ХОЛОДОАККУМУЛЯЦИОННАЯ ГРАДИРНЯ
COLD ACCUMULATIVE COOLING TOWER

Изобретение относится к области теплохладотехники, в частности к устройствам охлаждения рециркулирующей воды естественным холодом окружающей среды, используемым в различных водоохладительных установках холодильной техники, и может найти применение в бытовой и производственной сферах, в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, в системах кондиционирования и т.д.
Из уровня техники известны холодильные устройства, использующие естественный холод, например устройство охлаждения рециркулирующей воды для мобильной системы охлаждения надоенного молока (RU 2486749, 2013 г.), содержащее корпус с воздуховходным окном и вытяжным вентилятором, внутри которого расположены форсуночный распылитель воды, пластинчатый радиатор и теплообменник, выполненный в виде контактирующего с пластинами радиатора змеевика с движущимся в нем молоком. Капли распыляемой форсунками воды под действием встречно направленного воздушного потока, создаваемого вытяжным вентилятором, оседают на поверхностях радиатора и охлаждаются за счет испарения. Для сбора оставшейся фракции охлажденной воды в устройстве предусмотрен аккумулятор, представляющий собой емкость, разделенную вертикальными пластинами для увеличения пути движения воды. В процессе нахождения воды внутри аккумулятора более теплая ее фракция поднимается вверх и охлаждается горизонтальным воздушным потоком. Из аккумулятора подготовленная таким образом вода нагнетается в форсунки, распыляется и принимает тепло от молока через теплообменник-змеевик и пластины радиатора. Такое устройство обеспечивает теплообмен лишь в незначительном температурном диапазоне и поэтому может быть использовано в основном в весенне-летний период при предварительном (промежуточном) охлаждении надоенного в полевых условиях молока. Интегрирование в корпус устройства теплообменного змеевика с циркулирующим в нем молоком снижает эксплуатационную надежность системы в целом.
Известно аналогичное устройство, установленное автономно от остальных компонентов системы охлаждения надоенного молока и предназначенное для эксплуатации в осенне-зимний период при температуре, близкой к нулю (RU 2243652, 2005 г.), выполненное по типу градирни и содержащее резервуар с водой, имеющий стенки, выполненные из металла, над которым установлен воздушно-водяной теплообменник с размещенным в нем вверху форсуночным распылителем и в серединной части - вентиляторным узлом. Нижняя часть теплообменника, примыкающая к резервуару, выполнена пластинчатой из пористого материала, что должно способствовать намораживанию льда в последнем и, следовательно, аккумуляции холода. Недостатком этого аналога является ограниченный интервал эксплуатации, так, при критичном для воды понижении температуры окружающей среды (морозе) эксплуатация устройства недопустима.
Известны также, например, из описаний к патентам RU 2319093 С1, 2008 г. и RU 2541622 С2, 2015 г. устройства для охлаждения рециркулирующей (оборотной) воды в качестве градирен для ТЭЦ или АЭС.
Градирня по патенту RU 2319093 С1 содержит металлический корпус с впускным окном, сепаратор, распределитель воды с распыляющими форсунками, насадку с образующими т.н. «кипящий слой» подвижными полыми шариками, помещенными на опорной решетке, и поддон с водой. Полые пластмассовые шарики насадки под воздействием поступающей из форсунок распыляемой воды и нагнетаемого извне через впускное окно в корпусе восходящего потока воздуха хаотично перемещаются, сталкиваясь друг с другом, что, как следует из описания к патенту, должно способствовать интенсифицикации процесса тепло- и массообмена между распыляемой водой и воздушным потоком. Для большей интенсивности перемещений шариков устройство может иметь вибратор, установленный на опорной решетке. Однако такое устройство обладает повышенным энергопотреблением, и в нем не решается задача аккумулирования холода посредством элементов насадки, поскольку они выполнены из гидрофобного материала и подвижны.
Вентиляторная градирня для охлаждения рециркулирующей воды по патенту RU 2541622 С2 является наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения и содержит прямоугольный в поперечном сечении корпус с воздуховходными окнами и воздухораспределителями с двух сторон. В верхней части корпуса имеются электровентиляторный агрегат и форсуночный распылитель отепленной воды, в средней части корпуса установлено три ряда оросительных насадок, собранных из составных элементов, и внизу корпуса - емкость для сбора охлажденной воды с отводом ее потребителю. Над водной поверхностью емкости размещен блок поверхностного охлаждения, выполненный из гофрированных листов, расположенных параллельно движению охлаждающего воздуха из воздуховпускных окон, а каждая из оросительных насадок выполнена в виде блока, собранного также из гофрированных листов, но с вертикальным их расположением.
В прототипе составные элементы оросительных насадок и блока поверхностного охлаждения (гофрированные листы) имеют поверхностный слой из гидрофильного материала или выполнены из него целиком, что при попадании на них воды способствует образованию свободной поверхности, и этот эффект используется в прототипе для снижения температуры оборотной воды без увеличения расхода воздуха и увеличения аэродинамического сопротивления градирни.
Однако принятое в прототипе построение оросительной насадки, обусловленное необходимостью использования эффекта гидрофильных свойств ее составных элементов для образования свободной поверхности, не позволяет в такой градирне использовать составные элементы оросителя для аккумуляции холода путем намораживания льда на них, что следует отнести к основному недостатку прототипа. Некоторая конструктивная усложненность вентиляторного агрегата и наличие блока поверхностного охлаждения удорожают градирню, что является другим недостатком прототипа.
Задача, решаемая изобретением, направлена на создание экономически и технологически эффективной холодоаккумуляционной градирни, упрощающей процесс холодоаккумуляции за счет замораживания воды в волокнистой насадке, с возможностью использования слабоотрицательных температур воздуха (от минус 1°C и ниже).
Технический результат, получаемый при реализации изобретения, заключается в снижении затрат при получении ледяной воды за счет снижения энергопотребления и удешевления устройства при одновременном повышении эффективности процесса тепломассообмена в нем.
Технический результат достигается тем, что в холодоаккумуляционной градирне, содержащей прямоугольный в поперечном сечении корпус с воздуховходными окнами и воздухораспределителями, размещенные в верхней части корпуса вентиляторный агрегат и форсуночный распылитель отепленной воды, а также по меньшей мере три ряда установленных в средней части корпуса оросительных насадок с составными элементами из гидрофильного материала и размещенную внизу корпуса емкость для сбора охлажденной воды с отводом ее потребителю, согласно изобретению каждая из оросительных насадок представляет собой группу сферических гидрофильных элементов из волокнистого материала, которые подвешены посредством держателей к несущему их горизонтальному основанию с образованием не менее трех рядов по вертикали и размещены относительно друг друга и в горизонтальной, и в вертикальной плоскостях в шахматном порядке и с обеспечением технологического зазора между ними, при этом количество сферических элементов и их диаметр определяется заданной производительностью градирни, а держатели элементов выполнены из материала, обладающего минимальной теплопроводностью.
Дополнительные отличительные признаки изобретения состоят в том, что:
- диаметр сферических гидрофильных тел определяется в зависимости от диаметра проточной части градирни по соотношению 1/50;
- сферические гидрофильные тела выполнены из способного к впитыванию капельной влаги волокнистого материала, допускающего многократные циклы замораживания - оттаивания без потери свойств впитывания, например из хлопковой ваты.
На представленных чертежах: на фиг. 1 дан общий вид предлагаемой градирни (пример); фиг. 2 - фрагмент оросительной насадки.
Холодоаккумуляционная градирня (фиг. 1) содержит вентиляторный агрегат 1, расположенный в верхней части прямоугольного в поперечном сечении корпуса 2. В нижней части корпуса 2 по одной его стороне имеются два воздуховходных окна 3, через которые воздух попадает внутрь аппарата, где для его более равномерного распределения установлены воздухораспределители 4 изогнутой формы. В средней части корпуса 2 установлены по меньшей мере три оросительные насадки 5 и форсуночный распылитель 6 для подачи отепленной воды от потребителя. Емкость 7 в нижней части корпуса 2 предназначена для сбора охлажденной воды с отводом ее потребителю.
Каждая из оросительных насадок 5 представляет собой группу элементов 8 сферической формы, выполненных из волокнистого гидрофильного материала, способного к впитыванию капельной влаги, например хлопковой ваты или стекловаты, которые подвешены к несущему горизонтальному основанию 9, выполненному, к примеру, в виде ячеистой сетки, посредством не проводящих тепло держателей 10 с узлами 11 (фиг. 2).
Элементы 8 при их креплении к основанию 9 образуют по вертикали не менее трех рядов и размещены относительно друг друга в шахматном порядке и в горизонтальной, и в вертикальной плоскостях и с обеспечением между ними технологического зазора, исключающего вероятность их взаимного соударения и смерзания. Материал, из которого изготовлены элементы 8, должен допускать многократные циклы замораживания - оттаивания без потери свойств впитывания влаги.
Размещение элементов 8 оросительных насадок 5 в шахматном порядке при не менее чем трехрядном расположении способствует увеличению интенсивности теплообмена со стороны воздуха и обеспечению турбулентного течения воздуха в рабочем объеме градирни. Размещением многочисленной группы элементов 8 с минимальным зазором между ними, достаточным для предотвращения их соударения и смерзания, - например, в конкретном примере осуществления на расстоянии около 5 мм - позволяет увеличить плотность упаковки сферических тел, следовательно, и величину удельной поверхности теплообмена.
Диаметр элементов 8 определяется задаваемой производительностью градирни и зависит от размеров ее проточной части, например, в соотношении 1/50. Так, к примеру, для конкретной холодоаккумуляционной градирни с диаметром проточной части до 0,5 м оптимальный диаметр сферических тел составляет 15-20 мм, а для градирни с диаметром проточной части от 0,5 до 1,5 м оптимальный диаметр сферических тел составляет 30-40 мм.
Работа градирни осуществляется следующим образом.
Первоначально вентиляторный агрегат 1 отключен и на оросительные насадки 5 подается вода через форсуночный распылитель 6. Далее после насыщения водой элементов 8 оросительных насадок 5 форсунки прекращают работу и включается агрегат 1, который обеспечивает подачу встречного потока холодного воздуха из окружающей среды на оросительные насадки 5. Влага, содержащаяся в элементах 8, замораживается, превращая их в ледяные массивы сферической формы (например, шарообразной или эллипсообразной).
Следующий этап работы градирни заключается в остановке агрегата 1 и подаче отепленной воды форсунками распылителя 6 через оросительные насадки 5. Контактируя с холодными насадками 5, содержащими ледяную массу, вода охлаждается до околонулевой температуры за счет расплавления льда оросительных насадок 5 и сливается в емкость 7, откуда охлажденная вода через патрубок отводится потребителю. На это время форсунки распылителя 6 отключаются, т.к. во время указанного выше первоначального пролива гидрофильных элементов 8 теплой водой они впитывали воду и повторного насыщения их влагой не требуется.
Далее включением/отключением вентиляторного агрегата 1 циклы «замораживание - оттаивание» повторяются.
Преимуществом предлагаемой холодоаккумуляционной градирни является расширение диапазона использования температур воздуха вплоть до отрицательных околонулевых (от минус 1°C и ниже) для ведения процесса замораживания воды при создании аккумуляционной массы льда. Градирня может эксплуатироваться зимой и летом. В последнем случае выгодность ее применения диктуется тем обстоятельством, что замораживание насадки может осуществляться воздухом, предварительно охлажденным в воздухоохладителе в условиях дешевого ночного тарифа.