Охладитель воды центробежный
CENTRIFUGAL WATER COOLER

Изобретение относится к установкам технологического охлаждения воды (жидкостей) преимущественно для систем кондиционирования воздуха. Можно использовать изобретение в качестве увлажнителя воздуха низкотемпературным паром.
Известны широко применяемые устройства для испарительного охлаждения рециркуляционной (оборотной) воды: градирни, брызгальные бассейны, форсуночные камеры, открытые пруды. Такие охладители воды описаны во многих литературных источниках, например, Холодильные машины и установки. Мальгина Е.В., Мальгин Ю.В., Суедов В.П. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 592 с. Применение оборотного водоснабжения при эксплуатации теплоэнергетических установок позволяет достигать значительной экономии дорогостоящей часто дефицитной воды и уменьшать загрязнение окружающей среды стоками отработанной воды. При этом происходит увлажнение окружающего (наружного) воздуха. В перечисленных устройствах охлаждение рециркуляционной воды обеспечивается за счет ее тепло и массообмена с наружным воздухом.
Для интенсификации процесса частичного испарения воды (увлажнения воздуха) ее дополнительно диспергируют и с помощью вентиляторов повышают скорость воздуха над поверхностью воды.
Основными недостатками перечисленных водоохладителей являются их большие габариты, значительная инерционность и практическая применимость только в стационарных системах. Пределом охлаждения является температура мокрого термометра.
Известно применение пароэжекторных холодильных машин (ПХМ) для охлаждения воды подаваемой в кондиционеры. Конструктивные особенности описаны, например, в учебнике Захарова Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Судостроение, 1994. - 504 с. Также, например, в SU 1054634, опубликованном 15.11.83.
Создаваемый вакуум в эжекторах позволяет охлаждать воду до более низких температур до (5÷7)°С, чем в перечисленных выше испарительных водоохладителях. Вода охлаждается на (10÷20)°С ниже температуры мокрого термометра. Процесс охлаждения воды обеспечивается за счет кинетической энергии водяного пара поступающего под значительным избыточным давлением из парового котла в эжектор - происходит вакуумирование испарителя и кипение воды в вакууме. ПХМ отличаются простотой конструкции (практически нет движущихся элементов), относительно низкой первоначальной стоимостью и, тем, что в качестве рабочего тела используется вода.
Основные недостатки пароэжекторных машин заключаются в их больших габаритах и массе, низком КПД, повышенным уровнем генерируемого шума. Сложно регулировать холодопроизводительность пароэжекторной машины и стабильно поддерживать в ней глубокий вакуум (0,5÷1,5) кПа.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является ’’способ изменения влагосодержания газа” (SU 1696817, дата публикации 07.12.91, F24F 6/16). При пропускании газа над поверхностью вращающегося слоя воды повышается эффективность и скорость массообмена и практически предотвращается каплеунос с поверхности воды. Для достижения желаемого результата поддон с водой выполнен в виде вращающегося, всасывающего патрубка вентилятора.
Описанное устройство реализующее способ изменения влагосодержания газа (влажности воздуха) принято за прототип изобретения.
К недостатку предложенного в изобретении устройства можно отнести сложность центрирования и балансировки вращающегося, всасывающего патрубка-поддона, монтируемого на рабочем колесе вентилятора.
Технической задачей изобретения является создание энергоэффективного, компактного охладителя воды, содержащего открытый вращающийся поддон со слоем воды на его стенках, выполненный преимущественно в виде кругового цилиндра (трубы, стакана), снабжённый водовыпускными отверстиями, его привод, корпус, кожух-сборник охлаждённой воды, патрубки тёплой и охлаждённой воды, отличающийся тем, что в пограничном с водой слое воздуха размещают аэродинамические разделители, выполненные подвижными с возможностью фиксации их положения по радиусу цилиндрического поддона относительно вращающейся поверхности воды при окружной скорости вращения более 300 м/с.
Устройство может функционировать в непрерывном или периодическом режимах работы.
Поставленная задача решается следующим образом.
В поддон подают охлаждаемую воду. При вращении цилиндрического поддона вода распределяется (растекается) и стабильно удерживается на его внутренней поверхности тонким слоем. При достижении окружной скорости вращения поверхности воды, например, 310-410 м/с на границе сред возникает практически ощутимый вакуум (закон Д. Бернулли). Когда в тонком приповерхностном подслое понижается статическое давление воздуха до уровня, соответствующего парциальному давлению водяных паров возникает процесс пузырькового кипения воды вызывающий очень интенсивное охлаждение основной массы вращающегося слоя воды и увлажнение воздуха, проходящего через поддон.
При меньших окружных скоростях движения поверхности воды процесс ее охлаждения будет наблюдаться гораздо менее интенсивным и с более высокими значениями предела температуры охлаждения - температуры мокрого термометра.
Для отведения охлажденной воды в стенке поддона предусмотрено отверстие (отверстия) через которое вода поступает в кожух-сборник и затем через патрубок направляется к потребителю (на технологические нужды). Испаряющееся вода увлажняет воздух находящейся в поддоне и отводится вместе с ним через торцевое отверстие поддона.
Сущность изобретения заключается в создании охладителя воды в котором реализуется использование центробежных сил для удержания слоя воды на внутренней поверхности вращающегося цилиндрического поддона и образуется вакуум в приповерхностном (пограничном) слое воздуха. Для достижения низкотемпературного вскипания приповерхностного слоя воды при температуре ≈7°С и охлаждения основной массы вращающейся воды необходимо создать приповерхностный вакуум ≈1кПа. Реализовать столь низкотемпературное вскипание воды возможно при обеспечении расчетной скорости движения открытой поверхности воды около 400÷410 м/с (расчет приведен ниже). Такие окружные скорости зафиксированы (до 400÷500) м/с на наружной поверхности вихрей смерчей - торнадо, внутри которых образуется вакуум и наблюдается мощный всасывающий эффект. Производители (Китай) высокоскоростных лабораторных центрифуг различного назначения предлагают потребителям большое количество серийных образцов близких по габаритам ротора и частоте его вращения до 25000 об/мин. По специальным заказам предлагают сверхвысокоскоростные центрифуги с частотой вращения ротора 40÷80 тыс. об/мин, а ультрацентрифуги до 100÷160 тыс. об/мин. Лабораторные центрифуги обычно рассчитывают на многократный непрерывный многочасовой, например, 100-часовой режим эксплуатации.
Предварительные упрощенные расчеты позволяют оценить возможную холодопроизводительность предлагаемого водоохлаждающего устройства.
Рассмотрим вариант (пример) компактного охладителя воды центробежного со следующими размерами вращающегося поддона: наружный диаметр цилиндрического поддона 0,514 м при его длине L=0,2m, толщина вращающегося слоя воды 0,005 м, толщина стенки поддона 0,002 м, внутренний диаметр цилиндрической поверхности воды d=0,5M.
ДИН
СТ
ПОЛН
Уравнение (закон) Д. Бернулли: Р+Р=Р или
В пограничном с поверхностью воды (ламинарном подслое) слое воздуха его скорость относительно воды всегда принимают равной нулю. В этом слое воздуха его динамическое давление полностью преобразуется в статическое давление - происходит безударное торможение воздушного потока:  Условия для скачкообразного динамического изменения плотности воздуха отсутствуют. (Примечание. Повышение давления воздуха в приповерхностном слое за счёт центробежных сил составляет доли процентов от барометрического “Б“ давления, поэтому в расчётах не учитывается).
Для инициирования режима кипения воды при температуре ~7°С необходимо создать давление воздуха (статическое) над поверхностью воды Р поли = Рст~1000 Па.
ст
3
При этих условиях плотность воздуха р рассчитывают по формуле: р = Р M/(R-T) = 1000 0,029/(8,31-280) = 0,012 кг/м
где: М - молярная масса, 0,029 кг/моль,
R - универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/моль К; Н м/моль-К,
Т - температура в пограничном слое воздуха, 280 К.
Расчётная окружная скорость поверхности воды (приравненная скорости заторможенного воздуха в баротропном процессе - Р/р = Const при Т = 280 К)
V =VP•2/p= 7(1000•2)/0,012~400 м/с
1
1
Необходимая частота вращения поддона с водой составит: n = V / (я-d) = 255 с * 15300 мин
Рассчитаем время охлаждения воды, находящейся в поддоне, на 10°С.
Масса вращающейся в поддоне воды
w
2
2
2
2
G = Tt (D-d) L- p = 3,14 (0,51-0,5) 0,2-1000 = 6,3 кг где: D - внешний диаметр вращающегося слоя воды, 0,51м
Количество теплоты необходимое для охлаждения воды в поддоне на 10°С Q = c-Gw’AT = 1-6,3-10 = 63 кДж где: с - теплоёмкость воды, ~1 кДж/кг-К
K
С учётом потерь теплоты на охлаждение окружающего воздуха, контактирующего с вращающимися поверхностями водоохладителя принимаем коэффициент запаса к = 1,25. Q = Ql,25~80 кДж
Масса воды, испаряемая для её охлаждения
w
K
w
m = Q/r = 80/2484~0,03 кг,
w
где: r - теплота парообразования воды при Т=280°С, 2484 кДж/кг (При этом толщина слоя испарившейся воды составит доли мм).
T
x
Количество теплоты Q, передаваемой кипящему приповерхностному слою воды от основной массы охлаждаемой воды (тепловой поток, поддерживающий режим кипения - режим охлаждения) или полная холодильная мощность Q охладителя воды:
—
==
=
Qt  Qx = Sw-Якип  (я'б’ПрЦкип  0,314'8 ~ 2,5 кВт
w
2
где: S=0,314 м - площадь открытой вращающейся поверхности воды
или
КИП
где: q - удельный тепловой поток при пузырьковом кипении воды
2
при ΔТ=10°С, ≈ 8 кВт/м,
- время испарения (кипения) - время охлаждения расчетной массы воды, находящейся в поддоне.
2
Полезная холодопроизводительность (нетто) составит около 2 кВт (достаточна для применения в бытовом или офисном помещении площадью до 20 м).
Количество водяного пара испаряющегося с поверхностности воды - поступающего в воздушный объем поддона - затем выводимый из него (максимальная расчетная производительность устройства-увлажнителя):
w
w
G=m/τ=0,03/32≈0,0009 кг/с (3,2 кг /ч); с учетом потерь ≈2,5÷3,0 кг/ч
Техническим результатом изобретения является создание охладителя воды центробежного преимущественно для установок кондиционирования воздуха использующих системы рециркуляции воды в стационарных и транспортных объектах. Можно сказать, что предложена конструкция малогабаритной центробежной вакуумной градирни.
С целью более подробного изложения сущности процесса охлаждения воды в рассматриваемом центробежном устройстве рассмотрим его физическую модель на примере прототипа и с учетом конструктивных предложений по его совершенствованию.
1. Физическая модель, отражающая функционирование устройства-прототипа и реализующая способ паронасыщения газа по SU 1696817, F24F 6/16, в котором слой воды, контактирующий с воздухом, вращается в открытом цилиндрическом поддоне, образуя цилиндрическую тепло-массообменную поверхность.
Причем чем выше окружная скорость открытой поверхности воды, тем более интенсивный тепло-массообмен и ниже температура ее испарительного охлаждения (максимально интенсивный процесс охлаждения будет осуществляться при понижении статического давления воздуха над открытой поверхностью воды до уровня возникновения процесса ее закипания при заведомо более низкой температуре).
Примечание. При исследовании физических процессов, происходящих во вращающихся устройствах обычно для их описания, используют полярную систему координат.
Однако при рассмотрении установившегося процесса физического взаимодействия контактирующих сред часто более рациональным решением является применение упрощенной линейной - одномерной модели (описываемой в декартовой системе координат). Для этого достаточно перенести воображаемую начальную точку отсчета - начало координат на открытую поверхность вращающегося цилиндрического слоя воды.
1.1. Для расчета давления воздуха в пограничном ламинарном подслое воздуха над поверхностью воды вновь воспользуемся известным уравнением Д. Бернулли
ДИН
СТ
ПОЛН
(Р+Р≈Р=Б).
Обычно в аэромеханике применимость этого уравнения безоговорочно допускают при скоростях воздушного потока, обтекающего профили, например, летательных аппаратов, не превышающих 100 м/с (<0,3М - скорости звука), т.к. при указанных скоростях сжатие воздуха минимально и его не учитывают в практических расчетах.
Первоначально рассмотрим физическую модель в которой отсутствуют поверхности физических тел, обтекаемые высокоскоростным воздушным потоком - отсутствует (исключается) возможность ударного сжатия воздуха, скачкообразного повышения его плотности. Отсутствует эффект возникновения ударных волн - скачков уплотнения, нарушающих структуру установившегося воздушного потока [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Изд. 5-е, перераб., Глав. ред. физ-мат. лит-ры изд. "Наука", М., 1978, 735 с].
1.2. Рассмотрим расчетные параметры воздушного потока (слоя воздуха), полуограниченного вращающейся поверхностью воды, см. табл. 1.
Параметры воздушного потока, ограниченного вращающейся поверхностью воды при переменной частоте вращения поддона (округленные значения).
3
В расчетах принимаем барометрическое давление воздуха Б=101300 Па, плотность воздуха в баротропном процессе ρ=1,2 кг/м.
Анализируя результаты расчетов, представленные в табл. 1 можно выделить три диапазона скоростей приповерхностного воздушного потока:
СТ
- 0÷100 м/с статическое давление в потоке воздуха практически равно барометрическому, Р≈100000 Па; температура кипения воды ≈ 100°С;
- 200÷300 м/с статическое давление в потоке воздуха уменьшается примерно на 25-50%; температура кипения воды понижается до 90÷80°С;
СТ
- 310÷410 м/с статическое давление в потоке воздуха очень быстро уменьшается (примерно на порядок) до значения Р ≈ 1000 Па; температура кипения воды стремительно понижается примерно с 70°С до 7°С.
Указанная частота вращения поддона поддерживает расчетную скорость приповерхностного (заторможенного) подслоя воздуха при диаметре открытой цилиндрической вращающейся поверхности воды равным 0,5 метра.
Пограничный слой-подслой воздуха толщиной в несколько миллиметров (или долей миллиметров) обладает способностью прилипания к контактной поверхности (скорость на поверхности нулевая), в нем преимущественно проявляются свойства ламинарного вязкого взаимодействия замедленно перемещающихся внутри более тонких квазимолекулярных слоев воздуха. Этот ламинарный подслой с противоположной стороны контактирует (граничит) также с тонким, называемым турбулентным подслоем воздуха, в котором лишь частично проявляются вязкостные и в большей степени хаотичные пульсирующие вихревые турбулентные свойства движущегося воздушного потока.
Если окружная скорость открытой поверхности вращающегося цилиндрического слоя воды по представленному расчету составляет 400 м/с, то на внутренней поверхности образовавшегося пограничного (заторможенного) слоя воздуха расчетная скорость составляет 99% (396 м/с) скорости (при условно гладкой - зеркальной) поверхности воды [Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. "Наука", М, 1974, 712 с].
При этом в условно неподвижном относительно поверхности воды ламинарном подслое пониженное статическое давление воздуха будет определяться (рассчитываться) полным преобразованием пограничного межслойного динамического давления движущегося воздуха (полным его безударным торможением со скорости 400 м/с) в его статическое давление.
В рассматриваемой модели в контактных приграничных молекулярных слоях воздуха, двигающихся с наибольшим относительным проскальзыванием, возможен незначительный безударный нагрев трущихся молекул, дополнительное уменьшение плотности которых будет способствовать их перемещению-вытеснению в радиальном направлении к оси вращения поддона.
Следует заметить, что реальное быстровращающееся устройство (поддон с водой) всегда обладает его остаточным (допустимым) дисбалансом, влияющим на степень вибрации стенок поддона и как следствие на образование микронеровностей (микроволн) на открытой поверхности вращающегося слоя воды. Любые микронеровности на вращающейся поверхности создают на ней условную динамическую шероховатость, которая способствует повышенному трению между водой и воздухом, генерированию возмущений в виде дополнительной турбулизации в контактных слоях обеих приповерхностных сред и уменьшению толщины (разрушению) аэродинамического ламинарного подслоя.
1.3. В турбулентном пограничном подслое генерируются процессы, способствующие вакуумированию воздуха, находящегося в ламинарном подслое. На расчетной границе ламинарного и турбулентного подслоев наблюдается наибольший градиент падения величины скорости (проскальзывания слоев) воздуха.
Примечание. Столь значимые скоростные изменения можно наблюдать на границе эжектирующей (всасывающей) струи, например, паро-эжектора, создающего значительный вакуум в камере смешения подключенной к испарителю холодильной машины
Работоспособность струйных эжектирующих устройств (эжекторов, пульверизаторов, краскопультов, карбюраторов и т.д.) основана на известном законе Д. Бернулли - это утверждается во многих источниках популярной и технической литературы [Я.И. Перельман. Занимательная физика. Центрполиграф, 2017. - 256 с].
Условную (расчетную) контактную границу между турбулентным и ламинарным подслоями воздуха с достаточной достоверностью можно отождествлять с наружной контактной границей высокоскоростной струи, образуемой в паровоздушном эжекторе.
Это предопределяет возможность эжектирования и удаления молекул воздуха из приповерхностного ламинарного подслоя (условно заменяющего очень малую камеру смешения эжектора), т.е. давление воздуха в этом подслое будет понижаться, а молекулы воздуха и водяного пара будут перемещаться (отводиться, инжектироваться) в турбулентный подслой и далее в установившийся турбулентный воздушный поток.
В ламинарном подслое воздуха доля кинетической энергии - особенно приграничной (переходной) наиболее динамичной части турбулентного подслоя передается молекулам (газовым и паровым частицам) воздуха, подсасываемым и транспортируемым в турбулентный подслой.
Заметим, что, направляясь в турбулентный подслой образованная смесь молекул направляется в зону с более высоким статическим давлением воздуха (как и в паровоздушном эжекторе) за счет резкого падения (на порядок и более) кинетической энергии - торможения смеси молекул, изначально принадлежащих к смежным пограничным подслоям.
Далее статическое давление смеси уже в установившемся потоке воздуха сравнивается с атмосферным барометрическим давлением воздуха, поступающего в поддон и частицы смеси покидают внутренний объём поддона, перемещаясь вдоль поверхности вращающегося слоя воды преимущественно по винтовой траектории движения.
Дополнительное положительное влияние на рассматриваемый процесс оказывает возникающая при вращении цилиндрического поддона центробежная сила обеспечивающая эффект сепарирования молекул, усиливающий перемещение (выдавливание) более лёгких молекул водяного пара лавинообразно образующихся при возникновении режима кипения в приповерхностном слое воды в зону установившегося турбулентного воздушного потока. Этот же эффект вытесняет присутствующие в воде парогазовые пузырьки, влияющие на инициирование процесса кипения, к открытой её поверхности, а также способствует обессоливанию поверхностного слоя воды.
2. Рассмотрим физическую модель процесса охлаждения воды при размещении в пограничном с ней слое воздуха дополнительных аэродинамических разделителей приповерхностного потока, выполненных подвижными с возможностью рациональной фиксации их положения по радиусу цилиндрического поддона относительно вращающейся поверхности воды при этом конфигурация которых, например, угол установки разделителей (Н5 градусов минимизирует возможные скачки уплотнения воздуха.
Аэродинамические разделители потока, способствуют увеличению и стабилизации толщины (высоты) приповерхностного ламинарного подслоя - зоны с пониженным статическим давлением паровоздушной среды. Они способствуют разделению и удалению присоединившейся - паразитной части воздушного потока (его бесполезной массы) от наиболее высокоскоростного вращающегося слоя воздуха в котором формируются условия для эжектирования молекул воздуха и пара из приповерхностного ламинарного подслоя. Отделяемый поток воздуха направляют в зону установившегося турбулентного потока расположенную вне пограничного турбулентного подслоя.
44
При заданной конфигурации аэродинамических разделителей потока, обеспечивающей скользящее обтекание и не значительное безударное уплотнение воздуха на их поверхности, возможен лишь некоторый нагрев и электризация-ионизация слоёв воздуха возникающие за счёт проявления сил вязкостного трения при движении воздуха по поверхности разделителей с наибольшим относительным проскальзыванием [Повх И.Л., Техническая гидромеханика. Изд-во “Машиностроение, Л., 1969. 524с.].
Однако вязкостное нагревание воздуха вызывает дополнительное уменьшение его плотности, которая будет способствовать перемещению молекул - их удалению от поверхности воды.
В тоже время технологическое понижение статического давления воздуха на условной границе смежных подслоев понижает и уровень возможного роста температуры воздуха при их взаимном скольжении-трении.
2.1. Об особенностях аэродинамических разделителей приповерхностного потока воздуха, частично погруженных во вращающийся слой воды (Фиг. 1).
При такой конфигурации аэродинамических разделителей их минимальная высота в приповерхностном воздушном слое составляет величину сопоставимую с неровностями (динамической микроволнистостью, шероховатостью, измеряемых миллиметрами или их долями), которые обычно присутствуют на ее открытой поверхности и разрушают ламинарный пограничный подслой. Кроме этого разрушительное воздействие на пограничный воздушный ламинарный подслой оказывают паровые и газовые пузырьки, образующиеся на открытой поверхности при закипании воды.
Аэродинамические разделители приповерхностного потока воздуха, создающие при их обтекании так называемую аэродинамическую тень - зону с дополнительно пониженным статическим давлением воздуха могут быть конструктивно представлены как в виде малочисленных относительно крупных изделий-лопастей, так и в виде большого (массового) количества образующих разделитель мелких его составляющих подобных, например, иголкам (щетинкам) наблюдаемым в известном в быту соединении "липучка" или в виде высокопористой стенки с открытыми сквозными порами и др.
Игольчатые разделители потока или пористая стенка позволяют практически полностью изолировать (отделить) - от поверхности воды границу с высокоскоростным турбулентным потоком воздуха (Фиг. 2).
Указанные разделители потока образуют паровоздушную зону, которая перемещается (вращается) в пространстве практически без проскальзывания относительно открытой поверхности воды и в которой поддерживается пониженное статическое давление, формирующееся на границе этой зоны с максимальной относительной скоростью между хорошо (безударно) обтекаемыми аэродинамическими разделителями приповерхностного потока и турбулентным подслоем воздуха, контактирующим с ними.
Отделяемая менее скоростная часть турбулентного потока воздуха перемещается в осевом направлении, способствуя некоторому повышению его статического давления в зоне, удаленной от пограничного ламинарного подслоя, т.е. разделители частично выполняют функцию конфузора, который обычно используется в эжекторах (Фиг. 3).
Изменяя и фиксируя высоту расположения над поверхностью воды подвижных разделителей потока воздуха или толщину вращающегося в поддоне слоя воды можно осуществлять управление - влияние на условия протекания аэродинамических процессов в приповерхностном подслое. Это позволяет активно воздействовать на преобразование ламинарной структуры подслоя в переходное или турбулентное состояние паровоздушной среды на более оптимальном расстоянии от открытой поверхности воды.
Разделители потока воздуха частично заглублённые в слой воды и зафиксированные относительно вращающегося поддона, дополнительно предотвращают (замедляют) проскальзывание приповерхностных контактирующих с воздухом слоёв воды относительно более её глубоких слоёв. Такое исполнение элементов способствует повышению относительной скорости между контактирующими средами (вода - воздух) и, следовательно, повышению интенсивности тепло-массообменных процессов между ними, являются дополнительными фактором инициирующим (формирующим) условия возникновения и поддержания процесса низкотемпературного пузырькового кипения в приповерхностном слое воды.
В вариантном исполнении разделители воздушного потока изготовляют из материала обладающего положительной плавучестью. Это гарантирует постоянство расположения (заглубления) разделителей при изменении толщины вращающегося слоя воды (Фиг. 4).
На оси вращения цилиндрического поддона создаётся зона пониженного давления воздуха, вовлекаемого во вращательное движение при контакте с движущейся поверхностью воды. В зону с пониженным давлением воздуха будет подсасываться воздух из окружающего объёма (помещения).
Увлажнённый воздух из приповерхностного слоя будет выводится из поддона следуя по винтовой траектории движения через периферийную кольцевую часть торцевого отверстия.
Чтобы развести встречные потоки и упорядочить движение воздуха внутри поддона предложено устанавливать воздухораспределители-заглушки торцевых отверстий поддона, которые фиксируют к поддону или каркасу, или к корпусу охладителя воды (Фиг. 5).
2.2. Об аэродинамических разделителях приповерхностного потока воздуха, установленных над поверхностью с отсутствием контакта с водой.
Такая конфигурация аэродинамических разделителей потоков воздуха позволяет не только обеспечивать выполнение большинства технологических функции предлагаемого устройства изложенных в п. 2.1, но также расширяет возможности эффективного применения предлагаемого охладителя воды.
Конструктивные отличия аэродинамических разделителей, не контактирующих с вращающимся слоем воды, обусловлены вариантами их фиксации относительно вращающегося поддона или корпуса. Вариант с жесткой фиксацией разделителей к поддону обеспечивает их совместное вращение с единой частотой. При фиксации разделителей потока воздуха к корпусу устройства они не участвуют во вращении поддона и остаются неподвижными; объединяя разделители с дополнительным силовым каркасом и снабжая его автономным приводом реализуют вращение разделителей (соосное с поддоном) с требуемой частотой и направлением.
Кинематически развязанная конструкция устройства обладает наибольшими возможностями по реализации поставленной задачи (Фиг. 6). Для взаимного центрирования валов обоих приводов можно рекомендовать установку, например, резиноподобного подшипника скольжения, смазываемого поступающей в поддон водой.
Заметим, что частоты вращения поддона с водой и каркаса с аэродинамическими разделителями могут отличаться многократно. Значительно меньшая частота вращения (окружная скорость) поддона необходима для удержания устойчивого слоя воды на его внутренних стенках с образованием открытой цилиндрической поверхности воды.
Не исключен вариант одновременного рационального применения аэродинамических разделителей потока воздуха объединенных каркасом, которые не контактируют с водой и другие, которые частично погружены во вращающийся слой воды.
Предлагаемые варианты охладителя воды центробежного отличаются простотой и компактностью конструкции, минимальным уровнем энергопотребления, надежной эксплуатацией и экологической чистотой.
Предлагаемое устройство позволяет охлаждать воду до температур, которые наиболее часто достигают с применением традиционных фреоновых холодильных машин (чиллеров). В предлагаемом устройстве рабочим телом является вода.
Высокие скорости взаимодействия воды и воздуха, доведение воды до кипения многократно интенсифицируют процесс тепломассообмена, при этом не происходит обычный для испарительных контактных аппаратов унос капельной влаги. Допускается применение загрязненной воды - с повышенным сухим остатком.
Изобретение позволяет организовать его эффективное применение при любой ориентации устройства в пространстве.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется рисунками, на которых изображено:
Фиг. 1. Схематичное изображение варианта размещения и фиксации в поддоне аэродинамических разделителей, частично погруженных в слой воды (поперечное сечение).
Фиг. 2. Схематическое изображение размещения зафиксированного в поддоне аэродинамического разделителя в виде пористого цилиндра со сквозными порами, частично погруженного в слой воды (условно плоское изображение части цилиндра).
Фиг. 3. Схематичное изображение варианта соосного размещения внутри поддона каркаса с аэродинамическими разделителями, не контактирующими с водой (поперечное сечение).
Фиг. 4. Схематичное изображение варианта зафиксированных внутри поддона аэродинамических разделителей обладающих положительной плавучестью (условно плоское изображение части поддона и слоя воды).
Фиг. 5. Схематичное изображение варианта воздухораспределителя-заглушки размещенного в торцевом отверстии поддона.
Фиг. 6. Схематичное изображение охладителя воды центробежного с размещенными в поддоне аэродинамическими разделителями, не контактирующими с водой, объединенными с каркасом снабженным автономным приводом (вариант).
При этом на всех фигурах использованы следующие идентичные обозначения:
Поз. 1 - поддон, выполненный в виде тонкостенного цилиндра.
Поз. 2 - слой воды во вращающемся поддоне.
Поз. 3 - аэродинамические разделители, частично погруженные в слой воды.
Поз. 4 - каркас с аэродинамическими разделителями, не контактирующими с водой.
Поз. 5 - воздухораспределитель-заглушка с центральным отверстием.
Поз. 6 - привод каркаса (с возможным перемещением вдоль оси вращения).
Поз. 7 - патрубок охлажденной воды.
Поз. 8 - отверстие водовыпускное.
Поз. 9 - кожух-сборник охлажденной воды.
Поз. 10 - корпус (рама) охладителя воды центробежного.
Поз. 11 - патрубок теплой воды (подвижно соединен с полым валом привода).
Поз. 12 - привод поддона.
Поз. 13 - подшипник (центрирующий валы приводов поддона и каркаса).
Поз. 14 - аэродинамический разделитель, выполненный из пористого материала.
Поз. 15 - аэродинамические разделители с положительной плавучестью.