ВСЕПОГОДНАЯ БАШЕННАЯ ГРАДИРНЯ
ALL-WEATHER TOWER COOLING TOWER

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для охлаждения воды атмосферным воздухом в циркуляционных контурах АЭС, ТЭЦ и другого промышленного оборудования.
Известны устройства аналогичного назначения, например «Градирня» авторов Лапшина В. Б. и Палей А. А. по патенту РФ № 2511824, МПК F28C 1/16 [1].
Градирня содержит расположенную над водосборным бассейном открытую полую башню с боковыми проемами у основания, коронирующие электроды, соединенные с высоковольтным источником питания, установленные на изоляторах с зазором относительно заземленной сетки, разбрызгиватель охлаждаемой воды и водоулавливающее устройство, причем заземленная сетка установлена в плоскости поперечного сечения открытой полой башни.
Недостатками данного устройства является наличие небезопасного для работы во влажном сооружении высокого напряжения порядка 100 кВ и отсутствие управления его параметрами в зависимости от погодных условий и изменяющихся свойств охлаждаемой воды. Данное устройство не пригодно для использования на существующих градирнях и может быть реализовано только на вновь проектируемых градирнях.
Известен также «Способ осаждения капелек пара в градирне» авторов Логачева С. В., Логачева В. Г., Савиных Ю. А. по патенту РФ № 2360198, МПК F28C 1/00 [2].
Данное изобретение относится к области коагуляции пара в градирне, оборудованной трубой для подачи воды, оросительной системой и резервуаром воды. Внутри градирни устанавливаются излучатели звука и усеченный круговой конус таким образом, чтобы звук отражался по всему объему сооружения, причем генерирование излучателями звука производилось по направлению к боковой поверхности усеченного кругового конуса и по направлению к внутренней поверхности градирни для создания звукового поля в виде стоячих волн. Предполагается, что капельки пара при движении их вверх попадают в звуковое поле стоячих волн, где коагулируются и под действием собственного веса осаждаются в резервуар.
Недостатком данного устройства является большая сложность создания внутри сооружения стоячих звуковых волн и их управлением в режиме резонанса при постоянно меняющихся внешних климатических условиях, а также изменения характеристик охлаждающей воды. Кроме того, такое устройство не может быть универсальным и не применимо для существующих градирен.  Подобные сооружения могут быть спроектированы для новых градирен с заранее определенными конструктивами, диапазоном излучающих частот и значениями необходимого высокого напряжения.
Известен также «Летний оголовок для градирни» автора Ежова В. С. по патенту РФ № 2612678, МПК F28C 1/00, F28F 25/04 [3].
Устройство содержит сплошное вертикальное ограждение, прикрепленное к вертикальным стойкам, расположенным по периметру устья градирни. Ограждение прикреплено нижними торцами к верхнему кольцу жесткости устья и соединено на определенной высоте опорным уголком. На уголок уложен водопароуловитель, собранный из секций, каждая из которых состоит из наклоненных в сторону ограждения под углом лотков, в который опущены водопароулавливающие пластины из гидрофильного материала, улавливающие мелкие капли воды в водяном паре.
Основным недостатком данного устройства является зависимость его работы от природных условий, так как оно работоспособно только при положительных температурах воздуха и не работоспособно в зимний период на большинстве территорий РФ. Кроме того, данное устройство только уменьшает унос воды в окружающую атмосферу за счет наличия пластин из гидрофильного материала, но не осаждает паровую фазу воды в виде тумана.
Наиболее близким техническим решением – прототипом является «Вентиляторная или башенная градирня с пароуловителем» авторов Авруцкого Г.Д., Лазарева М. В. и др. по патенту РФ № 2520697, МПК F28C 1/02; F28F 25/04 [4].
Данная градирня содержит водосборный бассейн охлажденной воды и установленный над ним выше уровня воды на опорах вертикальный корпус, открытый снизу для забора атмосферного воздуха и сверху – для выхода паровоздушной смеси, а также расположенные внутри корпуса оросительное, водораспределительное и каплеуловительное устройства, причем над корпусом градирни установлен каплеуловитель в виде сообщенного с атмосферой купола из теплопроводного материала с конденсатосборником, соединенным трубчатыми каналами с внутренней частью корпуса градирни ниже каплеуловительного устройства.
Недостатком данного устройства является не полная конденсация воды из паровоздушной смеси, выбрасываемой в атмосферу, так как внутренняя поверхность купола имеет ограниченную поверхность для конденсации, а через окна в нижней части купола выходит наружу только частично осушенная в пароуловителе пароводушная смесь.
Кроме того, в суровых зимних условиях вода, сконденсированная на внутренней поверхности купола градирни, будет превращаться в лед, значительные наросты которого могут приостановить работу или даже разрушить корпус градирни.
Задачей предлагаемого изобретения является создание всепогодной градирни, обеспечивающей максимальное улавливание и конденсацию влаги, содержащейся в паровоздушной смеси до ее выхода в атмосферу. Технической проблемой, которую решает настоящее изобретение, является оснащение существующих башенных градирен техническими средствами, которые бы обеспечили работу градирен круглогодично, независимо от погодных условий и максимально осушали выбрасываемую наружу паровоздушную смесь.
Технический результат заключается в следующем:
- использован эффект регулируемого нагрева или охлаждения слоев каплесборной сетки в зависимости от внешних условий, установленных в верхней части купола и создания «точки росы» для паровоздушной смеси до ее удаления наружу;
- использован эффект вихревой трубки Ранка, с разных выходов которой через трубопровод подается горячий или холодный воздух в пакет перфорированных трубок, расположенный между слоями каплесборной сетки;
- установлены для автоматического определения «точки росы» в верхней и в нижней зонах пароуловителя датчики температуры осушенного и влажного воздуха, подключенные к входам контроллера, управляющего переключающими вентилями «холодного» и «горячего» воздуха и так же - компрессорной установкой сжатого воздуха;
- выполнено в верхней части купола окно для выхода в атмосферу осушенного воздуха, над которым расположен побудитель тяги оголовок-разряжитель воздуха.
Технический результат достигается за счет того, что в существующую градирню, содержащую водосборный бассейн охлажденной воды, установленный над ним вертикальный корпус, открытый снизу для забора атмосферного воздуха, сверху – для выхода паровоздушной смеси и имеющий внутри корпуса оросительное, водораспределительное и каплеулавительное устройства, а над корпусом установлен пароуловитель в виде сообщенного с атмосферой купола с конденсаторным желобом, соединенным трубчатыми каналами стока воды с внутренней частью корпуса градирни и окном для выхода в атмосферу осушенной паровоздушной смеси, причем пароуловитель в куполе выполнен из двух слоев каплесборной сетки, между которыми установлен пакет перфорированных трубок, соединенный воздушным трубопроводом через управляемые вентили с выходами вихревой трубки Ранка, вход последней подключен к компрессору, а в верхней и в нижней зонах пароуловителя установлены датчики осушенного и влажного воздуха, подключенные к входам управляющего контроллера, выходы которого соединены с вентилями и с компрессором.
Технический результат достигается так же за счет того, что под сетками пароуловителя установлены по вертикали в два слоя и в шахматном порядке желобообразные лотки с наклоном их под углом к горизонту, концы которых подключены к трубчатым каналам стока сконденсированной воды.
Технический результат достигается так же за счет того, что окно для выхода в атмосферу осушенного воздуха выполнено в верхней части купола, а над окном расположен кольцевой побудитель тяги оголовок-разряжитель воздуха.
На чертеже в разрезе изображена предлагаемая «Всепогодная башенная градирня».
Градирня содержит корпус 1 с каплеуловительным устройством 2 (остальные типовые узлы градирни-прототипа условно не показаны), причем над корпусом установлен купол 3 градирни, содержащий пароуловитель с нижним слоем 4 каплесборной сетки, пакет 5 перфорированных трубок, лежащих на ней, и верхний слой 6 каплесборной сетки, при этом перфорированные трубки соединены воздушным трубопроводом 7 через управляемые вентили 8 и 9 с разными выходами вихревой трубки 10 Ранка, а ее вход подключен к выходу компрессора 11. В верхней и в нижней зонах пароуловителя установлены датчики 12, 13 соответственно осушенного и влажного воздуха, подключенные к входам регулирующего контроллера 14, выходы последнего соединены с управляющими входами вентилей и компрессора.
Под сетками пароуловителя в куполе установлены желобообразные пластины-лотки 15 на двух уровнях со смещением уровней друг относительно друга и под углом к горизонту, концы которых соединены с трубчатыми каналами 16 стока воды в внутреннюю часть градирни. Купол градирни имеет окно 17 для выхода осушенного воздуха, оснащенное кольцевым побудителем тяги оголовком-разряжителем 18 (дефлектором).   Контроллер, трубка Ранка и компрессор могут размещаться как в герметичном корпусе внутри градирни, так и вне ее на пульте управления оператора градирни.
«Всепогодная башенная градирня» работает следующим образом.
Пароводяная смесь, частично осажденная на каплеуловительном устройстве 2 градирни, поднимается вверх, проходит между желобообразными лотками 15 и попадает на нижнюю сетку 4 пароуловителя, где частично конденсируется и, минуя пакет 5 перфорированных трубок, поступает выше на верхнюю сетку 6 пароуловителя.
Датчик 12 в верхней зоне купола над пароуловителем и датчик 13 в нижней зоне купола под пароуловителем выдают в контроллер 14 значения температур осушенного воздуха и влажного не осушенного воздуха. В регулирующий контроллер 14 заложены параметры определения «точки росы» в зависимости от разности температур и относительной влажности воздуха по известной психрометрической таблице. Контроллер 14 выдает управляющие команды на включение компрессора 11 и включение одного из вентилей 8 или 9. Сжатый воздух с компрессора 11 поступает на вход вихревой трубки 10 Ранка, на разных выходах которой образуется горячий или холодный воздух. При необходимости прогрева слоев 4, 6 сеток пароуловителя подается горячий воздух с трубки Ранка через соответствующий вентиль и воздушный трубопровод 7 в пакет 5 перфорированных трубок, из которых через отверстия воздух распространяется равномерно по зонам слоев 4, 6 сеток пароуловителя.
При повышенной температуре поступающей воды от АЭС или ТЭЦ и высокой температуре атмосферного воздуха в летний период возникает сильное пароиспарение в зоне корпуса градирни. В этом случае на пакет 5 перфорированных труб по воздушному трубопроводу 7 может быть подан с выхода трубки Ранка холодный воздух, усиливающий капельную конденсацию воды из пара на нижней конденсатной сетке 4.
«Точка росы» в верхней части купола 3 над верхним слоем 6 более прогретой каплесборной сетки обеспечивает интенсивное выделение влаги из пароводяной смеси даже в виде тумана. Сконденсированные капли под действием силы тяжести проходят вниз оба слоя 6, 4 сеток пароуловителя, попадают на желобообразные лотки 15, скатываются по ним до трубчатых каналов 16, по которым вытекают во внутреннюю часть градирни.
Наличие слоев 4, 6 сеток пароуловителя создает дополнительное сопротивление поднимающейся в верх пароводяной смеси, поэтому в окне 17 купола устанавливается кольцевой побудитель дополнительной тяги: оголовок-разряжитель 18 воздуха.
Использование подобных разряжителей, усиливающих тягу воздуха с выбросом ее наружу известно. Например, «Термоэнергетическая ветроустановка» авторов Щеклеина С. Е. и Попова А.И. по патенту РФ № 2505704, МПК F03D/00; F28C 3/02 [5]. Выполнение разряжителя в кольцеобразной форме способствует увеличению тяги так же за счет эжекции от ветрового потока, дующего с любого направления. Кроме того, при необходимости в верхней части градирни, так же как в прототипе, может быть размещен дополнительный вентилятор.
Особенность технических устройств, использующих эффект вихревой трубки 10 Ранка в том, что с ее выходов можно получать как горячий, так и холодный воздух. Например, известно «Устройство для ускоренного замораживания и последующего размораживания жидкого щелочного металла в трубах реактора АЭС» авторов Ташлыкова О. Л., Попова А. И., Щеклеина C. Е. по патенту на полезную модель № 171057, МПК G21B 1/00 [6]. Вихревые трубы, выпускаемые промышленностью, можно подобрать на сайте: «Рукотворный смерч – экологически чистый источник холода» [электронный ресурс] www.metodolig.ru/node/1423 [7].
В качестве сеток 4 и 6 пароуловителя может быть использован «Ультрасет ЗАО Даль» [электронный ресурс] www.daly.ru/katalog/ [8].
Использование горячего воздуха необходимых параметров с вихревой трубки Ранка позволяет исключить обледенение купола и обеспечить круглогодичную эксплуатацию градирни в сложных климатических условиях. Применение эффекта «точка росы» дает возможность значительно уменьшить влагосодержание в выбрасываемом в атмосферу воздухе.
Данное изобретение может быть использовано как при проектировании новых градирен, так и при модернизации уже существующих градирен при их незначительной доработке.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1.Лапшин В. Б., Палий А.А. Градирня. Патент РФ № 2511824, МПК F28C 1/16 (аналог).
2.Логачев С. В., Логачев В. Г., Савиных Ю. А. Способ осаждения капелек пара в градирне. Патент РФ № 2360198, МПК F28C1 /00 (аналог).
3.Ежов В. С. Летний оголовок для градирни. Патент РФ № 2612678, МПК F28C 1/00; F 25C 1/04 (аналог).
4.Авруцкий Г. Д., Лазарев М. В. И др. Вентиляторная или башенная градирня с пароуловителем. Патент РФ № 2520697, МПК F28C 1/02; F28F 25/04 (прототип).
5. Щеклеин С. Е., Попов А. И. Термоэнергетическая ветроустановка. Патент РФ № 2505704, МПК F03D 9/00; F28C 3/02.
6. Ташлыков О. Л., Попов А. И., Щеклеин С. Е. Устройство для ускоренного замораживания и последующего размораживания жидкого щелочного металла в трубах реакторов АЭС. Патент на полезную модель № 171057, МПК G21B 1/00.
7. Рукотворный смерч – экологически чистый источник холода [электронный ресурс] www.metodolig.ru/node/1423.
8. Каплеуловитель блочного типа «Ультрасет» ЗАО «Даль». [электронный ресурс] www.daly.ru/katalog/.
9. UA 64126 A, 15.02. 2004
10. EP 2306102 B1, 27.03.2013.