ВЕНТИЛЯТОРНАЯ ГРАДИРНЯ
FAN COOLING TOWER

Изобретение относится к теплоэнергетике, а более конкретно, к противоточным контактным охладителям воды, которые используются на различных промышленных объектах, преимущественно, на тепловых и атомных электростанциях.
Как следует из достигнутого уровня техники, значительные усилия специалистов были направлены на решение задачи по усовершенствованию конструкции вентиляторных градирен. Так, известна вентиляторная градирня, содержащая установленный на водосборном бассейне (резервуаре) осесимметричный вертикальный корпус с воздуховходными окнами, расположенными равномерно по периметру его нижней части, вытяжное устройство в виде сопряженной с корпусом по периметру его верхней части конфузорно-диффузорной обечайки с размещенным в ней рабочим (лопастным) колесом вентилятора, которое соединено с расположенным там же его электроприводом вращения его вокруг вертикальной оси, при этом в корпусе последовательно сверху вниз размещены поярусно каплеуловитель, водораспределитель с разбрызгивающими элементами (соплами) и двухступенчатый ороситель, а водоразбрызгивающие элементы водораспределителя ориентированы в направлении первой ступени оросителя, вторая ступень которого расположена над верхним краем воздуховходных окон (RU №2253813, C2, 2005).
Недостаток этой вентиляторной градирни заключается в том, что вследствие низкой интенсивности процессов тепло-массообмена в межступенчатой зоне оросителя градирни имеет место недостаточно глубокое охлаждение воды, обусловленное, в первую очередь, низкой дисперсностью поступающей в эту зону из первой ступени оросителя водяной фазы.
Известна также вентиляторная градирня, содержащая осесимметричный вертикальный корпус с основными воздуховходными окнами, расположенными равномерно по периметру его нижней части, вытяжное устройство в виде сопряженной с корпусом по периметру его верхней части конфузорно-диффузорной обечайки с размещенным в ней рабочим (лопаточным) колесом вентилятора, которое соединено с расположенным там же электроприводом вращения его вокруг вертикальной оси, при этом в корпусе последовательно сверху вниз размещены поярусно каплеуловитель, водораспределитель с разбрызгивающими элементами (форсунками) и многоступенчатый (пленочный) ороситель, а также расположенный ниже основных воздуховходных окон водосборный резервуар, при этом водоразбрызгивающие элементы водораспределителя ориентированы в направлении первой ступени оросителя, последняя ступень которого расположена над верхним краем основных воздуховходных окон, а между каждой парой рядом расположенных ступеней оросителя в корпусе выполнен ряд дополнительных воздуховходных окон (DE №2126758, 1974). Благодаря выполнению в корпусе дополнительных воздуховходных окон обеспечивается дополнительная подача в каждую межступенчатую часть градирни более сухого воздуха из окружающей среды. В результате обеспечивается не только турбулизация воздуха в каждой межступенчатой части градирни, но и уменьшение влажности воздуха, поступающего на вышерасположенную ступень оросителя. Турбулизация воздуха и снижение его влагосодержания способствует интенсификации процесса испарительного охлаждения воды, однако описанное выше техническое решение обеспечивает турбулизацию и уменьшение содержания влаги только периферийной части потока воздуха, проходящего через ороситель. Кроме того, наличие дополнительных воздуховходных окон существенно снижает эксплуатационную надежность вентиляторной градирни в зимнее время, вследствие образования наледи в зонах, прилегающих к многочисленным дополнительным воздуховходным окнам.
В качестве прототипа взята вентиляторная градирня, содержащая осесимметричный вертикальный корпус с воздуховходными окнами, расположенными равномерно по периметру его нижней части, вытяжное устройство в виде сопряженной с корпусом по периметру его верхней части конфузорно-диффузорной обечайки с размещенным в ней рабочим (лопастным) колесом вентилятора, которое связано с размещенным там же электроприводом вращения его вокруг вертикальной оси, при этом в корпусе последовательно сверху вниз размещены поярусно каплеуловитель, основной водораспределитель с разбрызгивающими элементами (форсунками), первая ступень оросителя, дополнительный водораспределитель с разбрызгивающими элементами, вторая ступень оросителя, а также расположенный ниже воздуховходных окон водосборный резервуар, при этом водоразбрызгивающие элементы основного и дополнительного водораспределителей ориентированы в направлении соответствующей каждым из них поверхности первой ступени оросителя, вторая ступень которого расположена над верхним краем воздуховходных окон, а дополнительный водораспределитель соединен с основным водораспределителем с помощью трубопроводов, расположенных вне корпуса и снабженных соответствующим каждому из них эжектором с сообщающейся с атмосферой (окружающей средой) приемной камерой (SU №1404782, A1, 1988).
Недостаток прототипа заключается в том, что введение дополнительного водораспределителя обеспечивает не только повышение эффективности капельного охлаждения воды, подаваемой через дополнительный водораспределитель (за счет увеличения приблизительно в два раза продолжительности пребывания капель этой воды в зоне капельной стадии ее охлаждения), но и приводит к усложнению конструкции вентиляторной градирни, повышению аэродинамического сопротивления, а также к снижению эксплуатационной надежности в зимнее время года вследствие наличия расположенных вне корпуса трубопроводов с эжекторами. Следствием повышения аэродинамического сопротивления является или увеличение энергозатрат на прокачку потока воздуха через градирню, или снижение эффективности охлаждения воды. Кроме того, в прототипе не обеспечивается однородное по поперечному сечению оросителя распределение воздушного потока.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению повышения эффективности охлаждения воды на стадии капельного охлаждения, а также по обеспечению оптимальной скорости воздушного потока на стадии пленочного охлаждения воды при одновременном снижении энергозатрат и однородном по поперечному сечению оросителя распределении воздушного потока. Достигаемые при этом технические результаты заключаются в упрощении конструкции вентиляторной градирни, в повышении эксплуатационной надежности в зимнее время года, в повышении однородности распределения воздушного потока по поперечному сечению оросителя при одновременном снижении энергозатрат на формирование потока воздуха через ступени оросителя с оптимальными для режима пленочного охлаждения воды скоростными параметрами, в повышении эффективности капельной стадии охлаждения воды за счет обеспечения высокой дисперсности жидкой фазы и существенного увеличения продолжительности пребывания капель воды в объеме между ступенями оросителя.
Поставленная задача решена тем, что в вентиляторной градирне, содержащей вертикальный корпус с воздуховходными окнами, расположенными по периметру его нижней части, водосборник и рабочее колесо вентилятора, связанное с электроприводом вращения его вокруг вертикальной оси, при этом в корпусе последовательно сверху вниз размещены поярусно каплеуловитель, водораспределитель с разбрызгивающими элементами, первая ступень оросителя и расположенная выше воздуховходных окон вторая ступень оросителя, упомянутые выше разбрызгивающие элементы ориентированы в направлении верхней поверхности первой ступени оросителя, согласно изобретению, корпус выполнен с открытой верхней торцевой частью, рабочее колесо вентилятора размещено между первой и второй ступенью оросителя, при этом рабочее колесо вентилятора расположено относительно верхней поверхности первой ступени оросителя на расстоянии, которое не превышает 0,38 диаметра рабочего колеса вентилятора, а относительно нижней поверхности первой ступени оросителя на расстоянии, составляющем от 0,03 до 0,075 его диаметра, максимальное значение которого соответствует обеспечению гарантированного рабочего зазора между рабочим колесом вентилятора и внутренней поверхностью корпуса, а минимальное значение - обеспечению допустимой неравномерности распределения воздушного потока по площади поперечного сечения первой и второй ступеней оросителя.
Кроме того, в одном предпочтительном воплощении изобретения диаметр рабочего колеса вентилятора составляет от 0,9 до 0,98 минимального размера внутреннего поперечного сечения корпуса, в частном случае его диаметра, а в другом предпочтительном воплощении изобретения нижняя поверхность второй ступени оросителя расположена относительно рабочего колеса вентилятора на расстоянии, не превышающем 0,38 его диаметра.
Преимущество патентуемой вентиляторной градирни (по сравнению с прототипом) заключается в том, что, благодаря исключению конфузорно-диффузорной обечайки, дополнительного водораспределителя и расположенных вне корпуса трубопроводов с эжекторами, обеспечивается не только упрощение конструкции вентиляторной градирни, но и повышение ее эксплуатационной надежности в зимнее время вследствие исключения элементов, расположенных вне корпуса. Размещение рабочего колеса вентилятора между ступенями оросителя, а также патентуемые геометрические соотношения, характеризующие расположение рабочего колеса вентилятора относительно оросителя, обеспечивают, с одной стороны, снижение энергозатрат на формирование однородного по поперечному сечению ступеней оросителя воздушного потока с оптимальными для пленочного режима охлаждения воды скоростными параметрами, а с другой стороны, интенсификацию капельной стадии охлаждения воды за счет повышения дисперсности жидкой фазы в активной зоне капельного охлаждения и существенного увеличения времени пребывания капель воды в упомянутой выше зоне в результате взаимодействия их с лопастями (лопатками) рабочего колеса вентилятора. Другие технические результаты, достигаемые при использовании патентуемого изобретения, станут ясными из дальнейшего изложения сущности патентуемого изобретения.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения перечисленных выше технических результатов патентуемой совокупностью существенных признаков.
На чертеже схематично изображена вентиляторная градирня, продольный разрез.
Вентиляторная градирня (см. чертеж) содержит вертикальный, например, осесимметричный корпус 1 с открытой верхней торцевой частью и с воздуховходными окнами 2, расположенными, предпочтительно, равномерно по периметру его нижней части. Воздуховходные окна 2 снабжены, например, воздухораспределительными решетками 3 или другими известными из достигнутого уровня техники средствами: щитами, заслонками и т.п. В корпусе 1 последовательно сверху вниз расположены поярусно каплеуловитель 4, водораспределитель 5 с разбрызгивающими элементами, например форсунками 6, первая ступень 7 оросителя, рабочее колесо 8 (лопастное или лопаточное) вентилятора и вторая ступень 9 оросителя, которая расположена выше воздуховходных окон 2. Кроме того, в нижней части корпуса (ниже воздуховходных окон 2) расположен водосборник, например водосборный резервуар 10 (бассейн). В других воплощениях изобретения корпус 1 может быть установлен непосредственно на водосборном бассейне, аналогично тому, как описано в патенте RU №18763, U1, 2001. Разбрызгивающие элементы (форсунки 6) водораспределителя 5 ориентированы в направлении верхней поверхности первой ступени 7 оросителя, при этом расстояние от верхней поверхности первой ступени 7 оросителя до рабочего колеса 8 вентилятора не превышает 0,38 его диаметра (диаметра окружности, описывающей его лопасти), который для обеспечения равномерного распределения воздушного потока по поперечному сечению первой 7 и второй 9 ступеней оросителя составляет от 0,9 до 0,98 минимального размера внутреннего поперечного сечения корпуса 1, в частном случае, его внутреннего диаметра. При этом, максимальное значение диаметра рабочего колеса 8 вентилятора выбирается исходя только из условия обеспечения гарантированного рабочего зазора между концами лопастей (лопаток) рабочего колеса 8 вентилятора и внутренней поверхностью корпуса, а минимальное значение выбирается исходя из допустимой в каждом конкретном случае неравномерности распределения воздушного потока по поперечному сечению ступеней 7 и 9 оросителя.
Рабочее колесо 8 вентилятора связано с электроприводом вращения его вокруг вертикальной оси, а именно электродвигателем 11, при этом, в предпочтительном воплощении изобретения, рабочее колесо 8 вентилятора вместе с электродвигателем 11 установлены на расположенной внутри корпуса 1 центральной (например, сосной корпусу 1) стойке 12, которая выполнена из железобетона или металла и соединена со второй ступенью 9 оросителя, например, как описано в патенте RU №18763, U1, 2001. В другом воплощении изобретения упомянутая выше стойка выполнена трубчатой формы, что позволяет установить электропривод вращения в нижней части градирни, а связывающую его с рабочим колесом вентилятора трансмиссию (вал) разместить в полости трубчатой стойки (RU №2101640, C1, 1998; RU №2193148, С1, 2002). Электродвигатель 11 может быть также установлен с внешней стороны корпуса 1 и соединен с рабочим колесом 8 вентилятора с помощью горизонтально расположенной трансмиссии, аналогично тому, как описано в патентах RU №119083, U1, 2012; EP №357805, A1, 990; ЕР №558300, B1, 1996. Кроме того, рабочее колесо 8 вентилятора может быть закреплено с помощью горизонтально расположенных и закрепленных на каркасе 1 несущих элементов. Однако в этом случае увеличивается не только нагрузка на корпус 1 вентиляторной градирни, но и аэродинамическое сопротивление для воздушного потока. В принципе в патентуемой вентиляторной градирне может быть использовано известное из уровня техники рабочее колесо вентилятора с внешним ободом (SU №1654503, A1, 1991). В этом случае электродвигатели расположены с внешней стороны корпуса вентиляторной градирни и кинематически связаны с ободом рабочего колеса вентилятора. Кроме электропривода в патентуемой вентиляторной градирне могут быть использованы также известные из уровня техники пневмоприводы вращения или гидроприводы вращения, например гидропривод вращения, описанный в заявке GB №2049906, A, 1980. Однако вне зависимости от выполнения крепления рабочего колеса 8 вентилятора, патентуемое размещение его между ступенями 7 и 9 оросителя позволяет уменьшить материалоемкость конструкции вентиляторной градирни и снизить уровень вибраций. Рабочее колесо 8 вентилятора расположено относительно нижней поверхности первой ступени 7 оросителя на расстоянии, соответствующем от 0,03 до 0,075 его диаметра. В предпочтительном воплощении изобретения рабочее колесо 8 вентилятора расположено относительно нижней поверхности второй ступени 9 оросителя на расстоянии, не превышающем 0,38 его диаметра. Что касается расстояния между рабочим колесом 8 вентилятора и верней поверхностью второй ступени 9 оросителя, то оно выбирается исходя из обеспечения при прогибе его лопастей гарантированного рабочего зазора между концами лопастей и верхней поверхностью второй ступени 9 оросителя.
Патентуемая вентиляторная градирня работает следующим образом. Предназначенная для охлаждения вода через водораспределитель 5 и разбрызгивающие элементы, например форсунки 6, подается на верхнюю поверхность первой ступени 7 оросителя, а далее, стекая тонкой пленкой по элементам первой ступени 7 оросителя, охлаждается за счет испарения и конвективной теплоотдачи при взаимодействии с создаваемым вращающимся рабочим колесом 8 вентилятора восходящим воздушным потоком. За счет патентуемого расположения верхней поверхности первой ступени 7 оросителя относительно рабочего колеса 8 вентилятора на расстоянии, не превышающем 0,38 его диаметра, обеспечивается возможность достижения оптимальной для пленочного режима охлаждения воды скорости воздушного потока (а именно, от 1,5 до 2,5 м/с.), проходящего по каналам первой ступени 7 оросителя при не только существенно меньших энергозатратах (по сравнению с известным из уровня техники расположением рабочего колеса вентилятора со стороны верхней торцевой части корпуса), но и меньших скоростях вращения рабочего колеса 8 вентилятора. Последнее обстоятельство является существенным, поскольку для обеспечения равномерного распределения воздушного потока по поперечному сечению ступеней 7 и 9 оросителя, рабочее колеса 8 вентилятора имеет больший диаметр, чем в прототипе, а именно: диаметр рабочего колеса 8 вентилятора составляет от 0,9 до 0,98 минимального размера внутреннего поперечного сечения корпуса 1, в частном случае его диаметра. Вода, прошедшая первую ступень 7 оросителя в виде прерывистых струй и бесформенных крупных капель, поступает в сильнозавихренную ближнюю зону создаваемого вращающимся рабочим колесом 8 вентилятора воздушного потока. В результате взаимодействия водяной фазы с сильнозавихренным воздушным потоком дисперсность водяной фазы увеличивается. Патентуемое расстояние между нижней поверхностью первой ступени 7 оросителя и рабочим колесом 7 вентилятора, составляющим от 0,03 до 0,075 его диаметра, обеспечивает условия, необходимые для повышения эффективности стадии капельного охлаждения воды, поскольку за счет увлечения капель воды вихревым воздушным потоком увеличивается время пребывания их в активной зоне (иными словами, в зоне капельного охлаждения, включающего поверхностное испарение воды и теплообмен при контакте капель воды с воздухом). Кроме того, в результате взаимодействия капель воды с лопастями (лопатками) рабочего колеса 8 вентилятора происходит не только дробление крупных капель (иными словами, повышается дисперсность водяной фазы, а следовательно, увеличивается поверхность испарения), но и возврат не только этих капель, но и других попавших на лопасти мелких капель обратно в упомянутую выше активную зону. Таким образом, интенсификация стадии капельного охлаждения воды в патентуемой вентиляторной градирне достигается за счет обеспечения высокой дисперсности водяной фазы и увеличения продолжительности пребывания мелких капель воды в упомянутой выше активной зоне, при этом, если расстояние между рабочим колесом 8 вентилятора и нижней поверхностью первой ступени 7 оросителя будет меньше 0,03 диаметра рабочего колеса 8 вентилятора, то это приводит к увеличению температуры воды, поступающей в водосборный резервуар 10, поскольку вследствие уменьшения объема упомянутой выше активной зоны процесс капельного охлаждения замедляется. При расстоянии между рабочим колесом 8 вентилятора и нижней поверхностью первой ступени 7 оросителя, превышающем 0,075 диаметр рабочего колеса 8 вентилятора, неоправданно увеличивается высота корпуса 1. Капли воды, прошедшие между лопастями рабочего колеса 8 вентилятора, поступают на вторую ступень 9 оросителя, где происходит дальнейшее охлаждение воды, при этом для обеспечения (в предпочтительном воплощении изобретения) оптимальной для пленочного режима охлаждения воды скорости воздушного потока, проходящего по каналам второй ступени 9 оросителя, расстояние между рабочим колесом 8 вентилятора и нижней поверхностью второй ступени 9 оросителя не должно (аналогично тому, как было описано выше взаимное расположение рабочего колеса 8 вентилятора и верхней поверхности первой ступени 7 оросителя) превышать 0,38 диаметра рабочего колеса 8 вентилятора. Вода, прошедшая вторую ступень 9 оросителя, поступает дождеванием в водосборный резервуар 10, при этом происходит ее дополнительное охлаждение за счет взаимодействия капель воды с воздухом, поступающим в результате работы вентилятора через воздуховходные окна 2. Благодаря патентуемому размещению рабочего колеса вентилятора отпадает необходимость в использовании конфузорно-диффузорной обечайки. Следствием этого является не только упрощение конструкции градирни и уменьшение аэродинамического сопротивления, но и обеспечивается уменьшение капельного уноса воды в атмосферу за счет уменьшения скорости воздуха в зоне размещения каплеуловителя.
Промышленная применимость изобретения подтверждается также возможностью осуществления его с помощью известных в соответствующей области техники технических средств и функциональных узлов.