ВЕНТИЛЯТОРНАЯ ГРАДИРНЯ
FAN COOLING TOWER

Изобретение относится к теплоэнергетике, может быть использовано для охлаждения оборотной воды.
Известна вентиляторная градирня (см. патент РФ №2200924, МПК F18С 1/00, 2003), содержащая вытяжную башню с воздуховходными окнами по периметру ее нижней части; воздухоуловитель, 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.
Недостатком является неэффективное охлаждение горячей воды из-за отсутствия интенсивного тепломассообмена между потоком жидкости, выходящей из завихрителя в виде закрученных струй, и охлаждаемым воздухом, что при дальнейшем поэтапном охлаждении на оросителе и в бассейне затрудняет получение нормированной температуры оборотной воды на выходе из башенной градирни.
Известна вентиляторная градирня (см. патент РФ №2411437 МПК F28F 25/06; F28C 1/100. Опубл. 10.02.2011. Бюл. №4), содержащая вытяжную башню с воздуховходными окнами по периметру ее нижней части, воздухоуловитель, 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, причем водораспределительная система выполнена попарно расположенными суживающимися соплами и на внутренней поверхности каждого из пары сопел выполнены продольно расположенные от большого 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 часовой стрелки.
Недостатком является энергоемкость процесса охлаждения оборотной воды, обусловленная дополнительными энергозатратами на привод вентилятора, особенно с повышенной влажностью атмосферного воздуха, используемого в качестве вентилируемого в погодно-климатических условиях эксплуатации при наличии дождя, тумана или снега, когда увеличивается плотность потока, применяемого вентилятором с возрастанием аэродинамического сопротивления вытяжной башни.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение дополнительных энергозатрат, обусловленных наличием повышенной влажности атмосферного вентилируемого воздуха при охлаждении оборотной воды в условиях длительной эксплуатации путем выработки электроэнергии потоком вентилируемого воздуха, выбрасываемого в атмосферу, за счет снабжения вытяжной башни конусообразным насадком с полым валом, на котором укреплены ветроколесо с криволинейными полостями и крыльчаткой, при этом ветроколесо соединено с электроаккумулирующим устройством.
Технический результат по снижению энергозатрат на охлаждение оборотной воды достигается тем, что вентиляторная градирня содержит вытяжную башню с воздуховодными окнами по периметру ее нижней части, воздухоуловитель, 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, причем водораспределительная система выполнена попарно расположенными суживающимися соплами и на внутренней поверхности каждого из пары сопел выполнены продольно расположенные от большого 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 часовой стрелки, при этом вытяжная башня снабжена конусообразным насадком с полым валом, на котором укреплены ветроколесо с криволинейными полостями и крыльчаткой, причем криволинейные поверхности лопастей ветроколеса и крыльчатки при взаимном синхронном перемещении образуют суживающее сопло вращения, кроме того, в полом валу между ветроколесом и крыльчаткой расположены выпускные окна для вентиляционного воздуха, а ветроколесо соединено с электроаккумулирующим устройством.
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 против хода часовой стрелки, на фиг. 4 - внутренняя поверхность суживающегося сопла с продольно расположенными канавками, направляющая которых имеет направление по ходу часовой стрелки, на фиг. 5 - конусообразный насадок с полым валом и ветроколесом с крыльчаткой.
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, кольцевой 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 образуют 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.
Диффузор 9 соединен с конусообразным насадком 34 и полым валом 35, на котором укреплены ветроколесо 36 с криволинейными лопастями 37 и крыльчатка 38. Криволинейные поверхности лопастей 37 ветроколеса 36 и крыльчатки 38 при взаимном синхронном перемещении образуют суживающиеся сопла вращения 39. В полом валу 35 между ветроколесом 36 и крыльчаткой 38 расположены выпускные окна 40 для вентиляторного воздуха, а ветроколесо 39 соединено с электроаккумулирующим устройством (на фиг. не показано).
Вентиляторная градирня работает следующим образом.
Вентилируемый воздух, поступающий от вентилятора 7 и атмосферный воздух, насыщенный мелкодисперсной влагой при наличии дождя, тумана или снега и перемещаемый в результате ветрового воздействия, перемешиваются в диффузоре 9, образуя смесь с повышенной концентрацией влаги, что увеличивает аэродинамическое сопротивление в верхней части корпуса 1 вытяжной башни, а это приводит к необходимости увеличения энергозатрат, т.е. дополнительной электроэнергии свыше нормированной, на привод вентилятора 7 для выброса смеси в атмосферу. Для компенсации дополнительно затраченной электрической энергии на привод вентилятора 7 по перемещению смеси вентилируемого и атмосферного воздуха, который поступает из концевого конфузорного канала 8, диффузор соединен с конусообразным насадком 34 и тогда поток смеси направляется в полый вал 35. При выходе воздушного потока из выпускных окон 40 между криволинейными лопастями 37 ветроколеса 36 и крыльчаткой 38 образуется суживающееся сопло вращения 40, что создает зону разряжения (см., например, А.П. Меркулов. Вихревой эффект и его применение в промышленности. Куйбышев 1969, 348 с., ил.) вокруг ветроколеса. Величина получаемого разряжения не только устраняет потери на преодоление аэродинамического сопротивления конусообразного насадка 34, движущегося потока смеси с паро- и каплеобразной влагой, но и увеличивает скорость перемещения вентилируемого воздуха, поступающего через воздуховходные окна по периметру нижней части башни и контактируемого с охлаждаемой оборотной водой, что интенсифицирует тепломассообмен, т.е. повышает эффективность работы вентиляторной градирни в целом.
Горячая вода подается из коллектора 15 в воздухораспределитель 16 через ассиметрично 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 направлена 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. Вихревой эффект и его применение в промышленности. Куйбышев 1969, 348 с., ил.) 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 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 всего объема водосборного бассейна 2.
Кроме того, шахматное расположение диффузоров 22 и конфузоров 23 в каждой секции 21 относительного 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 биметалла приводит в данных условиях воздействия температурного напора к возникновению продольных колебаний термовибрации, что создает дополнительную турбулизацию непосредственно в пограничном слое секционных перегородок 20, значительно повышая тепломассообменные процессы дальнейшего 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 предлагаемого технического решения заключается в том, что снижение энергозатрат на охлаждение оборотной воды при изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации, достигается размещением на выходе вентилируемого воздуха в атмосферу ветроколеса и крыльчатки, при этом ветроколесо соединено с электроаккумулирующим устройством, вырабатывающим электрическую энергию. Кроме того, зона разряжения, получаемая в результате образования суживающегося сопла вращения при синхронном перемещении ветроколеса и крыльчатки, увеличивает скорость движения вентилируемого воздуха, поступающего через воздуховходные окна по периметру нижней части вытяжной башни, что интенсифицирует тепломассообмен с охлаждаемой оборотной водой, повышая эффективность работы вентилируемой градирни.