ГРАДИРНЯ
COOLING TOWER

Предлагаемое техническое решение относится к области энергетики и предназначено для охлаждения воды, циркулирующей в системе оборотного водоснабжения ТЭЦ.
Известна градирня (см., например, "Теплоизолирующие установки промышленных предприятий", Харьков, издательство Харьковского университета, 1985 г.), содержащая соединенные с входной трубой форсунки, смонтированные внутри полости открытой башни, установленной над водосборным бассейном с отводной трубой, ограждение, выполненное в виде жалюзных деревянных щитков, закрепленных по периметру башни, и оросители, представляющие собой горизонтальные щиты, размещенные в несколько рядов ниже уровня форсунок в полости башни.
В данной градирне горячая вода по входной трубе подается в форсунки и разбрызгивается. Под действием силы тяжести капли воды падают вниз и охлаждаются окружающим воздухом, перемещающимся под влиянием ветра перпендикулярно к направлению движения капель воды, при этом наклонные жалюзи являются препятствием выносу капель воды из полости башни. Продолжая падение, вода стекает по оросителю и охлаждается воздухом, как на щитках оросителя, так и при последующем падении.
К существенному недостатку функционирования градирни следует отнести нестабильность интенсивности охлаждения по времени суток из-за изменения скорости набегающего на башню естественного воздушного потока, что ограничивает возможности применения градирни.
Известна градирня, содержащая 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 (см. патент №656698, МКИ F28С 1/16, 1986 г.).
В известной градирне горячая вода по входной трубе поступает 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. Движение воздуха осуществляется естественным образом за счет разницы плотности теплого воздуха (в нижней части башни) и холодного (в верхней части башни). 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 осаждение (~20 мкм) и выносятся за пределы градирни. Что приводит к потере охлаждаемой воды в системе оборотного водоснабжения и ухудшению экологической обстановки в прилегающем районе.
Известна градирня (см. патент РФ на изобретение №2137073), содержащая открытую полую башню, расположенную над водосборным бассейном, разбрызгиватель охлаждаемой воды, водоулавливающее устройство, включающее приспособление, размещенной над разбрызгивателем, дополнительное водоулавливающее устройство, выполненное в виде вертикальных и параллельно отстоящих дуг от друга перемычек из электропроводного материала и симметрично установленных между ними и корпусом башни перегородок, составленных по высоте из ряда изолированных от поверхности башни параллельных и разделенных зазорами отрезков проводов с малым радиусом кривизны поверхности, подключенных одним из концов к источнику питания. Перемычки и перегородки в известном устройстве прикреплены к противоположным сторонам корпуса башни, а по периметру поверхности полой башни в пределах высоты перемычек закреплен заземленный электропроводный материал, контактирующий с перемычками. Кроме того, в известном устройстве предусмотрено несколько дополнительных признаков, направленных на усовершенствование его конструкции. В данной конструкции для сокращения выбросов влаги предусмотрено дополнительное водоулавливающее устройство, включающее систему генерации коронного разряда между коронирующими электродами и заземленными вертикальными перемычками из электропроводного материала. Коронный разряд обеспечивает генерацию электрически заряженных частиц в увлажненном газовом потоке, что способствует конденсации парообразной влаги и укрупнению мелкодисперсных капель. Сепарация капель влаги осуществляется по принципу известной схемы электрофильтра, путем осаждения электрически заряженных капель на поверхности вертикально установленных заземленных перемычек. Электрический ветер, генерируемый коронным разрядом, способствует осаждению капель на заземленных перемычках. Вместе с тем, в известном устройстве направление ионного ветра (от коронирующего электрода к заземленной поверхности) направлено поперек движения увлажненного воздушного потока. У поверхности заземленной перемычки ионный ветер тормозится, и движение капель к заземленной поверхности осуществляется практически поперек движущегося потока и только за счет сил электрического поля. Как известно (см., например. Высокоэффективная очистка воздуха. Под ред. Мягкова Б.И. 1967 г., стр.195. http://sc-books.ru/book_cln.php?id=96), скорость дрейфа электрически заряженных частиц пропорциональна их размеру и для мелкодисперсных капель она практически стремиться к нулю. Следовательно, капли, которые не успели укрупниться (мелкодисперсные капли) не смогут достичь поверхности заземленных перемычек и будут выноситься наружу вместе с потоком.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является градирня по патенту РФ №2326321 С1, МПК F28C 1/00, опублик. 10.06.2008, бюл. №16.
Известная градирня содержит расположенную над водосборным бассейном открытую полую башню с боковыми проемами у основания, перекрытыми заземленной электропроводной сеткой, относительно которой с зазором с внешней от башни стороны установлены соединенные с источником высокого напряжения коронирующие электроды, разбрызгиватель охлаждаемой воды и водоулавливающее устройство.
В данном устройстве заземленный электрод в системе генерации коронного разряда выполнен в виде электропроводной сетки, установленной в боковом проеме башни у ее основания, в месте входа охлаждающего воздушного потока в полость башни. Генерируемый коронным разрядом ионный ветер движет охлаждающий воздушный поток сквозь заземленный электрод в полость башни, увеличивая тем самым скорость, а следовательно и объем воздуха, вовлекаемого в процесс охлаждения воды. Кроме того, электрические заряды, генерируемые в процессе генерации коронного разряда, вместе с воздушным потоком вовлекаются в полость башни, проходят через разбрызгиватель охлаждаемой воды, водоулавливающее устройство и в области движения увлажненного воздушного потока способствуют процессу конденсации паров и укрупнения капель, также как и в устройстве, описанном в патенте на изобретение №2137073. Благодаря совокупности воздействия всех факторов обеспечивается высокая эффективность охлаждения воды и сокращение выбросов влаги.
Вместе с тем, в данном устройстве электрические заряды генерируются в поток охлаждающего воздуха до его контакта с охлаждаемой водой (в сухой воздух, поступающий из окружающего пространства). Значительная часть генерируемых коронным разрядом электрических зарядов увлекаются каплями охлажденной воды в области разбрызгивателя, водоулавливающего устройства и не участвует в микрофизических процессах, происходящих в увлажненном воздушном потоке. Кроме того, в систему оборотного водоснабжения возвращаются лишь только те капли воды, которые в процессе движения в полости башни укрупнились до размеров, обеспечивающих их гравитационное выпадение. Мелкодисперсные же капли выносятся из полости градирни в окружающее пространство.
Техническим результатом, который обеспечивается изобретением, является сокращение выброса влаги из градирни в окружающее пространство.
Технический результат достигается в градирне, содержащей расположенную над водосборным бассейном открытую полую башню с боковыми проемами у основания, заземленную электропроводную сетку, установленную с зазором относительно соединенных с высоковольтным источником питания коронирующих электродов, разбрызгиватель охлаждаемой воды и водоулавливающее устройство, причем заземленная электропроводная сетка установлена в полости башни наклонно к горизонту не ниже уровня разбрызгивателя охлаждаемой воды и выполнена конической формы с вершиной в центре полости башни.
В предпочтительном варианте исполнения градирни заземленная электропроводная сетка выполнена в виде гладких прутьев, установленных с зазором друг относительно друга.
В предпочтительном варианте исполнения градирни в корпусе градирни над заземленной сеткой установлены отражатели, выполненные в виде пластин, установленных под углом β к поверхности заземленной сетки, и значение угла Р выбирают из условий β ~ (45°+α/2), где α - угол наклона заземленной электропроводной сетки к горизонту.
Предлагаемая конструкция градирни обеспечивает совмещение скорости движения ионного ветра со скоростью движения охлаждающего воздушного потока, т.к. ионный ветер практически беспрепятственно проходит через пространство между заземленными элементами конструкции заземленной сетки. Обеспечивается более интенсивное инициирование процессов конденсации и укрупнения капель, так как генерации электрически заряженных частиц осуществляется коронным разрядом в воздушном потоке, прошедшем через разбрызгиватель охлаждаемой воды, то есть непосредственно в увлажненном воздушном потоке, и в процесс конденсации паров воды и укрупнения капель вовлекаются практически все электрические заряды, генерируемые коронным разрядом.
На фиг.1 представлена условная схема предлагаемой градирни.
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. Внутри полости башни 1, на кронштейнах 6, не ниже уровня разбрызгивателя охлаждаемой воды, над водоулавливающим устройством 5 смонтирована заземленная сетка 7, которая установлена под углом α к горизонту. Обычно поперечное сечение полости башни выполнено круглым. Для обеспечения угла α наклона поверхности сетки к горизонту и удобства выполнения монтажных работ сетка 7 может быть выполнена конической формы с вершиной в центре полости башни. Угол наклона α сетки к горизонту выбирается исходя из конструктивных особенностей сетки и свойств материала сетки. Чем меньше угол наклона α сетки к горизонту, тем меньше сопротивление движению потока. Вместе с тем, при уменьшении угла α наклона сетки уменьшается площадь коронирующего пространства, а самое главное, сепарируемые на сетке капли при уменьшении угла α сетки к горизонту срываются с поверхности сетки и попадают в разрядное пространство, что вызывает пробой разрядного промежутка и выход системы генерации коронного разряда на нерасчетный режим. Для исключения попадания капель в разрядный промежуток необходимо угол α увеличивать до значений, обеспечивающих удержание капель на поверхности сетки и отекание их под действием сил тяжести вдоль поверхности сетки к корпусу башни. Немаловажное значение здесь также играет и конструкция сетки. Желательно внутренние элементы образующей конуса сетки делать таким образом, чтобы обеспечить беспрепятственное скольжение капель вниз к корпусу башни. Например, изготавливать их в виде гладких прутьев, установленных с зазором относительно друг друга.
С зазором δ относительно заземленной сетки 7, на изоляторах 8 установлены коронирующие электроды 9, которые могут быть выполнены либо из проводов малого диаметра, натянутых на каркасе 10, либо могут быть использованы коронирующие электроды на базе известных технических решений. См., например, Г.М.А. Алиев, А.Е. Гоник «Электрооборудование и режимы питания электрофильтров». Энергия, М., 1971. Как показали расчеты и экспериментальные исследования для эффективного воздействия на атмосферу значение зазора 8 между коронирующими электродами и заземленной сеткой измеряется порядком 10 см (см. Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 269 http://zhumal.ape.relam.ru/articles/2010/021.pdf. «Новые возможности совместного использования «электрического ветра» и электрофильтров для рассеяния теплых туманов». Лапшин Б.В., Иванов В.Н., Ераньков В.Г., Палей А. А., Романов Н.П., Савченко А.В., Толпыгин Л.И., Швырев Ю.Н.).
Источник высокого напряжения 11 может быть установлен на кронштейне 12, закрепленном на корпусе башни 1. Между высоковольтным источником 11 и коронирующими электродами 9 установлен высоковольтный кабель 13. Для снижения аэродинамического сопротивления движения охлаждающего воздуха в корпусе градирни над заземленной сеткой установлены отражатели 14. Отражатели 14 могут быть выполнены как в виде пластин, установленных под углом β к поверхности заземленной сетки, так и в виде аэродинамических лопаток, выполненных по правилам аэродинамики. Значение угла β выбирают из условий поворота потока от электрического ветра коронного разряда вдоль оси полости башни, и составляет β ~(45°+α/2). Значение угла β определяется из условия, что угол направления скорости отраженного воздушного потока равен углу падения воздушного потока на отражатель 14. Данное соотношение справедливо при условии малых значений потерь энергии движения на трение воздушного потока о поверхность отражателя. Учитывая, что скорости движения воздушного потока внутри полости башни незначительны и измеряются единицами м/сек, такое допущение приемлемо. Для повышения эффективности подобные направляющие могут быть установлены также и перед коронирующими электродами (на фиг.1 не показаны).
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 за счет сил плавучести поднимается 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 к устройству генерации коронного разряда, включающего заземленную электропроводную сетку 7 и коронирующие электроды 9. 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. На коронирующие электроды 9 подается от источника питания 11 по высоковольтному кабелю 13 высокое напряжение, достаточное для устойчивого горения коронного разряда между коронирующими электродами 9 и заземленной сеткой 7. 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 движущегося в полости башни 1 увлажненного воздушного потока. Как показывает анализ литературных источников (см., например, Кулешов П.С. «Экспериментальное изучение взаимодействия коронного разряда и испарения воды http://zhumal.ape.relam.ru/articles/2005/227.pdf, И.А. Рогов и др. «Моделирование процесса движения капли конденсата влажного воздуха в электрическом поле» http://www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_best_article_issue_10_2005.htm) и результатов проведенных с участием автора предполагаемого изобретения, путем генерации коронного разряда можно сформировать ветровой поток от коронирующего электрода к электропроводной сетке со скоростью порядка 1 м/сек. Ионный ветер увеличивает значение расхода охлаждающего воздуха, проходящего через полость башни, и увеличивает эффективность работы градирни. 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. Кроме того, электрические заряды генерируемые коронного разрядом практически все увлекаются увлажненным потоком и способствуют интенсификации микрофизических процессов (конденсации паров воды и коагуляции мелкодисперсных капель), приводящие к образованию крупных электрически заряженных капель. В экспериментах, проведенных с участием автора 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. http://zhumal.ape.relam.ru/articles/2007/028.pdf. Укрупненные электрически заряженные капли, проходя через ячейку заземленной сетки, увлекаются силами электростатического взаимодействия к поверхности ее конструкции и сепарируются от потока. В экспериментах, проведенных с участием автора, собиралось до 80% капель (см. Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 271 http://zhumal.ape.relam.ru/articles/2010/021.pdf). Собранные на заземленной сетке капли воды укрупняются и, достигнув размеров, вес которых превышает значение сил сопротивления скольжения по поверхности сетки, стекают по ее поверхности вниз к корпусу башни, и далее отводятся в водосборный бассейн. Конструктивное выполнение заземленной сетки, размеры ячеек сетки, ее размеры выбираются исходя из величины подаваемого на коронирующие электроды высоковольтного напряжения и параметров коронирующих электродов. Для предотвращения замерзания влаги, собираемой на электропроводной сетке, в ячейки сетки может быть вмонтирован электрообогревающий кабель. Либо отдельные элементы 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.
Установка заземленной сетки внутри полости башни над водоулавливающим устройством обеспечивает непосредственное воздействие коронного разряда на увлажненный воздушный поток, что увеличивает эффективность воздействия электрических зарядов на протекающие в увлажненном воздушном потоке микрофизические процессы. Интенсивность укрупнения капель увеличивается. Кроме того, мелкодисперсные капли, попадающие в область генерации коронного разряда, увлекаются ионным ветром вместе с увлажненным воздушным потоком к поверхности заземленной электропроводной сетки. При прохождении через ячейки сетки, электрически заряженные капли, в том числе и субмикронные, осаждаются на их заземленной поверхности и сепарируются от потока. Установка сетки под углом к горизонту позволяет исключить падение вниз сепарируемых капель после их укрупнения, и обеспечить стекание их по поверхности сетки вниз, что позволяет исключить попадание капель в разрядный промежуток и обеспечить устойчивое горение коронного разряда.
Таким образом, предложенное устройство, благодаря новым отличительным признакам в совокупности с известными признаками, позволяет более эффективно сепарировать влагу из проходящего воздушного потока, т.е. сократить объем выброса влаги из градирни в окружающее пространство, и достичь цели предлагаемого изобретения.