СИСТЕМА ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности к системам оборотного водоснабжения промышленных предприятий.
Известна система оборотного водоснабжения (см. патент №2128318 МПК F28C 1/06, 1999, Бюл. №9), содержащая теплообменники, подключаемые прямой и обратной магистралями воды к бассейну-смесителю, снабженному охладителем, подключенным к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к оборотной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключенной к сборнику загрязнений.
Недостатком данной системы оборотного водоснабжения является неэффективная работа охладителя, особенно при высоких температурах атмосферного воздуха, когда температурная разность между охлаждаемой водой и атмосферным воздухом незначительна и передача тепла в окружающую среду от корпуса охладителя имеет минимальное значение.
Известна система оборотного водоснабжения (см. патент РФ №2197691 МПК F28C 1/08, опубл. 27.01.2003), содержащая теплообменники, подключаемые прямой и обратной магистралями воды к бассейну-смесителю, снабженному охладителем, подключенным к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к обратной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключенной к сборнику загрязнений, при этом охладитель включает вертикальный корпус, боковые стенки которого и установленные в нем секционные перегородки выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке.
Недостатком данной системы является снижение эффективности работы бассейна-смесителя особенно при положительных температурах наружного воздуха, когда поступление охлажденной воды из охладителя смешивается лишь с верхним слоем воды в бассейне-смесителе, что составляет не более 20% от всего его объема, а остальная масса воды практически не участвует в тепломассообмене, значительно тем самым снижая эффективность работы отраслей оборотного водоснабжения.
Технической задачей полезной модели является поддержание эффективной работы системы оборотного водоснабжения при положительных температурах наружного воздуха путем интенсификации тепломассообмена по всему объему бассейна-смесителя за счет турболизации потока охлажденной воды, поступающей из охладителя при проникновении ее на большую глубину вплоть до основания корпуса бассейна-смесителя за счет спиралеобразного стекания по вертикально установленным направляющим в виде усеченного конуса с винтообразными направляющими на внешней поверхности.
Технический результат достигается тем, что система оборотного водоснабжения, содержащая теплообменники, подключаемые прямой и обратной магистралями воды к бассейну-смесителю, снабженному охладителем, подключенным к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к обратной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключенной к сборнику загрязнений при этом охладитель включает вертикальный корпус, боковые стенки которого и установленные в нем секционные перегородки выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке, причем, внутри бассейна-смесителя установлены большим основанием вверх направляющие в виде усеченных полых конусов, на внешней и внутренней поверхностях которых выполнены винтообразные канавки продольно расположенные от большего основания к меньшему основанию, причем направляющие в виде усеченных конусов расположены внутри бассейна-смесителя соосно секциям в виде диффузоров и конфузоров охладителя.
На фиг.1 схематически изображена система оборотного водоснабжения, на фиг.2 - направляющая в виде усеченного конуса, на внутренней и внешней поверхностях которых выполнены винтообразные канавки, а на фиг.3 - общий вид корпуса охладителя с диффузорами и конфузорами их биметалла.
Система оборотного водоснабжения состоит из теплообменников 1, подключенных прямой напорной 2 и обратной 3 магистралями к водосборному бассейну-смесителю 4 с охладителем 5, над которым установлен ороситель 6. Прямая магистраль 2 с термореле 7 через задвижку 8, регулятор расхода 9 соединительным трубопроводом 10 с установленным эжектором 11 соединена с оросителем 6. Камера смешивания 12 эжектора 11 всасывающим трубопроводом 13 через регулятор 14 соединена с обратной магистралью воды 3, на которой перед бассейном - смесителем 4 установлен регулятор давления 15. На прямой магистрали 2 установлен насос 16 с регулятором давления 17, при этом на пропуск максимального расхода воды на охладитель 5 при максимальной его подаче на теплообменники 1 обеспечивается оптимальной всасывающей способностью эжектора 11, которая регулируется регулятором давления 15. Вдоль сопловой части 18 от меньшего сечения к большему выполнены канавки 19, соединенные в большем сечении сопловой части 18 эжектора 11 с кольцевой канавкой 20, которая подключена к сборнику загрязнений 21 в своей нижней части.
Охладитель 5 включает корпус, боковые стенки 22 которого и установленные в нем секционные перегородки 23 выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции 24 диффузоры 25 и конфузоры 26, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке. Внутри бассейна - смесителя 4 установлены большим основанием 27 вверх направляющие 28 полые в виде усеченного конуса, на внешней 29 и внутренней 30 поверхностях которых выполнены винтообразные канавки 31, продольно расположенные от большего основания 27 к меньшему основанию 32, направляющие 28 в виде усеченных конусов расположены внутри бассейна-смесителя 4 соосно секциям из диффузоров 25 и конфузоров 26 охладителя 5.
Система оборотного водоснабжения работает следующим образом.
Оборотная вода после теплообменников 1 поступает по обратной магистрали в водосборный бассейн-смеситель 4, в котором находится ранее охлажденная в охладителе 5 вода. Если и температура атмосферного воздуха ниже расчетной, то в водосборном бассейне-смесителе 4 вода, подаваемая в теплообменники 1, имеет температуру ниже, чем это необходимо. В это время задвижка 8 закрыта и вода в оросителе 6 не подается. Горячая вода из обратной магистрали 3 перемешивается с холодной водой в водосборном бассейне-смесителе 4 и повышает его температуру.
Вода в бассейне-смесителе 4 находится в спокойном стационарном режиме теплообмена через поверхность корпуса с наружным воздухом и имеет температуру на 3-5°C выше чем температура окружающей среды за счет того, что тепловая энергия поступающая с оборотной водой из теплообменников 1 при наличии термического сопротивления материала корпуса бассейна-смесителя 4 не может достичь теплового равновесия с наружным воздухом (см., например, стр.328 Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: 1980-469 с., ил.). Одновременно наблюдается в бассейне-смесителе 4 теплообмен непосредственного контакта между потоком воды, поступающим из охладителя 5, и верхним слоем воды в бассейне-смесителе 4. При этом поток воды, поступающий из охладителя 5, представляет собой множество капелек жидкости выпадающей из секций в виде диффузоров 25 и конфузоров 26, а в связи с тем, что каждая капелька жидкости по мере перемещения от охладителя 5 до бассейна-смесителя 4 непосредственно контактирует с наружным воздухом, то и в момент ее последующего контакта с зеркалом воды в бассейне-смесителе 4, она имеет практически температуру окружающей среды, то есть наружного воздуха. В результате зеркало воды в бассейне-смесителе 4 на небольшую величину пограничного слоя (от 5 до 10%) от всего объема корпуса бассейна-смесителя 4 имеет температуру по величине равную температуре окружающей среды. Следовательно налицо, недостаточная эффективность охлаждения воды в бассейне-смесителе 4 по прототипу, особенно при положительных и преимущественно высоких температурах наружного воздуха интенсификация процесса охлаждения воды в бассейне-смесителе 4 со снижением температуры ее до значений близких к температуре наружного воздуха, достигается путем дополнительного перемешивания воды поступающей из охладителя 5 (с температурой воды практически равной температуре наружного воздуха) на зеркало бассейна-смесителя 4 то есть струйного проникновения капельной жидкости из охладителя 5 по всему объему (на всю глубину корпуса) бассейна-смесителя 4, а не только в пограничном слое на глубину не более 10%.
При температуре атмосферного воздуха, не обеспечивающей охлаждение оборотной воды в водосборном бассейне-смесителе 4 до максимально заданной температуры охлажденной воды, регистрируемой термореле 7 и подаваемой в теплообменники, осуществляется подача команды термореле 7 на открытие задвижки 8 и охлажденная вода, смешанная в эжекторе 11 с горячей водой, из обратной магистрали 3 подается по соединительному трубопроводу 10 на ороситель 6, где распределяется на форсунки.
Форсунки оросителя 6 в охладителе 5 расположены таким образом, что каждая форсунка подает воду только в одну из секций 24. В результате обеспечивается равномерная эпюра скоростей водяного потока в поперечном сечении корпуса охладителя 5, поддерживаемая за счет «живого» сечения водных отверстий форсунок оросителя 6. Распыляемый поток воды с оптимальной эпюрой скоростей, обеспечивающей рациональный контакт воды с зигзагообразными перегородками 23, поступает в секции 24 и, проходя последовательно участки диффузором 25 и конфузоров 26, непрерывно меняет свою скорость, что приводит к турбулизации потока и повышению теплообмена, а также к распределению в секциях 24 давления движущегося потока воды. Это выравнивает гидравлическое сопротивление воды в секциях 24 и приводит к равномерному смыванию водой всего объема охладителя 5, что в конечном итоге и обеспечивает эффективную работу охладителя 5 даже при незначительном перепаде температур между атмосферным воздухом и охлаждаемой водой.
Поток воды состоящий из множества капелек жидкости выбрасывается как из диффузора 25, так и из конфузора 26, после непосредственного контакта с наружным воздухом и, практически приняв его температуру, контактирует с зеркалом воды в бассейне-смесителе 4, где соосно с соответствующей секцией 24 установлены направляющие 28 в виде полого усеченного конуса. Каплеобразная жидкость из охладителя 5, начиная от зеркала воды бассейна-смесителя 4, где расположены большие основания 27 направляющих 28, скользит вниз одновременно по внешней 29 и внутренней 30 поверхностям, перемещаясь по винтообразным канавкам 31 продольно расположенным от большего основания 27 к меньшему основанию 32, то есть в общем случае перемещение каплеобразного потока из охладителя 5 осуществляется до основания корпуса бассейна-смесителя 4. В результате, перемещающийся поток жидкости по поверхностям 29 и 30 захватывает пограничные массы воды в бассейне-смесителе 4, осуществляя тем самым перемешивание воды по всему объему. А это, в конечном итоге, интенсифицирует процесс охлаждения, обеспечивая достижение температурного равновесия между наружным воздухом и водой в бассейне-смесителе 4, что и повышает эффективность системы оборотного водоснабжения.
Известно, что вода, имеющая повышенную температуру, интенсифицирует процесс образования окалины и ржавчины, то есть загрязнений сопутствующих систем оборотного водоснабжения. В результате наблюдается увеличение гидравлического сопротивления трубопроводов, возрастает частота закупорки (засорения) насадок оросителя 6 и как следствие этого эффективность работы системы оборотного водоснабжения и возрастают энергозатраты на насосную установку. Поэтому горячая вода с загрязнениями (окалина, ржавчина и т.д.), перемешанная в камере смешивания 12, поступает в сопловую часть 18 эжектора 11 и, перемещаясь по винтообразным канавкам 19, закручивается. Твердые частицы сталкиваются в канавках 19, перемещаются в кольцевую канавку 20 и далее в сборник загрязнений 21, откуда удаляются вручную или автоматически (не показано). Очищенный от загрязнений поток воды поступает в ороситель 6 и далее в охладитель 5 для более глубокого охлаждения. Оптимальная всасывающая способность эжектора 11 поддерживается регулятором давления 15. Очищенная в эжекторе 11 и охлажденная в охладителе 5 вода смешивается в водосборном бассейне-смесителе 4 с горячей водой, поступающей из теплообменников 1. В процессе смешивания постепенно понижается температура воды до расчетного минимального значения, после чего термореле 7 дает сигнал на закрытие задвижки 8.
Оригинальность предлагаемой полезной модели заключается в том, что поддержание эффективной работы системы оборотного водоснабжения при длительной эксплуатации и, особенно при положительных температурах наружного воздуха достигается интенсификацией тепломассообмена в бассейне-смесителе, когда процесс охлаждения воды происходит не точно на зеркале жидкости с пограничным слоем до 10% от поверхности контакта с воздушным потоком из охладителя, но и осуществляется процесс контакта по всему объему путем перемешивания слоев воды в бассейне-смесителе от зеркала в его корпусе до основания. Это достигается путем установки в объеме воды в бассейне-смесителе большим основанием вверх (на уровне зеркала воды) направляющих в виде полых усеченных конусов, на внутренней и внешней поверхностях которых выполнены винтообразные канавки, что обеспечивает не только перемещение более охлажденной воды из охладителя в виде множества капелек, но и перемешивание воды в бассейне-смесителе по всему объему от зеркала его до основания корпуса, то есть достижение теплового равновесия между водой и наружным воздухом.