СИСТЕМА ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности к системам оборотного водоснабжения промышленных предприятий.
Известна система оборотного водоснабжения (см. патент РФ №2197691 МПК F28C 1/08, опубл. 27.01.2003), содержащая теплообменники, подключаемые прямой и обратной магистралями воды к бассейну - смесителю, снабженному охладителем, подключенным к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к обратной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключенной к сборнику загрязнений, при этом охладитель включает вертикальный корпус, боковые стенки которого и установленные в нем секционные перегородки выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке.
Недостатком данной оборотного водоснабжения является высокая энергоемкость системы, особенно при высоких температурах атмосферного воздуха из-за отсутствия автоматизированного поддержания плавного регулирования расхода воды, поступающей в охладитель, в зависимости от ее изменяющейся температуры, а также снижение эффективности работы охладителя при длительной эксплуатации, что обусловлено процессом налипания загрязнений в виде твердых частиц, например, ржавчины и окалины, на внутренние поверхности диффузоров, а это приводит не только к изменению гидравлического режима перемещения охлажденной жидкости в охладителе, но и ухудшению процесса тепломассообмена из-за резкого возрастания термического сопротивления загрязнений.
Известна система оборотного водоснабжения, выбранная в качестве прототипа, (см. патент РФ №2442940 МПК F28C 1/00, опубл. 20.02.2012, Бюл. №5), содержащая теплообменники, подключаемые прямой и обратной магистралями воды к бассейну - смесителю, снабженному охладителем, подключенным к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к обратной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключенной к сборнику загрязнений, при этом охладитель включает вертикальный корпус, боковые стенки которого и установленные в нем секционные перегородки выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке, при этом регулятор расхода снабжен задвижкой с приводом и регулятором скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а на прямой магистрали воды установлен датчик температуры, подключенный к регулятору температуры, который содержит блок сравнения и блок задания, причем блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, кроме того, выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, выход которого подключен к регулятору скорости задвижки, при этом перегородки диффузоров и конфузоров выполнены из биметалла, причем внутренний материал диффузоров имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности внутреннего материала конфузоров.
Недостатком является неэффективная работа бассейна-смесителя, особенно при высоких температурах атмосферного воздуха, когда работает охладитель, и вода, поступающая из него, контактирует лишь с верхним слоем воды, находящейся в бассейне-смесителе, а основная ее масса (около 80%) не участвует интенсивном тепломассообмене, т.к. зеркало воды в бассейне-смесителе находится практически в спокойном, неподвижном состоянии, подвергаясь лишь воздействию охлаждаемой воды из охладителя.
Технической задачей полезной модели является повышение эффективности поддержания температурного режима бассейна-смесителя при совместной работе с охладителем путем интенсификации тепломассообмене в зоне контакта охлажденной воды, поступающей из охладителя, и воды, находящейся в бассейне-смесителе. Это достигается за счет перемешивания слоев воды в бассейне-смесителе под воздействием напора жидкости, поступающей из обратной магистрали через разбрызгивающее суживающее сопло в виде струй фонтанов, расположенных по длине напорного коллектора.
Технический результат достигается тем, что система оборотного водоснабжения, содержащая теплообменники, подключаемые прямой и обратной магистралями воды к бассейну-смесителю, снабженному охладителем, подключенным к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к обратной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключенной к сборнику загрязнений, при этом охладитель включает вертикальный корпус, боковые стенки которого и установленные в нем секционные перегородки выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке, причем регулятор расхода снабжен задвижкой с приводом и регулятором скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а на прямой магистрали воды установлен датчик температуры, подключенный к регулятору температуры, который содержит блок сравнения и блок задания, при этом блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, кроме того, выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, выход которого подключен к регулятору скорости, причем перегородки диффузоров и конфузоров выполнены из биметалла, при этом внутренний материал диффузоров имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности внутреннего материала конфузоров, кроме того обратная магистраль через регулятор давления соединена с напорным коллектором, выполненным в виде трубопровода, на котором вертикально установлены суживающиеся сопла меньшим основанием вверх, причем напорный коллектор и суживающиеся сопла погружены ниже уровня зеркала воды в бассейне-смесителе.
На фиг.1 схематически изображена система оборотного водоснабжения, а на фиг.2 - общий вид корпуса охладителя с диффузорами и конфузорами из биметалла.
Система оборотного водоснабжения состоит из теплообменников 1, подключенных прямой напорной 2 и обратной 3 магистралями к водосборному бассейну - смесителю 4 с охладителем 5, над которым установлен ороситель 6. Прямая магистраль 2 с датчиком температуры 7 через задвижку 8, регулятор расхода 9 соединительным трубопроводом 10 с установленным эжектором 11 соединена с оросителем 6. Камера смешивания 12 эжектора 11 всасывающим трубопроводом 13 через регулятор 14 соединена с обратной магистралью воды 3, на которой перед бассейном - смесителем 4 установлен регулятор давления 15. На прямой магистрали 2 установлен насос 16 с регулятором давления 17, при этом на пропуск максимального расхода воды на охладитель 5 при максимальной его подаче на теплообменники 1 обеспечивается оптимальной всасывающей способностью эжектора 11, которая регулируется регулятором давления 15. Вдоль сопловой части 18 от меньшего сечения к большему выполнены канавки 19, соединенные в большем сечении сопловой части 18 эжектора 11 с кольцевой канавкой 20, которая подключена к сборнику загрязнений 21 в своей нижней части.
Охладитель 5 включает корпус, боковые стенки 22 которого и установленные в нем секционные перегородки 23 выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции 24 диффузоры 25 и конфузоры 26, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке. Перегородки 23 каждой секции 24 диффузоров 25 и конфузоров 26 выполнены из биметалла, при этом внутренний материал 27 диффузоров 25 имеет с коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности внутреннего материала 28 конфузоров 26.
Регулятор расхода 9 снабжен задвижкой 8 с приводом 29 и регулятором скорости 30 в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а на прямой напорной 2 магистрали воды установлен датчик температуря 7, подключенный к регулятору температуры 31, который содержит блок сравнения 32 и блок задания 33, причем блок сравнения 32, соединен с входом электронного усилителя 34, оборудованного блоком нелинейной обратной связи 35, кроме того, выход электронного усилителя 34 соединен с входом магнитного усилителя 36 с выпрямителем, который подключен к регулятору скорости 30 в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода 29 задвижки 8.
Обратная магистраль 3 через регулятор давления 15 соединена с напорным коллектором 37, выполненным в виде трубопровода 38, на котором вертикально установлены суживающиеся сопла 39 меньшим основанием 40 вверх, причем напорный коллектор 37 и суживающиеся сопла 39 с меньшим основанием 40 погружены ниже уровня зеркала бассейна-смесителя 4.
Система оборотного водоснабжения работает следующим образом.
Оборотная вода после теплообменников 1 по обратной магистрали 3 через регулятор давления 15 поступает в напорный коллектор 37 и по трубопроводу 38 к суживающимся соплам 39. Если температура атмосферного воздуха ниже расчетной, то в водосборном бассейне-смесителе 4 вода, подаваемая в теплообменники 1, имеет температуру, ниже, чем это необходимо. В это время задвижка 8 закрыта и вода в ороситель 6 не подается. Горячая вода из обратной магистрали 3 поступает к регулятору давления 15, который обеспечивает напор в трубопроводе 38 коллектора 37, определяемый плотностью воды, поступающей от теплообменников 1 с температурой нормированных условий работы. В связи с тем, что меньшее основание 40 суживающихся сопел 39 находится ниже уровня воды бассейна-смесителя 4, то в результате полученного после регулятора давления 15 напора из суживающихся сопел 39 выбрасывается оборотная вода в виде струй фонтана, создавая на зеркале воды бассейна-смесителя 4 волнообразное движение. Это приводит к возрастанию площади зеркала воды в бассейне-смесителе 4, что улучшает теплообменный процесс испарительного охлаждения (см., например, стр.165, Исаченко В.П. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981, 416 с). Дальнейшее перемешивание воды из обратной магистрали 3 с холодной водой в водосборном бассейне-смесителе 4 приводит к необходимому температурному режиму системы оборотного водоснабжения и вода с нормированной температурой насосом 16 через регулятор давления 17 подается в прямую напорную магистраль 2 и далее к теплообменникам 1.
При возрастании температуры атмосферного воздуха до значений, когда не обеспечивается охлаждение оборотной воды в водосборном бассейне-смесителе 4 до значений температуры охлажденной воды, что регистрируется датчиком температуры 7. При этом сигнал блока задания 33 регулятора температуры 31 превышает сигнал датчика температуры 7 и на выходе блока сравнения 32 появляется сигнал положительной полярности, который поступает на вход электромагнитного усилителя 34. Туда же поступает и сигнал с блока нелинейной обратной связи 35, который вычитается из сигнала блока сравнения 32.
За счет этого в электронном усилителе 34 компенсируется нелинейность характеристики привода 29 задвижки 8. Сигнал с выхода электронного усилителя 34 поступает на вход магнитного усилителя 36, где он усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку регулятора скорости 30 в виде блока порошковых электромагнитных муфт задвижки 8.
Положительная полярность сигнала электронного усилителя 34 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 36, тем самым, увеличивая передаваемый регулятором скорости 30 момент от привода 29, чем достигается открытие задвижки 8 на некоторую величину, обеспечивающую частичную подачу воды из прямой напорной магистрали 2 в регулятор расхода 9 и охлажденная вода, смешанная в эжекторе 11 с горячей водой, из обратной магистрали 3 подается по соединительному трубопроводу 10 на ороситель 6 и далее на охладитель 5 для более глубокого охлаждения.
Форсунки оросителя 6 в охладителе 5 расположены таким образом, что каждая форсунка подает воду только в одну из секций 24. В результате обеспечивается равномерная эпюра скоростей водяного потока в поперечном сечении корпуса охладителя 5, поддерживаемая за счет «живого» сечения выходных отверстий форсунок оросителя 6. Распыляемый поток воды с оптимальной эпюрой скоростей, обеспечивающей рациональный контакт воды с зигзагообразными перегородками 23, поступает в секции 24 и, проходя последовательно участки диффузоров 25 и конфузоров 26, непрерывно меняет свою скорость, что приводит к турбулизации потока и повышению теплообмена, а также к распределению в секциях 24 давления движущегося потока воды. Это выравнивает гидравлическое сопротивление воды в секциях 24 и приводит к равномерному смыванию водой всего объема охладителя 5, что в конечном итоге и обеспечивает эффективную работу охладителя 5 даже при незначительном перепаде температур между атмосферным воздухом и охлаждаемой водой.
Увеличение скорости охлаждаемой воды в диффузорах 25 за счет уменьшения проходного сечения по мере движения потока приводит к возрастанию теплоты трения пограничного слоя о внутреннюю поверхность диффузоров 25, выполненных из материала 27, что приводит к увеличению температурного градиента (см., например, Лариков Н.Н. Теплотехника. М.: Строительство, 1975. 369 с.). Последующий переход движущегося потока охлаждаемой воды по конфузорам 26 секций 24 приводит к уменьшению его скорости и, соответственно, теплоты трения о внутреннюю поверхность конфузоров 26, выполненных из материала 28, что приводит к резкому уменьшению температурного градиента. В результате в секциях 24 на внутренних поверхностях диффузоров 25 и конфузоров 26, выполненных, соответственно, из материалов 27 и 28, имеющих коэффициенты теплопроводности в 2,0-2,5 раза отличающиеся друг от друга (например, при выполнении перегородки 23 из биметалла с материалом 27 из алюминия с коэффициентом теплопроводности  и материалом 28 из латуни с коэффициентом теплопроводности  стр.379 Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1975. 496 с.) наблюдаются термовибрации, которые постоянно стряхивают твердые частицы с поверхностей перегородок 23 секций 24, не допуская их налипания (см., например, Дмитриев В.П. Биметаллы. Пермь: Наука, 1991. 487 с.). Все это приводит к поддержанию постоянства теплообмена в секциях 24 при длительной эксплуатации охладителя 5.
Известно, что вода, имеющая повышенную температуру, интенсифицирует процесс образования окалины и ржавчины, то есть загрязнений сопутствующих систем оборотного водоснабжения. В результате наблюдается увеличение гидравлического сопротивления трубопроводов, возрастает частота закупорки (засорения) насадок оросителя 6 и как следствие этого эффективность работы системы оборотного водоснабжения и возрастают энергозатраты на насосную установку. Поэтому горячая вода с загрязнениями (окалина, ржавчина и т.д.), перемешанная в камере смешивания 12, поступает в сопловую часть 18 эжектора 11 и, перемещаясь по винтообразным канавкам 19, закручивается. Твердые частицы сталкиваются в канавках 19, перемещаются в кольцевую канавку 20 и далее в сборник загрязнений 21, откуда удаляются вручную или автоматически (не показано).
Очищенный от загрязнений поток воды поступает в ороситель 6 и далее в охладитель 5 для более глубокого охлаждения. Оптимальная всасывающая способность эжектора 11 поддерживается регулятором давления 15. Очищенная в эжекторе 11 и охлажденная в охладителе 5 вода смешивается в водосборном бассейне - смесителе 4 с горячей водой, поступающей из теплообменников 1. Одновременно горячая вода из обратной магистрали 3, имея температуру выше нормированной, обусловленной возрастанием температуры атмосферного воздуха до значений, не обеспечивающих заданный температурный режим в бассейне-смесителе 4, поступает к регулятору давления 15. В связи с тем, что с повышением температуры оборотной воды в обратной магистрали 3 ее плотность изменяется, регулятор давления 15 увеличивает напор воды, поступающей через трубопровод 38 коллектора 37 и на выходе их меньшего основания суживающегося сопла 39 выбрасываются струйки воды в виде фонтана с большей скоростью (см., например, стр.184, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1975. 496 с.). В результате на поверхности зеркала воды бассейна-смесителя 4 образуются волны большей амплитуды, что приводит к возрастанию площади тепломассообмена зеркала воды, как с атмосферным воздухом, так и с охлажденной водой, поступающей их охладителя 5. Это приводит к интенсификации процесса тепломассообмена и улучшению смешивания охлажденной и горячей воды.
В процессе смешивания постепенно понижается температура воды до расчетного минимального значения, что регистрируется датчиком температуры 7. При этом сигнал датчика температуры 7 превышает сигнал блока задания 33 регулятора температуры 31 и на выходе блока сравнения 32 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 34. Туда же поступает и сигнал с блока нелинейной обратной связи 35, который вычитается из сигнала блока сравнения 32. Сигнал с выхода электронного усилителя 34 поступает на вход магнитного усилителя 36, где он усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку регулятора скорости 30 в виде блока порошковых электромагнитных муфт задвижки 8.
Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 34 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 36, тем самым, уменьшая передаваемый регулятором скорости 30 момент от привода 29, чем достигается закрытие задвижки 8 на некоторую величину, обеспечивающую частичное снижение (при необходимости и полное перекрытие) подачи воды из бассейна-смесителя 4 насосом 16 через регулятор давления 17 по прямой напорной магистрали 2 в регулятор расхода 9 и далее по описанному циклу.
Оригинальность предлагаемой полезной модели заключается в том, что снижение энергозатрат системы оборотного водоснабжения интенсификацией тепломассообмена в бассейне-смесителе за счет увеличения площади контакта охлажденной воды из обратной магистрали с водой из охладителя, а так же воздействия атмосферного воздуха окружающей среды путем создания волнового движения на зеркале бассейна-смесителя, что увеличивает поверхность тепломассообмена по сравнению с известными конструкциями. Это достигается посредством соединения обратной магистрали через регулятор давления с напорным коллектором, выполненным в виде трубопровода с суживающимися соплами, погруженными низе уровня зеркала воды. При этом регулятор давления, изменяя напор горячей воды перед суживающимися соплами, увеличивает при возрастании температуры атмосферного воздуха площадь поверхности тепломассообмена, за счет образования волны большей амплитуды обеспечивая необходимый температурный режим работы теплообменников.