УСТРОЙСТВО ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
THE DEVICE OF AIR COOLING OF THE HEAT CARRIER

Изобретение относится к системам воздушного охлаждения и конденсации теплоносителей, используемых на предприятиях нефтегазовой, химической и энергетической промышленностях при эксплуатации, например, установок комплексной подготовки газа, дожимных компрессорных станций, станций охлаждения газа, линейных компрессорных станций и т.д.
Известны аппараты воздушного охлаждения [ГОСТ Р 51364-99, http://docs.cntd.ru/document/gost-r-51364-99] представляющие собой теплообменный аппарат, состоящий из опорной металлоконструкции со смонтированными на ней теплообменной секцией, системой подачи воздуха, включающей вентилятор с приводом от электродвигателя, диффузор с коллектором. Данные аппараты могут оснащаться увлажнителями воздуха, работающими за счет эффекта распыления воды через форсунки под большим давлением (более 70 атм) и всасывания в аппарат воздуха для уменьшения пиковых нагрузок на теплообменном оборудовании в летнее время года. Для сбора неиспарившейся в воздухе воды под конструкцией предусмотрен бассейн.
К недостаткам известных аппаратов можно отнести низкую эффективность охлаждения теплоносителя в условиях высоких температур окружающего воздуха. При этом интенсификация процесса охлаждения за счет распыления воды через форсунки является недостаточно эффективной.
Это обусловлено тем, что существенное количество распыляемой жидкости не успевает вследствие испарения повысить влажность воздуха, и, соответственно, снизить температуру воздуха в адиабатическом процессе. К тому же, форсунки из-за достаточно высоких скоростей распыляемой жидкости подвергаются существенному эрозионному износу, что неизбежно приводит к снижению эффективности процесса охлаждения воздуха.
Известен аппарат воздушного охлаждения [RU 2200907, опубликовано 20.03.2003] состоящий из теплообменного блока, вентилятора, опор и системы водяного орошения между опорами. На нижней плоскости блока теплообменников установлена рама с металлической сеткой и фильтрующим полотном, металлическая сетка электрически соединена с теплообменными трубами, водометные стволы направлены сверху вниз и из центра к периметру, расположены на каждой стороне в ряд зигзагом, к водометным стволам присоединен воздушный компрессор, по периметру пола проложен лоток с водой. При высоких температурах окружающего воздуха применяют водяное орошение. Направление водометного ствола сверху вниз и из центра к периметру обеспечивает увлажнение вертикальных фильтрующих полотен, движение водяных частиц навстречу воздушному потоку и более продолжительное время, тем самым углубляет испарение воды и охлаждение воздуха. Подвод сжатого воздуха в водометный ствол существенно интенсифицирует измельчение водяных частиц, процесс испарения воды и охлаждение воздуха, работающего в качестве хладагента в аппаратах воздушного охлаждения.
К недостаткам известного аппарата можно отнести наличие крупных частиц воды, падающих навстречу воздушному потоку и способствующих дополнительному накоплению воды на поверхности теплообменника, что снижает эффективность охлаждения и способствует отложению солей на поверхности труб, которые препятствуют теплообмену и способствуют развитию коррозионных процессов.
Известно устройство для охлаждения воздуха с системой водяного орошения, применяемое при высоких температурах окружающего воздуха, [RU №2614623, публиковано 28.03.2017], взятое в качестве ближайшего аналога, включающее корпус, вентиляционный элемент (вентилятор), теплообменник, по крайней мере, один элемент для распыления воды, расположенный перед отверстиями в корпусе для забора воздуха снаружи и выполненный в виде замкнутого контура с равномерно расположенными по длине контура форсунками для распыления воды и жестко соединенный с корпусом или закрепленный на общем основании с корпусом, при этом контур представляет собой две полые трубки, соединенные в верхней и нижней частях таким образом, чтобы обеспечить движение жидкости по ним под давлением порядка 80 атм. и для обеспечения однородного давления у каждой форсунки. Техническим результатом, по мнению заявителя, является улучшение взаимодействия воздуха с теплоносителем.
К недостаткам известной системы и устройства орошения можно отнести необходимость поддержания высокого давления воды для обеспечения устойчивой работы форсуночной системы распыла с образованием капельной жидкости (конденсата) на металлоконструкциях. Вследствие избыточного увлажнения возникает неоднородность распыленного тумана с последующим выпадением капельной жидкости под аппараты воздушного охлаждения, что может привести к увлажнению грунтов оснований под конструкцией аппаратов и уменьшить несущую способность фундамента. Кроме того, необходимость поддержания высокого давления в питающем контуре водой форсунки значительно ограничивает возможности регулирования расхода подаваемой воды, что необходимо для улучшения показателей процесса охлаждения. Данное обстоятельство также обуславливают высокие скорости течения струй воды через форсунки, что также снижает их эксплуатационную надежность и накладывает высокие требования к водоподготовке. Распыленная и неиспарившаяся капельная жидкость вместе с всасываемым воздухом, попадая на теплообменную поверхность, испаряется, что приводит к образованию солей, способствует развитию коррозионных процессов и образованию загрязнений, что в свою очередь ухудшает процесс теплообмена при движении воздуха через пучки теплообменных трубок и снижает общую эффективность. К тому же часть распыленной форсунками воды не вовлекается вентилятором, а падает непосредственно на основание аппарата.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности повышение эффективности процесса охлаждения теплоносителя, упрощение конструкции устройства и повышение надежности его работы.
Поставленный предполагаемым изобретением технический результат достигается использованием общих с прототипом известных признаков, включающих корпус со смонтированным теплообменником и вентилятором с диффузором, средство подачи и средство распыления воды и новых признаков, заключающихся в том, что средство распыления воды выполнено в виде, по меньшей мере, одного ультразвукового диспергатора воды на мелкодисперсные составляющие и смонтировано непосредственно перед диффузором каждого вентилятора в центральной его части подачи смеси диспергированной воды и воздушного потока вентилятором на теплообменник устройства.
Ультразвуковой диспергатор воды снабжен перфорированным раструбом, направляющим диспергированные мелкодисперсные составляющие воды к диффузору вентилятора, выполненным под углом раскрытия в 30,0-60,0 градусов к горизонтали.
Ультразвуковой диспергатор распыляет воду на мелкодисперсные составляющие с размерами частиц порядка 2…10 мкм, интенсифицируя процесс адиабатического охлаждения воздуха за счет поглощения тепла испаряющейся водой.
Средство подачи воды к ультразвуковому диспергатору выполнено в виде трубопровода, соединяющего при помощи насоса диспергатор с емкостью с водой.
Новизной предлагаемого технического решения является выполнение средства распыления воды в виде, по меньшей мере, одного ультразвукового диспергатора воды на мелкодисперсные составляющие и смонтировано непосредственно перед диффузором каждого вентилятора в центральной его части подачи смеси диспергированной воды и воздушного потока вентилятором на теплообменник устройства.
Так, выполнение средства распыления воды в виде, по меньшей мере, одного ультразвукового диспергатора воды на мелкодисперсные составляющие позволяет создать туманообразное, однородное по составу облако сильно измельченных частиц воды, которые за счет разряжения, создаваемого вентилятором, вовлекаются в воздушный поток, и начинают интенсивно испаряться, предотвращая образование капельной жидкости (конденсата воды) на окружающих конструкциях и фундаментах, эффективно охлаждая воздушный поток, который омывает теплообменные трубки теплообменной секции. В результате создающегося адиабатического охлаждения потока водно-воздушной смеси, поступающей через вентилятор к теплообменнику, температура теплоносителя быстро понижается на выходе из устройства, что приводит к интенсификации процесса охлаждения теплоносителя.
Монтаж ультразвукового диспергатора воды непосредственно перед диффузором каждого вентилятора позволяет максимально, без существенных препятствий потокам охлаждаемого воздуха, смешивать испаряющиеся мелкодисперсные частицы воды с воздухом и целенаправленно подавать охлажденный воздух на теплообменные трубки для охлаждения теплоносителя.
Такие признаки как: наличия у ультразвукового диспергатора воды перфорированного раструба, выполненного под углом раскрытия в 30,0-60,0 градусов к горизонтали, и направляющего диспергированные мелкодисперсные составляющие воды к диффузору вентилятора, распыление ультразвуковым диспергатором воды на мелкодисперсные составляющие с размерами частиц порядка 2…10 мкм, интенсифицирующее процесс адиабатического охлаждения воздуха за счет поглощения тепла испаряющейся водой и выполнение средства подачи воды к ультразвуковому диспергатору в виде трубопровода, соединяющего при помощи насоса диспергатор с емкостью с водой - являются признаками дополнительными, раскрывающими и конкретизирующими основные признаки и способствуют достижению поставленного предполагаемым изобретением технического результата.
Так, диспергация воды ультразвуковым распылителем на мелкодисперсные составляющие порядка 2…10 мкм, создает условия для быстрого испарения частиц воды и как следствие создает лучшие условия для адиабатического охлаждения воздуха.
Выполнение раструба перфорированным, направляющим диспергированные мелкодисперсные составляющие воды к диффузору вентилятора, под углом раскрытия в 30,0-60,0 градусов к горизонтали позволяет за счет изменения угла в указанном диапазоне в зависимости от конструкции и диаметра диффузора вентилятора эффективно и целенаправленно направлять создаваемый распылителем и вентилятором поток смеси на теплообменные трубки, а за счет перфорации направлять мелкодисперсные частицы воды без задержек и завихрений на трубки теплообменника.
Проведенный в процессе подготовки материалов патентно-информационный поиск, сочетание предложенных известных и новых признаков предполагаемого изобретения в патентной и научно-технической литературе - не выявлено, что позволяет отнести признаки к обладающим новизной.
Поскольку предложенное сочетание признаков не известно из существующего уровня техники и позволяет получить более высокий технический результат, то предлагаемые существенные признаки можно признать соответствующими критерию - изобретательский уровень.
Описание осуществления предлагаемого устройства и проведенные опытные работы позволяют отнести предложенное устройство к промышленно выполнимому.
На чертеже схематично представлено предлагаемое устройство воздушного охлаждения теплоносителя.
Предлагаемое устройство содержит корпус 1, на котором смонтированы теплообменники 2, вентилятор 3 с кожухом 4 и диффузором 5. Емкость 6 с водой, соединена при помощи трубопровода 7 со средством подачи 8 (насосом) с ультразвуковым диспергатором воды 9. В центральной части кожуха 4 смонтированы лопасти вентилятора, приводимые в действие электродвигатем 10. Диспергатор воды 9 выполнен в виде высокочастотного ультразвукового излучателя, обеспечивающего распыление воды на мелкодисперсные составляющие и смонтирован непосредственно перед диффузором 5 вентилятора 3 в центральной его части для подачи смеси диспергированной воды и воздушного потока вентилятором на теплообменники 2 устройства. Раструб 11 ультразвукового диспергатора выполнен перфорированным, с раскрытием в 30,0-60,0 градусов к горизонтали, обеспечивающим подачу вентилятором 3 туманообразного облака 12, созданного диспергатором, непосредственно к трубкам теплообменников 2.
Предлагаемое устройство работает следующим образом:
Теплоноситель, подлежащий охлаждению или конденсации, подают в теплообменники 2. Для охлаждения трубок теплообменника 2 и теплоносителя по трубопроводу 7 из емкости 6, при помощи насоса 8 к ультразвуковому диспергатору 9 подают воду. Ультразвуковой диспергатор 9, при помощи высокочастотного ультразвукового излучателя диспергирует воду, в виде облака 12 в мелкодисперсные частицы порядка 2…10 мкм, и при помощи перфорированного раструба 11 направляет их вверх к лопастям вентилятора 3, который создаваемым потоком воздуха увлекает их к теплообменникам 2. Мелкодисперсные частицы начинают интенсивно испаряться в воздухе и вследствие возникающего адиабатического процесса происходит охлаждение воздуха за счет поглощения тепла испаряющейся водой, смесь которого с распыленной водой вентилятором подается на теплообменные трубки. Происходит интенсивное охлаждение теплоносителя.
При этом высокая интенсивность испарения воды способствует предотвращению образования капельной жидкости (конденсата) на окружающих конструкциях и фундаментах оснований, предотвращается отложение солей, снижается вероятность коррозии. Адиабатическое охлаждение поступающего на вентиляторы потока смеси воздуха с испаряющейся водой приводит к интенсификации процесса охлаждения теплоносителя, что обеспечивает более низкую температуру охлаждаемого теплоносителя на выходе из устройства.
Предотвращение образования капельной жидкости также может достигаться за счет некоторого ненасыщения воздуха водой путем подбора ее удельной подачи.
В настоящее время на предприятии изготовлено несколько опытных образцов предлагаемого устройства, которые переданы для прохождения испытаний. Предварительные испытания показали положительные результаты.
По окончании испытаний будет принято решение об изготовлении предлагаемых устройств для нужд отрасли.