Изобретение относится в целом к теплообменному устройству, такому как замкнутый башенный охладитель, испарительный конденсатор или влаго-воздушный охладитель. Более конкретно настоящее изобретение относится к очень компактному, имеющему форму стеллажа сочетанию отдельных испарительных жидкостных теплообменных секций с прямым и косвенным теплообменом, в котором покидающая секцию прямого теплообмена испарительная жидкость, способствующая улучшению рабочих характеристик и обладающая первоначально одинаковой температурой, распределяется по секции косвенного теплообмена. В сравнении с другими, имеющими аналогичные размеры и приемлемыми для применения в промышленности испарительными теплообменниками с косвенным теплообменом, настоящее изобретение позволяет добиться гораздо большей теплопередающей способности в расчете на единицу размеров и затрат за счет уникального повышения давления в зоне подачи воздуха, общей для обеих теплообменных секций. Внутри этой зоны осуществляется разделение единого поступающего потока воздуха между теплообменными секциями с образованием двух отдельных путей для потоков воздуха к каждой секции таким образом, чтобы способствующая улучшению рабочих характеристик и обладающая одинаковой температурой жидкость равномерно распределялась по секции косвенного теплообмена.
В соответствии с настоящим изобретением относительно сухой воздух с температурой окружающей среды вдувают с помощью вентилятора в специально сконструированное пространство, или зону подачи, расположенную между верхней поверхностью секции косвенного теплообмена и нижней поверхностью секции косвенного теплообмена и нижней поверхностью секции прямого теплообмена. Поскольку в этой зоне происходит нагнетание воздуха вентилятором (напорная вентиляция), воздух будет стремиться к самостоятельному распределению по каналам внутри устройства; вверх, в секцию прямого теплообмена и вниз, в секцию косвенного теплообмена. В то же время испарительная жидкость (обычно вода) распределяется по верхней поверхности секции прямого теплообмена при однородной температуре, где она находится в непосредственном контакте с идущим ей навстречу потоком воздуха, причем обе среды подвергаются тепло- и массообмену. При стекании испарительной жидкости в секции прямого теплообмена она покидает эту секцию при более низкой и однородной температуре. После кратного участка свободного падения в зоне подачи воздуха жидкость распределяется по верхней поверхности зоны косвенного теплообмена и перетекает вниз по ряду образующих зону косвенного теплообмена труб параллельно с соответствующим потоком воздуха. Контуры труб, образующие секцию косвенного теплообмена, служат для пропускания внутреннего потока текучей среды, который предпочтительно подвергается охлаждению хотя, как будет показано ниже, эта текучая среда может и нагреваться.
Когда настоящее изобретение используется в форме замкнутого башенного охладителя, или испарительного конденсатора, тепло косвенным путем передается от внутреннего потока текучей среды к пленке испарительной жидкости, смачивающей и окружающей наружную поверхность сети. Часть тепла, отобранного у потока текучей среды, передается потоку воздуха в качестве физического тепла и скрытой теплоты, вызывая увеличение энтальпии воздуха, в то время как оставшаяся часть тепла накапливается в форме теплосодержания, вызывая повышение температуры испарительной жидкости. Эта теплая испарительная жидкость стекает из секции косвенного теплообмена в сборочный поддон, откуда перекачивается вверх для повторного распределения по секции прямого испарительного теплообмена. Физическое тепло испарительной жидкости передается при этом в секции прямого испарительного теплообмена второму и отдельному воздушному потоку, проходящему через него. Эта передача тепла происходит в форме передачи физического тепла и скрытой теплоты от стекающей испарительной жидкости поднимающемуся в той же секции устройства потоку воздуха.
В случае использования настоящего изобретения в форме влаго-воздушного охладителя секции прямого и косвенного испарительного теплообмена действуют в точности так, как описано выше, за исключением того, что в данном случае передача тепла происходит в противоположном направлении. Вместо выделения тепла так, как описано выше, поток текучей среды в сети секции косвенного теплообмена воспринимает тепло от воздушного потока, охлаждая таким образом воздушный поток. Процесс происходит в порядке, обратном детально описанному выше для охладителей испарительной жидкости и конденсаторов.
Предпосылки к созданию изобретения
Замкнутые испарительные теплообменники можно в широком смысле подразделить на три основные категории: (1) теплообменник физического тепла - прямые испарительные теплообменные системы, в которых потоки одной из текучих сред из теплообменника физического тепла перекачиваются к прямому испарительному теплообменнику; (2) автономные косвенные испарительные теплообменники; и (3) сочетание прямых и косвенных теплообменников.
Кожухотрубные конденсаторы хладагента или теплообменники физического тепла, которые соединяются с отдельными башенными охладителями, являются примером для первой группы, и представляют собой преимущественно используемый вид способа теплообмена, в котором обычно используется испарительное охлаждение. К этой первой группе относятся также объекты, которые называют "змеевиковым навесом", и которые состоят из башенного охладителя (прямой испарительный теплообменник), расположенного непосредственно над невентилируемой змеевиковой частью (теплообменник физического тепла).
Автономные косвенные испарительные теплообменники представляют вторую группу, и эти устройства обычно находят не столь широкое применение, как устройства первой группы. К этому типу относится большинство испарительных конденсаторов и испарительных охладителей жидкостей. В промышленности находят применение установки со струями воздуха и испарительной жидкости в противотоке, поперечном потоке или параллельном потоке, однако превалирует конструкция с использованием противотока.
Третья группа включает устройства, в которых сочетаются как прямая, так и косвенная испарительные теплообменные секции. Эта группа применяется в наименьшей степени. Настоящее изобретение является подразделением этой группы и представляет конструкцию с продувкой или напорной вентиляцией, в которой на входе в агрегат в потоке сухого газа смонтированы вентиляторы. Прежние технические решения, относившиеся к этой группе, обычно предусматривали вентилятор вытяжной вентиляции, установленный с нагнетательной стороны установки, причем воздух всасывался в каждую из теплообменных секций, открывая таким образом вентилятор воздействию большого количества влажного воздуха, часто несущего с собой водяные капли и туман. Это рассматривается как недостаток по сравнению с конструкцией, предусматривающей напорную вентиляцию, при которой вентилятор размещается на входе, будучи открыт потоку сухого воздуха.
Кроме того, должно быть очевидно, что конструкция с продувкой или напорной вентиляцией работает при положительном давлении, в то время как конструкция с вытяжной вентиляцией работает при отрицательном давлении. Работа при положительном давлении вместо отрицательного обеспечивает преимущества, очевидные для специалистов в данной области. Поэтому настоящее изобретение позволяет заполнить существующую пустоту среди конструкций продувочного типа, нацелив третью группу и обеспечив далее возможности переоборудования мощностей башенных холодильников с использованием центробежных вентиляторов.
Более конкретно настоящее изобретение касается определенного сочетания устройств прямого и косвенного испарительного теплообмена в рамках одной установки, в которой применяется продувочный вентиляционный узел напорной вентиляции, смонтированный таким образом, что поступающий воздух свободен от избытка влаги, водяных капель и тумана, и работающий с положительным по отношению к окружающей среде давлением. Кроме того, предлагается уникальное решение для подачи воздуха в пространство между двумя секциями устройства. И, наконец, такая конструкция устройства предлагает способ достижения максимальной эффективности теплообмена в секциях как косвенного, так и прямого испарительного охлаждения и, следовательно, предлагает улучшенное и более экономичное решение устройства теплообмена, которое существует в настоящее время с вентиляторами на воздухозаборнике.
В прямом испарительном теплообменнике поток окружающего воздуха и поток испарительной жидкости тесно переплетаются между собой, причем два потока осуществляют испарительный тепло- и массообмен, приходя в непосредственное соприкосновение друг с другом. Обычно испарительной жидкостью является вода. В косвенном испарительном теплообменнике действуют три потока текучей среды; воздушный поток (часть воздуха, поступающего на основной воздухозаборник), поток испарительной жидкости, и поток текучей среды, заключенный в схеме или трубах теплообменника. Заключенный поток текучей среды первоначально совершает обмен физическим теплом с тонкой пленкой испарительной жидкости, текущей по наружной поверхности схемы. Поскольку испарительная жидкость не входит в непосредственный контакт с потоком текучей среды в трубах, способ теплообмена рассматривается как "косвенный". Испарительная жидкость и воздушный поток осуществляют тепло- и массопередачу, когда входят в непосредственный контакт друг с другом, и испарительная жидкость или выделяет, или поглощает энергию из потока текучей среды. Так, например, если испарительная жидкость поглощает тепло из потока текучей среды в трубах, она должна передать часть этого тепла воздушному потоку в форме физического и скрытого тепла (повышении энтальпии воздушного потока), накапливая оставшуюся часть тепла в собственной массе и повышая таким образом свою температуру. Разница между температурой испарительной жидкости на входе и выходе известна как "диапазон температуры распыляемой воды". Чем больше этот диапазон, тем больше значение теплообменной способности.
Когда настоящее изобретение используется в испарительном конденсаторе, процессы теплообмена в каждой теплообменной секции являются такими же, как описанные для замкнутого устройства охлаждения текучей среды, за исключением того, что нагретый хладагент при охлаждении конденсируется в изотермическом состоянии. Поток текучей среды в схеме, в данном случае газообразного хладагента, обычно отводится в обратном направлении в случае физического охлаждения в схеме жидкостей, с тем, чтобы облегчить слив конденсата, накопившегося в схеме.
При использовании влаго-воздушного охладителя, который первоначально использует в схеме холодную однофазную текучую среду или испаряющийся хладагент, процессы теплообмена идут таким же образом, как показано выше для случаев охлаждения или конденсации текучей среды, за исключением изменения направления потока тепла на обратное; тепло из воздушного потока передается внутренней текучей среде. Полезность такого способа применения проявляется в получении холодного, насыщенного воздушного потока, покидающего устройство. Поток холодного воздуха может быть использован для самых различных целей охлаждения.
До сих пор в технике подчеркивалась важность подачи испарительной текучей среды с однородной температурой на верхнюю часть секции косвенного теплообмена для достижения максимальной эффективности теплообмена, поскольку вода и диапазон ее температуры нагрева в значительной степени определяет теплообменную способность устройства. В этом отношении в качестве предпочтительного варианта указывают расположение секции косвенного теплообмена над секцией прямого теплообмена, а ниже приводится анализ существующих технических решений, позволяющий определить отличия настоящего изобретения от опубликованных технических решений.
Предлагавшиеся до сих пор сочетания секций прямого и косвенного испарительного теплообмена (патенты США N 4112027, 4683101 и 3141308) описывают применение испарительной секции прямого теплообмена с поперечным потоком, расположенной над секцией косвенного теплообмена. Однако применение испарительной секции прямого теплообмена с поперечным потоком, расположенной над секцией косвенного теплообмена имеет тот недостаток, что способствует формированию температурного градиента в охлаждающей воде при ее спуске через испарительную секцию прямого теплообмена. Этот температурный градиент воды способствует неравномерности теплообмена в секции прямого теплообмена, что связано с поступлением внутрь горизонтального поперечного потока воздуха, который насыщается теплом, поглощаемым из спускающейся воды. Это означает, что в наиболее внутренних частях секции прямого теплообмена происходят эффективные попытки теплообмена с уже нагретым потоком воздуха, что создает неравномерный теплообмен с опускающейся испарительной жидкостью, покидающей испарительную жидкость по продольной донной батарее секции прямого теплообмена с неодинаковой температурой. Как описано в патенте США 4683101, этот градиент температуры отходящей воды может составлять порядка 6-10 F(3-4 C) по длине секции прямого теплообмена. Более важным является то, что когда секция прямого теплообмена располагается над секцией косвенного теплообмена, вода с неоднородной температурой падает под воздействием силы тяжести прямо на ряды располагающихся внизу труб, образующих секцию косвенного теплообмена. В результате температурный градиент воды сохраняется и передается затем на секцию косвенного теплообмена, с происходящим между трубами секции косвенного теплообмена неравномерным теплообменом. Специалистам в данной области техники известно, что неравномерный теплообмен, вызванный наличием градиента, является причиной общей тепловой неэффективности башенного охладителя. Те же неодинаковые условия теплообмена оказывают дополнительное отрицательное воздействие на эффективность работы при испарительной конденсации, поскольку жидкий конденсат будет накапливаться в неравномерно заполненных трубах, а именно в трубах, испытывающих воздействие наиболее холодного имеющегося воздушного потока. Поэтому конденсат в системе труб будет ограничивать площадь поверхности, пригодную для конденсации. В описании патента США N 4683101 сделана попытка решить эту проблему путем физического изменения ориентации систем труб косвенного теплообменника, так же как и направления потока текучей среды внутри труб, так, чтобы наиболее нагретая текучая среда, охлаждаемая в этой системе осуществляла теплообмен с наиболее нагретой согласно градиенту охлаждающей водой. Однако такая компоновка не позволила решить саму проблему возникновения температурного градиента воды, и поэтому влияние, которое градиент оказывает на эффективность теплообмена в секции косвенного теплообмена, не было учтено.
В башенном охладителе замкнутого типа, предназначенным для охлаждения текучей среды и описанным в находящейся на рассмотрении заявке N 08/078629, принадлежащей автору настоящего изобретения, было обнаружено, что распределение имеющей первоначально однородную температуру испарительной жидкости по секции косвенного испарительного теплообмена оказывает заметное влияние на равномерность теплообмена в пределах секции. Это изобретение показало, что поскольку испарительная жидкость выполняет большинство функций теплообмена в пределах секции косвенного теплообмена, для того, чтобы максимизировать теплообменную способность, необходимо устранить температурный градиент воды. Дальнейшее повышение эффективности теплообмена было реализовано, когда потоки воздуха и испарительной жидкой среды были направлены в одном направлении относительно друг друга, и в то же время в противотоке с потоком текучей среды.
Однако одним из недостатков технического решения, представленного в этой заявке, является применение осевых или лопастных вентиляторов в потоке выпускаемого, влажного воздуха, что оказывает влияние на высоту и размеры башни. При использовании лопастного вентилятора высота башни имеет естественную тенденцию к созданию проблемы размещения сооружения, так же как и проблемы затрат. Кроме того, эти сооружения необходимо монтировать на месте из крупных секций, которые нельзя с легкостью перевозить обычными транспортными средствами, такими как грузовые автомобили.
На первый взгляд кажется, что единственным фундаментальным различием между настоящим изобретением и теплообменными устройствами упомянутой выше заявки должно являться то, что в настоящем описании конструкция предусматривает напорную вентиляцию, в то время как в предшествующей заявке предлагается вытяжная вентиляция. Однако в эксплуатационном отношении испарительная секция прямого теплообмена основывается на концепции влаго-воздушного трапецеидального испарительного противотока, в то время как предыдущая заявка сосредоточивает внимание на конструкции испарительной секции прямого теплообмена с поперечным потоком. И, наконец, в настоящем изобретении предусматривается размещение секции прямого теплообмена над секцией косвенного теплообмена со специально спроектированной зоной подачи воздуха между двумя секциями, что в очень значительной степени отличается от концепции(й), описанной в предыдущей заявке.
Настоящее изобретение позволяет устранить описанные выше неудобства конструкции, предусматривающей размещение секции косвенного теплообмена над секцией прямого теплообмена, поскольку обеспечивает однородность температуры испарительной жидкости для использования в секции косвенного теплообмена устройства, как будет описано в следующих разделах.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является предложение теплообменного устройства с положительным давлением, имеющего компактную конструкцию и позволяющего использовать преимущества явления передачи физического и скрытого тепла в секциях прямого и косвенного теплообмена. Другой целью настоящего изобретения является предложение теплообменного устройства, включающего в себя общую и герметичную воздушную камеру между секциями прямого и косвенного теплообмена, позволяющую свести к минимум необходимые потребности в пространстве между двумя секциями. Еще одной целью настоящего изобретения является предложение теплообменного устройства, в котором используется вентилятор напорной вентиляции, на который не оказывает влияния избыточная влага и капли воды, с тем, чтобы обеспечить в максимальной степени равномерное распределение воздуха и обеспечить соответствующие однородные температурные градиенты на траекториях воды и воздуха в любой точке по вертикали внутри указанного устройства.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показано перспективное изобретение устройства, являющегося предметом настоящего изобретения, с установленным в конце продувочным центробежным вентилятором в сочетании с имеющими небольшую длину испарительными секциями прямого и косвенного теплообмена, для которых требуются относительно небольшие объемы воздуха;
на фиг. 2 показано изображение сбоку предпочтительного варианта реализации изобретения, показанного на фиг. 1;
на фиг. 3 показан другой вариант реализации настоящего изобретения, в котором два продувочных центробежных вентилятора установлены рядом друг с другом и размещены с боковой стороны башни, чтобы обеспечить более высокий, чем в предыдущем варианте реализации, расход воздуха;
на фиг. 4 помещено перспективное изображение внутренней части установки, подчеркивающее характер зоны поступления воздуха, необходимой для более высокого расхода воздуха;
на фиг. 5 показан в перспективе полный внешний вид варианта реализации с фиг. 4;
на фиг. 6 показано изображение сбоку отдельного контура труб, образующего секцию косвенного теплообмена;
на фиг. 7 показано изображение секции косвенного теплообмена спереди;
на фиг. 8 показано изображение сбоку отдельного листа наполнения, образующего наполнительный пакет секции прямого теплообменника;
на фиг. 9 показано изображение в поперечном разрезе, выполненном по воздухозаборнику и включающее лопастной вентилятор вытяжной вентиляции, секции теплообмена, расположенные вдоль боковой стенки конструкции, единую вентиляционную камеру и воздухозаборник с клиновидным дополнением;
на фиг. 10 показано изображение в поперечном разрезе, выполненном по воздухозаборнику и включающее лопастной вентилятор вытяжной вентиляции, секции теплообмена, расположенные по центру конструкции, две вертикальные вентиляционные камеры и воздухозаборник с двумя клиновидными дополнениями;
на фиг. 11 показана система управления заслонкой, предназначенная для предупреждения замерзания предпочтительного варианта реализации изобретения зимой;
на фиг. 12 показана система управления распылением теплой воды, предназначенная для предупреждения замерзания предпочтительного варианта реализации изобретения зимой;
на фиг. 13 показана другая система управления распыления теплой воды, предназначенная для предупреждения зимнего замерзания и включающая отдельный вспомогательный водяной насос.
Описание предпочтительного варианта реализации изобретения
На фиг. 1 чертежей показано теплообменное устройство 10, являющееся предметом настоящего изобретения и хорошо известное в технике как башенный охладитель с замкнутым циклом. По существу устройство 10 включает кожух, в котором помещены многоконтурная секция испарительного охлаждения 50, секция прямого испарительного теплообмена 90, расположенный в самом низу накопительный резервуар 30 для испарительной жидкости, и расположенное наверху распределительное средство 36, разбрызгивающее испарительную жидкость в направлении вниз, по устройству 10. Вентиляторное средство 24 подает один поток воздуха через единственный воздухозаборник башни 100, и затем в зону поступления 120 внутри устройства 10, где он разделяется на два отдельных воздушных потока. Первый воздушный поток, направленный вверх, попадает в секцию 90 прямого теплообмена, а второй воздушный поток, направленный вниз, поступает в секцию 50 косвенного теплообмена. Вентилятор 24 является центробежным вентилятором напорной вентиляции, нуждающимся в двигателе 25 в качестве привода и, как показано на чертеже, и вентилятор 24, и двигатель 25 оба установлены вне кожуха 10. Наружный монтаж означает, что не требуется кожух для защиты двигателя от влаги, и что весь блок вентилятора в процессе эксплуатации не подвергается воздействию потока влажного воздуха, который может содержать капли воды.
Как упоминалось выше, устройство 10 находит разнообразное применение в области теплообмена, и в каждом случае применения будут использоваться одни и те же перечисленные выше элементы, хотя работа этих элементов может несколько отличаться в зависимости от сферы применения. Так, например, устройство 10 может использоваться для охлаждения однофазной, содержащей физическую теплоту текучей среды, такой как вода, которая течет внутри наружной замкнутой системы, или же может использоваться для снижения перегрева и конденсации многофазной текучей среды, содержащей физическую и скрытую теплоту, такой как газообразный хладагент, также поступающий из наружной замкнутой системы. И, наконец, устройство 10 может использоваться в качестве охладителя влажного воздуха, когда воздух, подающийся в канал 15, откачивают для использования в качестве свежего, охлажденного воздуха в такой области как горное производство.
Как будет очевидно, само башенное сооружение, включающее перечисленные компоненты, может быть скомпоновано различными способами, так что устройство 10 не ограничивается только схемой размещения, показанной на фиг. 1, хотя и нужно отметить, что любой предложенный вариант реализации использует один и тот же принцип эксплуатации, единственно с варьированием конечных систем теплообмена, как станет более понятно из более подробного описания каждого варианта реализации.
В соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, проиллюстрированным на фиг. 1, изображен кожух устройства 10, имеющий по существу прямоугольную форму, включающий по существу открытую кровлю 12, основание 18, переднюю стенку 16, заднюю стенку 14, первую боковую стенку 20 и вторую боковую стенку 22. Боковые стенки 20, 22 и задняя стенка 14 являются по существу сплошными панельными элементами, изготовленными из таких материалов как листовой металл, фибергласс, пластмасса и т.п., причем эти стенки обладают коррозионной стойкостью, как и передняя стенка 16 и поверхность кровли 12. Передняя стенка 16 по существу является сплошной в верхней своей части, приблизительно до секции 90 прямого теплообмена, и имеет отверстие 17 в нижней части. Отверстие 17 ограничено по вертикали основание 18 и кромкой 19 стенки 16, будучи закрыто сепаратором капель 48. Отверстие 17 сообщается также с каналом 15, который является открытым участком, находящимся непосредственно под секцией косвенного охлаждения 50, ограниченными стенками накопительного резервуара 30.
Секция 50 косвенного испарительного теплообмена также имеет по существу прямоугольную форму и состоит из множества отдельных контуров или спиралей, ограничивающих внутреннюю сторону 51, наружную сторону 57, верхнюю сторону 53 и нижнюю сторону 55. Секция косвенного теплообмена 50 размещается по вертикали под секцией 90 прямого теплообмена с размещенной между ними зоной поступления воздуха 120. Секция 50 косвенного теплообмена располагается также над основанием 18, так, что нижняя сторона 50 по существу совпадает с кромкой 19, а верхняя сторона 53 совпадает с нижней стороной воздухозаборника 101, как лучше всего видно на фиг. 2.
Нагретая текучая среда, предназначенная для охлаждения, поступает из внешнего источника во множество спиралей, образующих эту секцию, где ее охлаждение осуществляется посредством сочетания косвенного обмена физического тепла и прямого испарительного теплообмена. Испарительная жидкость, которой обычно является охлаждающая вода, выпрыскивается распределительным средством 36 вниз, в секцию 90 прямого теплообмена, где происходит ее охлаждение путем прямого испарительного теплообмена до того, как под действием силы тяжести она попадает в секцию 50 косвенного обмена физического тепла. Распределительное средство 36 состоит из расположенной над секцией прямого теплообмена системы труб и распылительной головки, более подробно описанной ниже. Как упоминалось, единый поток окружающего воздуха поступает в устройство 10 через воздухозабор 100 и вдувается в зону поступления воздуха 120, причем зона 120 герметизирована таким образом, что единый поток разделяется на два воздушных потока; первый воздушный поток направляется вверх для испарительного охлаждения воды в секции прямого теплообмена, а второй воздушный поток направляется вниз через секцию косвенного охлаждения для испарительного охлаждения испарительной жидкости, осуществляющей теплообмен с текучей средой, протекающей по контурам труб, образующим секцию косвенного теплообмена. Воздушный поток, предназначенный для секции косвенного теплообмена, будет всегда поступать на верхнюю сторону 53 секции 50 косвенного теплообмена и протекать параллельно направлению прохождения охлаждающей воды. Когда воздушная и водная охлаждающие среды достигают нижней стороны 55, они разделяются, причем необогретый воздушный поток отсасывается в канал 15 для выпуска через отверстие 17 в передней стенке башни, которое, как упоминалось, обычно закрыто сепараторами капель 48. Нагретая охлаждающая вода попадает под действием силы тяжести в накопительный резервуар 30 перед тем, как быть рециркулированной в секцию прямого теплообмена 90.
Поток воздуха, покидающий секцию косвенного теплообмена 50 и устройство 10, не ограничивается выходом только через переднюю стенку 16. Существует возможность выпускать этот воздух через аналогичные отверстия (не показаны) в одной или обеих боковых стенках 20, 22, или направлять воздушный поток вверх внутри устройства вдоль одной или обеих боковых стенок, как показано в альтернативных вариантах реализации на фиг. 4 и 5, которые будут более подробно описаны ниже. Как станет более ясно далее, применение выпуска по вертикали является более предпочтительным, чем использование более производительной установки, поскольку обеспечивает более высокие рабочие скорости и большие объемы воздуха.
Секция 90 прямого испарительного теплообмена применяется для охлаждения нагретой воды, которая осуществила косвенный теплообмен с потоком текучей среды, протекающим по трубным контурам секции косвенного теплообмена. Как показано на фиг. 1 и 2, насос 32 поднимает по вертикали воду из накопителя 30 по трубам 34, в распылительное средство 36, располагающееся над секцией 90 прямого теплообмена, где ее распределяют по тесно установленным листам наполнения 93, образующим секцию. На фиг. 8 показано, что каждый отдельный лист 93 имеет поверхность 95, ограниченную горизонтальной верхней кромкой 97, и наклонный, непараллельный нижний край 94, простирающийся между короткой боковой кромкой 96 и противоположной более длинной боковой кромкой 98. Множество таких листов наполнения обычно называют пакетом наполнения, и в данном варианте реализации пакет подвешивается внутри башенного холодильника, с размещением каждой короткой боковой кромки 96 вдоль задней стенки 14, так что отклоняющиеся нижние кромки 94 проходят наклонно от верхней кромки 103 воздухозаборника 100 в направлении основания 18, образуя таким образом, наклонную границу и поверхность раздела с зоной поступления воздуха 120. Следует отметить, что листы наполнения 93 ориентированы таким образом, чтобы плоскости 95 оказались параллельными воздушному потоку, поступающему в воздухозаборник 100, и что в некоторых случаях применения нижние кромки 94 могут быть сделаны параллельными верхней кромке 97. В проиллюстрированном варианте реализации множество параллельных листов наполнения 93 (сбоку виден только один такой лист) имеют в общем трапецеидальную форму, причем каждый лист по существу идентичен другим. Как можно видеть, все листы простираются на всю продольную длину сооружения, которая определяется как расстояние между стенками 14 и 16. На фиг. 3 показан другой вариант реализации, в котором листы наполнения установлены так же параллельно между боковыми стенками 20 и 22. В любом случае параллельное размещение обеспечивает одинаковую плотность среды. Горячую воду из накопителя 30 перекачивают вверх через распылительное средство 36 и равномерно распределяют по каждому наполнительному листу 93. Первый поток воздуха направляется к донной части секции прямого теплообмена с тем, чтобы обеспечить испарительное охлаждение горячей воды, стекающей по листам. Как можно видеть, первый воздушный поток показан идущим в противотоке в отношении к горячей воде, распыляемой вниз. Такое направление первого воздушного потока очень важно для применения настоящего изобретения на практике, поскольку в противном случае секция 90 прямого теплообмена не выдаст охлаждающей воды с одинаковой температурой для использования в секции косвенного охлаждения, что не позволит максимизировать в устройстве 10 теплообменную способность секции косвенного теплообмена 50 за счет равномерной межконтурной работы.
Наполнительные листы, образующие пакет наполнения, подвешены на балках (не показаны), скрепленных с боковыми стенками 20 и 22 ми проходящих в поперечном относительно их направлении. Балки сходны с показанными на фиг. 4, на которых подвешена секция косвенного охлаждения. Как показано на фиг. 8, каждый лист 93 обладает по существу непрерывной, волнистой поверхностью из борозд, пересекающих весь лист по вертикали, причем борозды способствуют распределению горячей воды в тонкую пленку, что создает дополнительную площадь поверхности для взаимодействия с воздухом и испарительного охлаждения. Наполнительные листы 93 предпочтительно изготавливаются из поливинилхлоридного материала, хотя возможно использование других типов пластмасс. Как определяется фиг. 2, первый поток воздуха прямо предназначен для использования в целях испарительного охлаждения в секции прямого теплообмена до того, как быть выпущенным из башни 10 через кровлю 12.
Как далее можно видеть на фиг. 2, обычным для кровли 12 является использование сепараторов капель 49, предназначенных для сведения к минимуму потерь рециркулируемой воды, которая обычно несет с собой выпускаемый воздух. На фиг. 11 показано, что непосредственно над сепараторами капель 49 могут быть при желании установлены заслонки 28 с целью регулирования количества воздуха, поступающего в пакет наполнения и в башню в процессе работы зимой. Обычно заслонки 28 снабжены механическим приводом, и поэтому могут быть постепенно закрываться, или частично, или полностью. Если они закрыты полностью, происходит отсечка прохождения охлаждающей воды через секцию прямого теплообмена и башня при этом рассматривается как работающая в "сухом" режиме; работа в сухом режиме предупреждает зимнее замерзание башни, что будет разъяснено ниже при описании систем контроля замерзания, подобных показанной на фиг. 11. Сепаратор капель 49 обычно состоит из ряда тесно расположенных металлических, пластмассовых или деревянных пластин, пропускающих между собой воздух и в то же время улавливающих мелкие капли воды, которые несет с собой выпускаемый воздух. Вода, собранная сепараторами 49, падает под воздействием силы тяжести в расположенную ниже наполнительную среду. Аналогичным образом вода, собранная сепаратором капель 48 на выпускном отверстии 17 секции косвеного теплообмена, будет под воздействием силы тяжести падать в резервуар 30.
На фиг. 2 показано также, что основание 188 образовано по существу из накопительного резервуара воды 30, расположенного под испарительной секцией косвенного теплообмена 50 таким образом, чтобы обеспечить сбор опускающейся через эту секцию нагретой охлаждающейся воды с последующим ее возвращением в секцию 90 прямого теплообмена для повторных охлаждения и использования. Как можно видеть, насос 32 также располагается в основании 18, однако вне резервуара 30 и башни 10, так что его можно легко обслуживать в среде, в которой отсутствует влага.
Распылительное средство 36 обычно располагается над пакетом наполнения секции 90 прямого испарительного теплообмена и фиг. 1 иллюстрирует, что оно состоит из идентичных труб для распыления воды 38 и 40, проходящих продольно по всей длине башни 10 на определенном расстоянии между собой и параллельно друг другу и боковым стенкам 20, 22. Каждая из распределительных труб 38 и 40 предпочтительно изготавливается из пластмассовой трубы и включает ряд расположенных на одинаковом расстоянии распылительных сопел, прикрепленных к нижней стороне трубы для равномерного распределения охлаждающей воды по верхней стороне 91 секции прямого испарительного теплообмена 90. В зависимости от требующейся от устройства 10 теплообменной способности количество водораспределительных труб может варьироваться от 1 до 5 труб, причем длина каждой трубы варьируется в пределах от 3 до 24 футов (0,9-10,2 м). Обычно количество сопел 46 на распределительном средстве 36 будет варьироваться в пределах 9-180 сопел, что также зависит от производительности башни. Аналогичным образом размеры насоса 32 устанавливаются в зависимости от теплообменной способности башни таким образом, чтобы прокачивать к распылительным соплам 46 находящийся под давлением и непрерывный поток охлаждающей воды для формирования тонкой водяной пыли по всему пролету секции прямого теплообмена 90. Как упоминалось выше, верхний сепаратор капель 49 будет всегда размещаться между кровлей 12 и распылительным средством 36. В случае добавления заслонок 28 (фиг. 11) их длина и ширина будет равняться указанным размерам кровли 12, и по этой причине они будут в значительной степени соответствовать размерам секции прямого испарительного теплообмена 90. Как лучше всего показано на фиг. 2, первый воздушный поток первоначально приближается к нижнему краю секции прямого теплообмена 90 по существу перпендикулярно к верхней кромке 97 и идет вверх и в противотоке к распыляемой в направлении вниз воде, выбрасываемой из распылителей 46. Направленность воздушного потока в противотоке обеспечивает наилучшее теплообменное взаимодействие со стекающей водой в расчете на единицу длины пакета наполнения, обеспечивая таким образом по существу равномерную температуру воды при ее выходе с нижней стороны 92 теплообменной секции 90. Для того, чтобы способствовать равномерному распределению воздуха по всей длине зоны поступления и обеспечить равномерное охлаждение испарительной жидкости, пакету заполнения придается трапецеидальная форма. За счет этого воздух на участке, самом близком к вентилятору, пройдет над пакетом за самое короткое время, в то время как воздух возле передней стенки 16 будет проходить над самыми длинными наполнительными листами, в течение самого длительного времени. Таким образом, если и существует небольшой температурный градиент воздуха в направлении от задней стенки 14 к передней стенке 16, трапецеидальная форма наполнительных листов будет способствовать устранению этого градиента. Чем глубже проникает воздух в зону поступления 120 и в пакет наполнения, тем длиннее должна быть секция наполнения, чтобы преодолеть растущую температуру поступающего воздуха, измеренную по смоченному термометру; трапецеидальная конфигурация способствует также улучшению распределения воздуха на воздухозаборнике за счет устранения участка застаивания возле верхнего края 103 воздухозаборника 100.
В случае, если настоящее изобретение требует увеличения теплообменной способности, можно установить рядом два продувочных центробежных вентилятора или с торца, или с боковой стороны, как показано на фиг. 3 и 5. Для наглядности на фиг. 4 показано частичное изображение в поперечном разрезе устройства с фиг. 5 со снятыми двумя вентиляторами, с тем, чтобы ясно показать внутреннюю часть устройства 10 в случае, когда требуется высокий расход воздуха. Варианты, показанные на фиг. 4 и 5, отличаются от конструкций, показанных на фиг. 1-3, в двух отношениях.
Во-первых, воздухозаборник 100 и зона поступления воздуха 120 увеличены в размерах и физически шире секций косвенного и прямого испарительного теплообмена. В вариантах реализации, показанных на фиг. 4 и 5, целью расширения воздухозаборника и зоны поступления 120 является ограничение в пределах зоны поступления 120 избыточных скоростей воздуха, с тем, чтобы свести к минимуму потери давления.
Во-вторых, воздух, покидающий испарительную секцию косвенного теплообмена направляется вниз, а не выпускается через переднюю стенку 14 с вентиляционной решеткой, как было выше показано на фиг.1. Вместо этого он проходит под секцией косвенного теплообмена в канал 15, после чего поворачивается на 180 градусов, и выпускается по вертикали вдоль боковой стенки башни, где он объединяется с воздухом, выпускаемым из испарительной секции прямого теплообмена, когда она выходит через кровлю 12. С точки зрения эксплуатации такое размещение является более практичным, поскольку выпуск воздуха, обладающего высокой скоростью, через основание 18 или рядом с ним будет мешать проходящим мимо, или создавать в некоторых случаях помехи в работе другого оборудования или расположенных рядом других башен.
Как упоминалось выше, перспективное изображение внутренней полости предпочтительного варианта реализации настоящего изобретения показано на фиг.4 без вентиляционных узлов, удаленных в целях наглядности, и можно видеть, что испарительные секции косвенного и прямого теплообмена сдвинуты к одной из боковых стенок 20 башни. Другая сторона каждой теплообменной секции закрыта имеющей специальную конфигурацию разделительной стенкой 130, которая состоит из сплошных стенок 22Т, 22В и сходящегося короба 125. Воздушный сходящийся короб 125 не только служит частью разделительной стенки, но и является продолжением воздухозаборника 100, с тем чтобы уменьшить скорость воздушного потока. Таким образом, можно удобно и постепенно вводить в зону поступления (120) более значительное количество воздуха, не создавая избыточных перепадов давления и потерь на трение при использовании башен с высокой теплообменной способностью. Сходящийся короб 125 показан имеющим клиновидную конфигурацию, хотя его фактическая форма является в действительности функцией двух взаимозависимых факторов; площади воздухозаборника и площади контуров и наполнения в плане. Желательно, чтобы площадь воздухозаборника составляла от 80 до 120% площади в плане. Площадь в плане определяется как площадь теплообменной поверхности, которая будет взаимодействовать с поступающим воздушным потоком и осуществлять теплообмен с ним. В настоящем описании площади в плане секций прямого и косвенного теплообмена являются одинаковыми, поскольку одинаковыми являются площади поперечного сечения, как будет определено ниже. Как можно одновременно видеть на фиг. 6 и 7, площадь поперечного сечения в горизонтальной плоскости секции косвенного теплообмена физически представлена шириной системы контуров труб, умноженной на длину системы. Исходя из чертежей это величина расстояния между линиями F, G, умноженная на ширину или расстояние между линиями H, I.
С другой стороны, площадь контакта важна для оценки скорости воздуха, попадающего в зону поступления. Эта скорость должна поддерживаться на уровне менее 1000 фут/мин (305 м/мин). Площадь контакта определяется как сочетание площади воздухозаборника 100 и площади сходящегося короба 125. На фиг. 1 и 2 площадь воздухозаборника 100 равна ширине, умноженной на длину, или расстояние между точками J и K, умноженному на расстояние между кромками 101 и 103. Приемную площадь сходящегося короба определить несколько труднее, поскольку ширина короба непрерывно сходит на конус. Однако эту площадь можно определить с помощью хорошо известных инженерных принципов, согласно которым площадь могла бы быть рассчитана математически, исходя из того, что длина должна равняться длине секции косвенного теплообмена, а ширина должна первоначально быть представлена расстоянием между точками L и M на фиг.4 и в конечном счете расстоянием по вертикали между верхней поверхностью секции косвенного теплообмена и нижней поверхностью секции прямого теплообмена на передней стенке. Таким образом можно предполагать, что вариант сходящегося короба допускает поступление воздуха в зону поступления 120 с двух сторон вместо одной.
Ширина башни 10 как целого будет главным образом определяться пространством, которое требует для размещения в ряд центробежных вентиляторов и короба(ов) 125. Поскольку испарительные секции прямого и косвенного теплообмена обычно проектируются с шириной, меньшей, чем ширина башенного сооружения, появляется возможность использовать оставшееся пространство между каждой из секций теплообмена и боковой стенкой 22 как общую вертикальную камеру 150 для выпуска воздуха. Воздух, покидающий секцию косвенного теплообмена 50, должен сначала обойти короб 125, а после этого он поднимается по вертикали и в конечном счете покидает башню 10 через ряд сепараторов капель 49 в кровле 12 башни, объединяясь вне башни 10 с воздухом, покинувшим секцию прямого теплообмена. Сплошные стенки 22Т и 22В внутри устройства 10 простираются по вертикали на высоту соответствующих секций теплообмена и соединяются с коробом 125 по кромкам 126 и 127. Таким образом воздух, проходящий внутри каждой секции, не может выйти самостоятельно через боковую стенку каждой секции. Аналогичные перегородки являются обычными для конструкций печей и котлов. В конструкции, альтернативной концепции, изображенной на фиг. 4 и 5, может предусматриваться размещение секций прямого и косвенного теплообмена по центру между боковыми стенками башенного сооружения вместо смещения их к одной стенке, как схематически показано на фиг. 10. Для этого потребовались бы два симметричных короба 125 и две симметричные разделительные стенки 22Т и 22В, позволяющие герметизировать каждую из боковых стенок секции прямого и косвенного теплообмена. Должно быть также ясно, что должны также быть созданы две вертикальные выпускные камеры, причем каждая камера использует общий ряд сепараторов капель на кровле. Кроме того, должно быть также ясно, что в центрированном варианте, подобном показанному на фиг. 10, воздушный поток будет поступать с обеих сторон зоны поступления 120 вместо только одной. С технической точки зрения центрированный вариант обладает эксплуатационными преимуществами, но с точки зрения затрат он является более дорогостоящим, поскольку требует установки в башни двух разделительных стенок и двух сходящихся коробов. В этом отношении предполагается, что разделительная стенка должна быть выполнена из более тонкого листового металла или другого материала по сравнению с толщиной наружных стенок 20 или 22.
Обратимся теперь к фиг. 6 и 7, чтобы более подробно описать единый змеевик, образующий секцию косвенного испарительного охлаждения 50, причем следует учитывать, что описание относится к любому из проиллюстрированных вариантов реализации. Как наиболее отчетливо видно на фиг.6, единый змеевик предпочтительно представляет собой конструкцию прямоугольной формы, состоящую из ряда горизонтальных и близко расположенных параллельных контуров 54 и 56, имеющих форму змеевика. Все контуры 54, 56 имеют верхний конец контура 58 и нижний конец контура 60, соединенные с верхним коллектором текучей среды 80 и с нижним коллектором текучей среды 70 соответственно. В данной конкретной области применения, когда устройство 10 используется как устройство для охлаждения текучей среды, нижний коллектор 70 в действительности служит коллектором подачи горячей текучей среды, а верхний коллектор 80 служит коллектором отвода охлажденной текучей среды. Следует понимать, что функции подачи/отвода каждого из коллекторов могут меняться в зависимости от фактического использования устройства 10, т.е. если он используется в качестве испарительного конденсатора, нагретый газ должен входить в секцию косвенного теплообмена с верхней стороны 53, где верхний коллектор 80 должен при этом служить питающим коллектором. На фиг. 6 показано также, что каждый из коллекторов 70 и 80 имеет прямоугольную форму, и оба коллектора обычно располагаются на одной стороне или конце блока. Фиг.7 показывает, что единственная питающая труба 75 соединяется в общем с боковой поверхностью 71 питающего коллектора 70, так что отдельные питающие контуры в общем находятся в правом углу у трубы 75. Питающая труба 75 подает предназначенную для охлаждения текучую среду к коллектору 70, от которого текучая среда прогоняется по ряду контуров по направлению вверх. Для правильности работы секции косвенного испарительного теплообмена и для всех рабочих характеристик устройства 10 важное значение имеет равномерность протекания по всем контурам 54, 56, поскольку и воздух, и вода имеют однородную исходную температуру. Верхний отводящий коллектор 80 также имеет одну отводящую трубу 85, в общем соединенную с боковой поверхностью 81 коллектора 80, что согласуется с боковой поверхностью 71 коллектора 70. Труба 85 обычно располагается прямо над питающей трубой 75, так что охлажденная текучая среда, покидающая секцию косвенного теплообмена, течет в направлении, в целом параллельном, но противоположном направлению текучей среды, поступающей через питающую трубу.
На фиг. 6 показано также, что каждый отдельный контур 54, 56 образован одним непрерывным отрезком, имеющем форму змеевика трубы, подвергнутой гибке, образующей несколько U-образных рядов A-E. Каждый ряд смещен по вертикали на равное расстояние относительно любого другого, образуя таким образом змеевидный контур. Каждый ряд имеет также по существу одинаковую длину, причем каждый отдельный ряд в целом включает два прямых участка 62, образующих единое целое с в общем U-образным изогнутым или оборотным отрезком 68 на каждом конце. За счет совершенно одинакового формирования каждого ряда и каждого из контуров 54, 56 тепловая нагрузка между чередующимися 54, 56 будет сохраняться постоянной, так же как равными остаются и все другие факторы между контурами, такие как температура и показатели расхода. Как показано на фиг.7, секция косвенного теплообмена выполнена с пятью рядами, A-E, однако конкретное количество рядов будет зависеть от величины площади теплообмена, требующейся для конкретного случая применения. Определение такой площади выполняется на основе общеизвестных принципов оценки теплопередачи и не будет рассматриваться в данном описании. Каждый из отдельных рядов A-E по существу перекрывает всю длину устройства 10 между передней и задней стенками 16 и 14 и, в зависимости от общих размеров секции косвенного теплообмена 50, определяющихся как ее номинальной производительностью, могут потребовать по меньшей мере двух опор 94 на каждом конце рядов с целью недопущения прогиба контуров. Опоры могут также способствовать сохранению должного расстояния по горизонтали между трубами, образующими отдельные контуры 54, 56, которые как показано на чертеже по существу одинаковы. Поддержание нужных расстояний по вертикали и горизонтали обеспечивает равномерный теплообмен по всей секции косвенного испарительного теплообмена.
Вновь обратившись к фиг.6 можно видеть, что каждый отдельный контур соединяется соответственно с питающим и отводящим коллекторами 70, 80, путем ввода и крепления входного конца контура 60 и выходного конца 58 соответственно к передним стенкам 72, 82 каждого соответствующего питающего и отводящего коллекторов 70 и 80. Предпочтительно осуществляется сваривание контуров по поверхности контакта трубы и коллектора, хотя возможно использование других способов крепления, таких как ввинчивание труб в коллектор. Все прилегающие контуры 56 в числе множества контуров, образующих секцию косвенного теплообмена, сдвигаются ниже начальных контуров 54 приблизительно на половину расстояния между рядами, так что все контуры располагаются рядом и довольно тесно, допуская все же просачивание воздуха. В зависимости от теплообменной способности устройства 10 количество отдельных контуров 54, 56 может составлять от 23 до 56 контуров на один змеевиковый блок. Вне зависимости от количества используемых контуров следует понимать, что плотное размещение отдельных контуров позволяет эффективно формировать непрерывную, целостную площадь теплообменной поверхности, предназначенную для контакта и взаимодействия с поступающими потоками воздуха и охлаждающей воды. При реализации настоящего изобретения физическое размещение отдельных контуров, образующих секцию косвенного охлаждения 50 и направленность прохождения текучей среды в них является факторами, которые могут способствовать максимизации холодопроизводительности каждой теплообменной секции 50 и 90 и устройства 10 в целом, как будет показано ниже.
Ниже приводится описание непрерывной работы устройства, показанного на фиг.1, в качестве однофазного охладителя текучей среды, причем следует учитывать, что варианты реализации, показанные на фиг.3-5, будут действовать таким же образом. Варианты реализации, показаные на фиг. 9 и 10, в общем работают таким же образом, за исключением того, что воздушный поток, проходящий через башню, будет несколько изменен, как будет объяснено конкретно. В ходе эксплуатации предназначенная для охлаждения горячая текучая среда поступает к коллектору 70 с нижней стороны 55, включающей один змеевик секции косвенного теплообмена по питающей трубе 75. Горячая текучая среда равномерно распределяется по коллектору 70 и по каждой из присоединенных, расположенных уступами пар отдельных контуров 54, 56, так, чтобы текучая среда текла вверх и по существу равномерным потоком по всей последовательности контуров. По мере перемещения текучей среды вверх она эффективно двигается подобно сплошной плоскости или листу текучей среды до тех пор, пока все участки труб 62 на каждом из верхних рядов A, ограничивающие верхнюю сторону 53, не оказываются в равной степени открыты одновременному контакту со вторым воздушным потоком, поступающим из зоны подачи воздуха 120 и с имеющей одинаковую температуру охлаждающей водой, стекающей вниз из секции прямого теплообмена 90. Как упоминалось выше, вентилятор 24 осуществляет нагнетание потока окружающего воздуха, поступающего в зону 120 таким образом, что он принуждается поступать в секцию косвенного теплообмена под углом, по существу перпендикулярным верхней стороне 53 секции косвенного теплообмена. Аналогичным образом наиболее охлажденная имеющаяся в распоряжении вода из испарительной секции прямого теплообмена 90 стекает под воздействием силы тяжести сквозь верхнюю поверхность 53 секции косвенного теплообмена 50. Как упоминалось выше, когда охлаждающая вода стекает с нижней кромки наполнения 98 пакета наполнения 92, ее температура в продольном направлении по секции прямого теплообмена 90 остается одинаковой. Следует указать, что на общий показатель теплообменной способности устройства 10 не окажет заметного отрицательного влияния даже то, что воздушные потоки могут разделиться на не вполне равные половины. Здесь это означает, что даже если 60% поступающего воздушного потока было направлено в секцию прямого теплообмена, производительность заметно не изменилась. Если такое соотношение будет превышено, изменения в рабочих характеристиках окажутся более заметными. В общем, пропорции разделения воздуха, поступающего в зону подачи будут определяться падением давления по каждому из путей прохождения воздуха через секции прямого и косвенного теплообмена. В принципе целью является разделение на равные части, но в конкретных конструкциях возможно отклонение от этого принципа с целью достижения конкретных целей, поставленных перед конструкцией.
Поскольку все трубы контуров первоначально подвергаются воздействию одинаковой температуры охлаждающей воды и одинаковой температуры воздушного потока, температура текучей среды в контурах является по существу постоянной по всем трубам контуров в любом заданном месте змеевика по горизонтали или по вертикали. Это означает, что потоки воздуха и воды равномерно поглощают тепло по мере своего продвижения вниз через секцию косвенного теплообмена, в результате чего текучая среда, находящаяся в контурах, в равной степени и объеме осуществляет теплообмен от контура к контуру. Это не означает, что поток воздуха и воды поглощают каждый одинаковое количество тепла, поскольку известно, что вода поглощает гораздо большее количество тепла чем воздух, играя таким образом, значительно большую роль в обеспечении равномерности процесса теплообмена. Этот момент усугубляется равномерным разделением воздушных потоков, что остается допустимым, пока не начнет влиять на показатели работы. Таким образом, достоинством конструкции является то, что каждая из охлаждающих сред будет независимо поглощать тепло с постоянной интенсивностью от контура к контуру в любом месте по горизонтали или по вертикали в пределах секции косвенного теплообмена 50. Равномерность работы в направлениях по вертикали и горизонтали секции косвенного теплообмена 50 наиболее важная для достижения максимальной теплообменной способности устройства. Дополнительной отличительной особенностью настоящего варианта реализации является то, что схема параллельного воздушного потока способствует максимизации и увеличению равномерности теплообмена от контура к контуру за счет того, что направление параллельного потока не способствует образованию температурных градиентов, как в случае с пересекающимся потоком. На фиг. 1 показан несколько измененный по сравнению с изображенным на фиг. 1 вариант реализации, позволяющий за счет наличия двух вентиляторов 24, 24A, установленных у боковой стороны, использовать более мощный воздушный поток. Эта версия подтверждает, что до тех пор, пока направление воздушного потока в секции косвенного теплообмена остается параллельным потоку воды, и при одинаковости начальной температуры охлаждающей воды, применяемой в этой секции теплообмена будет максимизирован. Равномерная температура испарительной жидкости сохраняется за счет того, что поверхности листов наполнения 95 секции прямого теплообмена 90 остаются параллельными относительно поступающего окружающего воздуха, идущего из воздухозаборника 100, простирающегося от вентилятора до вентилятора. Этот чертеж показывает также, что при желании воздух, выходящий из секции косвенного теплообмена 50, может быть отведен по вертикали через камеру 150. Камеру 150 можно легко сделать частью сооружения устройства 10 путем продления передней, задней и боковых стенок, так как показано над позициями 16, 14 и 20, с тем, чтобы сформировать камеру 150. В случае добавления камеры 150 может быть устранен сепаратор капель 48, который показан как простирающийся у основания стенки 20. Вместо этого будут расширены сепараторы капель 49 на кровле 12, с тем, чтобы накрыть также камеру 150.
Исходя из этого, легко понять, каким образом весь ряд контуров будет содержать наиболее охлажденную текучую среду, предназначенную для охлаждения, когда текучая среда достигает верхней стороны 53 для контакта с наиболее холодными поступающими воздухом и водой. Поскольку вода играет ключевую роль при отборе тепла, контакт наиболее холодной охлаждающей воды с контурами способствует тому, что температура текучей среды в контурах почти достигает температуры охлаждающей воды. Параллельно идущий воздушный поток, в котором на любом конкретном уровне отсутствуют температурные градиенты, осуществляет испарительное охлаждение охлаждающей воды по мере того, как обе среды продолжают свое движение вниз через секцию косвенного теплообмена 50, способствуя выходу воздуха с однородной температурой. Эта отличительная особенность становится исключительно важной для максимального повышения рабочих характеристик устройства в процессе его эксплуатации как влаго-воздушного охладителя.
Главной отличительной особенностью является то, что он позволяет в максимальной степени использовать дорогостоящее пространство, в котором имеется только один воздухозаборник, снимая таким образом потребность в пространстве для настоящей камеры. В этом описании под камерой подразумевается большая, открытая площадь внутри башенного охладителя, в которую нагретый воздух попадает перед тем, как покинуть башню. Сведение к минимуму размеров пространства камеры играет важную роль, поскольку камера считается "мертвым пространством", требующим значительных дополнительных затрат для того, чтобы сделать башню выше и больше. Поскольку стоимость является очень важным фактором при продаже таких устройств, максимизация эффективности и равномерности работы каждой охлаждающей секции в пределах минимального физического объема обеспечивает покупателю минимальные затраты на строительство. Хотя башни высокой производительности, показанные на фиг. 4 и 5, требуют наличия вертикальной узкой камеры 150, следует подчеркнуть, что единый, компактный воздухозаборник позволяет делать башню 10 гораздо меньше, чем принято в данной области техники, и это означает, что камера также будет гораздо меньше.
На фиг. 3 показан вариант реализации изобретения, в котором использованы все отличительные особенности, рассмотренные для предыдущего варианта, реализапции хотя эта конструкция представляет собой более производительное устройство, требующее два вентилятора для продувки воздуха через боковую сторону 22 башни. Как можно видеть, в секцию 50 косвенного теплообмена также поступает из секции прямого теплообмена 90 вода с одинаковой температурой, поскольку в устройстве используется воздух в противотоке. Ясно также, что потоки воды и воздуха будут находиться в контакте со всеми контурами по верхней стороне 53 секции косвенного теплообмена 50, благодаря чему функционирование этого варианта реализации практически не отличается от варианта, показанного на фиг. 1. Единственным отличием этого варианта является то, что контуры 52, 54 и листы наполнения 92 ориентированы таким образом, что простираются между боковыми стенками 20, 22, а не между передней и задней стенками 14, 16. Контуры 52, 54 располагаются также перпендикулярно или нормально по отношению к воздухозаборнику 100.
Хотя изобретение описывается в связи с башней, применяемой в качестве устройства для охлаждения текучей среды, специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что изобретение необязательно ограничивается этими рамками, и что это изобретение может также использоваться в качестве испарительного конденсатора и в качестве влаго-воздушного охладителя, как будет описано ниже. Поскольку каждый компонент устройства 10, в случае использования в качестве испарительного конденсатора или влаго-воздушного охладителя, остается точно таким же, как и при использовании в качестве охладителя текучей среды, при описании любого из альтернативных режимов эксплуатации будут использоваться одни и те же числовые позиции и номенклатура обозначений.
В случае использования варианта реализации, показанного на фиг. 1 и 3, в качестве испарительного конденсатора, устройство работает по существу таким же образом как при использовании устройства 10 в качестве охладителя текучей среды, за исключением того, что вместо отвода охлажденной текучей среды из коллектора 80 через трубу 85, труба 85 используется для подачи в секцию косвенного теплообмена 90 для охлаждения перегретого пара, такого как нагретый газообразный хладагент; в процессе охлаждения теперь происходит конденсация нагретого газообразного хладагента вновь до каждого состояния. Газ поступает в коллектор 80 для равномерного распределения по всем отдельным каналам 54, 56, соединенным с коллектором 80. Как и ранее, наиболее холодный имеющийся воздух, поступающий в первичный воздухозаборник 100 и наиболее холодная вода с одинаковой температурой, стекающая вниз из секции прямого теплообмена 90 соприкасаются с наиболее нагретым газовым потоком, поступающим в каналы 54, 56, обеспечивая таким образом наиболее рациональное и эффективное использование каждой охлаждающей среды для конденсации газа. Как разъяснялось ранее по поводу эксплуатации охладителя текучей среды, испарительная вода, опускающаяся и нагревающаяся в секции конденсации паров 50, частично охлаждается в секции косвенного теплообмена за счет испарительного теплообмена с поступающим воздухом, а далее охлаждается прямым испарительным теплообменом со вторым воздушным потоком, проходящим внутри испарительной секции прямого теплообмена 90. Как и ранее, нагретая испарительная жидкость собирается в резервуаре 30 для возвращения посредством насоса 32 к распределительному средству 36 и для рециркуляции через секцию прямого теплообмена 90. Что касается потоков нагретого газа, то воздушный поток из секции прямого теплообмена выбрасывается в атмосферу через кровлю 12, в то время как воздушный поток из секции косвенного теплообмена выбрасывается через переднюю стенку 16, или же может быть направлен в пространство вертикальной камеры и затем в конечном счете выпущен в атмосферу вместе с горячим воздухом из секции прямого теплообмена, как показано на фиг. 4 и 5.
Однородность показателей работы контуров оказывается даже более важна при эксплуатации устройства 10 как испарительного конденсатора, поскольку однородность работы гарантирует, что контуры секции косвенного теплообмена не будут демонстрировать неравномерной конденсации. Так, например, если контуры, ближайшие к внутренней стороне 51 секции косвенного теплообмена, подвергаются воздействию более холодной испарительной жидкости чем контуры с наружной стороны 57, внутренние контуры способны обеспечить конденсацию большего количества пара. Увеличение возможностей внутренних контуров влечет за собой увеличение перепада давления по этим контурам. Поскольку входы и выходы каждого контура соединены с общими коллекторами, общий перепад давления по всем контурам должен быть идентичным. Поэтому жидкость будет задерживаться во внутренних контурах, чтобы создать уравновешивающий напор жидкости с целью компенсации потери давления на трение в этих контурах. Задерживание жидкости вызывает ухудшение эксплуатационных характеристик, связанное с уменьшением площади поверхности змеевика, пригодной для конденсации. Хотя такая форма работы обычна и для конденсаторов, применявшихся до сих пор, она нежелательна, поскольку влечет за собой неполное использование имеющейся конденсационной поверхности и снижение номинальной производительности устройства. После того, как охлажденный газ сконденсируется в жидкость, он собирается в нижнем коллекторе 70 и выдается через трубопровод 75 для повторного использования на стороне.
При использовании в качестве влаго-воздушного охладителя первый и второй воздушные потоки будут протекать в тех же направлениях, что были описаны ранее; параллельно в секции косвенного теплообмена и в противотоке в секции прямого теплообмена. Однако задачей устройства 10 теперь является охлаждение потока теплового воздуха, поступающего в секцию косвенного теплообмена и предназначенного для использования в другом месте. Вместо вмещения предназначенной для охлаждения горячей текучей среды каждая из труб контура 54, 56 теперь содержит первоначально охлажденную текучую среду, поступающую со стороны. Вместо охлажденной текучей среды контуры могут также содержать испарительный многофазный хладагент. Как и ранее, охлажденная текучая среда подается с нижней стороны 55 секции косвенного теплообмена 50, поступая в питающий коллектор 70 и перетекая вверх в форме непрерывной плоскости текучей среды с равномерно возрастающей температурой. По мере того, как испарительная жидкость стекает вниз по контурам, тепло одновременно добавляется от параллельно текущего первоначально нагретого воздушного потока и отводится от идущего в противотоке потока охлажденной текучей среды, проходящего по контурам 54, 56. От испарительной жидкости отбирается больше тепла, чем она получает и поэтому ее температура понижается по мере ее стекания вниз через секцию косвенного теплообмена. Относительно более теплый воздушный поток, поступающий в секцию косвенного теплообмена, соприкасается с контурами и охлаждается текучей средой, протекающей в них. Аналогичным образом охлаждения текучая среда, находящаяся в контурах 54, 56, поглощает тепло из испарительной жидкости, в результате чего текучая среда оказывается нагретой, когда достигает верхней части 53 секции косвенного теплообмена 50. Нагретая текучая среда поступает в верхний коллектор 80 перед тем, как быть возращенной в сторонний процесс через оборотную трубу 85, в то время как первичный воздушный поток покидает секцию косвенного теплообмена 50 через отверстие 17. Охлажденная теперь испарительная жидкость распределяется затем по секции прямого теплообмена 90, где она непосредственно контактирует и осуществляет теплообмен с первоначально нагретым, идущим в противотоке вторичным воздушным потоком, проходящим через секцию. Температура испарительной жидкости в действительности возрастает при ее происхождении через секцию прямого теплообмена. Когда она попадает в секцию косвенного теплообмена, она охлаждается, одновременно обмениваясь теплом со вторым воздушным потоком. Этот, теперь охлажденный, второй воздушный поток отводится через отверстие 17 для использования отдельно на другом участке, таком как горнодобывающие работы, охлаждение овощей или предварительное охлаждение воздуха на воздухозаборнике газовой турбины.
На фиг. 9 и 10 показан другой вариант реализации настоящего изобретения, в котором использованы многие отличительные особенности предыдущих вариантов реализации. Главное отличие этих двух вариантов реализации от описанных выше заключается в типе средств, применяемых для продувки воздуха через устройство 10. Как показано на обоих чертежах, вентилятор 24 в данном случае является лопастным вентилятором, установленным на кровле 12. Это означает, что единый воздухозаборник для обеих секций может также использоваться при работе вытяжной вентиляции. Вентиляторный узел подвергается теперь воздействию горячего, влажного отводящего воздуха, в результате чего возникает необходимость использовать более дорогостоящий вентилятор. Это означает также, что зона подачи 120 будет работать с разрежением вместо повышенного давления. Без учета этих различий башни с фиг. 9 и 10 будут сохранять прежнее размещение всех компонентов, так же как и направление воздушных и водяных потоков; различие заключается в том, что воздух будет отсасываться (вытяжная вентиляция) через теплообменные секции вместо того, чтобы продуваться (напорная вентиляция). На фиг. 10 в целом показана конструкция с фиг. 9, с секциями прямого и косвенного теплообмена, размещенными по центру устройства 10, между боковыми стенками 20 и 22. Такое размещение применяется в тех случаях, когда требуется очень высокая теплообменная способность. Как было показано ранее, размеры сходящегося короба(ов) 125 определяются физическими размерами секций теплообмена и рассмотрение этого вопроса не предусмотрено. Не предполагается также рассматривать дальнейшие различия между башней с фиг. 9 с одной вертикальной камерой и двойной вертикальной камерой на фиг. 10, поскольку единственное отличие этих вариантов реализации от вариантов реализации с напорной вентиляцией заключается в том, каким образом создается давление в зоне подачи 120. Таким образом, следует сделать вывод, что секции теплообмена на фиг. 9 и 10 могут также работать при разрежении.
В соответствии с настоящим изобретением предусмотрены средства для предупреждения замерзания зимой рециркулированной испарительной жидкости (обычно воды), как показано на фиг. 11, 12 и 13. В целом все испарительные теплообменники обычно защищаются определенным образом от вероятности замерзания или обледенения. Устройство, являющееся предметом настоящего изобретения, может быть чувствительным к замерзанию при холодной погоде, поскольку поступающий окружающий воздух находится в непосредственном контакте с наиболее холодной водой, покидающей секцию прямого испарительного теплообмена. Если устройство по какой-либо причине работает в холостом режиме, температуру воды в резервуаре обычно поддерживают на уровне выше нуля путем погружения в нее электрических или паровых нагревателей.
Однако, когда устройство работает при наружной температуре ниже 32 F(O C), для контроля или предупреждения обледенения возможно применение следующих методов. Наиболее легкий метод заключается в регулировании потока воздуха, поступающего от вентиляторов. Если поток воздуха уменьшается, рабочая температура воды повышается. Это обычно делается путем регулирования положения заслонок контроля производительности (не показаны), которые могут быть установлены на выходной стороне вентилятора. Если возможность контроля с помощью заслонок продувки воздуха вентилятором через испарительную секцию прямого теплообмена отсутствует, могут постепенно закрываться механизированные заслонки 28, размещенные по верху сооружения 10, над сепараторами капель, с тем, чтобы регулировать поток воздуха только через секцию прямого теплообмена. На фиг. 11 показано, что при снижении наружной температуры датчик температуры 200 направляет сигнал на двигатель заслонки, который затем постепенно закрывает заслонки 28, уменьшая таким образом поток воздуха через секцию прямого теплообмена 90. После этого охлаждение испарительной жидкости (воды) в секции прямого теплообмена сильно уменьшится. В результате секцию прямого теплообмена будет покидать более теплая вода, предупреждая таким образом обледенение секции косвенного теплообмена. Поскольку зимние температуры окружающей среды способствуют в целом повышению теплообменной способности башни 10, более теплая вода окажет отрицательное воздействие на теплоемкость. Регулирование воздушного потока через секцию прямого теплообмена может также сочетаться с управляющей заслонкой вентилятора, если она предусмотрена. На фиг. 12 показан другой способ, при котором в качестве средства предупреждения замерзания в зону подачи воздуха 120 впрыскивают теплую воду из накопительного резервуара. Как упоминалось выше, теплоемкость секции косвенного теплообмена может быть гораздо больше той, которая требуется в действительности во время зимнего сезона. В это время использование испарительной секции прямого теплообмена могут счесть ненужным и отключить так, что башня работает всухую. В принципе небольшое количество рециркулируемой воды из резервуара может направляться во вторую группу распылителей, расположенную над секцией косвенного теплообмена. Рециркуляционный насос 32 будет подавать воду через трехпутевой гидрораспределитель 230, управление которым осуществляется от наружного термостата 250. Одна распределительная головка 260 на воздухозаборнике 100 должна распылять теплую воду из резервуара с целью подогрева холодного воздуха в зоне подачи 120 и холодной воды, выходящей из секции прямого теплообмена. В результате возникнет смешанная температура воды в зоне подачи 120, предупреждая обледенение секции косвенного теплообмена и нижней части секции прямого теплообмена. И, наконец, на фиг. 13 показан вариант, альтернативный концепции, показанной на фиг. 10, в котором отдельный рециркуляционный насос 32A используется для подачи теплой воды из резервуара 30 в зону подачи воздуха 120 через ту же распылительную головку 260. Эта система функционирует так же, как описано выше, и вспомогательный насос 32a так же приводится в действие наружным термостатом 250, посылающим сигнал на электрические контакты в пускателе насоса 250, которые должны после этого замкнуться и подать питание на насос 32. Следует отметить, что использование теплой воды из резервуара в качестве защиты от замерзания также может быть использовано в любом из вариантов реализации, снабженных лопастными вентиляторами (фиг. 10 и 11).
Приведенное выше описание предназначенное для ясного очерчивания и полного описания настоящего изобретения. Возможны различные модификации без отклонения от объема и существа изобретения, определенных формулой изобретения.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| Противоточный башенный охладитель | 1989 |
|
SU1819342A3 |
| ГРАДИРНЯ | 1998 |
|
RU2144124C1 |
| УЛУЧШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПО ТЕПЛООБМЕНУ ОРЕБРЕННОГО ТЕПЛООБМЕННИКА С ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ | 2017 |
|
RU2721956C2 |
| Способ аккумулирования и потребления холода и устройство для его осуществления | 1989 |
|
SU1794234A3 |
| АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОЙ ТЕПЛООБМЕННИКА | 2018 |
|
RU2748981C1 |
| СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ | 2008 |
|
RU2458303C2 |
| ТЕПЛООБМЕННИК С ТРУБЧАТЫМИ МЕМБРАНАМИ | 2020 |
|
RU2805110C2 |
| КОНДЕНСАТОР С КАНАЛОМ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ С НЕСКОЛЬКИМИ ПОПЕРЕЧНЫМИ СЕЧЕНИЯМИ | 2018 |
|
RU2769608C2 |
| ИСПАРИТЕЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ СО ЗМЕЕВИКОМ ИЗ РЕБРИСТЫХ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ТРУБ В СБОРЕ | 2011 |
|
RU2529765C1 |
| Центробежный вентилятор и переходный трубопровод | 1989 |
|
SU1809867A3 |
Устройство может использоваться в качестве испарительного конденсатора, охладителя текучей среды или влаговоздушного охладителя. Устройство снабжено секцией прямого испарительного теплообмена, располагающейся над секцией косвенного испарительного теплообмена. Зона подачи воздуха, общая для обеих секций теплообмена, принимает воздушный поток, который вдувается в эту зону по меньшей мере одним вентилятором, создавая таким образом в камере повышенное давление, под воздействием которого воздушный поток разделяется и поступает в каждую секцию внутри устройства. Это устраняет необходимость приема воздуха в отдельных зонах, позволяя уменьшить размеры и стоимость устройства и одновременно увеличить теплообменную способность. Прохождение воздушного потока в противотоке через секцию прямого теплообмена позволяет получить равномерно охлажденную испарительную жидкость для использования в секции косвенного теплообмена. Поток испарительной жидкости параллелен воздушному потоку в секции косвенного теплообмена. Технологическая текучая среда, находящаяся внутри контуров секции косвенного теплообмена, может отбирать или отдавать тепло испарительной жидкости, поступающей из секции прямого теплообмена, причем часть тепла передается воздушному потоку в секции косвенного теплообмена в форме физической и скрытой теплоты, повышая или понижая, таким образом, энтальпию воздушного потока. Остальное тепло может или накапливаться, или выделяться испарительной жидкостью с повышением или понижением ее температуры. Испарительная жидкость скапливается в резервуаре и затем перекачивается вверх для повторного распределения по секции прямого испарительного теплообмена. 2 с. и 23 з.п.ф-лы., 13 ил.
| US 4112027 A, 05.09.78 | |||
| US 4683101 A, 28.07.87 | |||
| Устройство косвенно-испарительного охлаждения воздуха | 1982 |
|
SU1113641A1 |
| Контактный теплообменник | 1987 |
|
SU1483230A2 |
