СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВОДНЫХ ПОТЕРЬ ИЗ ГРАДИРНИ И ГРАДИРНЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR REDUCING WATER LOSSES FROM WATER COOLING TOWER AND WATER COOLING TOWER FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое техническое решение относится к области энергетики и предназначено для охлаждения жидкости.
Известен способ снижения водных потерь из градирни, заключающийся в регулировке скорости охлаждающего воздушного потока и градирня, обеспечивающая его реализацию (см. заявку Японии №4-81119, кл. F28, F 27/00; F28С). Известная градирня содержит теплообменник с вентилятором.
Путем изменения скорости движения воздушных масс внутри данной градирни за счет изменения положения наклона лопастей вентилятора и числа оборотов его электродвигателя регулируют интенсивность теплообмена в известной градирне. Регулировку осуществляют в зависимости от перепада температур до и после теплообменника. Так как при значительном увеличении скорости охлаждающего воздушного потока происходит выброс из градирни капель воды, частоту вращения вентилятора в данной градирне ограничивают.
В градирне, представленной в "Теплоизолирующие установки промышленных предприятий", Харьков, издательство Харьковского университета 1985 г., содержащей соединенные с входной трубой форсунки, смонтированные внутри полости открытой башни, установленной над водосборным бассейном с отводной трубой, и оросители, представляющие собой горизонтальные щиты, размещенные в несколько рядов ниже уровня форсунок в полости башни, снижение потерь воды осуществляется путем установки специальных ограждений, выполненных в виде жалюзных деревянных щитков, закрепленных по периметру башни.
В данной градирне охлаждаемая вода подается по входной трубе в форсунки и разбрызгивается. Капли воды падают вниз и охлаждаются окружающим воздухом, который под напором ветра перемещается перпендикулярно к направлению движения капель воды. Наклонные жалюзи являются препятствием выносу капель воды из полости башни и обеспечивают снижение потерь воды. Вместе с тем, в данной конструкции градирни мелкодисперсная влага вместе с воздушным потоком огибает наклонные жалюзи и выносится наружу. Кроме того, отмечается нестабильность интенсивности охлаждения, так как ее эффективность зависит от скорости набегающего потока, значение которого определяется естественными условиями и носит случайный характер.
В градирнях большой мощности, башенного типа для сокращения объемов выбрасываемой в атмосферу воды используются специальные водоулавливающие устройства, основанные на инерционном осаждении капель влаги на специальных приспособлениях. Кроме того, снижение потерь выбрасываемой влаги в атмосферу обеспечивается также за счет естественной коагуляции мелкодисперсных капель, прошедших через водоулавливающее устройство, и последующего их гравитационного выпадения. Градирни подобного типа подробно описаны в патенте №656698, МКИ F28С 1/16, 1986 г. Градирня содержит расположенную над водосборным бассейном открытую полую башню с боковыми проемами у основания для прохождения охлаждающего воздуха, разбрызгиватель охлаждаемой воды, водоулавливающее устройство, включающее приспособление над разбрызгивателем. В данной градирне скорость охлаждающего воздушного потока в значительной степени определяется перепадом температур и высотой башни. Движение воздуха осуществляется естественным образом за счет разницы плотности теплого воздуха (в нижней части башни) и холодного (в верхней части башни). Охлаждаемая вода поступает по входной трубе в разбрызгиватель и распыляется над оросителем. Опускаясь в виде пленки или капель, соответственно, на пленочном или капельном оросителе, вода охлаждается воздухом, двигающимся через боковые проемы в полости башни снизу вверх. Насыщенный влагой нагретый воздух, поднимаясь вверх, проходит через приспособление водоулавливающего устройства, расположенное над разбрызгивателем, где происходит отделение от воздуха значительной части воды. Охлажденная вода стекает в водосборный бассейн, а нагретый воздух, содержащий мелкодисперсную и парообразную влагу, поднимается далее вверх внутри полости башни. По мере перемещения вверх воздух охлаждается, частицы влаги, достигшие размеров, достаточных для их гравитационного выпадения, под действием силы тяжести падают вниз.
Известная конструкция градирни может быть выполнена любых сколь угодно больших размеров, исходя из возможностей строительной индустрии, и решить проблему сброса больших объемов тепла.
Вместе с тем, скорость проходящего внутри башни воздушного потока определяется естественными природными условиями, ограничена и практически не регулируется. Кроме того, мелкодисперсные капли, образуемые в результате испарения охлаждаемой воды в условиях естественной эволюции, происходящей внутри башни в процессе подъема охлаждающего воздуха вверх, не успевают укрупниться в размере до размера гравитационного осаждения (~20 мкм) и выносятся за пределы градирни. Что приводит к потере охлаждаемой воды в системе оборотного водоснабжения и ухудшению экологической обстановки в прилегающем районе.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ, описанный в градирне, представленной в патенте РФ на изобретение №2326321 С1, МПК F28C 1/00, опубликованный 10.06.2008 г. Бюллетень №16. В данном способе снижение объемов выбрасываемой в атмосферу влаги обеспечивается путем генерации коронного разряда между коронирующими электродами и заземленной сеткой во входящем в градирню охлаждающем воздушном потоке. Электрические заряды, генерируемые коронным разрядом, насыщают охлаждающий воздушный поток электрическими зарядами, которые способствуют интенсификации процессов коагуляции мелкодисперсных капель и обеспечивают сокращение объемов, выбрасываемой градирней в атмосферу влаги.
Известная градирня содержит расположенную над водосборным бассейном открытую полую башню с боковыми проемами у основания, перекрытыми заземленной электропроводной сеткой, относительно которой с зазором на изоляторах с внешней от башни стороны установлены коронирующие электроды, соединенные с источником высокого напряжения, разбрызгиватель охлаждаемой воды и водоулавливающее устройство. Движение воздушных масс в данной конструкции градирни осуществляется как естественным путем, так и за счет ионного ветра, формируемым коронным разрядом между коронирующими электродами и заземленной сеткой.
Вместе с тем, в известном способе и известной градирне генерация коронного разряда осуществляется в охлаждающем воздушном потоке, входящем в полость башни, ненасыщенном еще влагой охлаждаемой воды, и значительная часть генерируемых зарядов осаждается на заземленной сетке и не участвует в процессе отделения образовавшейся в процессе охлаждения воды влаги. Парообразная влага и значительная часть мелкодисперсной влаги выносятся, образуемые в охлаждаемом воздушном потоке при контакте с охлаждаемой водой, выносятся за пределы градирни. Что приводит к потере охлаждаемой воды в системе оборотного водоснабжения и ухудшению экологической обстановки в прилегающем районе.
Технический результат - сокращение выброса влаги из градирни в окружающее пространство.
Технический результат достигается способом снижения потерь воды в градирне за счет генерации в охлаждающем воздушном потоке коронного разряда между коронирующими электродами и заземленной сеткой. Согласно изобретению, во время работы градирни измеряют направление внешнего ветрового потока у выходного сечения башни и управляют системой генерации коронного разряда между заземленной сеткой, смонтированной над башней в пределах ее выходного сечения, и коронирующими электродами, обеспечивая положение находящихся под напряжением коронирующих электродов с наветренной относительно заземленной сетки стороны.
Предлагаемый способ сокращения выброса влаги из градирни позволяет вовлечь в процесс охлаждения воды дополнительный объем окружающего воздуха и энергию его ветрового потока. Вовлечение дополнительного объема окружающего воздуха в процесс охлаждения осуществляется за счет использования энергии ионного ветра коронного разряда. Направление ионного ветра при коронном разряде всегда от коронирующих электродов к заземленной сетке. Следовательно, когда внешний ветровой поток натекает на систему генерации коронного разряда со стороны коронирующих электродов, ионный ветер сообщает внешнему ветровому потоку дополнительный импульс, увеличивает скорость его потока, увлекая тем самым в процесс охлаждения дополнительный объем окружающего воздуха. Замер направления скорости ветра может быть реализован известными методами. Например, с помощью анеморумбометра (см. ). Управление системой генерации коронного разряда и обеспечение положения находящихся под напряжением коронирующих электродов с наветренной относительно заземленной сетки стороны может быть реализовано различными способами, электрическим и механическим управлением. При электрическом способе управления, расположив по кругу относительно оси башни коронирующие электроды, управление может быть реализовано путем подачи напряжения на коронирующие электроды, находящиеся в секторе с наветренной относительно заземленной сетки стороны и отключения подачи напряжения на коронирующие электроды, находящиеся в секторе с подветренной стороны. В этом случае ветровой поток беспрепятственно проходит через сектор с заземленной сеткой и отключенными коронирующими электродами, смешивается с выходящим из башни увлажненным потоком охлаждающего воздуха и увлекает его на находящиеся под напряжением коронирующие электроды противоположного сектора. При смешении теплого увлажненного потока с холодным ветровым потоком значительная часть паров, содержащихся в увлажненном охлаждающем потоке, конденсируется. В области коронного разряда между находящимися по высоким напряжением коронирующими электродами и заземленной сеткой происходят сложные микрофизические процессы. Смешанный воздушный поток ускоряется ионным ветром, содержащиеся в нем капли заряжаются. При проходе через заземленную сетку электрически заряженные капли сепарируются на заземленной сетке и по ее поверхности стекают вниз во внутрь башни градирни. Очищенный от влаги воздух выбрасывается в атмосферу.
При механическом способе управления коронирующие электроды монтируются в полукруговом секторе относительно оси башни на специальном поворотном погоне, установленном на башне градирни с приводом разворота по известной схеме ориентации горизонтально оси вращения ветряного колеса ветряных энергетических установок. Схемное и конструктивное выполнения поворотного погона и привода разворота относительно градирни в зависимости от направления ветра может быть выполнено исходя из общих требований проектирования. Система управления приводом разворота может базироваться на датчиках направления ветрового потока и создаваться на известных принципах проектирования следящих систем. В этом случае внешний ветровой поток проходит через свободный сектор, смешивается с выходящим из башни увлажненным потоком охлаждающего воздуха и увлекает его на коронирующие электроды противоположного сектора. Далее происходят процессы аналогично представленным выше. Конденсация в области смешения холодного и увлажненного воздушных потоков, увеличение скорости потока за счет ионного ветра, сепарация на заземленной сетке электрически заряженных капель и возврат их обратно в градирню.
Таким образом, новая совокупность признаков позволяет использовать энергию ионного ветра коронного разряда для вовлечения дополнительного объема охлаждающего воздуха в процесс охлаждения воды. Механизм образования ионного ветра достаточно подробно представлен, например, Кулешов П.С. «Экспериментальное изучение взаимодействия коронного разряда и паров воды» Электронный журнал «Исследовано в России» . Скорость ионного ветра может достигать значения более 2 м/сек. Кроме того, как установлено авторами предлагаемого изобретения, система коронирующих электродов, установленных с зазором относительно заземленной сетки, является хорошей системой очистки газовых потоков от аэрозолей, в том числе и тумана. Что позволяет значительную часть содержащейся в увлажненном воздушном потоке влаги, предварительно сконденсировав, вернуть обратно в градирню.
Для реализации предлагаемого способа в градирне, содержащей расположенную над водосборным бассейном открытую полую башню с боковыми проемами у основания, коронирующие электроды, соединенные с высоковольтным источником питания, установленные на изоляторах с зазором относительно заземленной сетки, разбрызгиватель охлаждаемой воды и водоулавливающее устройство, заземленная сетка выполнена в виде надстройки, установленной над полостью выходного сечения открытой полой башни.
Градирня снабжена датчиком измерения направления ветра и системой управления включения и выключения соединения электрически изолированных между собой секторов с коронирующими электродами с источником питания в зависимости от направления ветра.
Предлагаемое конструктивное выполнение градирни позволяет использовать воздушный поток, проходящий выше среза башни для дополнительного охлаждения выходящего из градирни увлажненного воздушного потока. Значительная часть парообразной влаги сконденсируется, соберется на заземленной сетке и возвратится в полость башни, в водосборный бассейн.
Предлагаемое изобретение поясняется фиг.1 - схематическое изображение градирни в разрезе.
Градирня содержит открытую полую башню 1, расположенную над водосборным бассейном 2, разбрызгиватель охлаждаемой воды 3, смонтированный над оросителем 4, водоулавливающее устройство, включающее приспособление 5, расположенное над разбрызгивателем 3. Над верхней частью полости башни 1, на кронштейнах 6 смонтирована заземленная сетка 7, которая выполнена в виде надстройки над полостью башни. Конструктивная схема выполнения надстройки не имеет принципиального значения. Главное, чтобы данная надстройка перекрывала поток выходящего из башни увлажненного воздуха, захваченный ветровым потоком наружного воздуха и нижняя кромка сетки входила во внутреннюю полость башни. При круглой форме выходного сечения башни данная надстройка может иметь форму конуса, диаметр основания которого не превышает величину диаметра выходного сечения башни. Высота надстройки и, соответственно, угол конуса определяются конструктивными особенностями башни, метеорологическими условиями (прежде всего, скоростью наружного ветра) в месте эксплуатации градирни и степенью заданного объема сокращения выбросов влаги. Чем меньше угол наклона, тем больше сокращение объема уносимой влаги. Для практических целей угол конуса может быть рекомендован в диапазоне (60°-90°). С зазором δ относительно заземленной сетки 7, на изоляторах 8 установлены коронирующие электроды 9, которые могут быть выполнены из проводов малого диаметра, натянутых на каркасе 10, выполненном в виде отдельных электрически изолированных друг от друга секторов. Исходя из условий реальных значений высокого напряжения порядка 50 кВ, диаметр коронирующих проводов измеряется ориентировочно порядка 0,3-0,8 мм. Коронирующие электроды могут быть также выполнены в виде скрутки (троса) проводов малого диаметра, либо в виде различных конструктивных элементов с малым радиусом кривизны поверхности, обращенной к заземленной сетке. Конструкции коронирующих электродов достаточно подробно освещены в литературе по электрофильтрам. См., например, http://oemz.net/files/demz precipitator.pdf, http://miogaz.ai/index.php?option=com_content&task=view&id=27&Itemid=23
Величина зазора δ определяется десятками сантиметров. Конструктивное выполнение схемы крепления коронирующих электродов не является принципиальным и может быть выполнено, исходя из общих норм проектирования, и отличаться от схемы, представленной на фиг.1. Основная задача крепления состоит, с одной стороны в надежном обеспечении гарантированного зазора между коронирующими электродами и заземленной сеткой 5, и, с другой стороны, в обеспечении надежной электрической изоляции их от заземленной поверхности. Количество электрически изолированных секторов определяется конструктивными возможностями, устойчивостью розы ветров в районе монтажа градирни и требованиями по степени сепарации влаги. С практической точки зрения для устойчивой работы системы достаточно использовать 8-16 секторов.
Источник высокого напряжения 11 может быть установлен на кронштейне 12, закрепленном на корпусе башни и закрыт от попадания на него атмосферных осадков козырьком 13. Принципиально все сектора могут быть запитаны от одного источника. Однако с целью упрощения конструкции целесообразно каждый сектор подсоединять к отдельному источнику. Датчик измерения направления скорости ветра (на фиг. не показан) может быть установлен в любом удобном месте. Главное, чтобы он определял направление скорости наружного ветрового потока на срезе башни. Лучше всего его установить в верхней части заземленной сетки (надстройки), в этом случае погрешности измерения направления ветра будут минимальны. Система управления включения и выключения соединения электрически изолированных между собой секторов с коронирующими электродами с источником питания (на фиг.1 не показана) может быть выполнена в отдельном блоке управления высоковольтного источника.
Питание на сектора с коронирующими электродами может подаваться от высоковольтного источника питания 11 через высоковольтный кабель 14.
Градирня работает следующим образом. Охлаждаемая вода по входной трубе подается в разбрызгиватель 3. Опускаясь вниз, вода в виде пленок на пленочном оросителе 4 или в виде капель на капельном оросителе 4 охлаждается потоком воздуха. Насыщенный влагой нагретый воздух, направляясь вверх, проходит через приспособление 5 водоулавливающего устройства, где отделяется часть капель воды. Охлажденная вода стекает в водосборный бассейн 2, откуда снова поступает в систему оборотного водоснабжения. Нагретый воздух, содержащий влагу в виде пара и мелкодисперсных капель, продолжает подниматься вверх внутри корпуса полой башни. В процессе движения влаги вверх за счет передачи части тепла через стенки башни атмосферному воздуху часть пересыщенной парообразной влаги конденсируется, часть мелкодисперсных капелек воды укрупнится, и те из них, которые достигнут размеров, достаточных для гравитационного выпадения, падают вниз в водосборный бассейн, захватывая на своем пути мелкие капельки. По показаниям датчика измерения направления ветра системой управления включаются соединения электрически изолированных секторов коронирующих электродов 9, находящихся с наветренной стороны от электропроводной сетки, с источником питания 11 и отключается соединение соединения электрически изолированных секторов коронирующих электродов 9, находящихся с подветренной стороны от электропроводной сетки. На коронирующие электроды, находящиеся с наветренной стороны, подается от источника питания высокое напряжение, достаточное для устойчивого горения коронного разряда. Значение высокого напряжения определяется из общих условий, см., например, Физика газового разряда. Ю.П.Райзер Издательский дом «Интеллект», 2009. Вследствие генерации коронного разряда возникает ионный ветер, который ускоряет движение как натекающего внешнего воздушного потока, так и увлажненного потока, выходящего из башни. Таким образом, генерируемый коронный разряд увеличивает объем воздушного потока, проходящего через полость башни с одной стороны, и увеличивает объем внешнего воздушного потока натекающего на струю увлажненного воздушного потока, выходящего из башни. Путем регулирования значения высокого напряжения, подаваемого на коронирующие электроды, можно обеспечивать регулирование величины дополнительного ветрового потока. Увеличение объема потока воздуха, проходящего через внутреннюю полость башни, способствует увеличению интенсивности охлаждения внутри полости башни, и выпадению крупных сконденсированных капель при прохождении охлаждающего потока внутри полости башни. Увеличение объема внешнего воздушного потока натекающего на струю увлажненного воздушного потока, выходящего из башни позволяет также привлечь к охлаждению выходящего из башни увлажненного воздушного потока и увеличению интенсивности конденсации содержащихся в нем паров. Внешний ветровой поток, усиленный ионным ветром коронирующих электродов, смешивается со струей выходящего из башни увлажненного воздушного потока, конденсирует в нем парообразную влагу и направляет струю выходящего из башни увлажненного воздушного потока на систему генерации коронного разряда. В образовавшейся в результате воздушно-капельной смеси, проходящей через область разрядного промежутка, происходят сложные микрофизические процессы, приводящие к укрупнению капель. В экспериментах, проведенных авторами предполагаемого изобретения, в увлажненном газовом потоке выхлопных газов автомобиля коронный разряд инициировал образование капель видимого размера. См. Лапшин В.Б и др. Метод очистки газовых потоков от природных и техногенных аэрозолей, включающих субмикронные составляющие. Электронный журнал исследование в России, 28,275-280,2007. . Укрупненные электрически заряженные капли, проходя через ячейку заземленной сетки, увлекаются силами электростатического взаимодействия к поверхности ее конструкции. Собранные на заземленной сетке капли воды укрупняются и, достигнув размеров, вес которых превышает значение сил поверхностного натяжения, падают вниз. Конструктивное выполнение заземленной сетки, размеры ячеек сетки, ее размеры выбираются исходя из величины подаваемого на коронирующие электроды высоковольтного напряжения и параметров коронирующих проводов. Для предотвращения замерзания влаги, собираемой на электропроводной сетке, в ячейки сетки может быть вмонтирован электрообогревающий кабель. Либо отдельные провода сетки заменяются на электрообогревающий кабель. Тип кабеля, мощность его и количество определяются расчетным путем (исходя из условия не замерзания влаги на сетке при климатических условиях эксплуатации градирни) и из конструктивных соображений.
Таким образом, предложенное устройство, благодаря новым отличительным признакам в совокупности с известными признаками, позволяет создать в башне дополнительный ветровой поток, сократить объем выброса влаги из градирни в окружающее пространство, увеличить эффективность работы градирни, и достичь цели предполагаемого изобретения.