ВЕНТИЛЯТОРНАЯ ГРАДИРНЯ
MECHANICAL-DRAFT COOLING TOWER

Изобретение относится к теплоэнергетике, может быть использовано для охлаждения оборотной воды.
Известна вентиляторная градирня (см. патент РФ №2411437, МПК F28C 1/00, 2010), содержащая вытяжную башню с воздуховходными окнами по периметру ее нижней части, водоуловитель, водораспределительную систему с суживающимися соплами и расположенную симметрично относительно продольной оси башни, ороситель и бассейн, разделенный на секции перегородками, каждая из которых выполнена из биметалла зигзагообразно с образованием в секции чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров, а водораспределительная система выполнена попарно расположенными суживающимися соплами и на внутренней поверхности каждого из пары сопел выполнены продольно расположенные от большего основания к меньшему криволинейные канавки, при этом в первом из пары сопел направляющая криволинейной канавки имеет направление по ходу часовой стрелки, а во втором - направляющая криволинейной канавки имеет направление против движения часовой стрелки.
Недостатком являются непроизводительные энергозатраты, обусловленные работой вентилятора в вытяжной башне с постоянной мощностью привода в изменяющихся погодно-климатических и, соответственно, температурных режимах атмосферного воздуха, когда при изменяющейся плотности потока, поступающего в вентилятор, изменяется его массовая производительность, приводя к существенному отклонению от нормированно-необходимой, особенно при отрицательных температурах окружающей среды.
Известна вентиляторная градирня (см. патент №2500964, МПК F28C 1/00. Опубл.10.12.2013. Бюл. № 34), содержащая вытяжную башню с воздуховходными окнами по периметру ее нижней части, водоуловитель, водораспределительную систему с суживающимися соплами и расположенную симметрично относительно продольной оси башни, ороситель и бассейн, разделенный на секции перегородками, каждая из которых выполнена из биметалла зигзагообразно с образованием в секции чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров, а водораспределительная система выполнена попарно расположенными суживающимися соплами и на внутренней поверхности каждого из пары сопел выполнены продольно расположенные от большего основания к меньшему криволинейной канавки, при этом в первом из пары сопел направляющая криволинейной канавки имеет направление по ходу часовой стрелки, а во втором направляющая криволинейной канавки имеет направление против движения часовой стрелки, при этом вытяжная башня снабжена вентилятором, расположенным в ее верхней части, регулятором скорости вращения привода вентилятора и регулятором температуры с датчиком температуры атмосферного воздуха, при этом регулятор температуры своим выходом соединен с регулятором скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а регулятор температуры содержит блок сравнения и блок задания, причем блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи и выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, который на входе подключен к регулятору скорости вращения.
Недостатком является энергоемкость процесса охлаждения воды, обусловленная нестабильностью тепломассообмена между жидкостью и воздухом окружающей среды в изменяющихся в течение года температурных воздействиях окружающей среды. Когда в теплое время года наблюдается интенсивный приток тепловой энергии через наружную поверхность вентиляторной башни к воде в бассейне, а в холодное время года наблюдается интенсивный отвод тепловой энергии через наружную поверхность в окружающую среду, а это резко ухудшает нормирование параметра по температурным значениям охлаждающей оборотной воды, возвращающейся к потребителю.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергоемкости за счет поддержания стационарности тепломассообмена в условиях различных температурных воздействий окружающей среды на наружную поверхность вытяжной башни, путем обеспечения постоянства микроклимата в ее внутреннем объеме при покрытии наружной поверхности вытяжной башни тонковолокнистым базальтовым материалом, расположенным в виде витых пучков, продольно вытянутых снизу вверх.
Технический результат по снижению энергоемкости достигается тем, что вентиляторная градирня содержит вытяжную башню с воздуховходными окнами по периметру ее нижней части, водоуловитель, водораспределительную систему с суживающимися соплами и расположенную симметрично относительно продольной оси башни, ороситель и бассейн, разделенный на секции перегородками, каждая из которых выполнена из биметалла зигзагообразно с образованием в секции чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров,а водораспределительная система выполнена попарно расположенными суживающимися соплами и на внутренней поверхности каждого из пары сопел выполнены продольно расположенные от большего основания к меньшему криволинейной канавки, при этом в первом из пары сопел направляющая криволинейной канавки имеет направление по ходу часовой стрелки, а во втором направляющая криволинейной канавки имеет направление против движения часовой стрелки, снабжена вентилятором, расположенным в ее верхней части, регулятором скорости вращения привода вентилятора и регулятором температуры с датчиком температуры атмосферного воздуха, при этом регулятор температуры своим выходом соединен с регулятором скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а регулятор температуры содержит блок сравнения и блок задания, причем блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи и выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, который на входе подключен к регулятору скорости вращении, при этом вытяжная башня с наружной поверхности покрыта тонковолокнистым базальтовым материалом, расположенным в виде витых пучков, продольно вытянутых снизу вверх.
На фиг.1 показан общий вид вентиляторной градирни,
на фиг.2 - разрез корпуса бассейна,
на фиг.3 - внутренняя поверхность суживающегося сопла с продольно расположенными канавками, направляющая которых имеет направление по ходу часовой стрелки,
на фиг.4 - внутренняя поверхность суживающегося сопла с продольно расположенными канавками, направляющая которых имеет направление против хода часовой стрелки.
Вентиляторная градирня содержит корпус 1 с воздуховпускными окнами и водосборным бассейном 2, над которым установлены ороситель 3, водораспределительная система 4, водоуловитель 5. На верхней части корпуса 1 закреплены вытяжное устройство, включающее конфузор 6 с вентилятором 7, концевой конфузорный канал 8 с устройством регулирования подачи ветрового потока атмосферного воздуха и диффузор 9, за вентилятором 7 жестко укреплены профильные пластины 10, а на внутренней поверхности от входа к выходу диффузора 9 расположены ребра 11, соединенные с кольцевой канавкой 12 и внешней поверхностью конической обечайки 13. Ороситель 3 имеет не менее двух секций из волнообразных пластин 14, водораспределительная система 4 состоит из подводящего коллектора 15 и водораспределителя 16, включающего ассиметрично укрепленную трубу 17, относительно корпуса 1, на который распределены суживающиеся сопла 18 с встроенными в них завихрителями 19.
Водосборный бассейн 2 (фиг.1 и фиг.2) включает корпус 1, в котором установлены секционные перегородки 20, выполненные зигзагообразными, и образует в каждой секции 21 диффузоры 22 и конфузоры 23, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке.
Водораспределительная система 4 с суживающимися соплами 18 выполнена в виде попарно расположенных суживающихся сопел 24 и 25, при этом на внутренней поверхности 26 суживающегося сопла 24 выполнены продольно расположенные от большего основания 27 к меньшему основанию 28 криволинейные канавки 29, причем направляющая криволинейной канавки 29 имеет направление по ходу часовой стрелки, а на внутренней поверхности 30 суживающегося сопла 25 выполнены продольно расположенные от большего основания 31 к меньшему основанию 32 криволинейные канавки 33 и направляющая криволинейной канавки 33 имеет направление против хода часовой стрелки. Вытяжная башня снабжена вентилятором 7, расположенным в ее верхней части, регулятором скорости вращения 34 привода 35 и регулятором температуры 36 с датчиком температуры 37 атмосферного воздуха, при этом регулятор температуры 36 своим выходом соединен с регулятором скорости вращения 34 в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а регулятор температуры 36 содержит блок сравнения 38 и блок задания 39. Блок сравнения соединен с входом электронного усилителя 40, оборудованного блоком нелинейной обратной связи 41 и выход электронного усилителя 40 соединен с входом магнитного усилителя 42 с выпрямителем, который на выходе подключен к регулятору скорости вращения 34. Корпус 1 вытяжной башни с наружной поверхности 43 покрыт тонковолокнистым базальтовым материалом 44, расположенным в виде витых пучков 45, продольно вытянутых снизу вверх.
Вентиляторная градирня работает следующим образом.
При температуре воды в бассейне 2 значительно более ниже значений, чем температура воздуха окружающей наружную поверхность 43 корпуса 1 вытяжной башни, и, особенно, при отрицательных температурах окружающей среды наблюдается интенсивный отвод техводы из верхнего объема вытяжной башни с нарушением микроклимата процесса охлаждения оборотной воды, т.е. осуществляется нестационарный тепломассообмен, резко снижающий эффективность охлаждения оборотной воды (см., например, стр.435 Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа, 1980, с.469)
При высоких положительных температурах воздуха окружающую наружную поверхность 43 среды и особенно дополнительно с солнечной радиацией наблюдается интенсивное поступление теплоты к воде бассейна 2 с последующим нарушением микроклимата процесса охлаждения оборотной воды, т.е. наблюдается также нестационарный тепломассообмен, резко увеличивающий энергоемкость охлаждения оборотной воды, из-за необходимости увеличения количества подавляемого атмосферного воздуха через воздуховпускные окна корпуса 1.
При покрытии тонковолокнистым базальтовым материалом 44 наружной поверхности 43 в условиях эксплуатации вентиляторной градирни с температурой окружающей среды более низкой, чем температура воды в бассейне 2, тепловой поток теплопроводностью через наружную поверхность 43 передается тонковолокнистому базальтовому материалу 44, а за счет того, что он выложен в виде витых пучков 45, продольно вытянутых снизу вверх, наблюдается не только устранение тепловых потерь в связи с теплоизоляционными свойствами, но и аккумулирование тепловой энергии (см., например, Волокнистые материалы из базальтов Украины, издательство «Техника». Киев, 1971-76 с., ил.). Наличие высокой температуры воздуха окружающей среды особенно в светлое время суток с солнечной радиацией, тонковолокнистый базальтовый материал 44 теплоизолирует наружную поверхность 43, с последующим аккумулирование тепловой энергии, которая в темное время суток теплопроводностью передается во внутрь корпуса 1, поддерживая стационарный процесс тепломассообмена оборотной охлаждаемой воды круглосуточно. Следовательно, выполнение наружной поверхности 43 с покрытием из тонковолокнистого базальтового материала 44 в виде витых пучков 45 обеспечивает нормированный тепломассообменный процесс охлаждения водопроводной воды, что снижает энергозатраты до расчетно-оптимальных.
Уменьшение температуры атмосферного воздуха ниже нормированной (например, 20°С) фиксируется датчиком температуры 37 атмосферного воздуха. При этом, как известно, плотность всасываемого в вентилятор атмосферного воздуха возрастает и увеличивается массовая производительность, т.е. наблюдается излишество количества воздуха, поступающего в воздуховходные окна по сравнению с нормированно-необходимым, что и приводит к ненужным энергозатратам на привод вентилятора.
Сигнал, поступающий с датчика температуры 37, становится большим, чем сигнал блока задания 39, и на входе блока сравнения 38 появится сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 40 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 41. За счет этого в электронном усилителе 40 компенсируется нелинейность характеристики привода 35 вентилятора 7. Сигнал с выхода электронного усилителя 40 поступает на вход магнитного усилителя 42, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 34 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 40 вызывает уменьшение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 42. В результате снижается момент от привода 35 вентилятора 7, передаваемый на регулятор скорости 36 в виде блока порошковых электромагнитных муфт и поступление атмосферного воздуха через воздуховходные окна в нижнюю часть корпуса 1 вытяжной башни, достигая значений нормированно-необходимых для процесса охлаждения оборотной воды, со снижением энергозатрат на привод 35 вентилятора 7.
Увеличение температуры атмосферного воздуха выше нормированной (например, 20°С), приводит к уменьшению его плотности и соответственно массовой производительности вентилятора 7 при постоянной скорости вращения привода 35, что ухудшает тепломассообменный процесс охлаждения оборотной воды. Для устранения данного явления также применяется система автоматизированного контроля. В этом случае сигнал, поступающий с датчика температуры 37, становится меньшим, чем сигнал блока задания 39 и на входе блока сравнения 38 появится сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 40 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной оборотной связи 41. Сигнал с выхода электронного усилителя 40 поступает на вход магнитного усилителя 42, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 34 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Положительная полярность сигнала электронного усилителя 40 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 42. В результате увеличивается момент от привода 35 вентилятора 7, передаваемый на регулятор скорости вращения 36 в виде блока порошковых электромагнитных муфт, и поступление атмосферного воздуха через воздуховходные окна в нижнюю часть корпуса 1 вытяжной башни, достигая значений нормированно-необходимых для процесса охлаждения оборотной воды.
Горячая вода подается из коллектора 15 в водораспределитель 16 через асимметрично укрепленную трубу 17 относительно корпуса 1 в суживающиеся сопла 18. Размещение суживающихся сопел 18 попарно, таким образом, что, например, на внутренней поверхности 26 суживающегося сопла 24 выполнены криволинейные канавки 29, направляющая которых имеет направление по ходу часовой стрелки, а на внутренней поверхности 30 суживающегося сопла 25 выполнены криволинейные канавки 33, направляющая которых имеет направление против хода часовой стрелки, приводит к следующему: поток горячей воды, перемещаясь от большего основания 27 суживающегося сопла 24 по криволинейным канавкам 29, расположенным на внутренней поверхности 26, закручивается по ходу часовой стрелки и после завихрителя 19 в виде микрозавихрения выбрасывается в полость корпуса 1 между оросителем 3 и водоуловителем 5.
Одновременно, поток горячей воды, перемещающийся от большего основания 3 суживающегося сопла 25 по криволинейным канавкам 33, расположенным на внутренней поверхности 30, закручивается против хода часовой стрелки и после соответствующего завихрителя 19 в виде микрозавихрения выбрасывается также в полость корпуса 1 между оросителем 3 и водоуловителем 5. Попарное расположение суживающегося сопел 24 и 25 приводит к тому, что два вращающихся в противоположные направления микрозавихрителя сталкиваются, образуя микровзрывы (см., например, А.П. Меркулов. Вихревой эффект и его применение в промышленности. Куйбышев. 1969, 348 с.) с интенсивным перемешиванием капелек горячей воды, что резко интенсифицирует тепломассообменный процесс охлаждаемой воды с воздухом, выходящим из оросителя 3.
Под действием гидродинамических свойств, преимущественно, каплеобразная масса остывающей горячей воды фонтанирует на оросителе 3 и стекает по волнообразным пластинам 14 первой секции в виде полосок пленки и капель, контактируя с проходящим потоком воздуха. После первой секции вода дождеванием переходит на вторую секцию, где циклично повторяется теплообмен первой секции, т.е. осуществляется пленочно-капельный эффект. Со второй секции охлаждения жидкость поступает в водосборный бассейн 2. При этом атмосферный воздух поступает в корпус 1 через воздуховпускные окна и охлаждает горячую воду, после чего насыщенный парами и каплями поступает в водоуловитель 5, где очищается от воды, и вентилятор 4 осуществляет отсос воздуха из корпуса 1.
В водосборном бассейне 2 секции 21 расположены таким образом, что обеспечивается равномерная эпюра скоростей водяного потока в поперечном сечении корпуса бассейна 2, поддерживаемая за счет «живого» сечения входных отверстий диффузоров 22 и конфузоров 23. Охлаждаемый поток воды с оптимальной эпюрой скоростей, обеспечивающий рациональный контакт воды с зигзагообразными секционными перегородками 20, поступает в секции 21 и, проходя последовательно участки диффузоров 22 и конфузоров 23, непрерывно меняет свою скорость, что приводит к турбулизации потока и повышению теплообмена, а также к перераспределению в секциях 21 давления движущегося потока воды. Это выравнивает гидравлическое сопротивление воды в секциях 21, приводит к равномерному смыванию водой всего объема водосборного бассейна 2.
Кроме того, шахматное расположение диффузоров 22 и конфузоров 23 в каждой секции 21 относительно соседней приводит к тому, что поверхности секционных перегородок 20 одновременно находятся под различным скоростным воздействием потока движущейся воды (с одной стороны перегородку 20 омывает поток, движущийся в диффузоре, с другой омывает поток, движущийся в конфузоре). В результате на данный элемент секционной перегородки 20 действует разность температур (температурный напор) посекционно разделенного потока охлаждения воды. Выполнение секционных перегородок 20 из биметалла приводит в данных условиях воздействия температурного напора к возникновению продольных колебаний термовибрации, что создает дополнительную турбулизацию непосредственно в поперечном слое секционных перегородок 20, значительно повышая тепломассообменные процессы дальнейшего поэтапного охлаждения воды в бассейне 2. Все это в конечном итоге и обеспечивает эффективную работу вентиляторной градирни даже при незначительном перепаде температур между атмосферным воздухом и охлаждаемой водой.
Оригинальность конструктивного решения заключается в том, что снижение энергозатрат на процесс охлаждения оборотной воды при различных температурных воздействиях атмосферного воздуха как в течение суток, так и годовых, достигается поддержанием стационарного тепломассообмена в вытяжной башне, путем создания расчетного микроклимата внутри корпуса, за счет покрытия его наружной поверхности тонковолокнистым базальтовым материалом, выполненным в виде витых пучков, продольно вытянутых снизу вверх, а это обеспечивает выполнение не только теплоизоляционных, но и аккумулирующих свойств.