Система оборотного водоснабжения
SYSTEM OF RECYCLING WATER SUPPLY

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к системам оборотного водоснабжения промышленных предприятий.
Известна система оборотного водоснабжения (см. патент РФ №2425314, МПК F28С 1/108, 2011. Бюл. №21) содержащая теплообменники, подключаемые к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к обратной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключенной к сборнику загрязнений, при этом охладитель включает вертикальный корпус, боковые стенки которого и установленные в нем секционные перегородки выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке, кроме того, регулятор расхода снабжен задвижкой с приводом регулятора скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а на прямой магистрали воды установлен датчик температуры, подключенный к регулятору температуры, который содержит блок сравнения и блок задания, причем блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, кроме того, выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, выход которого подключен к регулятору скорости привода задвижки, при этом перегородки дуффузоров и конфузоров выполнены из биметалла, причем внутренний материал диффузоров имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности внутреннего материала конфузоров.
Недостатком является энергоемкость, обусловленная необходимостью использования дополнительной электроэнергии для питания систем автоматизированного контроля температуры воды в прямой магистрали и регулятора скорости вращения с электронной схемы управления.
Известна система оборотного водоснабжения (см. патент РФ №2482409, МПК F28С 1/00, Опуб. 20.05.2013,  Бюл. № 14),  содержащая теплообменники, подключаемые к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к обратной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключенной к сборнику загрязнений, при этом охладитель включает вертикальный корпус, боковые стенки которого и установленные в нем секционные перегородки выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке, кроме того, регулятор расхода снабжен задвижкой с приводом регулятора скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а на прямой магистрали воды установлен датчик температуры, подключенный к регулятору температуры, который содержит блок сравнения и блок задания, причем блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, кроме того, выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, выход которого подключен к регулятору скорости привода задвижки, при этом перегородки дуффузоров и конфузоров выполнены из биметалла, причем внутренний материал диффузоров имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности внутреннего материала конфузоров, при этом теплообменники снабжены термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса с двумя проходными каналами для горячей и охлажденной воды и комплектом дифференциальных термопар, «горячие» концы которых расположены внутри проходного канала для горячей воды, а их «холодные» концы расположены в проходном канале для охлажденной воды; причем вход проходного канала для горячей воды соединен через трехходовой клапан с обратной магистралью перед бассейном-теплообменником, а его выход соединен с обратной магистралью перед бассейном-смесителем, кроме того, вход проходного канала для охлажденной воды соединен с прямой напорной магистралью перед регулятором давления, а его выход соединен через трехходовой клапан с бассейном-смесителем.
Недостатком является снижение эффективности системы оборотного водоснабжения, особенно при длительной эксплуатации, из-за уменьшения термоЭДС, используемого в качестве напряжения в схемах автоматизированного контроля и регулирования как расхода, так и температуры теплоносителя, вследствие рассеивания энергетического потенциала по длине проходных каналов для горячей и охлажденной воды корпуса термоэлектрического генератора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание энергосберегающих параметров системы оборотного водоснабжения при длительной эксплуатации за счет обеспечения нормированных значений термоЭДС, вырабатываемого как напряжение для питания схем автоматизированного контроля и регулирования, путем устранения рассеивания энергетического потенциала в движущемся теплоносителе по длине проходных каналов для горячей и охлажденной воды корпуса термоэлектрического генератора, вследствие покрытия «холодных» и «горячих» концов комплекта дифференциальных термопар термоэлектрического генератора диэлектриком из оксида тантала в виде наноподобной стеклообразной пленки.
Технический результат достигается тем, что система оборотного водоснабжения содержит теплообменники, подключаемые прямой и обратной магистралями воды к бассейну-смесителю, снабженному охладителем, подключенным к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к обратной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключена к сборнику загрязнений, при этом охладитель включает вертикальный корпус, боковые стенки которого и установленные в нем  секционные перегородки выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке, кроме того, регулятор расхода снабжен задвижкой с приводом регулятора скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а на прямой магистрали воды установлен датчик температуры, подключенный к регулятору температуры, который содержит блок сравнения и блок задания, при этом блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, кроме того, выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, выход которого подключен к регулятору скорости привода задвижки, причем перегородки диффузоров и конфузоров выполнены из биметалла, при этом внутренний материал диффузоров имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности внутреннего материала конфузоров, при этом теплообменники снабжены термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса с двумя проходными каналами для горячей и охлажденной воды и комплектом дифференциальных термопар, «горячие» концы которых расположены внутри проходного канала для горячей воды, а их «холодные» концы расположены в проходном канале для охлажденной воды; причем вход проходного канала для горячей воды соединен через трехходовой клапан с обратной магистралью перед бассейном-теплообменником, а его выход соединен с обратной магистралью перед бассейном-смесителем, кроме того, вход проходного канала для охлажденной воды соединен с прямой напорной магистралью перед регулятором давления, а его выход соединен через трехходовой клапан с бассейном-смесителем, при этом наружная поверхность каждого из теплообменников покрыта тонковолокнистым базальтовым материалом, выполненным в виде витых пучков продольно вытянутых от прямой магистрали перед теплообменниками до обратной магистрали после теплообменника, при этом «горячие» и «холодные» концы комплекта дифференциальных термопар в проходных каналах для горячей и охлажденной воды корпуса термоэлектрического генератора покрыты диэлектриком из оксида тантала в виде наноподобной стеклообразной пленки.
На фиг.1 схематически изображена система оборотного водоснабжения, на фиг. 2 – общий вид корпуса охладителя с диффузорами и конфузорами из биметалла, а на фиг. 3 – разрез проходных каналов для горячей и охлажденной воды корпуса термоэлектрического генератора с «горячими» и «холодными» концами комплекта дифференциальных термопар, покрытых диэлектриком из оксида тантала.
Система оборотного водоснабжения состоит из теплообменников 1, подключенных к прямой напорной 2 и обратной 3 магистралями к водосборному бассейну-смесителю 4 с охладителем 5, над которым установлен ороситель 6. Прямая магистраль 2 с датчиком температуры 7 через задвижку 8, регулятор расхода 9 соединительным трубопроводом 10 с установленным эжектором 11 соединена с оросителем 6. Камера смешивания 12 эжектора 11 всасывающим трубопроводом 13 через регулятор 14 соединена с обратной магистралью воды 3, на которой перед бассейном-смесителем 4 установлен регулятор давления 15. На прямой магистрали 2 установлен насос 16 и охладитель 5 при максимальной его подаче на теплообменники 1 обеспечивает оптимальную всасывающую способность эжектора 11, которая регулируется регулятором давления 17. Вдоль сопловой части 18 от меньшего сечения к большему выполнены канавки 19, соединенные в большем сечении сопловой части 18 эжектора 11 с кольцевой канавкой 20, которая подключена к сборнику загрязнений 21 в своей нижней части.
Охладитель 5 включает корпус, боковые стенки 22 которого и установленные в нем секционные перегородки 23 выполнены зигзагообраными и образуют в каждой секции 24 диффузоры 25 и конфузоры 26, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке. Перегородки 23 каждой секции 24 диффузоров 25 и конфузоров 26 выполнены из биметалла, при этом внутренняя поверхность диффузоров 25 выполнена из материала 27 с коэффициентом теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала 28 внутренней поверхности конфузоров 26.
Регулятор расхода 9 снабжен задвижкой 8 с приводом 29 регулятора скорости 30 в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а на прямой напорной 2 магистрали воды установлен датчик температуры 7, подключенный к регулятору температуры 31, который содержит блок сравнения 32 и блок задания 33, причем блок сравнения 32 соединен с входом электронного усилителя 34, оборудованного блоком нелинейной обратной связи  35, кроме того, выход электронного усилителя 34 соединен с входом магнитного усилителя 36 с выпрямителем, который подключен к регулятору скорости 30 в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода 29 задвижки 8.
Теплообменники 1 снабжены термоэлектрическим генератором 37, выполненным в виде корпуса 38 с проходным каналом для горячей воды 39 и с проходным каналом 40 для охлажденной воды и комплектом дифференциальных термопар 41. «Горячие» концы 42 комплекта дифференциальных термопар 41 расположены внутри проходного канала для горячей воды 39, а их «холодные» концы 43 расположены внутри проходного канала 40 для охлажденной воды. Вход 44 проходного канала для горячей воды 39 через трехходовой клапан 45 соединен с обратной магистралью 3 после теплообменников 1, а его выход 46 соединен с обратной магистралью 3 перед бассейном-смесителем 4. Вход 47 проходного канала 40 для охлажденной воды соединен с прямой магистралью 2 перед регулятором давления 17, а его выход 48 соединен через трехходовой клапан 49 с бассейном-смесителем 4. Наружная поверхность 50 каждого из теплообменников 1 покрыта тонковолокнистым базальтовым материалом 51, выполненным в виде витых пучков 52, продольно  вытянутых от прямой напорной магистрали 2 перед теплообменниками 1 до обратной магистрали 3 после теплообменников 1. «Горячие» 42 и «холодные» 43 концы комплекта дифференциальных термопар 41 в проходном канале 39 для горячей воды и в проходном канале 40 для охлажденной воды корпуса 38 термоэлектрического генератора 37 расположены на внутренних поверхностях 53 и 54 и покрыты диэлектриком соответственно 55 и 56 из оксида тантала в виде наноподобной стеклообразной пленки.
Система оборотного водоснабжения работает следующим образом.
По мере перемещения горячей воды в проходном канале 39, от его входа 44 до выхода 46 на внутренней поверхности 53, где расположены «горячие» концы 42 комплекта дифференциальных термопар 41, образуется пленка жидкости, а как известно, вода является проводником электрического поля, то энергетический потенциал «горячих» концов 42 рассеивается по длине проходного канала 39. Одновременно, по мере перемещения охлажденной воды в проходном канале 40 от входа 47 к выходу 48 на внутренней поверхности 54, где расположены «холодные» концы 43 комплекта дифференциальных термопар 41, также образуется пленка жидкости и энергетический потенциал «холодных» концов 43 рассеивается по длине проходного канала 40. В результате рассеивание энергетического потенциала в проходных каналах 39 и 40 приводит к падению вырабатываемого термоэлектрическим генератором 37 термоЭДС, являющимся источником напряжения схем автоматизированного контроля расхода и температуры теплоносителей, как следствие, наблюдается снижение эффективности работы системы оборотного водоснабжения.
При покрытии «горячих» 42 и «холодных» 43 концов комплекта дифференциальных термопар 41 оксидом тантала, являющимся диэлектриком (см., например, Химическая энциклопедия. – Т4.- М.: Советская энциклопедия, 1995. – С. 496, ил.), потоки горячей и охлажденной воды контактируют соответственно с диэлектриком 55 и 56, обладающим высокой теплопроводностью, что приводит как к устранению процесса рассеивания энергетического потенциала, так и к обеспечению получения нормированных значений термоЭДС, вырабатываемого термоэлектрическим генератором 37.
Кроме того, покрытие внутренних поверхностей  53 и 54 проходных каналов 39 и 40, где расположены «горячие» 42 и «холодные» 43 концы комплекта дифференциальных термопар 41, диэлектриком 55 и 56 из оксида тантала в виде наноподобной стеклообразной пленки, обеспечивающей защиту от коррозийного разрушения материала корпуса 38. Это обусловлено тем, что слои теплоносителя в зоне контакта с поверхностями 53 и 54 скользят по диэлектрикам 55 и 56 из оксида тантала без оказания коррозионного воздействия (см., например, Литвинова В.А., Саврук Е.Н. Наноразмерные пленки оксида тантала, полученные ионно-плазменным методом //Сборник трудов региональной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике» - Томск: ТСХИ НГАУ – Вып. 12 – 2010 – С.299-301).
Температура внутри помещения, где размещены теплообменники 1, находится в пределах 16-22°С (см., например, СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» Строительная теплофизика. М.: ЦНТП Госстрой РФ. 1996-36 с.), что значительно ниже температуры охлажденной воды, поступающей с прямой напорной магистрали 2 в теплообменники 1. В результате тепловой поток от охлажденной воды поступает к воздуху внутри помещения через наружную поверхность 50 теплообменников 1 и тем самым снижает эффективность теплообмена в процессе охлаждения горячей воды, находящейся в теплообменнике.
При покрытии наружной поверхности 50 теплообменников 1 тонковолокнистым базальтовым материалом 51 устраняется передача теплоты к внутреннему воздуху окружающей теплообменники среде в связи с тем, что тонковолокнистый базальтовый материал 51 является теплоизоляцией. Выполнение тонковолокнистого базальтового материала 51 в виде витых пучков 52, продольно вытянутых от прямой магистрали 2 перед теплообменником 1 до обратной магистрали 3 после теплообменников 1, приводит к тому, что по мере перемещения охлажденной воды по высоте теплообменника наблюдается аккумулирование ее теплоты, что обеспечивает оптимальный режим теплообмена с горячей водой при нормированных энергозатратах на перекачивание насосом 16.
В процессе эксплуатации системы оборотного водоснабжения часть горячей воды через трехходовой клапан 45 поступает в проходной канал 39 для горячей воды через его вход 44, где контактирует с «горячими» концами 42 комплекта дифференциальных термопар 41 и далее через выход 46 направляется к бассейну-смесителю 4 перед регулятором 15 обратной магистрали 3. Одновременно часть охлажденной воды из прямой напорной магистрали 2 после насоса 16 с повышенным напором через вход 47 поступает в проходной канал 40 для охлажденной воды, где контактирует с «холодными» концами 43 комплекта дифференциальных термопар 41 и через выход 48 направляется в бассейн-ороситель 4.
Известно, что температура после теплообменников 1 достигает 90°С и  более в зависимости от технологической схемы оборотного водоснабжения, а охлажденная вода имеет температуру не выше 30°С (см., например, Кургавин В.М. Экономия тепловой и электрической энергии в поршневых компрессорах. М.: Машиностроение 1985. 80 с.). В результате возникающая разность температур теплоносителей, контактирующих с «горячими» концами 42 и с «холодными» концами 43 комплекта дифференциальных термопар 41 соответственно, в проходном канале 39 для горячей воды и в проходном канале 40 для охлажденной воды корпуса 38 термоэлектрического генератора 37 при выполнении элементов комплекта дифференциальных термопар 41, например, из хромель-копеля позволяет получать термоЭДС до 6,96 мВ (см., например, Иванова Г.М. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергоатомиздат, 1980. 560 с.), что вполне хватает для питания схем электронного автоматизированного управления системы оборотного водоснабжения, т.е. отпадает необходимость использования дополнительной электрической энергии от постороннего источника, а это в конечном итоге снижает энергоемкость всей системы оборотного водоснабжения.
Оборотная вода после теплообменников 1 поступает по обратной магистрали 3 в водосборный бассейн-смеситель 4, в котором находится ранее охлажденная в охладителе 5 вода. Если температура атмосферного воздуха ниже расчетной, то в водосборном бассейне-смесителе 4 вода, подаваемая в теплообменники 1, имеет температуру ниже, чем это необходимо. В это время задвижка 8 закрыта и вода в ороситель 6 не подается. Горячая вода из обратной магистрали 3 перемешивается с холодной водой в водосборном бассейне-смесителе 4 и повышает его температуру.
При возрастании температуры атмосферного воздуха до значений,  когда не обеспечивается охлаждение оборотной воды в водосборном бассейне-смесителе 4 до значений температуры охлажденной воды, что регистрируется датчиком температуры 7. При этом сигнал блока задания 33 регулятора температуры 31 превышает сигнал датчика температуры 7 и на выходе блока сравнения 32 появляется сигнал положительной полярности, который поступает на вход. Туда же поступает и сигнал с блока нелинейной обратной связи 35, который вычитается из сигнала блока сравнения 32.
За счет этого в электронном усилителе 34 компенсируется нелинейность характеристики привода 29 задвижки 8. Сигнал с выхода электронного усилителя 34  поступает на вход магнитного усилителя  36, где он усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку регулятора скорости 30 в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода 29 задвижки 8.
Положительная полярность сигнала электромагнитного усилителя 34 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 36, тем самым увеличивая передаваемый регулятором скорости 30 момент от привода 29, чем достигается открытие задвижки 8 на некоторую величину, обеспечивающую частичную подачу воды из прямой напорной магистрали 2 в регулятор расхода 9, и охлажденная вода, смешанная в эжекторе 11 с горячей водой,  из обратной магистрали 3 подается по соединительному трубопроводу 10 на ороситель 6 и далее на охладитель 5 для более глубокого охлаждения.
Форсунки оросителя 6 в охладителе 5 расположены таким образом, что каждая форсунка подает воду только в одну из секций 24. В результате обеспечивается равномерная эпюра скоростей водяного потока в поперечном сечении корпуса охладителя 5, поддерживаемая за счет «живого» сечения выходных отверстий форсунок оросителя 6. Распыляемый  поток воды с оптимальной эпюрой скоростей, обеспечивающей рациональный контакт воды с зигзагообразными перегородками 23, поступает в секции 24 и, проходя последовательно участки диффузоров 25 и конфузоров 26, непрерывно меняет свою скорость, что приводит к турбулизации потока и повышению теплообмена, а также к распределению в секциях 24 давления движущегося потока воды. Это выравнивает гидравлическое сопротивление воды в секциях 24 и приводит к равномерному омыванию водой всего объема охладителя 5 даже при незначительном перепаде температур между атмосферным воздухом и охлаждаемой водой.
Увеличение скорости охлаждаемой воды в диффузорах 25 за счет уменьшения проходного сечения по мере движения потока приводит к возрастанию теплоты трения пограничного слоя о внутреннюю поверхность диффузоров 25, выполненных из материала 27, что приводит к увеличению температурного градиента (см., например, Лариков Н.Н. Теплотехника. – М.: Строительство, 1975 – 369 с.). Последующий переход движущегося потока охлаждаемой воды по конфузорам 26 секций 24 приводит к уменьшению его скорости и, соответственно, теплоты трения о внутреннюю поверхность диффузоров 25, выполненных из материала 28, что приводит к уменьшению его скорости и, соответственно, теплоты трения о внутреннюю поверхность конфузоров 26, выполненных из материала 28, что приводит к резкому уменьшению температурного градиента. В результате в секциях 24 на внутренних поверхностях диффузоров 25 и конфузоров 26, выполненных соответственно из материалов 27 и 28, имеющих коэффициенты теплопроводности, в 2,0-2,5 раза отличающиеся друг от друга (например, при выполнении перегородки 24 из биметалла с материалом 27 из алюминия с коэффициентом теплопроводности  и материалом 28 из латуни с коэффициентом теплопроводности  стр.312, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1975 – 469 с., ил.), наблюдаются термовибрации, которые постоянно стряхивают твердые частицы с поверхностей перегородок 23 секций 24, не допуская их налипания (см., например, Дмитриев В.П. биметаллы. – Пермь: Наука, 1991 – 487 с., ил.). Все это приводит к поддержанию постоянства теплообмена в секциях 24 при длительной эксплуатации охладителя 5.
Известно, что вода, имеющая повышенную температуру, интенсифицирует процесс образования окалины и ржавчины, то есть загрязнений сопутствующих систем оборотного водоснабжения. В результате наблюдается увеличение гидравлического сопротивления трубопроводов, возрастает частота закупорки (засорения) насадок оросителя 6 и, как следствие этого, эффективность работы системы оборотного водоснабжения и возрастают энергозатраты на насосную установку. Поэтому горячая вода с загрязнениями (окалина, ржавчина и т.д.), перемешанная в камере смешивания 12, поступает в сопловую часть 18 эжектора 11 и, перемещаясь по винтообразным канавкам 19, закручивается. Твердые частицы сталкиваются в канавках 19, перемещаются в кольцевую канавку 20 и далее в сборник загрязнений 21, откуда удаляются вручную или автоматически (не показано).
Очищенный от загрязнений поток воды поступает в ороситель 6 и далее в охладитель 5 для более глубокого охлаждения. Оптимальная всасывающая способность эжектора 11 поддерживается регулятором давления 15. Очищенная в эжекторе 11 и охлажденная в охладителе 5 вода смешивается в водосборном бассейне-смесителе 4 с горячей водой, поступающей из теплообменников 1. В процессе смешивания постепенно понижается температура воды до расчетного минимального значения, что регистрируется датчиком температуры 7. При этом сигнал датчика температуры 7 превышает сигнал блока задания 33 регулятора температуры 31 и на выходе блока сравнения 32 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 34. Туда же поступает и сигнал с блока нелинейной обратной связи 35, который вычитается из сигнала блока сравнения 32. Сигнал с выхода электронного усилителя 34 поступает на вход магнитного усилителя 36, где он усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку регулятора скорости 30 в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода 29 задвижки 8.
Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 34 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 36, тем самым уменьшая передаваемый регулятором скорости 30 момент от привода 29, чем достигается закрытие задвижки 8 на некоторую величину, обеспечивающую частичное снижение (при необходимости и полное перекрытие) подачи воды из прямой напорной магистрали 2 в регулятор расхода 9 и далее по описанному циклу.
Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что покрытие «горячих» и «холодных» концов комплекта дифференциальных термопар диэлектриком  из оксида тантала в виде наноподобной стеклообразной пленки устраняет рассеивание энергетического потенциала электрического поля, вырабатываемого термоэлектрическим генератором, и, соответственно, обеспечивает нормированные условия работы схем автоматизированного контроля и регулирования расхода и температуры теплоносителя. В результате поддерживается эффективность систем оборотного водоснабжения при длительной эксплуатации и надежная работа термоэлектрического генератора вследствие предотвращения коррозийного разрушения материала проходных каналов корпуса термоэлектрического генератора из-за покрытия их внутренних поверхностей нанообразной стеклоподобной пленкой из оксида тантала.