая значений нормировано необходимых для процесса охлаждения оборотной воды, со снижением энергозатрат на привод 35 вентилятора 7.

Увеличение температуры атмосферного воздуха выше нормированной (например, 20°С) приводит к уменьшению его плотности и соответственно массовой производительности вентилятора 7 при постоянной скорости вращения привода 35, что ухудшает тепломассообменный процесс охлаждения оборотной воды. Для устранения данного явления также применяется система автоматизированного контроля. В этом случае сигнал, поступающий с датчика температуры 37, становится меньшим, чем сигнал блока задания 39, и на входе блока сравнения 38 появится сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 40 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной оборотной связи 41. Сигнал с выхода электронного усилителя 40 поступает на вход магнитного усилителя 42, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 34 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Положительная полярность сигнала электронного усилителя 40 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 42. В результате увеличивается момент от привода 35 вентилятора, 7 передаваемый на регулятор скорости вращения 36 в виде блока порошковых электромагнитных муфт, и поступление атмосферного воздуха через воздуховходные окна в нижнюю часть корпуса 1 вытяжной башни, достигая значений нормировано-необходимых для процесса охлаждения оборотной воды.

Горячая вода подается из коллектора 15 в водораспределитель 16 через асимметрично укрепленную трубу 17 относительно корпуса 1 в суживающиеся сопла 18. Размещение суживающихся сопел 18 попарно, таким образом, что, например, на внутренней поверхности 26 суживающегося сопла 24 выполнены криволинейные канавки 29, направляющая которых имеет направление по ходу часовой стрелки, а на внутренней поверхности 30 суживающегося сопла 25 выполнены криволинейные канавки 33, направляющая которых имеет направление против хода часовой стрелки, приводит к следующему: поток горячей воды, перемещаясь от большего основания 27 суживающегося сопла 24 по криволинейным канавкам 29, расположенным на внутренней поверхности 26, закручивается по ходу часовой стрелки и после завихрителя 19 в виде микрозавихрения выбрасывается в полость корпуса 1 между оросителем 3 и водоуловителем 5.

Одновременно поток горячей воды, перемещающийся от большего основания 3 суживающегося сопла 25 по криволинейным канавкам 33, расположенным на внутренней поверхности 30, закручивается против хода часовой стрелки и после соответствующего завихрителя 19 в виде микрозавихрения выбрасывается также в полость корпуса 1 между оросителем 3 и водоуловителем 5. Попарное расположение суживающихся сопел 24 и 25 приводит к тому, что два вращающихся в противоположные направления микрозавихрения сталкиваются, образуя микровзрывы (см., например, А.П. Меркулов. Вихревой эффект и его применение в промышленности. Куйбышев. 1969, 348 с.) с интенсивным перемешиванием капелек горячей воды, что резко интенсифицирует тепломассообменный процесс охлаждаемой воды с воздухом, выходящим из оросителя 3.

Под действием гидродинамических свойств, преимущественно, каплеобразная масса остывающей горячей воды фонтанирует на оросителе 3 и стекает по волнообразным пластинам 14 первой секции в виде полосок пленки и капель, контактируя с проходящим потоком воздуха. После первой секции воды дождеванием переходит на вторую секцию, где циклично повторяется теплообменный процесс первой секции, т.е. осуществляется пленочно-капельный эффект. Со второй секции вода поступает в водосборный бассейн 2. При этом атмосферный воздух поступает в корпус 1 через воздуховпускные окна и охлаждает горячую воду, после чего насыщенный парами и каплями поступает в водоуловитель 5, где очищается от воды, и вентилятор 4 осуществляет отсос воздуха из корпуса 1.

В водосборном бассейне 2 секции 21 расположены таким образом, что обеспечивается равномерная эпюра скоростей водяного потока в поперечном сечении корпуса бассейна 2, поддерживаемая за счет «живого» сечения входных отверстий диффузоров 22 и конфузоров 23. Охлажденный поток воды с оптимальной эпюрой скоростей, обеспечивающей рациональный контакт воды с зигзагообразными секционными перегородками 20, поступает в секции 21 и, проходя последовательно участки диффузоров 22 и конфузоров 23, непрерывно меняет свою скорость, что приводит к турбулизации потока и повышению теплообмена, а также к перераспределению в секциях 21 давления движущегося потока воды. Это выравнивает гидравлическое сопротивление воды в секциях 21 приводит к равномерному смыванию водой всего объема водосборного бассейна 2.

Кроме того, шахматное расположение диффузоров 22 и конфузоров 23 в каждой секции 21 относительно соседней секции приводит к тому, что поверхности секционных перегородок 20 одновременно находятся под различным скоростным воздействием потока движущейся воды (с одной стороны перегородку 20 омывает поток, движущийся в диффузоре, с другой омывает поток, движущийся в конфузоре). В результате на данный элемент секционной перегородки 20 действует разность температур (температурный напор) посекционно разделенного потока охлажденной воды. Выполнение секционных перегородок 20 из биметалла приводит в данных условиях воздействия температурного напора к возникновению продольных колебаний термовибрации, что создает дополнительную турбулизацию непосредственно в поперечном слое секционных перегородок 20, значительно повышая тепломассообменные процессы дальнейшего поэтапного охлаждения воды в бассейне 2. Все это в конечном итоге и обеспечивает эффективную работу вентиляторной градирни даже при незначительном перепаде температур между атмосферным воздухом и охлаждаемой водой.

Оригинальность конструктивного решения заключается в том, что поддержание нормированных энергозатрат при длительной эксплуатации путем устранения необходимости демонтажных работ по замене вентилятора из-за разрушения его лопастей под воздействием коррозии и кавитации достигается за счет покрытия нижней и верхней поверхности лопастей наноматериалом с образованиям стеклоподобной пленки и обеспечением ресурсосберегающего выполнения уменьшающейся толщины наноматериала от основания лопасти к периферии.