АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ГРАДИРНЯ С ВНЕШНИМ ТЕПЛООБМЕНОМ
AERODYNAMIC COOLING TOWER WITH EXTERNAL HEAT EXCHANGE

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в испарительных градирнях башенного типа для повышения их тепловой эффективности, а также утилизации низкопотенциальной энергии оборотной воды для выработки электроэнергии.
Башенные испарительные градирни используются для охлаждения оборотной воды мощных тепловых машин. Они содержат вытяжную башню с воздуховходными окнами в ее основании. Внутри башни создается развитая поверхность оборотной воды, которая, взаимодействуя с воздухом внутри башни, отдает ему тепло в результате теплообмена и испарения. Нагретый воздух поднимется вверх и выходит наружу, образуя внутри башни вертикальный воздушный поток, при этом внутрь башни через воздуховходные окна поступает радиально направленный поток наружного воздуха. Эффективность охлаждения оборотной воды определяется величиной развитой поверхности, а также временем и интенсивностью ее взаимодействия с потоком наружного воздуха, поступающего в воздуховходные окна градирни.
Для создания развитой поверхности оборотной воды внутри башни размещается водораспределительная система и ороситель. С помощью водораспределительной системы оборотная вода разбрызгивается на мелкие капли. Для увеличения времени взаимодействия развитой поверхности оборотной воды с потоком наружного воздуха капли падают на ороситель, который, как правило, выполняется из плоских листов, и стекают по ним тонкой пленкой в водосборный бассейн.
Предлагаются различные способы повышения тепловой эффективности башенных градирен.
Известна башенная испарительная градирня, названная аэродинамической, в которой, для повышения интенсивности охлаждения оборотной воды внутрь башни у ее основания помещают ветровое колесо с вертикальной осью вращения (патент РФ №2314474, МПК F28C 1/00). Горизонтально направленный поток наружного воздуха, поступающий в воздуховходные окна градирни, ударяется о лопатки ветрового колеса и турбулизируется, увеличивая интенсивность его взаимодействия с развитой поверхностью оборотной воды, что повышает эффективность ее охлаждения. Одновременно с этим ветровой поток заставляет вращаться ветровое колесо и соединенный с ним электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию, утилизируя таким образом низкопотенциальное тепло оборотной воды, с помощью которого создается воздушный поток внутри вытяжной башни.
Недостатком аэродинамической градирни является низкая тепловая эффективность, обусловленная малым временем взаимодействия развитой поверхности оборотной воды с потоком наружного воздуха, поскольку в установке отсутствует ороситель, поэтому время взаимодействия определяется только временем падения капель.
Наиболее близкой, принятой за прототип является аэродинамическая градирня, в которую введен ороситель (патент РФ №2516986, МПК F28C 1/00).
Установка содержит вытяжную башню с воздуховходными окнами в ее основании и водосборный бассейн. Около воздуховходных окон снаружи под углом к радиусу основания башни расположены воздухонаправляющие щиты. Внутри башни у ее основания находится ветровое колесо, соединенное с электрогенератором. Над ветровым колесом расположена водораспределительная система. Установка содержит ороситель с наклонными плоскостями, составляющий единую конструкцию с ветровым колесом.
Аэродинамическая градирня работает следующим образом. С помощью водораспределительной системы теплая оборотная вода разбрызгивается в виде мелких капель внутри вытяжной башни. Капли падают на наклонные плоскости оросителя и стекают с них тонкой пленкой в водосборный бассейн, отдавая тепло поступающему в башню наружному воздуху. Теплый воздух поднимается вверх и выходит через верхний конец вытяжной башни, при этом в воздуховходные окна поступает поток наружного воздуха. Воздухонаправляющие щиты придают входящему воздушному потоку тангенциальную составляющую скорости за счет их углового расположения по отношению к входным окнам. Поступающий в башню поток наружного воздуха ударяется в лопатки ветрового колеса и вращает единую конструкцию ветрового колеса и оросителя, а также соединенный с ним электрогенератор, который вырабатывает электроэнергию.
Недостатком установки является низкая тепловая эффективность, обусловленная тем, что различные области развитой поверхности оборотной воды находятся в неравных условиях по отношению к входящему потоку наружного воздуха. Области, находящиеся у входных окон, взаимодействуют с холодным потоком наружного воздуха с низкой влажностью, тогда как области, находящиеся в центральной части башни взаимодействуют с потоком воздуха, температура и влажность которого выше, поэтому эффективность теплообмена у этих областей меньше.
Задачей изобретения является повышение тепловой эффективности аэродинамических градирен.
Техническим результатом является повышение тепловой эффективности аэродинамических градирен.
Технический результат достигается тем, что в аэродинамической градирне, содержащей вытяжную башню с воздуховходными окнами в ее основании, водосборный бассейн, водораспределительную систему, ороситель с наклонными плоскостями и ветровое колесо, соединенное с электрогенератором, водораспределительная система и наклонные плоскости оросителя вынесены из вытяжной башни наружу и установлены на кольцевом основании, а сверху закрыты крышей, установленной над воздуховходными окнами, при этом кольцевое основание выполнено с наклоном в сторону водосборного бассейна, а его площадь равна площади основания башни, а водораспределительная система выполнена в виде кольцевой трубы с патрубками, расположенными внизу у наклонных плоскостей оросителя под углом к радиусу основания градирни, при этом на них установлены разбрызгиватели воды, направленные так, чтобы капли воды падали сверху на наклонные плоскости оросителя, расположенные у воздуховходных окон под тем же углом к радиусу основания башни градирни, что и патрубки кольцевой водораспределительной системы.
Вынесение водораспределительной системы и наклонных плоскостей оросителя из вытяжной башни позволяет создать равные условия взаимодействия развитой поверхности оборотной воды с потоком наружного воздуха в зоне теплообмена, что увеличивает тепловую эффективность аэродинамической градирни.
Расположение водораспределительной системы внизу у наклонных плоскостей оросителя позволяет увеличить время взаимодействия развитой поверхности воды с потоком наружного воздуха, что также увеличивает тепловую эффективность градирни.
Изобретение поясняется схемой аэродинамической градирни с внешним теплообменом, представленной на фиг. 1.
Аэродинамическая градирня с внешним теплообменом содержит вытяжную башню 1, в основании которой находятся воздуховходные окна 2 и водосборный бассейн 3. Внутри башни 1 у ее основания находится ветровое колесо 4 с вертикальной осью вращения, соединенное с электрогенератором 5. На кольцевом основании 6, расположенном снаружи вытяжной башни 1, установлены водораспределительная система 7 и наклонные плоскости 8 оросителя, которые сверху закрыты крышей 9, расположенной над воздуховходными окнами 2. Кольцевое основание 6 выполнено с наклоном в сторону водосборного бассейна 3, при этом его площадь равна площади основания башни. Водораспределительная система 7 выполнена в виде кольцевой трубы с патрубками 10, расположенными внизу у наклонных плоскостей 8 оросителя. Патрубки 10 расположены под углом порядка 45 угловых градусов к радиусу основания градирни, при этом на них установлены разбрызгиватели воды, направленные так, чтобы капли воды падали на наклонные плоскости 8 оросителя, расположенные у воздуховходных окон под тем же углом к радиусу основания градирни, что и патрубки 10 кольцевой водораспределительной системы 7. Пространство между кольцевым основанием 6 и крышей 9 образует зону внешнего теплообмена между развитой поверхностью оборотной воды и потоком наружного воздуха, при этом площадь орошения внешней зоны теплообмена равна прежней площади орошения градирни. Схема водораспределительной системы 7 с патрубками 10 представлена на фиг. 2а, расположение патрубков 10 водораспределительной системы 7 и наклонных плоскостей 8 оросителя, а также схема разбрызгивания оборотной воды представлены на фиг. 2б.
Аэродинамическая градирня с внешним теплообменом работает следующим образом. С помощью разбрызгивателей, установленных на патрубках 10 распределительной системы 7, оборотная вода разбрызгивается в виде мелких капель, которые падают на наклонные плоскости 8 оросителя и стекают по ним тонкой пленкой на кольцевое основание 6, а затем в водосборный бассейн 3. Теплая вода в бассейне 3 нагревает находящийся в вытяжной башне 1 воздух, который поднимается вверх и выходит через верхний конец вытяжной башни 1, при этом через воздуховходные окна 2 внутрь башни начинает поступать наружный воздух, проходя при этом через зону теплообмена, расположенную между кольцевым основанием 6 и крышей 9. В зоне теплообмена развитая поверхность оборотной воды представлена в виде капель, создающихся с помощью разбрызгивателей воды, и тонкой пленки, стекающей с наклонных плоскостей 8 оросителя. Скорость стекания пленки воды зависит от угла наклона плоскостей оросителя к вертикали, который определяется экспериментально. В зоне теплообмена, вынесенной из вытяжной башни, условия взаимодействия развитой поверхности оборотной воды с потоком наружного воздуха оказываются одинаковыми во всей зоне. Наклонные плоскости 8 оросителя, расположенные под углом к радиусу основания градирни, увеличивают путь пробега наружного воздуха в зоне теплообмена, а следовательно, и время контакта потока наружного воздуха с развитой поверхностью оборотной воды. Заходя внутрь баши 1 через воздуховходные окна 2, поток наружного воздуха ударяется в лопатки ветрового колеса 4 и вращает его и соединенный с ним электрогенератор 5, вырабатывающий электричество, после чего нагретый наружный воздух поднимается вверх и выходит через верхний конец вытяжной башни 1.
Был построен макет аэродинамической градирни с внешним теплообменом. Проведенные эксперименты показали работоспособность и эффективность предложенной конструкции аэродинамической градирни.