Способ охлаждения воздуха и воды Российский патент 2023 года по МПК F28C3/08 

Изобретение относится к технике оборотного водоснабжения.

Цель изобретения - интенсификация способа охлаждения воды при прямом испарительном охлаждении воды в потоке осушенного охлажденного наружного воздуха.

Известно контактное устройство для охлаждения воды в системе оборотного водоснабжения энергопотребляющего оборудования (конденсаторы холодильных машин, термопластоавтоматы и др.), в частности, вентиляторная градирня [1, с. 286].

Конструктивно градирня представляет колонный аппарат прямоугольного или круглого сечения с насадкой. В качестве насадки могут применяться керамические кольца (кольца Рашига), седла, сетки, гравий и др.

Насадка располагается в виде сплошного слоя на опорной решетке. Она служит для создания межфазной поверхности между жидкостью (водой) и воздухом. Вода подается при помощи насоса на верх насадки и с помощью форсунки распыливается по ее сечению. Воздух подается снизу опорной решетки при помощи вентилятора. При противоточном движении водной и воздушной фазы происходит прямой испарительный процесс охлаждения воздуха и воды.

Воздух, отдавая тепло воде, понижает свою температуру, вода использует полученное тепло для частичного испарения, и ее пары увлажняют воздух. Температуры воздуха и воды снижаются примерно до температуры мокрого термометра воздуха. Увлажненный воздух из верхней части градирни выбрасывают в атмосферу, а воду с пониженной температурой из нижней части градирни собирают в бак и используют в качестве охлаждающей среды, например, с помощью насоса подают в конденсатор холодильной компрессорной машины (или др. потребителю) для конденсации паров хладагента. Нагретую воду от потребителя вновь направляют на распыление в градирню, где она охлаждается в потоке воздуха и повторно используется в замкнутом цикле: градирня - потребитель - градирня, т.е. в оборотном водоснабжении. Это позволяет уменьшить расход потребляемой воды организацией (предприятием) на охлаждение энергопотребляющего оборудования. Расход свежей воды из водопровода здесь связан с возмещением незначительной части (~ до 3%) испарившейся воды в потоке воздуха, выбрасываемого из градирни в атмосферу.

Недостатком данной конструкции является относительно невысокая охлаждающая мощность градирни. Так, температура охлажденной воды, выводимой из градирни, практически всегда выше температуры мокрого термометра на несколько градусов. В современных компактных вентиляторных градирнях наименьшая достижимая температура охлажденной воды - t_w превышает температуру мокрого термометра наружного воздуха t_мн на 3°С, т.е.

Также известно устройство, в котором повышение охлаждающей мощности градирни и снижение температуры воды ниже температуры по мокрому термометру воздуха достигнуто путем использования принципа двухступенчатого охлаждения воздуха [2].

Схема устройства приведена на фиг. 1, процессы двухступенчатого охлаждения воздуха на I-d-диаграмме влажного воздуха - на фиг. 2.

Позиции на фиг. 1 обозначают:

1 - корпус градирни; 2 - насадка; 3 - разбрызгивающее устройство (механическая форсунка); 4 - каплеуловитель; 5 - воздухо-воздушный поверхностный теплообменник; 6 - бак для воды; 7 - насос; 8 - вентилятор; а, б - шиберные задвижки; в, г - вентили.

Линии (лучи) на фиг. 2 обозначают: НК - косвенное охлаждение воздуха (охлаждение в поверхностном теплообменнике) - I ступень охлаждения; КО - прямое охлаждение воздуха водой в адиабатических условиях (режим прямого испарительного охлаждения) - II ступень охлаждения.

Устройство для охлаждения воды содержит корпус градирни 1 прямоугольного или круглого сечения, внутри которого расположена в виде вертикального слоя насадка 2. Сверху насадки установлено разбрызгивающее устройство - механическая форсунка 3 для распыления воды. Над форсункой в верхней части корпуса расположен каплеуловитель 4, предотвращающий вынос капель воды. Сверху за каплеуловителем установлен воздухо-воздушный поверхностный теплообменник 5.

Снизу данного устройства расположен бак для воды 6, насос 7 для подачи воды и вентилятор 8 для подачи воздуха. Вентилятор соединен при помощи воздуховодов с теплообменником 5 и с нижней частью корпуса градирни 1.

Устройство работает следующим образом.

Наружный воздух за счет разряжения, создаваемым вентилятором 8, проходит через воздухо-воздушный поверхностный теплообменник 5, затем направляется в градирню под слой насадки 2.

Проходя насадку, воздух подвергается прямому испарительному охлаждению и увлажнению за счет контакта с пленкой воды, стекающей сверху вниз по насадке. После насадки увлажненный воздух проходит каплеуловитель 4, воздухо-воздушный поверхностный теплообменник 5 и выбрасывается в атмосферу.

Из-за разницы температур, воздух, уходящий из градирни (поток У), принимает теплоту от наружного воздуха (потока Н) и нагревается, наружный воздух при этом охлаждается (процесс соответствует лучу НК на фиг. 2).

Поверхностный теплообменник 5 работает по принципу рекуперативного воздухо-воздушного теплообменника. Конструктивно он может быть выполнен в виде пластинчатого теплообменника.

Таким образом, через слой насадки 2 проходит воздух, предварительно охлажденный в поверхностном теплообменнике 5. Данная воздушная среда формирует режим прямого испарительного охлаждения при контактировании с пленкой воды, стекающей сверху вниз по насадке. Как указывалось выше, с понижением температуры воздушного потока температура воды соответственно снижается. Если циркуляция воды будет осуществляться по замкнутому контуру (используется рециркуляционная вода): бак 6 - насос 7 - форсунка 3 - насадка 2 - бак 6, процесс охлаждения воздуха в насадке будет адиабатическим и соответствовать лучу КО (фиг. 2). Температура воды будет соответствовать t_мк (фиг. 2). При этом температура воздуха в результате адиабатического охлаждения понизится до ~ t₀. В данный момент времени (условно назовем этот период II стадией) движущая сила косвенного охлаждения наружного воздуха в воздухо-воздушном поверхностном теплообменнике 5 Δt=(t_н-t₀) возрастает, т.е. повысится охлаждающая мощность воздушного потока, поступающего из насадки. Наружный воздух будет охлажден в теплообменнике 5 до температуры еще ниже, чем t_к, т.е. t<t_к (фиг. 2), что, соответственно, вызовет дальнейшее понижение температуры рециркуляционной воды в системе.

Таким образом, при организации двухступенчатого охлаждения наружного воздуха в известном устройстве (косвенного и прямого охлаждения) создаются условия для устойчивого понижения температуры воды до значений ниже температуры мокрого термометра воздуха.

Настоящим изобретением предлагается техническое решение на базе описанных устройств - способ охлаждения воздуха и воды, позволяющий понизить температуру воды воздухом ниже температуры точки росы наружного воздуха. Предлагается трехступенчатая обработка воздуха: изотермическое осушение, косвенное охлаждение, прямое охлаждение. Реализация способа охлаждения воды воздухом ниже температуры точки росы схематично представлено на фиг. 3. Для сравнительного анализа на фиг. 3 сохранены базовые точки (Н, К, О), характеризующие состояние воздуха при двухступенчатой обработки воздуха в соответствии с фиг. 2.

Точки на фиг. 3 обозначают:

т. Н - состояние наружного воздуха;

т. К - состояние воздуха после косвенного охлаждения;

т. О - состояние воздуха после прямого испарительного охлаждения воздуха;

т. О^I - предельное (теоретическое) состояние наружного воздуха при адиабатическом охлаждении (увлажнении);

т. Н* - состояние наружного воздуха после осушения;

т. К* - состояние осушенного воздуха после косвенного охлаждения;

т. О* - состояние осушенного воздуха после прямого испарительного охлаждения.

Линии (лучи) на фиг. 3 обозначают:

НН* - изотермическое осушение воздуха - I ступень;

Н*К* - косвенное охлаждение воздуха (охлаждение в воздухо-воздушном поверхностном теплообменнике) - II ступень охлаждения;

К*О* - прямое охлаждение воздуха водой в адиабатических условиях (режим прямого испарительного охлаждения) - III ступень охлаждения;

(НК - косвенное охлаждение воздуха; КО - прямое охлаждение воздуха в адиабатических условиях при двухступенчатом охлаждении воздуха).

Изотермическое осушение предлагается проводить с применением кожухотрубного теплообменника-адсорбера с гранулированным силикагелем, описание его устройства и работы приведено в [3], последующие процессы - косвенное охлаждение воздуха и его прямое охлаждение водой в адиабатических условиях осуществлять по схеме двухступенчатого охлаждения осушенного наружного воздуха с применением известного устройства (фиг. 1). Из построения процессов трехступенчатой обработки воздуха, представленных на фиг. 3 видно, что численное значение температуры воды t_w при прямом охлаждении воздуха в адиабатических условиях меньше температуры точки росы наружного воздуха t_рн:

Реализация технического решения - способа охлаждения воздуха и воды ниже температуры точки росы приведено на фиг. 4.

Позиции на фиг. 4 обозначают:

1 - корпус (градирня); 2 - насадка; 3 - разбрызгивающее устройство (форсунка); 4 - каплеуловитель; 5 - воздухо-воздушный поверхностный теплообменник; 6 - бак для воды; 7 - насос; 8, 9 - вентиляторы; а, б, в, г, д, е, ж, з, - шиберные задвижки; 10а, 10б - кожухотрубный теплообменник-адсорбер.

Устройство работает следующим образом.

Наружный воздух при помощи работающих вентиляторов 8, 9 проходит через кожухотрубный теплообменник-адсорбер 10а или 10б, где осушается от состояния Н до состояния Н*, также проходит через воздухо-воздушный поверхностный теплообменник 5, для косвенного охлаждения от состояния Н* до состояния К*, затем направляется в градирню 1 под слой насадки 2.

Проходя насадку, воздух подвергается прямому испарительному охлаждению и увлажнению за счет контакта с пленкой воды, стекающей сверху вниз по насадке. После насадки увлажненный воздух проходит каплеуловитель 4, воздухо-воздушный поверхностный теплообменник 5 и выбрасывается в атмосферу.

Из-за разницы температур, воздух, уходящий из градирни (поток У), принимает теплоту от осушенного наружного воздуха (потока Н*) и нагревается, при этом наружный осушенный воздух охлаждается (процесс соответствует лучу Н*К* (фиг. 2).

Поверхностный теплообменник 5 работает по принципу рекуперативного воздухо-воздушного теплообменника, как указано выше, конструктивно он может быть выполнен в виде пластинчатого теплообменника.

Таким образом, через слой насадки 2 проходит осушенный воздух, предварительно охлажденный в воздухо-воздушном поверхностном теплообменнике 5. Данная воздушная среда, как указывалось ранее, формирует режим прямого испарительного охлаждения при контактировании с пленкой воды, стекающей сверху вниз по насадке. С понижением температуры воздушного потока температура воды, соответственно снижается. Если циркуляция воды будет осуществляться по замкнутому контуру (используется рециркуляционная вода): бак 6 - насос 7 - форсунка 3 - насадка 2 - бак 6, процесс охлаждения воздуха в насадке будет адиабатическим и соответствовать лучу К*О* (фиг. 3). Температура воды будет соответствовать t_мк*. При этом температура воздуха в результате адиабатического охлаждения понизится до ~ t₀*. В данный момент времени (назовем этот период III стадией) движущая сила косвенного охлаждения наружного воздуха в воздухо-воздушном поверхностном теплообменнике 5 Δt=(t_н*-t₀*) возрастает, т.е. повысится охлаждающая мощность воздушного потока, поступающего из насадки. Наружный воздух будет охлажден в теплообменнике 5 до температуры еще ниже, чем t_к*, т.е. t<t_к* (фиг. 3), что, соответственно, вызовет дальнейшее понижение температуры рециркуляционной воды в системе.

Рассмотрим подробнее стадию (систему) осушения воздуха с применением теплообменников-адсорберов 10а, 10б (фиг. 4). Конструктивно они выполнены в виде кожухотрубных теплообменников-адсорберов [4]. Их трубное пространство заполнено зернистым силикагелем марки КСМ и предназначено для прохода наружного воздуха. Межтрубное пространство служит для циркуляции водопроводной воды с целью отбора теплоты, выделяющейся в результате капиллярной конденсации водяных паров силикагелем при осушении воздуха, и стабилизации режима изотермической адсорбции [1, 3]. Предусмотрено два кожухотрубных теплообменника-адсорбера с чередованием режимов работы: один находится в режиме адсорбции водяных паров из воздуха, другой в данный период времени - в режиме десорбции водяных паров из адсорбента. Десорбция водяных паров из адсорбента осуществляется путем пропуска части осушенного воздуха через слой гранулированного силикагеля в противоположном направлении, чем в режиме адсорбции (используется принцип вытеснительной десорбции). Синхронно эти процессы осуществляют следующим образам. Наружный воздух Н (фиг. 4) в количестве G_н вентилятором 9 подается в систему осушения. При этом шиберные задвижки в, г, д, е - открыты, шиберные задвижки ж, з - закрыты. Проходя трубное пространство через слой зернистого адсорбента в кожухотрубном теплообменнике-адсорбере 10а, наружный воздух изотермически осушается, 0,5 G_н поступает в воздухо-воздушный поверхностный теплообменник 5 для косвенного охлаждения потоком удаляемого воздуха из градирни, другая часть наружного осушенного воздушного потока 0,5 G_н поступает в теплообменник-адсорбер 10б для десорбции водяных паров из порового пространства зернистого адсорбента с последующим выходом в атмосферу. После насыщения водяными парами адсорбента в теплообменнике-адсорбере 10а, осуществляется переключение шиберных задвижек следующим образом: задвижки в, е - закрывают, задвижки ж, д, г, з - открывают. При этом воздушный поток наружного воздуха, проходя кожухотрубный теплообменник-адсорбер 10б, осушается, 0,5 G_н поступает в воздухо-воздушный теплообменник 5, другая 0,5 G_н поступает в кожухотрубный теплообменник-адсорбер 10а для десорбции водяных паров из порового пространства зернистого адсорбента с последующим выходом в атмосферу и т.д.

Таким образом, при организации трехступенчатой обработки наружного воздуха в разработанном устройстве (осушения, косвенного и прямого охлаждения) создаются условия для устойчивого понижения температуры воздуха и воды, вода охлаждается до температуры ниже температуры точки росы наружного воздуха.

Источники информации

1. Богословский Б.Н., О.Я. Кокорин О.Я., Петров Л.В. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. - М.: Стройиздат, 1985. - 368 с.

2. Устройство для охлаждения воды. Пат. №2274813 Рос. Федерация: МПК F28C 1/00 / Аверкин А.Г., Еремкин А.И., Миронов К.В., Родионов О.В.; заявитель и патентообладатель Пензен. гос. ун-т архит. и строит. - №2004115007; заявл. 17.05.04; опубл. 20.04.06, Бюл. №11.

3. Аверкин, А.Г. I-d-диаграмма влажного воздуха и ее применение при проектировании технических устройств. - СПб.: Лань, 2022. - 192 с.

4. Способ утилизации теплоты газового (воздушного) потока. Пат. 2300056 Рос. Федерация: МПК F24F 3/14 / Аверкин А.Г.; заявитель и патентообладатель Пензен. гос. ун-т архит. и строит. - №2005104727; заявл. 21.02.05; опубл. 10.05.2007, Бюл. №15.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для охлаждения воздуха и воды для оборотного водоснабжения. В способе охлаждения воздуха и воды путем косвенного охлаждения наружного воздуха в воздухо-воздушном поверхностном теплообменнике, а затем прямого охлаждения воздуха и воды в адиабатических условиях в градирне, наружный воздух сначала осушается в изотермических условиях, проходя через слой зернистого адсорбента в трубном пространстве кожухотрубного теплообменника-адсорбера, в межтрубном пространстве которого циркулирует водопроводная вода для обеспечения изотермических условий осушения воздуха. Технический результат - организация трехступенчатой обработки наружного воздуха для устойчивого понижения температуры воздуха и воды путем охлаждения воды до температуры ниже температуры точки росы наружного воздуха. 4 ил.

Способ охлаждения воздуха и воды путем косвенного охлаждения наружного воздуха в воздухо-воздушном поверхностном теплообменнике, затем прямого охлаждения воздуха и воды в адиабатических условиях в градирне, отличающийся тем, что сначала наружный воздух осушается в изотермических условиях, проходя через слой зернистого адсорбента в трубном пространстве кожухотрубного теплообменника-адсорбера, в межтрубном пространстве которого циркулирует водопроводная вода для обеспечения изотермических условий осушения воздуха.