ГРАДИРНЯ С ВСТРОЕННЫМ ВЕНТИЛЯТОРОМ ПРИНУДИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F28C1/00 

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в различных отраслях промышленности, а именно там, где технологический процесс требует охлаждения больших расходов жидкости, чаще всего воды, и где для этого могут быть использованы градирни.

Известны (см. например, Гладков В.А. Арефьев Ю.М. Пономаренко В.С. Вентиляторные градирни. Изд. 2-ое, перераб. и доп. М. Стройиздат. 1976. 216 с. с илл. ) градирни с встроенным вентилятором принудительного охлаждения, содержащие:
полую башню, обычно, в виде тела вращения (чаще всего с гиперболической образующей) с открытой верхней торцовой частью и с окнами в нижней части для прохода охлаждающего воздуха;
трубопровод охлаждаемой воды, подающий ее внутрь башни к разбрызгивающей системе с некоторым избыточным давлением Р₀;
разбрызгивающую систему, устанавливаемую внутри башни, например, под вентилятором и состоящую из:
водораспределительного устройства системы труб, начинающейся от трубопровода охлаждаемой воды и заканчивающейся круглыми или щелевыми в сечении соплами;
оросителя, выполненного в виде разбрызгивающих тарелочек или же лотков и обеспечивающего соответственно капельное или пленочно-капельное размельчение струй охлаждаемой воды, поступающей из сопел водораспределительного устройства; при величине давления перед соплами приблизительно P₀ 0,5 ати скорость истечения воды из сопл составляет около C_c=3 м/с, что в совокупности с тарелочками или(и) лотками обеспечивает разбрызгивание потока охлаждаемой воды до расчетного уровня;
вентилятора, установленного, чаще всего, в верхней части башни и снабженного электродвигателем, приводящим вентилятор во вращение; диаметр лопастей вентилятора выполняется несколько меньшим внутреннего диаметра башни градирни; вентилятор увеличивает расход охлаждающего воздуха через внутреннюю полость башни и интенсифицирует теплоотдачу в градирне. Большой диаметр лопастей вентилятора предопределяет его тихоходность и необходимость применения металлоемкого электродвигателя с большим количеством полюсов или же редукторной передачи от быстроходного электродвигателя; электродвигатель встроенного вентилятора работает в условиях большой влажности, по этой причине обмотки и тяжело нагруженные для безредуторных схем и смазываемые чаще всего консистентной смазкой подшипники электродвигателя не обладают достаточной надежностью;
каплеуловителя, устанавливаемого выше вентилятора и заметно снижающего унос воды из градирни;
бассейна под башней градирни для сбора стекающей сверху охлажденной воды и отвода по трубопроводу, например, к насосу.

Особо следует указать на описанный в упомянутой монографии "Вентиляторные градирни" и использованный фирмой "Thermotank" вариант выполнения водораспределительного устройства в виде вращающейся относительно вертикальной оси в горизонтальной плоскости трубы с отверстиями на двух цилиндрических образующих, через которые охлаждаемая вода распределяется по горизонтальной торцовой поверхности оросителя; причем вращение трубы в собственных подшипниках происходит за счет реактивных сил струй воды, вытекающих из отверстий в трубе.

Башенная градирня с встроенным вентилятором по сравнению с безвентиляторной допускает более высокие тепловые нагрузки, обеспечивает более глубокое (на 3 5^o) охлаждение жидкости и даже позволяет сравнительно просто регулировать ее температуру. Также, как и в безвентиляторных градирнях, охлаждение жидкости в вентиляторных градирнях происходит приблизительно на 90% за счет ее испарения и на 10% за счет конвективной теплоотдачи от жидкости к воздуху.

Недостатками известного выполнения градирни с встроенным вентилятором принудительного охлаждения являются, прежде всего:
большие габаритные размеры, что свидетельствует о несовершенстве такой градирни как теплообменника;
необходимость специальной громоздкой разбрызгивающей системы, увеличивающей гидравлическое сопротивление воздушного тракта и потребляющей только на подъем воды, например, на высоту 6 8 м, и ее разбрызгивание удельную (на 1 кг разбрызгиваемой воды) энергию около 0,12 кДж/кг;
недостаточная надежность, связанная более всего с неблагоприятными условиями работы электродвигателя вентилятора, а также с ограниченным ресурсом работы (часто деревянных) лотков и других элементов разбрызгивающей системы.

Технической задачей, решаемой данным изобретением является повышение эффективности охлаждения жидкости, упрощение конструкции, уменьшение энергопотребления и повышение надежности градирни с встроенным вентилятором принудительного охлаждения.

Для решения указанной задачи предлагается осуществлять разбрызгивание охлаждаемой жидкости через суживающиеся сопла, выполненные в выходных кромках лопастей вентилятора, а жидкость к соплам подавать через полый вал вентилятора и каналы в его лопастях. В результате этого представляется возможным:
отказаться от использования специальной разбрызгивающей системы (водораспределительного устройства и оросителя), и за счет этого упростить конструкцию, и вследствие снижения гидравлического сопротивления воздушного тракта уменьшить требуемые напор и энергопотребление вентилятора;
обеспечить более тонкое размельчение потока охлаждаемой жидкости вследствие существенного повышения ее давления перед соплами из-за насосного эффекта, появляющегося при вращении протекающей в радиальных каналах лопастей жидкости, и за счет более равномерного распределения разбрызгиваемой жидкости по всей торцовой площади градирни, и таким образом добиться существенного увеличения поверхности теплообмена, что в свою очередь позволит, например, уменьшить габаритные размеры градирни, ее элементов и энергопотребление на привод вентилятора;
использовать энергию подводимого потока охлаждаемой жидкости не только для разбрызгивания, но и для создания реактивного вращающего момента на валу вентилятора и этим уменьшить энергию, потребляемую приводным электродвигателем, а при некотором увеличении давления охлаждаемой жидкости перед градирней и вовсе отказаться от применения электродвигателя и обеспечить вращение вентилятора за счет момента сил реакций потоков воды, вытекающих из сопл в лопастях вентилятора, следствием чего будет являться повышение надежности градирни.

На фиг. 1, 2 показана градирня; на фиг. 3 лопасть вентилятора; на фиг. 4 вид B на фиг. 3.

На фиг. 1 схематично изображена предлагаемая градирня с встроенным вентилятором принудительного охлаждения: на фундаменте 1 с выполненным в нем бассейном установлена полая башня 2, имеющая форму тела вращения с окнами в нижней части для входа охлаждающего воздуха; опоры вала вентилятора 3 установлены на конце (при необходимости ужесточенного и дополнительного закрепленного) трубопровода 4, по которому к градирне подводится каплеуловитель 5; охлажденная жидкость отводится из бассейна по трубопроводу 6.

На фиг. 2 в большем масштабе изображен вентилятор 3, выполненный с четырьмя лопастями; в месте подвода к вентилятору трубопровода 4 охлаждаемой жидкости в каждой лопасти вентилятора выполнено по одному каналу и суживающемуся щелевому соплу 8, обеспечивающему тангенциальный выход потока воды в направлении, противоположном направлению вращения, в плоскости, близкой к плоскости вращения лопастей. Вал вентилятора в радиальных направлениях зафиксирован с помощью опорных подшипников (скольжения) 9, размещенных на трубопроводе 4. Верхний конец трубопровода с окнами для прохода жидкости к каналам в лопастях закрыт торцовой заглушкой 10, на которой размещен упорный подшипник (скольжения) 11, для предотвращения возможных перемещений вентилятора вверх установлен болт-ограничитель 12. Подшипники скольжения вентилятора могут быть выполнены, например, резиновыми; для охлаждения и смазки таких подшипников можно использовать потоки утечек жидкости. Упорный подшипник 11 может быть почти полностью разгружен за счет гидростатической силы перепада давлений, действующих на верхнюю торцовую поверхность полого вала вентилятора.

Предлагаемая градирня работает следующим образом. От непоказанного на фиг. 1, 2 источника, например, от насоса, охлаждаемая жидкость по трубопроводу 4 подводится к вращающемуся вентилятору 3 и через его полый вал поступает по каналам в телах лопастей к суживающимся соплам 8. При этом вследствие вращения движущейся в каналах жидкости с увеличением радиуса происходит рост давления этой жидкости. Под действием большого перепада давлений в соплах потоки жидкости ускоряются и с высокой (в относительном движении) скоростью вытекают во внутреннее пространство башни 2, распыляясь до мельчайших частиц. Во внутренней полости башни 2 благодаря работе вентилятора 3 интенсифицируется восходящий поток охлаждающего воздуха, который контактирует с частицами жидкости, движущимися вниз под действием силы тяжести. При контакте с воздухом температура частиц жидкости снижается как из-за испарения, так и из-за конвективной теплоотдачи. В результате этого происходит охлаждение частиц жидкости и температуры ее на выходе из градирни (в бассейне) оказывается ниже, чем на входе. Воздух вместе с частицами жидкости проходит через каплеуловитель 5 и выходит в атмосферу через верхний торец башни 2.

Для повышения давления жидкости перед соплами 8 необходимо затрачивать дополнительную энергию, т.е. для вращения вентилятора с жидкостью, протекающей внутри радиальных каналов лопастей, необходим больший крутящий момент, чем для вращения "сухого" вентилятора. Но, если выполнить сопла 8 так, как показано на фиг. 2, то реактивные силы потоков жидкости, вытекающих из сопел, будут создавать вращающий момент. В идеальном случае при течении жидкости в каналах и соплах без потерь, при строго тангенциальном в плоскости вращения выходе потоков из сопели, наконец, при нулевой (в абсолютном движении) скорости потоков, вытекающих из сопел, противодействующий (из-за насосного эффекта) и вращающий (от реактивных сил потоков) моменты будут одинаковы. Из-за невыполнения указанных условий мощность, развиваемая реактивной гидротурбиной (при истечении жидкости из сопел) будет несколько меньшей, чем необходимая для обеспечения насосного эффекта.

Реально выходной поток из каждого сопла будет направлен несколько вверх от плоскости вращения, так как технологически проще выполнить сопла, оси которых направлены по хордам лопастей, и может специально отклоняться от строго тангенциального, например, в сторону периферии для некоторого уменьшения напряжения растяжения в лопастях.

Во избежание увеличения механического уноса распыленной влаги, имеющей малые размеры частиц, кроме применения каплеуловителя, возможно и целесообразно уменьшение напора вентилятора, а также снижение высоты, на которой осуществляется распыление жидкости. При этом снижается высота, на которой устанавливается вентилятор, что соответственно уменьшает капитальные затраты на строительство градирни, а также снижаются затраты энергии на подачу охлаждаемой жидкости.

Возможно применение вентилятора не с четырьмя, как на фиг. 2, а практически с любым количеством лопастей. Вентилятор может быть установлен как внутри башни градирни, так и на отдельных опорах.

Вместо одного щелевого сопла на каждой лопасти для более равномерного распределения охлаждаемой воды по поперечному сечению градирни можно использовать несколько сопел с коническими внутренними каналами, например, ввинчиваемых в тело лопасти в зоне ее выходной кромки и обеспечивающих распыление жидкости приблизительно тангенциально и в плоскости вращения лопастей. При расчете выходных сечений конических сопел, расположенных на разных радиусах вращения, необходимо учитывать изменение давления жидкости перед соплами по радиусу.

Во избежание засорений сопел, желательно, чтобы минимальный размер сопла (высота для щелевого и выходной диаметр для конического) был бы не меньше 10 12 мм. При меньших высотах щелевых или диаметрах конических сопл можно достичь лучшего разбрызгивания охлаждаемой жидкости и добиться увеличения надежности ее, в этом случае потребуется установка дополнительного фильтра тонкой очистки охлаждаемой жидкости.

Может быть использован промежуточный вариант реализации изложенного предложения, при котором вращение вала вентилятора осуществляется как за счет момента сил реакций потоков, вытекающих из сопл, так и за счет момента дополнительного электропривода, закрепленного на башне.

Использование изобретения: в области энергетики в различных отраслях промышленности, прежде всего там, где для охлаждения жидкостей, преимущественно воды, используются градирни с встроенным вентилятором принудительного охлаждения. Сущность: разбрызгивание охлаждаемой жидкости должно осуществляться через сопла, выполненные в выходных кромках лопастей встроенного вентилятора , а подвод жидкости к соплам должен выполняться через полый вал вентилятора и каналы в лопасти вентилятора. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Градирня с встроенным вентилятором принудительного охлаждения, содержащая установленную на фундаменте полую башню с закрепленными в ней опорами вала вентилятора, снабженного лопастями, бассейн в фундаменте под башней, разбрызгивающее устройство с подводящим трубопроводом охлаждаемой воды, каплеуловитель, отводящий трубопровод, отличающаяся тем, что вал и лопасти вентилятора выполнены полыми, а разбрызгивающее устройство выполнено в виде суживающихся сопл, установленных тангенциально в выходных кромках лопастей и в плоскости, близкой к плоскости их вращения, причем полости внутри лопастей сообщены с соплами и с полостью внутри вала, которая соединена с подводящим трубопроводом. 2. Градирня по п.1, отличающаяся тем, что вентилятор дополнительно снабжен электроприводом, закрепленным на башне.