ГРАДИРНЯ Российский патент 1999 года по МПК F28C1/00 F28F25/00 

Предлагаемое техническое решение относится к области энергетики и предназначено для снижения температуры воды, отводящей тепло от теплообменных аппаратов.

Для охлаждения различных агрегатов широкое распространение получили доступные и недорогие охлаждающие агенты, а именно вода и воздух, причем по сравнению с воздухом вода, отличаясь повышенной теплоемкостью, высоким коэффициентом теплоотдачи, дает возможность производить охлаждение за более короткий промежуток времени или при одинаковом времени охлаждения способствует достижению меньшей температуры.

При дефиците воды и для снижения материальных затрат охлаждение производят так называемой оборотной водой, то есть вода, снимающая тепло с охлаждаемых агрегатов, направляется на охлаждение, и после снижения ее температуры направляется вновь на охлаждение агрегата.

Охлаждение воды наиболее эффективно производится при ее непосредственном контакте с воздухом атмосферы в открытых бассейнах или чаще всего в градирнях. В общем виде градирня представляет собой открытую полую башню, где распыляют воду. Движущийся внутри полости башни атмосферный воздух контактирует с капельками воды. В результате прямого контакта теплые капельки воды отдают часть своего тепла окружающему их воздуху. Нагретый воздух уходит из градирни в окружающее пространство, унося часть тепла, снятого с охлаждаемой воды, а распыленные капельки под действием силы тяжести стекают в водосборный бассейн. Эффективность процесса охлаждения тем выше, чем выше скорость воздушных масс относительно капелек воды. Движение воздуха в градирнях обеспечивается как за счет естественной циркуляции, так и принудительной вентиляцией.

Известна градирня (см. , например, заявку Японии N 4-81119, кл. F 28 F 27/00; F 28 C), содержащая помимо теплообменника, вентилятор. По перепаду температур воздуха перед и за теплообменником устанавливают положение наклона лопастей вентилятора и число оборотов его электродвигателя. Таким образом, регулируют величину скорости движения воздушных масс внутри градирни. Допустимая скорость воздушных масс внутри градирни ограничена (см., например, С.С.Кутателадзе, М.А.Стырикович "Гидравлика газожидкостных систем", М.: Госэнергоиздат, 1958 г.).

Вследствие того, что скорость движения воздушных масс определяют не непосредственно, а по перепаду температур перед и за теплообменником, допускается существенная неточность в установлении истиной величины этой скорости, что может привести к возникновению режима захлебывания градирни, характеризующегося значительным выбросом из градирни капель охлаждаемой воды, что приводит к значительным потерям воды из системы оборотного водоснабжения.

Поэтому предпочтительнее, там где это возможно, использование градирен, работа которых основана на естественной циркуляции воздуха.

Известна градирня, содержащая соединенные с входной трубой форсунки, смонтированные внутри полости открытой башни, установленной над водосборным бассейном с отводной трубой, ограждение, выполненное в виде жалюзных деревянных щитков, закрепленных по периметру башни и оросители, представляющие собой горизонтальные щиты, размещенные в несколько рядов ниже уровня форсунок в полости башни (см., например, "Теплоизолирующие установки промышленных предприятий", Харьков, издательство Харьковского университета 1985 г.).

В градирне горячая вода по входной трубе подается в форсунки и разбрызгивается. Под действием силы тяжести капли воды падают вниз и охлаждаются окружающим воздухом, перемещающимся под влиянием ветра перпендикулярно к направлению движения капель воды, при этом наклонные жалюзи являются препятствием выносу капель воды из полости башни. Продолжая падение, вода стекает по оросителю и охлаждается воздухом, как на щитках оросителя, так и при последующем падении. Вместе с тем, мелкодисперсные капли воды аэродинамической силой проходящих воздушных масс выносятся за пределы башни, так как для мелкодисперсных капель значение аэродинамической силы превалирует над значением гравитационной силы.

К существенному недостатку функционирования градирни следует отнести нестабильность интенсивности охлаждения по времени суток из-за изменения скорости набегающего на башню естественного воздушного потока, что ограничивает возможности применения градирни.

Известна градирня, содержащая открытую полую башню, расположенную над водосборным бассейном, разбрызгиватель охлаждаемой воды, водоулавливающее устройство, включающее приспособление над разбрызгивателем (см., патент CH N 656698, МКИ F 28 C 1/16, 1986 г.).

Она является наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения по технической сути и достигаемому результату.

В известной градирне горячая вода по входной трубе поступает в разбрызгиватель и распыляется над оросителем. Опускаясь в виде пленки или капель, соответственно, на пленочном или капельном оросителе, вода охлаждается воздухом, двигающимся в полости башни снизу вверх. Насыщенный влагой нагретый воздух, поднимаясь вверх, проходит через приспособление водоулавливающего устройства, расположенное над разбрызгивателем, где происходит отделение от воздуха значительной части воды. Охлажденная вода стекает в водосборный бассейн, а нагретый воздух, содержащий мелкодисперсную и парообразную влагу, поднимается далее вверх внутри полости башни. По мере перемещения вверх воздух охлаждается, частицы влаги достигшие размеров, достаточных для их гравитационного выпадения (более 20 мкм) под действием силы тяжести падают вниз. Оставшаяся влага в мелкодисперсном и парообразном состоянии выносится воздушными массами за пределы градирни по всей поперечной площади башни, создавая безвозвратные потери воды в системе оборотного водоснабжения и ухудшая экологическую обстановку в прилегающих к градирне местности (повышенная влажность, осаждение вредных промышленных выбросов, содержащихся в атмосфере и т.д.).

Предлагаемое изобретение направлено на сокращение выброса влаги из градирни по всей поперечной площади полости башни.

В обеспечение достижения ожидаемого технического результата в градирне, содержащей открытую полую башню, расположенную над водосборным бассейном, разбрызгиватель охлаждаемой воды, водоулавливающее устройство, включающее приспособление, размещенное над разбрызгивателем, полость башни снабжена дополнительным водоулавливающим устройством, выполненным в виде вертикальных и параллельно отстоящих друг от друга перемычек из электропроводного материала и симметрично установленных между ними и корпусом башни перегородок, составленных по высоте из ряда изолированных от поверхности башни параллельных и разделенных зазорами отрезков проводов с малым радиусом кривизны поверхности, подключенных одним из концов к источнику постоянного тока, при этом перемычки и перегородки прикреплены к противоположным сторонам корпуса башни, а по периметру поверхности полой башни в пределах высоты перемычек закреплен заземленный электропроводный материал, контактирующий с перемычками. Перемычки и перегородки прикреплены к корпусу башни по ее высоте от открытого торца до приспособления водоулавливающего устройства, а заземленный электропроводный материал закреплен на внутренней поверхности полой башни.

В качестве электропроводного материала перемычек и закрепленного на поверхности полой башни наиболее целесообразно использовать электропроводную ткань, обладающую одновременно необходимыми электротехническими характеристиками и свойствами по обеспечению стока накапливаемой на ней воды.

Для улучшения конечного результата от использования градирни, в том числе и для обеспечения вертикальности и параллельности элементов дополнительного водоулавливающего устройства предлагаются и другие частные технические решения:
- каждая перегородка по сторонам, обращенным к корпусу башни, снабжена ориентированными параллельно продольной оси симметрии градирни штанга ми со смонтированными по их длине электрическими изоляторами с наружной резьбовой втулкой, причем отрезки проводов подсоединены к штангам, а на попарно установленных в корпусе градирни с шагом равным шагу расположения изоляторов на штанге нарезных стержнях размещены с возможностью перемещения и фиксации пластины с отверстием, при этом в отверстие с возможностью продольного перемещения и стопорения пропущена резьбовая втулка изоляторов;
- каждая перемычка прикреплена к противоположным сторонам корпуса башни с помощью симметрично и попарно расположенных уголковых профилей из электропроводного материала, одни из полок которых размещены поверх электропроводной ткани внутренней поверхности полости башни с возможностью перемещения и фиксации, а другие полки профилей обращены друг к другу внешними поверхностями с образованием между ними зазора, причем концы электропроводной ткани перемычки введены в зазор и зажаты поверхностями полок;
- штанги перегородок у одной из сторон корпуса башни соединены между собой электрическим шунтом, подключенным к источнику постоянного тока.

Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами: фиг. 1 - схематическое изображение градирни в разрезе, фиг. 2 - вид на открытый торец полой башни, фиг. 3 - поперечный разрез по креплению перегородки к корпусу полой башни, фиг. 4 - продольный разрез по креплению перегородки к корпусу полой башни с видом на пластину, фиг. 5 - сечение по резьбовой втулке, фиг. 6 - поперечное сечение по креплению перемычки к корпусу полой башни, фиг. 7 - сечение перемычки с видом на крепление перемычки к корпусу полой башни.

Градирня содержит (фиг. 1, 2) открытую полую башню 1, расположенную над водосборным бассейном 2, разбрызгиватель охлаждаемой воды 3, водоулавливающее устройство, включающее приспособление 4, расположенное над разбрызгивателем 3. В полость башни со стороны открытого торца 5 помещено дополнительное водоулавливающее устройство 6. Оно выполнено в виде вертикальных и параллельно отстоящих друг от друга перемычек 7 из электропроводного материала и симметрично установленных между ними и корпусом башни 8 перегородок 9.

Перегородки 9 составлены по высоте из ряда изолированных от внутренней поверхности корпуса полости башни параллельных и разделенных зазорами 10 отрезков проводов 11. Исходя из условия возникновения коронного разряда на проводах, они подключены к источнику постоянного тока 12 одним из своих концов (см. , например, "Элементарный учебник физики" под редакцией академика Г. С. Ландсберга, М., Наука, ГРФМЛ, 1985 г., стр. 213) и имеют малый радиус кривизны поверхности (см. , например, С. Г. Калашников "Электричество", "Наука", ГРФМЛ, 1977 г. стр. 374-376).

Применение постоянного тока для загорания короны на проводах объясняется тем, что при переменном токе заряженные мелкодисперсные частицы воды, испытав ряд импульсов, направляющих их то в одну сторону, то в другую, могут не достичь перемычек и электропроводный материал корпуса башни, а следовательно не произойдет их осаждение на поверхностях указанных элементов и они будут вынесены за пределы башни градирни в атмосферу. Кроме того, процесс заряжания частиц в случае переменной короны не столь эффективен, что сказывается на процессы искусственной конденсации парообразной фазы влаги и на коагуляционные процессы.

Для питания отрезков проводов возможно использование источников питания высокого напряжения, использующихся для питания электрофильтров.

Перемычки и перегородки прикреплены к противоположным сторонам корпуса башни, возможно, по высоте от открытого торца до приспособления водоулавливающего устройства. Высота перемычек и перегородок, значение зазора между ними, а также значение напряжение питания источника тока определяется из необходимости создания в потоке движущегося в полости башни воздуха концентрации электрических зарядов не менее, чем 10⁵ e/см³. Максимальные значения напряжения источника питания определяются как экономическими соображениями, так и соображениями гарантированного исключения вероятности перехода коронного разряда в искровой.

По периметру внутренней поверхности башни, в пределах высоты перемычек закреплен заземленный электропроводный материал 13, контактирующий с перемычками. Заземление может быть выполнено с помощью электропроводного кабеля 14, закрепленного на наружной поверхности корпуса башни и через отверстие 15 в ней он пропущен во внутреннюю полость башни с подсоединением к электропроводному материалу, уложенному по внутренней поверхности башни. Другим своим концом кабель соединен с заземлительным контуром 16 (на фиг. не показан).

В качестве электропроводного материала перемычек и материала, закрепленного на внутренней поверхности башни, может быть использована электропроводная ткань. Получают эту ткань на основе полимеров и для придания ей электропроводящих свойств вводят тонкодисперсный электропроводящий наполнитель, например, сажу, графит, порошки никеля, меди и др. металлов. Кроме того, электропроводность ткани может быть обеспечена напылением на тканый материал или же на полимерный материал тонкого электропроводящего слоя.

С учетом постоянной циркуляции в градирне влажного воздуха, происходящих теплообменных процессов с выделением тепла, наиболее приемлемо применение углеродных тканей, которые сочетают свойства искусственного графита и пластичность текстиля - они химически инертны, стойки и жаростойки.

Углеродные ткани получают термической обработкой вискозной ткани. Содержат 60-99% углерода и 1-25% золы. В зависимости от вида обработки ткани подразделяют на частично карболизированные углеродистые типа УТМ-8, графитизированные типа ТГН-2М и и упроченные углеродом типа ТМП (см., например, В. Е. Гуль и др. "Электропроводящие полимерные материалы", М., Машгиз, 1968 г., "Машиностроительные материалы" под редакцией В.М.Раскова, М., Машиностроение, 1980 г., стр. 394-395).

Электропроводная ткань приклеивается к внутренней поверхности 17 корпуса полой башни, например, полиамидным клеем. Этот клей достаточно удобен в применении, так как не содержит растворителей и отверждается в короткие сроки. Для этой же цели пригодны клеи на основе композиций хлорированного полихлорпропена и фенольно-формальдегидной смолы (см, например, "Энциклопедия полимеров", издательство "Советская энциклопедия", М., 1974 г., стр. 968-969).

Следует отметить, что применяемый материал для изготовления перемычек и нанесения на внутреннюю поверхность полой башни в значительной степени влияет на получаемый технический результат. Так как при равных условиях эксплуатации с другими узлами и элементами градирни он должен удовлетворять, по возможности, большому числу требований с точки зрения эффективности работы по сбору на своих поверхностях влаги и обеспечению стока ее в водосборный бассейн, а именно:
- обладать большой поверхностью в единице объема;
- хорошо смачиваться осаждаемой влагой;
- оказывать малое гидравлическое сопротивление паровоздушному потоку;
- равномерно распределять влагу;
- быть стойкой к химическому воздействию паровоздушной среды;
- иметь малый удельный вес;
- обладать высокой механической прочностью.

Перечисленным требованиям в той или иной степени наилучшим образом удовлетворяют электропроводные ткани, а в большей степени углеродная ткань, которая и предлагается для изготовления перемычек и покрытия внутренней поверхности полой башни.

Каждая перегородка по сторонам, обращенным к корпусу башни, снабжена ориентированными параллельно продольной оси симметрии градирни штангами 18. По длине штанг с одинаковым шагом смонтированы электрические изоляторы 19 с наружной (фиг. 3, 4) резьбовой втулкой 20, В зависимости от типа электрических изоляторов они могут быть одинокими или представлять собой набор из нескольких жестко соединенных между собой отдельных изоляторов. Изоляторы могут быть собраны в единую конструкцию с помощью закладных элементов 21. Для чего каждый изолятор изготавливается из двух симметричных половин, сочленяемых после установки закладных элементов и скрепляемых винтами с гайками 22. Наружную втулку в этом случае имеет наиболее удаленный от штанги изолятор 23.

Отрезки проводов 11 закреплены на штангах между изоляторами, например, скруткой их концов. Для предотвращения сползания проводов на штангах в местах скруток предусмотрены проточки 24.

В корпусе градирни с шагом, равным шагу расположения изоляторов на штангах закреплены нарезные стержни 25, а на них установлены с возможностью перемещения и фиксации (фиг. 5) пластина с отверстием 26. В отверстие платины с возможностью перемещения и стопорения пропущена резьбовая втулка 20 изолятора 23. Для перемещения пластины относительно стержней 25 в ней по обе стороны отверстия 26 образованы по длине горизонтальные прорези 27. На стержнях 25 навинчены стопорные гайки 28, а после занятия отверстием пластины нужного положения при сборке конструкции, по заранее намеченному местоположению перегородки в полости башни, на стержни, поверх пластины, на их нарезку навинчиваются такие же гайки 28, и пластина фиксируется между парами гаек на каждом стержне. После чего, в отверстие пластины помещается резьбовая втулка 20, так же как и в предыдущем случае стопорящаяся в требуемом месте гайками 29, располагаемыми по обе стороны пластины.

Установка каждой из перегородок осуществляется одновременно по обе стороны внутренней поверхности полости башни. Вертикальное и параллельное их расположение достигается соответствующей регулировкой положения штанг относительно пластин.

В свою очередь каждая перемычка прикреплена к противоположным сторонам корпуса башни (фиг. 6) с помощью симметрично и попарно расположенных уголковых профилей 30, выполненных из электропроводного материала. По технологическим соображениям они могут быть выполнены из отдельных частей, повторяющих контур внутренней поверхности полости башни. Одни из полок профилей 31, 32 размещены поверх электропроводной ткани 13 внутренней поверхности полости башни с возможностью взаимного перемещения и фиксации. Для этого полки, прилегающие к поверхности корпуса (фиг. 7) имеют прорези 33 вдоль этой поверхности, а в стене башни вмонтированы нарезные стержни 34 в количестве кратном числу прорезей. Нарезные стержни вставлены в прорези и снабжены стопорными гайками 35. В месте прохождения стержней сквозь электропроводную ткань в последней выполнены обрамленные металлическими кольцами (на фиг. условно не показаны) отверстия 36. Другие полки 37, 38 профилей обращены друг к другу внешними поверхностями 39, 40 с образованием между ними зазора 41. Величина зазора устанавливается исходя из толщины применяемой электропроводной ткани. Концы электропроводной ткани каждой перемычки введены в зазор 41 и зажаты поверхностями полок, для чего полки сдвигаются, создавая усилие сжатия. Эти же полки для надежного крепления материала перемычек могут быть дополнительно сами стянуты болтами с гайками. Подобные электрические контакты обладают высокой надежностью, так как процессы изнашивания для них практически не играют никакой роли (см., например, "Трение изнашивания и смазка", справочник, книга 2, М., Машиностроение, 1979 г., стр. 337). Натяжение отрезков проводов параллельными линиями достигается созданием усилия натяга между штангами за счет выбора местоположения и перемещения втулок изоляторов в отверстиях противоположно расположенных пластин.

Штанги перегородок у одной из сторон корпуса башни соединены между собой электрическим шунтом 42, подключенным к источнику тока, чем обеспечивается подвод электрического тока к отрезкам проводов. Шунт может быть выполнен из электропроводного кабеля.

Помимо общего технического результата преимущество предлагаемой конструкции градирни заключается в возможности установки дополнительного водоулавливающего устройства в уже сооруженные градирни с относительно небольшими затратами на проведение монтажных работ по их модернизации.

Данная градирня работает следующим образом. Горячая вода по входной трубе 43 подается в форсунки и разбрызгивается (фиг. 1) над оросителем 44. Опускаясь вниз, вода в виде пленок на пленочном оросителе или в виде капель на капельном оросителе охлаждается потоком воздуха. Насыщенный влагой нагретый воздух, направляясь вверх, проходит через приспособление 4 водоулавливающего устройства, где отделяется часть капель воды. Охлажденная вода стекает в водосборный бассейн 2, откуда по выходной трубе 45 снова поступает в систему оборотного водоснабжения. Нагретый воздух, содержащий влагу в виде пара и мелкодисперсных капель, продолжает подниматься вверх внутри корпуса полой башни. В процессе движения влаги вверх за счет передачи части тепла через стенки башни атмосферному воздуху часть пересыщенной парообразной влаги конденсируется, часть мелкодисперсных капелек воды укрупнится, и те из них, которые достигнут размеров, достаточных для гравитационного выпадения, падают вниз в водосборный бассейн, захватывая на своем пути мелкие капельки. Оставшаяся влага в виде пара и мелкодисперсных капелек поступает в дополнительное водоулавливающее устройство.

В дополнительном водоулавливающем устройстве при подаче высокого напряжения на отрезки проводов происходит коронный разряд. В проходящий воздушный поток генерируются электрически заряженные частицы. Мелкодисперсные капельки воды и присутствующие в воздушном пространстве различные аэрозольные частицы заряжаются и становятся активными центрами конденсации парообразной влаги, что приводит к инициированию процессов укрупнения капель. Электрическое поле коронного разряда между отрезками проводов и заземленными перемычками и электропроводным материалом, закрепленным по внутренне поверхности башни, захватывает заряженные капли влаги и прижимает их к заземленным поверхностям. Происходит слияние капель, их укрупнение и отекание по поверхности вниз в водосборный бассейн. Результаты лабораторных работ, проведенных авторами предлагаемого изобретения, показывают, что интенсивные процессы укрупнения капель влаги в электрическом поле начинаются по достижению в потоке насыщенного воздуха концентрации электрически заряженных частиц значения более, чем 10⁵ e/см³, где e - элементарный электрический заряд. Кроме того, процессу осаждения капель воды в предлагаемом устройстве в значительной степени способствует возникающий в процессе коронного разряда ионный ветер, возникающий в движущемся потоке пересыщенного влагой воздуха. Возникающие в процессе наложения движений воздуха неравномерности движения капелек воды, приводят к увеличению вероятности их столкновения, слияния и укрупнения их до размеров, достаточных для гравитационного выпадения.

Таким образом, в предлагаемой градирне обеспечивается создание в пересыщенном влагой воздушном потоке искусственных электрически заряженных центров конденсации парообразной влаги, инициирование процессов укрупнения капель влаги и сепарации их от выходящих из градирни воздушных масс, чем и обеспечивается достижение ожидаемого технического результата - сокращение выброса влаги из градирни по всей поперечной площади башни.

Изобретение предназначено для снижения температуры воды, отводящей тепло от теплообменных аппаратов. Изобретение позволяет уменьшить выброс влаги из градирни в атмосферу по всей поперечной площади полости башни и достигается это за счет того, что полость башни снабжена дополнительным водоулавливающим устройством, выполненным в виде вертикальных и параллельно отстоящих друг от друга перемычек из электропроводного материала и симметрично установленных между ними и корпусом башни перегородок, составленных по высоте из ряда изолированных от поверхности башни параллельных и разделенных зазором отрезков проводов с малым радиусом кривизны поверхности, подключенных одним из концов к источнику постоянного тока, при этом перемычки и перегородки прикреплены к противоположным сторонам корпуса башни, а по периметру поверхности башни в пределах высоты перемычек закреплен заземленный электропроводный материал, контактирующий с перемычками. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Градирня, содержащая открытую полую башню, расположеную над водосбовным бассейном, разбрызгиватель охлаждаемой воды, водоулавливающее устройство, включающее приспособление, размещенное над разбрызгивателем, отличающаяся тем, что полость башни снабжена дополнительным водоулавливающим устройством, выполненным в виде вертикальных и параллельно отстоящих друг от друга перемычек из электропроводного материала и симметрично установленных между ними и корпусом башни перегородок, составленных по высоте из ряда изолированных от поверхности башни параллельных и разделенных зазорами отрезков проводов с малым радиусом кривизны поверхности, подключенных одним из концов к источнику постоянного тока, при этом перемычки и перегородки прикреплены к противоположным сторонам корпуса башни, а по периметру поверхности полой башни в пределах высоты перемычек закреплен заземленный электропроводный материал, контактирующий с перемычками. 2. Градирня по п. 1, отличающаяся тем, что перемычки и перегородки прикреплены к корпусу башни по ее высоте от открытого торца до приспособления водоудавливающего устройства, а заземленный электропроводный материал закреплен по внутренней поверхности полой башни. 3. Градирня по п.1, отличающаяся тем, что каждая перемычка и закрепленный на поверхности полой башни электропроводный материал выполнены из электропроводной ткани, преимущественно углеродной. 4. Градирня по п.1, отличающаяся тем, что каждая перегородка по сторонам, обращенным к корпусу башни, снабжена ориентированными параллельно продольной оси симметрии градирни штангами со смонтированными по их длине электрическими изоляторами с наружной резьбовой втулкой, причем отрезки проводов подсоединены к штангам, а на попарно установленных в корпусе градирни с шагом, равным шагу расположения изоляторов на штанге, нарезных стержнях размещены с возможностью перемещения и фиксации пластины с отверстием, при этом в отверстие с возможностью продольного перемещения и стопорения пропущена резьбовая втулка изоляторов. 5. Градирня по пп. 1-3, отличающаяся тем, что каждая перемычка прикреплена к противоположным сторонам корпуса башни с помощью симметрично и попарно расположенных угловых профилей из электроприводного материала, одни из полок которых размещены поверх электропроводной ткани внутренней поверхности полости башни с возможностью перемещения и фиксации, а другие полки профилей обращены друг к другу внешними поверхностями с образованием между ними зазора, причем концы электропроводной ткани перемычки введены в зазор и зажаты поверхностями полок. 6. Градирня по пп.1-4, отличающаяся тем, что штанги перегородок у одной из сторон корпуса башни соединены между собой электрическим шунтом, подключенным к источнику постоянного тока.