ВЕНТИЛЯТОРНАЯ ГРАДИРНЯ
FAN COOLING TOWER

Изобретение относится к теплоэнергетике, может быть использовано для охлаждения оборотной воды.
Известна вентиляторная градирня (см. патент РФ №2411437, МПК F28С 1/100, 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 биометалла зигзагообразно с образованием в секции чередующихся в шахматном порядке конфузоров и диффузоров, а водораспределительная система выполнена попарно расположенными суживающимися соплами, а 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, 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 имеющихся 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 нормировано-необходимой, особенно при отрицательных температурах окружающей среды.
Известна вентиляторная градирня (см. патент РФ №2500964, МПК F28С 1/100, опубл. 10.03.2013, Бюл. №7), 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 биометалла 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 к регулятору скорости вращения.
Недостатком является энергоемкость процесса охлаждения оборотной воды, связанная с дополнительными энергозатратами на привод вентилятора для обеспечения необходимого движения количества поступающего атмосферного воздуха, при его повышенных положительных температурах для интенсификации тепломассообмена между воздухом, перемещающимся из воздуховпустимых окон по периметру нижней части вытяжной башни и зеркалом жидкости бассейна, в связи с уменьшением нормированной разности температуры контактируемых сред.
Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание нормированных энергозатрат на процесс охлаждения оборотной воды, особенно при высоких температурах атмосферного воздуха, когда наблюдается уменьшение разности температур с водой бассейна и требуется интенсификация тепломассообмена между охлаждаемой оборотной водой и зеркалом жидкости бассейна. Это обеспечивается увеличением площади контактируемых сред за счет образования на зеркале жидкости бассейна волновой поверхности вследствие воздействия скоростного напора атмосферного воздуха, поступающего через воздуховпускные окна, расположенные по периметру нижней части вытяжной башни и выполненные в виде комбинированного сечения с суживающейся и расширяющейся частями.
Технический результат по поддержанию нормированных энергозатрат на охлаждение оборотной воды достигается тем, что вентиляторная градирня содержит вытяжную башню, при этом вытяжная башня снабжена вентилятором, расположенным в ее верхней части, 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 выходом электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, который на выходе подключен к регулятору скорости вращения, при этом воздуховходные окна по периметру нижней части вытяжной башни выполнены в виде комбинированного сечения, включающего меньшую суживающуюся часть по ходу поступления атмосферного воздуха и большую расширяющуюся часть, причем угол наклона оси суживающейся и расширяющейся частей по отношению к зеркалу жидкости бассейна составляет 8-12 градусов.
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, на фиг. 5 - комбинированное сечение воздуховходных окон, противоположно расположенных по периметру нижней части вытяжной башни.
Вентиляторная градирня содержит корпус 1 с воздуховходными окнами и водосборным бассейном 2, над которым установлены ороситель 3, водораспределительная система 4, водоуловитель 5. На верхней части корпуса 1 закреплены вытяжное устройство, включающее конфузатор 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 асимметрично укрепленную трубу 17, относительно корпуса 1, на которой 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 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.
Воздуховходные окна 43 по периметру нижней части вытяжной башни выполнены в виде комбинированного сечения, включающего меньшую суживающуюся 44 часть по ходу поступления атмосферного воздуха и большую расширяющуюся 45 часть, причем угол наклона оси 46 суживающейся 44 и расширяющейся 45 части по отношению к зеркалу 47 с волнами 48 бассейна 2 составляет 8-12 градусов.
Вентиляторная градирня работает следующим образом.
Атмосферный воздух, в результате работы вентилятора 7 с нормированными энергозатратами на привод 35, перемещается по воздуховходным окнам 43 и контактирует в бассейне 2 с зеркалом 47 жидкости, площади которой наряду с температурой определяет тепломассообменный процесс охлаждения оборотной воды. При повышении температуры атмосферного воздуха, когда она приближается к значениям температуры охлажденной оборотной воды по условиям потребления в энергетических установках, эффективность ее охлаждения в бассейне 2 резко подает, что приводит к необходимости увеличения количества атмосферного воздуха, поступающего через воздуховходные окна 43 с соответствующим возрастанием энергозатрат на привод 35 вентилятора 7.
На основании известных законов тепломассообмена активность охлаждения оборотной воды также определяется площадью контактирующих сред, т.е. зеркалом жидкости бассейна 2 (см. например, стр 201. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981, 416 с., ил.). Поэтому при создании на поверхности зеркала жидкости бассейна 2, ее волнового перемещения, увеличиваются площади контакта с охлаждаемой оборотной водой и атмосферным воздухом, поступающим из воздуховходных окон 43.
При выполнении воздуховходных окон 43 с комбинированным сечением атмосферный воздух вначале входит в меньшую суживающуюся 44 часть, увеличивая скорость, затем в расширяющейся 45 части продолжит разгоняться в связи с выполнением комбинированного сечения в виде сопла Лаваля (см., например, стр. 191 - В.В.Нащокин. Техническая термодинамика и теплопередача. М., 1984, 469 с., ил.). После чего с максимальным достижением для условий получения атмосферного воздуха в воздуховходные окна 43 при номинальных энергозатратах на привод 35 вентилятора 7 поток со скоростным напором воздействует на зеркало 47 жидкости в бассейне 2 под углом 8-12 градусов. В результате на гладком горизонтально расположенном зеркале 47 жидкости бассейна 2 образуются волны 48, высота гребня которых из-за встречно направленных воздушных скоростных потоков атмосферного воздуха из противоположно расположенных по периметру вытяжной башни воздуховходных окон 43 возрастает к центру бассейна. При этом волны 48, перемещающиеся от внутренней поверхности корпуса 1, в центре сталкиваются друг с другом, образуя брызги жидкости, которые также увеличивают поверхность тепломассообмена, повышается эффективность охлаждения оборотной воды.
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 нормировано- 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 выходе 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 мощность, 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.
0
Увеличение температуры атмосферного воздуха выше нормированной (например, 20С), 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 асимметричную 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 суживающихся сопел 24 и 25 приводит к тому, что два вращающихся в противоположные направления микрозавихрения сталкиваются, образуя микровзрывы (см., например, А.П. Меркулов «Ввихревой 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 повторяется теплообмен первой секции, т.е. осуществляется пленочно-капельный эффект. Со второй секции охлажденная 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. Охлажденный поток воды с оптимальной эпюрой скоростей, обеспечивающей 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 объема водосборного бассейна 2.
Кроме того, шахматное расположение диффузоров 22 и конфузоров 23 в каждой секции 21 относительно соседней секции 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 охлажденной воды. Выполнение секционных перегородок 20 из биометалла 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 обеспечение эффективного процесса охлаждения оборотной воды при высоких температурах атмосферного воздуха, поступающего в вытяжную башню, достигается увеличением поверхности контакта теплообменивающихся сред в бассейне за счет образования волнообразного встречно направленного с изменяющейся высотой гребней перемещения жидкости. Воздействие скоростного потока атмосферного воздуха на зеркало жидкости в бассейне осуществляется вследствие прохождения его через воздуховходные окна, представляющих собой комбинированное сечение, выполненное в виде «сопла Лаваля», что позволяет при нормированных энергозатратах на привод вентилятора обеспечить заданный тепломассообменный процесс эффективного охлаждения оборотной воды в условиях повышенной температуры окружающей среды.