Тепломассообменная насадка испарительного охлаждения для обеззараживания оборотной воды

Техническое решение относится к тепломассообменному оборудованию при непосредственном контакте между воздухом и водой в промышленных градирнях для охлаждения оборотной воды и может найти применение в энергетической, атомной, химической и нефтехимической промышленности.
Известно огромное количество тепломассообменных насадочных устройств различных конфигураций, ориентированных на определенный спектр технологических процессов (Сокол Б.А., Чернышов А.К., Баранов Д.А. Насадки массообменных колонн / под ред. Д.А. Баранова. - М.: ЗАО «Инфохим», 2009. - 358 с., Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов / А.М. Каган [и др.]; под ред. Лаптева. Казань: Отечество. 2013. 454 с.).
К причинам препятствующим достижению заданного технического результата относится снижение интенсивности тепломассообменных процессов из-за образования на поверхности насадочных элементов биопленки микроорганизмов, препятствующей развитию заданного гидродинамического режима работы и увеличивающей гидравлическое сопротивление слоя насадки, что негативно скажется на энергоэффективности процесса.
Известна тепломассообменная насадка в виде модулей из слоев полимерных сетчатых оболочек, выполненных цилиндрическими, размещенных во всех вертикальных слоях параллельно друг другу и сваренных по торцам модуля между собой в местах соприкосновения, при этом ороситель градирни составлен из трех модулей: в нижнем модуле каждая сетчатая оболочка дополнительно содержит в своем объеме лопастные завихрители, представляющие собой полимерный цилиндр, на внутренней стороне которого размещены лопатки; средний модуль содержит вертикальные слои горизонтально лежащих сетчатых оболочек, располагающихся поочередно с вертикально установленными гофрированными листами; в верхнем модуле в составе каждого ряда вертикально размещенных сетчатых оболочек установлены горизонтально лежащие гофрированные трубы (Патент RU 76111, МПК F28F 25/08, 2008).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится обрастание поверхности сетчатых оболочек биопленкой микроорганизмов, что снижает интенсивность тепломассообменных процессов между охлаждаемой водой и воздухом в градирнях.
Известна тепломассообменная насадка градирен в виде модуля из слоев полимерных сетчатых оболочек, выполненных цилиндрическими и размещенных во всех вертикальных слоях параллельно друг другу и сваренных по торцам модуля между собой в местах соприкосновения, при этом на нижней поверхности модуля установлены дистанцирующие вставки, выполненные в виде завихрителя и каждая дистанцирующая вставка выполнена из электропроводящего материала и снабжена вертикальным электродом, причем соседние дистанцирующие вставки присоединены к противоположным полюсам источника постоянного тока (Патент RU 123918, МПК F28F 25/08, 2012).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокая интенсивность тепломассообменных процессов между охлаждаемой водой и воздухом в градирнях из-за обрастания полимерных сетчатых оболочек насадки биопленкой микроорганизмов, это связано с тем, что в данных условиях процесс обеззараживания протекает мало интенсивно и очень неравномерно, так как через пленки жидкости покрывающие поверхность насадки должен идти ток, соответственно сопутствующие условия будут создаваться не всегда и неравномерно по объему насадки.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является конструкция элемента насадки для массообменного аппарата, содержащего набор параллельно расположенных стержней, на которых с каскадным расположением относительно друг друга вершиной вниз установлены пластины параболической формы с зубчатыми краями со свободными от стержней отверстиями (Патент RU 142483, МПК B01J 19/32, 2014).
К причинам препятствующим достижению заданного технического результата относится снижение интенсивности тепломассообменных процессов из-за образования на поверхности элементов насадки биопленки микроорганизмов, препятствующей развитию интенсивного капельного режима течения.
Задача - разработка конструкции тепломассообменной насадки для испарительного охлаждения, обладающей функцией обеззараживания оборотной воды и поддерживающей интенсивный капельный режим течения.
Техническим результатом является повышение производительности тепломассообменных аппаратов.
Поставленный технический результат достигается тем, что тепломассообменная насадка испарительного охлаждения для обеззараживания оборотной воды, содержит набор параллельно расположенных стержней, на которых с каскадным расположением относительно друг друга, вершиной вниз установлены пластины параболической формы со свободными от стержней отверстиями, при этом стержни установлены между двумя противоположно заряженными основаниями с образованием насадочного блока, причем каждый стержень подсоединен к одному основанию электропроводным концом, а к другому основанию - диэлектрическим концом, так, что соседние стержни подсоединены к противоположным полюсам источника постоянного тока, а пластины выполнены из диэлектрического материала.
Выполнение каждого стержня электропроводным с одним концом из диэлектрического материала и установка на стержнях насадочных элементов (пластинами параболической формы) из диэлектрического материала, а также присоединение соседних стержней-электродов к противоположным полюсам источника постоянного тока (в шахматном порядке), позволяет добиться наивысшей напряженности электрического поля, в результате чего охлаждаемая в градирне вода оказывается под воздействием электрического поля по всей высоте насадки, что приводит к гибели микроорганизмов и предупреждает образование биопленки микроорганизмов на поверхности элементов насадки. Это приводит к интенсификации тепломассообменных процессов между охлаждаемой водой и воздухом и поддержанию развитого капельного режима течения в аппаратах испарительного охлаждения с сохранностью гидрофобных свойств поверхностей элементов насадок, что повышает производительность тепломассообменных аппаратов.
На фиг. 1 представлен общий вид тепломассообменной насадки испарительного охлаждения.
На фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема тепломассообменной насадки испарительного охлаждения с шахматным подключением стержневых электродов.
На фиг. 3 представлена схема аппарата испарительного охлаждения оборотной воды с заявляемой тепломассообменной насадкой.
Тепломассообменная насадка испарительного охлаждения для обеззараживания оборотной воды состоит из набора параллельно расположенных стержней 1 (электродов), на которых с каскадным расположением относительно друг друга вершиной вниз установлены пластины параболической формы 2 (насадочные элементы), выполненные из диэлектрического материала. Стержни 1 установлены между двумя противоположно заряженными основаниями 3 и 4, выполняющим роль полюсов источника постоянного тока, с образованием насадочного блока. Каждый стержень 1 выполнен из электропроводного и диэлектрического материала и подсоединен к одному основанию электропроводным концом 5, а к другому основанию - диэлектрическим концом 6, таким образом, что соседние стержни подсоединены к противоположным полюсам источника постоянного тока (в шахматном порядке).
Тепломассообменная насадка испарительного охлаждения работает следующим образом.
TO
TO
От источника постоянного тока подают напряжение на основания 3 и 4 насадочного блока. Основания 3 и 4 приобретают противоположные заряды. Охлаждаемую оборотную воду орошают на верхние насадочные элементы насадочного блока, а снизу поступает воздушный поток. Насадочные элементы (пластины параболической формы) 2 расположены на параллельных стержнях 1 таким образом, чтобы капли срывались с насадочного элемента преодолевали секцию, соударялись со следующим элементом, дробились и обновляли свою поверхность тепломассопередачи. Эти циклы повторяются непрерывно по всей высоте насадки. Каждый стержень 1 подсоединен к одному из оснований 3 или 4 электропроводным концом 5, а к другому основанию - диэлектрическим концом 6, таким образом, что соседние стержни подсоединены к противоположным полюсам источника постоянного тока. Это обеспечивает высокую напряженность электрического поля в пределах объема насадочного блока. Поэтому капли водяного потока, развиваемого благодаря каскадному расположению насадочных элементов 2, подвергаются воздействию электрического поля высокой напряженности, образующегося под действием постоянного напряжения, приложенного между противоположно заряженными (в шахматном порядке) стержнями 1. Это подавляет жизнедеятельность микроорганизмов и предотвращает образование биопленки на поверхности насадочных элементов (пластины параболической формы) 2, что способствует развитию и поддержанию развитого капельного режима течения сквозь слой насадки и интенсифицирует тепломассообменные процессы между охлаждаемой водой и воздухом в аппаратах испарительного охлаждения. Кроме того, при движении капель воды через электрическое поле высокой напряженности, в них возникают токи поляризации, что способствует еще более качественному эффекту обеззараживания. И эти эффекты, обеспечивающие высокое качество обеззараживания оборотной воды, протекают очень равномерно по всему объему тепломассообменной насадки. От пробоя между электродными стержнями и противоположно заряженными основаниями оберегают изолирующие вставки (диэлектрические концы стержней) 6, пробой между смежными противоположно заряженными электродами предотвращается за счет контроля тока в цепи источника питания G и уменьшения его выходного напряжения таким образом, чтобы ток удерживался неизменным. Для исключения прохождения через источник питания токов короткого замыкания в цепь питания модуля может быть включено токоограничивающее сопротивление R, а для гашения всплесков тока при замыкании - дроссель L. В случае замыкания напряжение источника питания автоматически снижается до минимального значения, определяемого величиной R, а при исчезновении замыкания автоматически поднимается до рабочего значения.
Шахматный порядок присоединения смежных стержневых электродов к противоположно заряженными основаниями позволяет обеспечить их противоположный заряд и достичь наивысшей напряженности электрического поля, что повышает качество и равномерность эффекта по обеззараживанию оборотной воды.
Параллельные электродные стержни 1 выполненные из электропроводного материала могут быть выполнены как из жесткого, так и из гибкого материала. Гибкие стержни под воздействием восходящего потока воздуха будут совершать продольные, изгибные и крутильные колебаться, что приведет к разрыву пленок жидкости на поверхностях насадочных элементов 2 и поспособствует развитию интенсивного капельного режима течения и интенсификации тепломассообменных процессов между охлаждаемой водой и воздухом.
Таким образом, предлагаемая конструкция тепломассообменной насадки испарительного охлаждения позволяет за счет непрерывной обработки воды электрическим полем предотвращать образование биопленки микроорганизмов на поверхности насадочных элементов насадочных блоков, а значит интенсифицировать тепломассообменные процессы и поддерживать развитый капельный режим течения в течение всего срока службы насадочного устройства. Разработанная тепломассообменная насадка уменьшает затраты времени на ремонт аппаратов испарительного охлаждения, связанные с очисткой поверхности насадок от биопленки микроорганизмов, стабилизирует режим работы, связанный с постоянством гидравлического сопротивления восходящего потока воздуха, и уменьшает энергозатраты на движение воздуха в аппаратах испарительного охлаждения, так как пористость насадки остается постоянной и не снижается во времени по сравнению с градирнями, где поверхность насадки «обрастает» биопленкой микроорганизмов. Кроме того, обработанная вода поступает в оборотный цикл с улучшенными свойствами, тем самым препятствуя обрастанию биопленкой микроорганизмов всех теплообменных поверхностей технологического оборудования.