КАПЛЕУЛОВИТЕЛЬ ГРАДИРНИ
DROP CATCHER OF COOLING TOWER

Область техники
Изобретение относится к техническим устройствам охлаждения воздушно-капельной смеси в системах оборотного водоснабжения и предназначено для оптимизации процесса улавливания влаги и для снижения капельного уноса жидкости из противоточных башенных и вентиляторных градирен, применяемых в металлургии, нефтеперерабатывающем секторе промышленности, нефтехимии и других отраслях промышленности, что позволяет экономить средства на подпитке и более рационально использовать водные ресурсы, при этом изобретение может быть использовано в адсорберах, абсорберах и других подобных сооружениях, в которых существует необходимость улавливания жидкости из воздушно-капельных смесей, с установкой каплеуловителя на специальной площадке между водораспределительной системой и вентилятором, или в створе диффузора/конфузора.
Уровень техники
Задача каплеуловителя - установить преграду на пути воздушно-капельной смеси и создать такую поверхность, что отдельные водяные капли, сталкиваясь, сливались друг с другом и размерно укрупнялись, с увеличением своей массы, под действием силы тяжести падали вниз на систему каплеоросителей возвращаясь в производственный оборот.
Все устройства каплеуловителей работают по одному принципу: летящие вверх капли воздушно-капельных смесей осаждаются на препятствии за счет инерции при отклонении воздушного потока при огибании этого препятствия. При этом вектор силы выталкивания раскладывается на 2 составляющие: вертикальную и горизонтальную. Каждая из них меньше суммы, следовательно, и массу капли надо набрать меньшую, то есть наклонные пластины позволяют уменьшить высоту блока каплеуловителя.
Каплеуловители отличаются друг от друга не только конструкционным материалом, но и формой технологических элементов и их взаимным расположением. Для снижения лобового сопротивления, за счет более рационального распределения по поверхности тела (каплеуловителя) нагрузок, направленных по нормали (давление) и касательной (вязкое трение) к поверхности элементов и повышения эффективности улавливания капель воздушно-капельных смесей, создается инженерная конструкция, эффективно купирующая сквозное прохождение капель жидкости.
Известны различные конструкции каплеуловителя, применяемые в настоящее время и имеющие следующие основные недостатки:
- деревянные блоки имеют ограниченный срок службы, трудоемки при изготовлении (в 1964 году из дерева стали делать наклонные элементы с различным сечением профиля). Деревянные каплеотбойники жалюзийного типа со временем перестали удовлетворять предъявляемым им требованиям, так как дерево стало дорогостоящим материалом и требовало специальной обработки;
- асбоцементные блоки из-за большого веса усложняют конструкцию несущего каркаса градирен, разрушаются при обледенении (каплеуловитель асбестоцементный с криволинейным очертанием лопаток);
- блоки водоуловителя из пластмассовых элементов различных конструкций (такие как пластмассовый отбойник с криволинейным очертанием лопаток, водоуловитель пластмассовый трехрядный), основной недостаток которых в неспособности выдерживать даже кратковременные обледенения, в зимний период работы происходит разрушение каплеуловителя.
Из уровня техники известен водоуловитель испарительной градирни (см. [1] авторское свидетельство СССР №1462080, МПК F28F 25/04, F28C 1/02, опубл. 28.02.1989), содержащий решетку вертикально установленных V-образных профилей, две средний планки которых соединены под прямым углом, а верхняя и нижняя крайние планки взаимно параллельны.
Основным недостатком этого решения является высокое аэродинамическое сопротивление проходу воздуха в связи с наличием резких угловых поворотов между элементами пластин и отсутствием плавных, криволинейных сопряжений между ними, при этом образующиеся завихрения обозначены на фигуре.
Из уровня техники известен водоуловитель противоточной градирни (см. [2] авторское свидетельство СССР №1726971, МПК F28F 25/08, F28C 1/00, B01D 45/06, опубл. 15.04.1992), содержащий закрепленные на горизонтальном стержне U-образные пластины, состоящие из трех полок, при этом пластины снабжены продольными цилиндрическими утолщениями, выполненными в средней части центральной полки и на концах крайних полок.
Основным недостатком данного водоуловителя является высокое аэродинамическое сопротивление проходу воздуха из-за наличия утолщений на концах пластин в зоне входа и выхода воздушного потока и в средней части, в зоне его поворота, а также отсутствие крайних линейных участков, направляющих указанный поток в зону водоулавливания между пластинами.
Из уровня техники известен водоуловитель градирни (см. [3] патент РФ №2178134, МПК F28F 25/08, F28C 1/00, опубл. 10.01.2002), содержащий решетку вертикально установленных пластин U-образного профиля, имеющих крайние прямолинейные вертикальные участки, сопряженные с ними и между собой средние прямолинейные наклонные участки, при этом высота крайнего верхнего участка больше высоты крайнего нижнего участка, углы наклона к вертикальной плоскости средних участков выполнены одинаковыми или разными.
Недостатками данного аналога являются значительное воздушно-динамическое сопротивление притоку воздушных масс, обусловленное малым расстоянием между пластинами каплеуловителя.  Кроме того, пластины решетки имеют недостаточную жесткость, обусловленную отсутствием ребер жесткости на краях пластин, что вызывает возникновение изгибающего момента и, как следствие этого, может привести к деформации водоуловителя в процессе его монтажа и эксплуатации. Кроме этого наличие вертикальных прямолинейных крайних участков не позволяет сформироваться устойчивой пленки воды на поверхности пластин, что также снижает эффективность улавливания капель воды.
Из уровня техники также известны каплеуловите градирни (см. [4] патент РФ №2184331, МПК F28F 25/08, опубл. 27.06.2002 и [5] патент РФ №2300066, МПК F28F 25/08, опубл. 27.05.2007), содержащие решетку вертикально установленных и жестко соединенных между собой пластин U-образного профиля, каждая из которых образована прямолинейными и вертикальными крайними верхним и нижним участками, сопряженными с расположенными между ними и сопряженными между собой верхним и нижним прямолинейными средними участками, выполненными под углом к вертикальной плоскости, в которой находятся крайние участки, при этом высота крайнего верхнего участка больше высоты крайнего нижнего участка, углы наклона к вертикальной плоскости средних участков выполнены одинаковыми или разными.
Недостатками данных аналогов являются трудности сборки каплеуловителей, что усложняет процесс формирования каплеуловительной поверхности в градирне. Кроме того, гладкая поверхность пластин U-образного профиля имеет сравнительно невысокую величину поверхности, что усложняет процесс формирования устойчивой пленки воды на поверхности пластин, что также снижает эффективность улавливания капель воды.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является каплеуловитель градирни (см. [6] патент РФ №2554144, МПК F28F 25/04, опубл. 27.06.2015), содержащий решетку вертикально установленных пластин U-образного профиля, имеющих крайние прямолинейные вертикальные участки, сопряженные с ними и между собой средние прямолинейные участки, наклонные к вертикальной плоскости, в которой расположены крайние участки, а вдоль края каждого крайнего участка выполнен плавно сопряженный с последним гофр, обращенный выпуклостью в сторону прогиба U-образного профиля, при этом каждая пластина U-образного профиля выполнена с несколькими соединительными элементами, каждый из которых выполнен симметричным относительно поперечного сечения и образованным наклонными плоскими стенками, сопряженными с участком сопряжения между собой прямолинейных наклонных участков с образованием сужающегося внутрь профиля пластины канала, причем к узкому участку сужающегося канала примыкают параллельные поперечному сечению плоские стенки, сопряженные с прямолинейными наклонными участками профиля пластины, указанные плоские стенки соединены между собой плоским основанием, перпендикулярным поперечному сечению пластины, плоское основание выполнено с соединительной втулкой, направленной внутрь U-образного профиля пластины и расположенной между крайними прямолинейными вертикальными участками профиля, а между собой пластины U-образного профиля соединены посредством дистанционных втулок, установленных в каждом соединительном элементе.
Недостатками прототипа являются значительное воздушно-динамическое сопротивление притоку воздушных масс, обусловленное малым расстоянием между пластинами каплеуловителя. Кроме того, пластины данного каплеуловителя  имеют низкий уровень прочности, обусловленный применением менее прочных чем нейлон материалов, отсутствием конструктивных особенностей усиления (плавных желобков)  жесткости на обоих краях пластин, отсутствием  применения  изгибающего момента на краях и плавного ребра жесткости в центре пластины, в следствие чего, может возникать деформации каплеуловителя  не только в процессе  его монтажа, но при проведении эксплуатации технического средства в градирне. Кроме того, конструкционные применения вертикальных прямолинейных участков пластин U-образного профиля негативно влияет на условия формирования устойчивой пленки улавливаемой влаги на поверхности пластин, снижая таким образом эффективность улавливания капель влаги.
Сущность изобретения
Задачей заявляемого изобретения является возможность достигнуть более высокой степени отделения капельной влаги от восходящего воздушно-капельного потока из градирни, за счет повышения эффективности каплеулавливания и прочность промышленного изделия.
Техническим результатом является снижение аэродинамического сопротивления, а также повышение: надежности устройства, эффективности каплеулавливания, прочности инженерного блока (блока решетки) и как следствие прочность устройства в целом.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата предлагается каплеуловитель градирни из вторичного текстиля (нейлона), содержащего блочную решетку вертикально установленных пластин U-образного криволинейного профиля, жестко соединенных между собой при помощи стержней, размещенных в отверстиях упоров, каждая пластина U-образного криволинейного профиля образована плавными криволинейными крайними участками, сопряженными с расположенным между ними плавным криволинейным средним участком, вдоль края каждого крайнего участка выполнен плавно сопряженный с последним волновой гофр, обращенный выпуклостью в сторону прогиба U-образного криволинейного профиля, а в центре среднего участка U-образного криволинейного профиля находится ребро жесткости, при этом шаг установки пластин в блочной решетке составляет 1,3 от глубины U-образного криволинейного профиля, причем в качестве сырья для пластин U-образного криволинейного профиля использован нейлон.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - поперечный разрез блочной решетки каплеуловителя из вертикально установленных пластин U-образного криволинейного профиля.
Фиг. 2 - поперечный разрез пластины U-образного криволинейного профиля.
На фигурах обозначены следующие позиции: 1 - пластина U-образного криволинейного профиля; 2 - стержень; 3 - отверстия упоров; 4 - упоры; 5 - крайний участок пластины; 6 - средний участок пластины; 7 - волновой гофр; 8 - ребро жесткости.
Осуществление изобретения
Поставленная задача с достижением необходимого технического результата решается за счет заявленного изобретения, представляющего собой каплеуловитель градирни из вторичного текстиля (нейлона). Каплеуловитель градирни содержит блочную решетку вертикально установленных пластин (1) U-образного криволинейного профиля, жестко соединенных между собой при помощи стержней (2), размещенных в отверстиях (3) упоров (4). Каждая пластина U-образного криволинейного профиля образована плавными криволинейными крайними участками (5), сопряженными с расположенным между ними плавным криволинейным средним участком (6). Вдоль края каждого крайнего участка (5) выполнен плавно сопряженный с последним волновой гофр (7), обращенный выпуклостью в сторону прогиба U-образного криволинейного профиля. В центре среднего участка (6) U-образного криволинейного профиля находится ребро жесткости (8) с прямым углом. Шаг установки пластин (1) в блочной решетке составляет 1,3 от глубины U-образного криволинейного профиля. В качестве сырья для пластин (1) U-образного криволинейного профиля использован нейлон.
В целях повышения эффективности осаждения влаги из воздушно-капельной смеси и снижения динамического сопротивления предлагается применение в основе конструкции ребра жесткости и плавных волновых гофров на краях пластин, плавности изгибов (поз. 5 и 6) (принцип аэродинамической плавности устройства крыш китайских пагод), которые способствуют за счет использования эффекта центробежных сил отбрасыванию на стенки профилей капель влаги, которые пленками стекают по элементам каплеуловителя вниз, кроме того, в вихревом потоке происходит частичная конденсация пара и дальнейшее оседание влаги под действием центробежных сил. Таким образом минимизируется классический «эффект дождя» возле градирни. В результате, величина возникающей центробежной силы такова, что удаляется из потока максимальное количество капельной влаги. Это повышает эффект каплеулавливания. При своем движении по полкам U-образного желоба капли сливаются в более крупные, к тому же к ним добавляются капли и струйки с боков полок, отчего кинетическая энергия струй увеличивается, и они быстрее удаляются в зону разбрызгивания, освобождая место для новых порций влаги. Это способствует повышению эффективности работы каплеуловителя. В ходе эмпирического исследования было выявлено положительное значение для снижения капельного уноса не только за счет формы U-образного криволинейного профиля решетки каплеуловителя, но и за счет выполнения плавными линиями крайних участков пластин. За счет указанных конструктивных признаков повышается жесткость пластин и существенно увеличивается эффективность улавливания капель технологической влаги. Образование водной пленки на поверхности пластины профиля каплеуловителя увеличивает эффективность каплеулавливания из потока воздушно - капельной смеси.
В настоящее время наибольшее распространение получили каплеуловители из полимеров - ПВХ, ПНД, полипропилена. Срок службы у них больше, вес меньше, да и форму можно отлить любую, значительно улучшив конфигурацию. Повышение надежности в заявленном изобретении обеспечивается за счет применения вторичного текстиля (нейлона) (в качестве сырья), и улучшение качественных характеристик, чем при термолитье из полиэтилена, полипропилена или ПВХ. Модуль упругости нейлона, 1700 МПа, (полиэтилена 900 МПа, полипропилена РРВ 1000 МПа), ударная вязкость при 23°C - 12 кДж/м² (у ПВХ - 4 кДж/м², полипропилена РРВ - 9 кДж/м²). Нейлон - первый синтетический полимер, физические качества которого превосходят свойства некоторых металлов. Вторичный нейлон обладает невероятным сочетанием свойств: высокой прочностью, термостойкостью, эластичностью и устойчивостью ко многим химическим реагентам. Благодаря особым физическим свойствам, нейлон отнесен к категории полимеров, известных как «инженерные термопластики». Использование в качестве материала для изготовления вторичного текстиля (нейлона) также позволяет обойтись без утолщения как самого каплеуловителя, так и его отдельных участков. Для получения дополнительной прочности каплеуловителя кроме использования в качестве основного материала изготовления - вторичного текстиля (нейлона), предусмотрены плавные ребра жесткости на обоих краях и в центре пластин блочной решетки, одновременно служащие направляющими для отвода собранных капель влаги, за счет плавности снижающие кинетическую энергию нагретой влаги посредством образования вихрей, ударных волн, аэродинамического нагрева поверхности пластин. Эффективность благодаря специальной форме пластин в блоке, при минимальном воздушном сопротивлении, данного устройства достигает 99,998%.
Работа каплеуловителя градирни происходит следующим образом. Нагретую в производственном процессе оборотную техническую воду, направляют в градирни, где она охлаждается при противоточной подаче ее с воздухом, засасываемым из атмосферы вентилятором или за счет естественной тяги. При этом происходит коагуляция и укрупнение капель жидкости. В процессе испарительного охлаждения температура технической жидкости понижается.
Образующийся в процессе охлаждения технической жидкости восходящий воздушно - капельный поток, содержащий капельную влагу в смеси с воздухом, увлекается вверх, в направлении расположения каплеуловителя. Осевшая на плавной поверхности пластин вода стекает вниз и возвращается в оборотный цикл. При движении воздушного потока в криволинейных каналах каплеуловителя происходит окончательное осушение потоков воздуха за счет стандартной гравитационной сепарации. Наличие в каплеуловителе входных и выходных плавных вертикальных каналов купирует образование турбулентности воздуха и снижает динамическое сопротивление.