ГРАДИРНЯ Российский патент 2013 года по МПК F28C1/16 

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

По способу создания тяги воздуха (см. СНиП 2.04.02-84, http://vsesnip.com/Data1/2/2688/#il316191) градирни разделяются на:

вентиляторные, через которые воздух прокачивается нагнетательными или отсасывающими вентиляторами;

башенные, в которых тяга воздуха создается высокой вытяжной башней;

открытые, или атмосферные, в которых для протока воздуха через них используются естественные токи воздуха - ветер и отчасти естественная конвекция

Известна градирня открытого типа (см., например, "Теплоизолирующие установки промышленных предприятий", Харьков, издательство Харьковского университета 1985 г.), содержащая соединенные с входной трубой форсунки, смонтированные внутри открытой полой оболочки, 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 оболочки.

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 оболочки. Продолжая падение, вода стекает по оросителю и охлаждается воздухом, как на щитках оросителя, так и при последующем падении.

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

Известны вентиляторные градирни, в которых охлаждающий воздух прокачивается через область разбрызганных капель охлаждаемой жидкости нагнетательными или отсасывающими вентиляторными установками, включающие в себя следующие основные элементы: оболочку (корпус), состоящую из каркаса, обшитого листовым материалом, водораспределительное устройство, ороситель, водоуловитель, водосборный бассейн и вептиляторную установку. См., например, пособие по проектированию градирен, приложение к СНиП 2.04.02-84, http://vsesnip.com/Data1/2/2688/#i1316191. В патенте США представлено описание градирня вентиляторного типа (см. патент US 4662902, рис.4). Градирня содержит корпус, выполненный в виде установленной над водосборным бассейном цилиндрической оболочки с боковыми проемами внизу. Во внутренней полости корпуса, выше уровня боковых проемов закреплены разбрызгиватели охлаждаемой воды. В верхней части градирни на настиле, перекрывающем внутреннюю полость корпуса от окружающего пространства, установлен вентилятор, связанный воздушным каналом через электрофильтр, установленный в проеме настила с внутренней полостью корпуса и через теплообменник с окружающим пространством. Непосредственно под настилом в корпусе градирни выполнены сквозные отверстия, связывающие внутреннюю полость корпуса с окружающим пространством. Работа известной градирни обеспечивается за счет работы вентилятора, обеспечивающего прокачку охлаждающего воздуха через систему теплообмена с охлаждаемой водой (каплями в области разбрызгивания охлаждаемой воды, увлажненным воздушным потоком в области входа в электрофильтр, поверхностью теплообменника) и требует больших эксплуатационных расходов. Кроме того энергетическая мощность градирни, использующей энергию вентилятора для прокачки охлаждаемого воздуха ограничена мощностью вентиляторной установки.

Для охлаждения воды в системах оборотного водоснабжения крупных электростанций, где требуется обеспечить большой объем сбрасываемого в атмосферу тепла, используются башенные градирни. Прокачка охлаждаемого воздуха в башенных градирнях обеспечивается высокой вытяжной башней. Известна башенная градирня (см. патент №656698, МКИ F28С 1/16, 1986 г.), содержащая расположенную над водосборным бассейном открытую полую вытяжную башню с боковыми проемами у основания для прохождения охлаждающего воздуха, разбрызгиватель охлаждаемой воды, водоулавливающее устройство, включающее приспособление над разбрызгивателем. В данной 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 через боковые проемы в полости башни снизу вверх. Движение воздуха осуществляется естественным образом за счет разницы плотности теплого воздуха (в нижней части вытяжной башни) и холодного (в верхней части вытяжной башни). Насыщенный влагой нагретый воздух, поднимаясь вверх, проходит через приспособление водоулавливающего устройства, расположенное над разбрызгивателем, где происходит отделение от воздуха значительной части капель воды. Охлажденная вода стекает в водосборный бассейн, а нагретый воздух, содержащий мелкодисперсную и парообразную влагу, поднимается далее вверх внутри полости вытяжной башни. По мере перемещения вверх воздух охлаждается, частицы влаги, достигшие размеров, достаточных для их гравитационного выпадения под действием силы тяжести падают вниз.

Известная конструкция башенной градирни может быть выполнена любых сколь угодно больших размеров, исходя из возможностей строительной индустрии, и решить проблему сброса больших объемов тепла. Вместе с тем, мелкодисперсные капли, образуемые в результате испарения охлаждаемой воды в условиях естественной эволюции, происходящей внутри башни в процессе подъема охлаждающего воздуха вверх, не успевают укрупниться в размере до размера гравитационного осаждение (~20 мкм) и выносятся за пределы градирни. Что приводит к потере охлаждаемой воды в системе оборотного водоснабжения и ухудшению экологической обстановки в прилегающем районе.

Известна башенная градирня, содержащая расположенную над водосборным бассейном открытую полую вытяжную башню с боковыми проемами у основания, разбрызгиватель охлаждаемой воды, водоулавливающее устройство, выполненное в виде системы соосных оси напорной башни трубчатых электрофильтров, осадительные электроды которого выполнены в виде сот, установленных в выходном сечении вытяжной башни и нагнетательные установки окружающего воздуха, установленные ниже осадительных электродов. См. Патент США US 4662902. В известной башенной градирне используются электрофильтры для сепарации капель воды. Для повышения эффективности сепарации влаги используется холод окружающего воздуха, нагнетаемого с помощью специальных нагнетательных установок во внутреннюю полость вытяжной башни ниже электрофильтров. Сепарация капель влаги осуществляется по принципу известной схемы электрофильтра, путем осаждения электрически заряженных капель на поверхности вертикально установленных плоскостей сот. Как известно (см., например. Высокоэффективная очистка воздуха. Под ред. Мягкова Б.И. 1967 г., стр.195. http://sc-books.ru/book cln.php?id=96), скорость дрейфа электрически заряженных частиц к заземленной поверхности осадительного электрода пропорциональна размеру частиц и для мелкодисперсных капель она практически стремиться к нулю. Следовательно, капли, которые не успели укрупниться (мелкодисперсные капли), не смогут достичь поверхности заземленных перемычек и будут выноситься наружу вместе с потоком в окружающее пространство. Укрупнения капель путем добавления с помощью нагнетательных установок в очищаемый поток холодного окружающего воздуха в известной конструкции носит двойственный характер. С одной стороны, окружающий воздух охлаждает очищаемый поток и способствует укрупнению капель и повышает вероятность сепарации влаги. С другой стороны, нагнетаемый воздушный поток увеличивает скорость прохождения капель внутри электрофильтра и сокращает время пребывания в нем очищаемого потока, а, следовательно, сокращает и время дрейфа осаждаемых капель к заземленной поверхности, что снижает вероятность достижения мелкими каплями заземленной поверхности и их сепарации от воздушного потока. Кроме того, для нагнетания окружающего воздуха требуется большие дополнительные энергетические затраты для обеспечения работы специальных нагнетательных установок.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению является башенная градирня, описание которой представленной в патенте РФ 2326321 С1, МПК F28C 1|00 (2006.01). Градирня содержит расположенную над водосборным бассейном открытую полую вытяжную башню с боковыми проемами у основания, разбрызгиватель охлаждаемой воды и водоулавливающее устройство, заземленную электропроводную сетку, установленную в боковых проемах вытяжной башни, с зазором относительно которой с внешней от башни стороны установлены коронирующие электроды, соединенные с источником высокого напряжения. В данной градирне, благодаря электрическим зарядам, образуемым в процессе коронного разряда, решается задача снижения водных потерь и повышения эффективности работы градирни. Вместе с тем, повышение эффективности градирни в известном устройстве решается путем увеличения скорости воздушного потока, проходящего через полость башни. Мелкодисперсные капели, которые в процессе движения по полости башни не успели укрупниться до размеров, обеспечивающих гравитационное выпадение, увлекаются увеличенным скоростным потоком и выносятся в окружающее пространство.

Техническим результатом, который обеспечивается изобретением, является увеличение эффективности работы градирни и сокращение выброса влаги из градирни в окружающее пространство.

Технический результат достигается в градирне, содержащей расположенную над водосборным бассейном открытую полую башню с боковыми проемами у основания, электрически изолированно установленные с зазором относительно заземленной решетчатой конструкции коронирующие электроды, соединенные с высоковольтным источником питания, разбрызгиватель охлаждаемой воды и водоулавливающее устройство, причем над уровнем водоулавливающего устройства в полости башни выполнены дополнительные боковые проемы, не ниже которых в полости башни под углом к горизонту установлена заземленная решетчатая конструкция.

Технический эффект обеспечивается за счет того, что в корпусе вытяжной башни выполнены дополнительные боковые проемы, через которые обеспечивается вовлечение в процесс охлаждения дополнительного охлаждаемого воздушного потока. Компенсацию потери тяги в вытяжной башне вследствие образования боковых проемов обеспечивает специальным образом сформированная система генерации коронного разряда. Коронный разряд, генерируемый между коронирующими электродами и заземленной решетчатой конструкцией, формирует ионный ветер, направленный от коронирующих электродов к заземленной конструкции. Так как в системе коронирующий электрод - заземленная решетчатая конструкция обеспечивается прямое преобразование электрической энергии в ветровую энергию, и не требуется каких-либо механических устройств, потери на преобразование энергии минимальны. Система коронирующий электрод - заземленная решетчатая конструкция позволяет сформировать ветровой поток сколь угодно большого поперечного сечения, и определяется площадью решетчатой конструкции. Как известно, объем воздушного потока определяется произведением скорости потока на площадь его поперечного сечения. Аэродинамические потери пропорциональны квадрату скорости движения воздуха. В предлагаемой системе скорость потока незначительна (~ 1 м/с), а площадь поперечного сечения потока ограничена лишь габаритами пространства, в которых монтируется система. Следовательно, совокупность предлагаемых отличительных признаков позволяет обеспечить приток в систему охлаждения воды максимально возможных объемов окружающего воздуха с минимальными потерями (размеры дополнительных боковых проемов в корпусе башни ограничены лишь прочностными характеристиками корпуса башни, а размеры системы коронирующий электрод - заземленная решетчатая конструкция ограничены лишь объемом пространства в полости вытяжной башни).

Предлагаемое изобретение поясняется фиг.1 - схематическое изображение градирни в разрезе.

Градирня содержит открытую полую вытяжную башню 1, расположенную над водосборным бассейном 2, разбрызгиватель охлаждаемой воды 3, смонтированный над оросителем 4, водоулавливающее устройство, включающее приспособление 5, расположенное над разбрызгивателем 3. В корпусе вытяжной башни 1 у поверхности земли в пространстве между опорами башни выполнены боковые проемы 6. Над уровнем водоулавливающего устройства 5 в корпусе вытяжной башни 1 выполнены дополнительные проемы 7 с установленными под углом к горизонту направляющими лопатками 8. Угол наклона направляющих лопаток 8 γ₁ и γ_i может быть переменным, исходя из условий обеспечения минимального аэродинамического сопротивления движения дополнительного воздушного потока через дополнительные боковые проемы вверх по полости башни и предотвращения выноса капельной влаги набегающим на поверхность башни внешним ветровым потоком. Внутри полости вытяжной башни над уровнем водоулавливающего устройства 5 на опорах 9 установлена заземленная электропроводная решетчатая конструкция 10. Заземленная электропроводная решетчатая конструкция может быть выполнена в виде обычной электропроводной сетки, сваренной или свитой из проволоки диаметром не менее 1 мм, либо в виде установленных с зазором относительно друг друга стержней, пластин, либо ячеистой конструкции из пластин толщиной не менее 1 мм. Размер ячейки может быть рекомендован не менее 3 см. Для снижения аэродинамического сопротивления на заземленной электропроводной решетчатой конструкции 10 могут быть смонтированы выходные направляющие лопатки 11. На изоляторах 12 в корпусе вытяжной башни 1 установлен каркас 13, на котором с зазором δ относительно заземленной электропроводной решетчатой конструкции 10 установлены коронирующие электроды 14, которые могут быть выполнены как из проводов малого диаметра, так и могут быть использованы коронирующие электроды на базе известных технических решений. См., например, Г.М.А. Алиев, А.Е. Гоник. «Электрооборудование и режимы питания электрофильтров». Энергия, М., 1971. Исходя из условий реальных значений высокого напряжения порядка 100 кВ, диаметр коронирующих проводов измеряется ориентировочно порядка 0,5-1 мм. Величина зазора δ, как показали эксперименты, проведенные с участием автора, составляют порядка 10 см. Конструктивное выполнение схемы крепления коронирующих электродов 14 не является принципиальным и может быть выполнено исходя из общих норм проектирования, и отличаться от схемы, представленной на фиг.1. Основная задача крепления состоит, с одной стороны, в надежном обеспечении гарантированного зазора δ между коронирующими электродами 14 и заземленной электропроводной решетчатой конструкцией 10, и, с другой стороны, - обеспечение надежной электрической изоляции их от заземленной поверхности.

В качестве источника высокого напряжения, питание от которого по высоковольтному кабелю (на фиг.1 не показаны) подается на коронирующие электроды, может быть использован источник, серийно изготавливаемый для питания электрофильтров (см http://www.ramenergy.ru/catalogjl4.html). Заземленная электропроводная решетчатая конструкция 10 установлена в корпусе вытяжной башни под острым углом к оси башни (на фиг.1 показан угол наклона электропроводной решетчатой конструкции к горизонту α). Установка конструкции 10 под острым углом к оси вытяжной башни обеспечивает перекрытие системой коронного разряда всей площади поперечного сечения вытяжной башни и позволяет максимально использовать внутреннее пространство вытяжной башни для монтажа системы генерации коронного разряда максимально возможных размеров. Угол α, обозначенный на фиг.1, является зависимым параметром, связанным с обеспечением снижения вероятности падения капель с заземленной электропроводной решетчатой конструкции 10 на коронирующие электроды 14, и отекания капель вниз к опорам 9. В области, прилегающей к опорам 9, могут быть установлены устройства сбора сепарируемой влаги и увода ее в водосборный бассейн 2 (на фиг.1 не показаны).

Градирня работает следующим образом. Горячая вода по входной трубе подается в разбрызгиватель 3. Опускаясь вниз, вода в виде пленок на пленочном оросителе 4 или в виде капель на капельном оросителе 4 охлаждается потоком воздуха, поступающим в полость вытяжной башни через боковые проемы 6. На коронирующие электроды 14 подается высокое напряжение, достаточное для зажигания коронного разряда на решетчатую конструкцию 10. Значение высокого напряжения определяется из общих условий, см. например, Физика газового разряда. Ю.П. Райзер. Издательский дом «Интеллект», 2009. Движение воздуха через боковые проемы 6 обеспечивается вследствие разности температуры окружающего воздуха и воздуха, нагретого охлаждаемой водой, а также энергией ионного ветра (электрического ветра), возникающего в системе коронного разряда между коронирующими электродами 14 и заземленной конструкцией 10. Как известно, скорость электрического ветра может составлять 0,5…1,5 м/с (см., например, И.А. Рогов, Б.С. Бабакин, В.А. Выгодин, «Моделирование процесса движения капли конденсата влажного воздуха в электрическом поле» http://www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_bestarticleissue_10_2005.htm).

Насыщенный влагой нагретый воздух, направляясь вверх, проходит через приспособление 5 водоулавливающего устройства, где отделяется часть капель воды. Охлажденная вода стекает в водосборный бассейн 2, откуда снова поступает в систему оборотного водоснабжения. Нагретый воздух, содержащий влагу в виде пара и мелкодисперсных капель, продолжает подниматься вверх внутри корпуса вытяжной башни. Вследствие ионного ветра, возникающего при коронном разряде, в полость вытяжной башни 1 через дополнительные боковые проемы 7 поступает дополнительный поток охлаждающего воздуха и, смешиваясь с движущимся вверх нагретым увлажненным потоком, охлаждает его. Пересыщенная парообразная влага конденсируется, мелкодисперсные капели воды укрупняются, и те из них, которые достигнут размеров, достаточных для гравитационного выпадения, падают вниз в водосборный бассейн. Далее, при прохождении увлажненного воздушного потока через область разрядного промежутка происходят сложные микрофизические процессы, приводящие к укрупнению капель. В экспериментах, проведенных с участием автора предлагаемого изобретения, в увлажненном газовом потоке выхлопных газов автомобиля коронный разряд инициировал образование капель видимого размера. См. Лапшин В.Б и др. Метод очистки газовых потоков от природных и техногенных аэрозолей, включающих субмикронные составляющие. Электронный журнал исследование в России, 28, 275-280, 2007. http://zhumal.ape.relam.ru/articles/2007/028.pdf. Укрупненные электрически заряженные капли, проходя через ячейку заземленной конструкции, увлекаются силами электростатического взаимодействия к поверхности ее конструкции и сепарируются от потока. Как показали результаты экспериментальных исследований (см. Лапшин В.Б., Васильева М.А., Жохова Н.В., Иванов В.Н., Палей А.А., Савченко А.В., Тихонов С.В., Диденко Н.К., Толпыгин Л. И., Швырев Ю.Н. Результаты испытаний электрофизического метода рассеивания тумана в большой аэрозольной камере НПО «Тайфун» и Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 718 http://zhumal.ape.relam.ru/articles/2009/060.pdf

и Лапшин В.Б., Иванов В.Н., Ераньков В.Г., Палей А. А., Романов Н.П., Савченко А.В., Толпыгин Л.И., Швырев Ю.Н. Новые возможности совместного использования «электрического ветра» и электрофильтров для рассеяния теплых туманов. Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 269 http://zhumal.ape.relam.ru/articles/2010/021.pdf), система коронирующий электрод-заземленная решетчатая конструкция, обеспечивает формирование воздушных потоков и высокоэффективную сепарацию капель воды. Энергетические затраты незначительны и составляют примерно ≈50 Дж/м³. Собранные на заземленной сетке капли воды укрупняются и, достигнув размеров, вес которых превышает значение сил сопротивления скольжения по поверхности электропроводной конструкции 14, стекают по ее поверхности вниз, и далее отводятся в водосборный бассейн 2. Охлаждаемый воздух, очищенный от влаги, выносится через верхнее отверстие полости вытяжной башни в атмосферу. Конструктивное выполнение заземленной конструкции 14, размеры ячеек, ее размеры выбираются исходя из величины подаваемого на коронирующие электроды высоковольтного напряжения и параметров коронирующих электродов. В данном техническом устройстве может быть предусмотрена система регулирования процессом теплообмена. По температуре воздуха на заземленной конструкции можно регулировать количеством дополнительного объема воздуха, подаваемого через дополнительные боковые отверстия 7 в полость вытяжной башни, и тем самым исключить вероятность образования льда в условиях сильных морозов. Путем регулирования значения высокого напряжения, подаваемого на коронирующие электроды 14, можно регулировать скорость электрического ветра, и, следовательно, объем дополнительного воздушного потока, вовлекаемого в процесс охлаждения. Кроме того, объем дополнительного охлаждающего потока можно регулировать, изменяя угол наклона направляющих лопаток 8. Направляющие лопатки 8 обеспечивают также вовлечение ветрового потока в процесс работы градирни и препятствуют выноса капельной влаги из полости башни в условиях сильного ветра. Кроме того, выбором параметров корпуса вытяжной башни (угол сжатия и расширения потока, уровень высоты образования дополнительных боковых проемов, площадь дополнительных боковых проемов и пр.) обеспечиваются оптимальные параметры работы градирни исходя из известных зависимостей теплообмена и аэродинамики.

Выполнение в корпусе вытяжной башни дополнительных боковых проемов создает дополнительное гидравлическое сопротивление и снижает тягу вытяжной башни. Заземленная сетка с коронирующими электродами, установленные внутри полости башни не ниже уровня боковых проемов в корпусе башни, компенсируют указанные гидравлические потери в вытяжной башне и обеспечивают дальнейшее продвижение охлаждающих воздушных масс вверх по полости башни. Приток холодного окружающего воздуха в полость башни обеспечивает в процессе продвижения вверх по полости башни охлаждение увлажненного воздушного потока, конденсации содержащихся в нем паров и укрупнению капель. Таким образом, за время подхода смешанного воздушного потока к системе генерации коронного разряда значительная часть содержащейся в нем влаги сконденсировалась и коагулировалась в крупные капли. Часть из них, достигших размеров гравитационного выпадения, выпадет вниз, остальные же попадут в систему генерации коронного разряда. Воздействие коронного разряда непосредственно на увлажненный воздушный поток, смешанный с окружающим воздухом внутри полости башни, обеспечивает высокоэффективную сепарацию капель влаги. Исключаются потери электрических зарядов в разбрызгивателе охлаждаемой воды, водоулавливающем устройстве, что увеличивает эффективность воздействия электрических зарядов на протекающие в увлажненном воздушном потоке микрофизические процессы. Таким образом, предложенное устройство позволяет обеспечить без увеличения габаритов градирни повышение эффективности ее работы и снижение объемов потери влаги.

Предлагаемое устройство, благодаря использованию энергии ионного ветра в системе коронирующих электродов и заземленной конструкции, размещенных внутри полости вытяжной башни, позволяет выполнить в конструкции башни дополнительные боковые проемы, не снижая аэродинамических параметров башни по продвижению охлаждаемого воздушного потока через полость вытяжной башни, и вовлечь в процесс охлаждения дополнительный объем охлаждающего воздуха. Дополнительный охлаждающий поток позволяет сконденсировать парообразную влагу и с помощью системы генерации коронного разряда сепарировать ее от воздушного потока и вернуть воду в систему оборотного водоснабжения.

Таким образом, предложенное устройство, благодаря новым отличительным признакам в совокупности с известными признаками, позволяет создать в башне дополнительный охлаждающий воздушный поток, увеличить эффективность работы градирни, сократить объем выброса влаги из градирни в окружающее пространство и достичь цели предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для снижения температуры воды, отводящей тепло от теплообменных аппаратов в основном крупных электростанций. Техническим результатом, который обеспечивается изобретением, является увеличение эффективности работы градирни и сокращение выброса влаги из градирни в окружающее пространство. Технический результат достигается в градирне, содержащей расположенную над водосборным бассейном открытую полую башню с боковыми проемами у основания, электрически изолированно установленные с зазором относительно заземленной решетчатой конструкции коронирующие электроды, соединенные с высоковольтным источником питания; разбрызгиватель охлаждаемой воды и водоулавливающее устройство, причем над уровнем водоулавливающего устройства в полости башни выполнены дополнительные боковые проемы, не ниже которых в полости башни под углом к горизонту установлена заземленная решетчатая конструкция. Благодаря дополнительным боковым проемам увлажненный воздушный поток после водоулавливающего устройства охлаждается дополнительным воздушным потоком, парообразная влага конденсируется, а энергия ионного ветра обеспечивает дальнейшее продвижение охлажденного потока вверх полости башни и на выход в атмосферу. Образовавшиеся после конденсации капли отделяются от воздушного потока на поверхности заземленной электропроводной решетчатой конструкции и возвращаются в систему оборотного водоснабжения. 1 ил.

Градирня, содержащая расположенную над водосборным бассейном открытую полую башню с боковыми проемами у основания, электрически изолированно установленные с зазором относительно заземленной решетчатой конструкции коронирующие электроды, соединенные с высоковольтным источником питания, разбрызгиватель охлаждаемой воды и водоулавливающее устройство, отличающаяся тем, что над уровнем водоулавливающего устройства в полости башни выполнены дополнительные боковые проемы, не ниже которых в полости башни под углом к горизонту установлена заземленная решетчатая конструкция.