БАШЕННАЯ ИСПАРИТЕЛЬНАЯ ГРАДИРНЯ С РАЗНЕСЕННЫМИ ОБЛАСТЯМИ ТЕПЛООБМЕНА И АЭРОДИНАМИКИ
TOWER-SHAPED EVAPORATIVE COOLING TOWER WITH DIFFERENT AREAS OF HEAT EXCHANGE AND AERODYNAMICS

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для повышения теплового КПД башенных испарительных градирен.
Башенная испарительная градирня является устройством для охлаждения теплой оборотной воды. Градирни крупных энергетических объектов содержат вытяжую башню с воздуховходными окнами в ее основании. Внутри башни осуществляется теплообмен между развитой поверхностью оборотной воды и потоком наружного воздуха, поступаюшего в башню через воздуховходные окна. Для этого внутри башни размещаются водораспределительная система и оросительное устройство. С помощью водораспределительной системы оборотная вода разбрызгивается на мелкие капли, которые падают на оросительное устройство. Оно, как правило, выполнется в виде набора плоских листов, по которым оборотная вода, испарясь, стекает тонкими пленками в подоросительное пространство и затем в водосборный бассейн. В результате контакта с развитой поверхностью оборотной воды находящийся в башне воздух нагревается, поднимается вверх и выходит через верхний конец вытяжной башни, при этом в воздуховходные окна внутрь башни поступает радиально направленный поток наружного воздуха сначала в подоросительное пространство, а затем к плоским листам оросительного устройства, т.е в область теплообмена. Недостатком башенных градирен данного типа является низкий тепловой КПД, обусловленный неравномерностью распределения потока наружного воздуха в области теплообмена.
Известна конструкция башенной испарительной градирни, в которой осуществляется более равномерное распределение потока наружного воздуха в области теплообмена. (Turnpenny A.W.H at all. Cooling Water Options for the New Generation of Nuclear Power Stations in the UK. Environment Agency. June 2010. pp 50-51). Это достигается тем, что область теплообмена выносится из башни вовне, а за вытяжной башней остается только функция создания вертикального потока, с помощью которого в область теплообмена поступает наружный воздух. В градирнях данного типа водораспределительная система и расположенное под ней оросительное устройство, выполненное в виде набора плоских листов, располагаются вокруг вытяжной башни. В этом случае поток наружного воздуха сразу поступает в область теплообмена, размещенную снаружи вокруг башни, что обеспечивает более равномерное распределение потока наружного воздуха в области теплообмена.
Недостатком данной конструкции градирни является низкий тепловой КПД градирни, обусловленный невысокой интенсивностью теплообмена и малой скоростью вертикального воздушного потока внутри башни. Низкая интенсивность теплообмена объясняется малым временем взаимодействия развитой поверхности воды с потоком наружного воздуха, что связано с малым путем его радиального пробега в области теплообмена. Малая скорость вертикального воздушного потока обяъясняется тем, что она определяется только силой Архимеда, действующей на объем находящегося в башне воздуха.
Наиболее близкой, принятой за прототип, является башенная испарительная градирня с внешним теплообменом (патент РФ №2527799 МПК F28C 1/000, F28F 25/00) с более высоким тепловым КПД, который достигается за счет увеличения времени взаимодействия развитой поверхности воды с потоком наружного воздуха, а также за счет увеличения скорости вертикального потока воздуха внутри вытяжной башни. Башенная испарительная градирня с внешним теплообменом содержит вытяжную башню с воздуховходными окнами в ее основании, водосборный бассейн, а также водораспределительную систему и оросительное устойство, расположенные вокруг башни на кольцевом основании и закрытые сверху крышкой. Водораспределительная система выполнена в виде кольцевой трубы с патрубками, на которых расположены разбрызгиватели воды. В конструкцию градирни вводятся воздухонаправляющие щиты, расположенные под углом к радиусу основания башни, которые выполняют функцию плоских листов оросительного устройства.
Башенная испарительная градирня работает следующим образом. С помощью патрубков с разбрызгивателями оборотная вода разбрызгивается на мелкие капли, которые падают на расположенные под ними водонаправляющие щиты и стекают по ним тонкими пленками на кольцевое основание, а затем в водосборный бассейн. От теплой воды в бассейне воздух в вытяжной башне нагревается, поднимается вверх и выходит через верхний конец башни, при этом в область теплообмена, находящуюся между кольцевым основанием и крышей, начинает поступать поток наружного воздуха, который, в результате взаимодействия с развитой поверхность оборотной воды, нагревается и через воздуховходные окна поступает в вытяжную башню. Направление движения потока наружного воздуха задается воздухонаправляющими щитами, расположенными под углом к радиусу основания башни, в результате поток наружного воздуха движется не радиально, а под углом к нему. При заданных размерах области теплообмена это увеличивает путь пробега потока наружного воздуха в ней, а значит и время его контакта с развитой поверхность оборотной воды, что повышает интенсивность теплообмена. Управление направлением потока наружного воздуха с помощью воздухонаправляющими щитами означает, что поток наружного воздуха поступает внутрь башни через воздуховходные окна под углом к радиусу основания башни, что сообщает скорости потока внутри башни тангенциальную составляющую. Закрученность воздушного потока вызывает дополнительную разность давлений внутри башни, что увеличивает скорость потока, а, следовательно, и интенсивность теплообмена.
Недостатком даной конструкции башенной испарительной градидирни является низкий тепловой КПД, обусловленный тем, что воздухонаправляющие щиты, раположенные под углом к радиусу основания башни у воздуховходных окон с внешней стороны, уменьшают площадь поверхности, через которую поток наружного воздуха поступает внутрь башни, а, следовательно, уменьшают количество наружного воздуха, поступающего в область теплообмена, что уменьшает его интенсивность.
Задачей изобретения является повышение повышение теплового КПД башенной испарительной градирни.
Техническим результатом является высокий тепловой КПД башенной испарительной градирни.
Технический результат достигается тем, что в башенной испарительной градирне, содержащей вытяжную башню с воздуховходными окнами в ее основании, водосборный бассейн, воздухонаправляющие щиты, а также водораспределительную систему и оросительное устройство, расположенные вокруг башни на кольцевом основании и закрытые сверху крышей, при этом водораспределительная система выполнена в виде кольцевой трубы с патрубками, на которых установлены разбрызгиватели воды, воздухонаправляющие щиты располагаются внутри башни по кругу под углом к радиусу основания башни а оросительное устройство выполнено в виде плоских листов, расположенных вдоль радиуса основания башни и наклоненных под углом к горизонту.
Предлагаемая конструкция башенной испарительной градирни позволяет пространственно разнести область теплообмена и аэродинамическую область формирования воздушного потока внутри башни, с помощью которого поток наружного воздуха поступает в область теплообмена. Это достигается тем, что теплообмен осуществляется снаружи башни, а формирование вертикального воздушного потока, в том числе с помощью его закрутки, осуществляется внутри башни, что позволяет повысить тепловой КПД градирни.
Изобретение поясняется схемой башенной испарительной градирни с внешним теплообменом, представленной на фиг. 1. Конструкция водораспределительной системы и оросительного устройства представлена на фиг. 2 а), б), в).
Башенная испарительная градирня содержит вытяжную башню 1, в основании которой находятся воздуховходные окна 2 и водосборный бассейн 3, в котором установлены держатели воздухонаправляющих щитов 4, расположенные внутри вытяжной башни по кругу на расстоянии от воздуховходных окон не меньше чем ½ ширины воздуховходных окон под углом порядка 45 градусов к радиусу основания башни. Над воздуховходными окнами 2 расположна крыша 5, под которой находится водораспределительная система, выполненная в виде кольцевой трубы 6 с патрубками 7, на которых установлены разбрызгиватели воды. (фиг. 2а) Под водораспределительной системой находится оросительное устройство, выполненное в виде плоских листов 8, расположенных вдоль радиуса основания башни и наклоненных под углом к горизонту. (фиг. 2б и 2в) Плоские листы 8 оросительного устройства установлены на кольцевом основании 9, выполненном с уклоном в сторону водосборного бассейна 3.
Башенная испарительная градирня работает следующим образом. С помощью водораспределительной системы 6 через разбрызгиватели, установленные на патрубках 7, оборотная вода разбрызгивается в виде мелких капель. Капли падают на расположенные под ними плоские листы 8 оросительного устройства и стекают по ним тонкими пленками на основание 9, а затем в водосборный бассейн 3. Теплая вода в бассейне 3 нагревает находящийся в вытяжной башне воздух, который поднимается вверх и выходит через верхний конец вытяжной башни 1, при этом в область теплообмена, расположенную между основанием 9 и крышей 5, начинает поступать поток наружного воздуха. В области теплообмена развитая поверхность воды представлена в виде тонких пленок воды, стекающих с наклонных листов 8 оросительного устройства. Скорость отекания пленок воды зависит от угла наклона к горизонту плоских листов 8 оросительного устройства. Путем изменения их угла наклона можно регулировать скорость стекания тонких пленок воды, а, следовательно, и время взаимодействия развитой поверхности воды с потоком наружного воздуха для увеличения тепловой КПД градирни.
Поток наружного воздуха в области теплообмена нагревается, и, двигаясь горизонтально вдоль радиуса основания градирни, заходит через воздуховходные окна 2 внутрь вытяжной башни 1 и взаимодействует с воздухонаправляющими щитами 8, которые превращают радиально сходящийся поток наружного воздуха в закрученный поток внутри вытяжной башни. Этот поток поднимается вверх и выходит через верхний конец вытяжной башни 1. Закрученность воздушного потока увеличивает вертикальную разность давлений внутри вытяжной башни, а, следовательно, увеличивает скорость потока в ней, что повышает интенсивность теплообмена, а, значит и тепловой КПД градирни.
Был построен макет башенной испарительной градирни с разнесенными функциональными областями теплообмена и формирования вертикального воздушного потока внутри башни. Проведенные эксперимены показали работоспособность и эффективность такой конструкции башенной испарительной градирни.