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 - tw превышает температуру мокрого термометра наружного воздуха tмн 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 tмк (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=(tн-t0) возрастает, т.е. повысится охлаждающая мощность воздушного потока, поступающего из насадки. Наружный воздух будет охлажден в теплообменнике 5 до температуры еще ниже, чем tк, т.е. t<tк (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. ОI - 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 tw при прямом охлаждении воздуха в адиабатических условиях меньше температуры точки росы наружного воздуха tрн:
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 tмк*. 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=(tн*-t0*) возрастает, т.е. повысится охлаждающая мощность воздушного потока, поступающего из насадки. Наружный воздух будет охлажден в теплообменнике 5 до температуры еще ниже, чем tк*, т.е. t<tк* (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 Gн 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 Gн поступает в воздухо-воздушный поверхностный теплообменник 5 для косвенного охлаждения потоком удаляемого воздуха из градирни, другая часть наружного осушенного воздушного потока 0,5 Gн 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 Gн поступает в воздухо-воздушный теплообменник 5, другая 0,5 Gн 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.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ | 2004 |
|
RU2274813C2 |
СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА | 2002 |
|
RU2243451C2 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА И СПОСОБ ЕГО МОНТАЖА | 2005 |
|
RU2292518C2 |
СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ГАЗОВОГО (ВОЗДУШНОГО) ПОТОКА | 2005 |
|
RU2300056C2 |
УСТАНОВКА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА | 2016 |
|
RU2641503C1 |
Воздухоосушительная установка | 1981 |
|
SU1070385A2 |
КОМБИНИРОВАННАЯ ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРА ТЕПЛА С ИНЖЕКЦИЕЙ ПАРА В ГАЗОВЫЙ ТРАКТ | 2015 |
|
RU2607574C2 |
Кондиционер двухступенчатого испарительного охлаждения для транспортного средства | 1978 |
|
SU763159A1 |
УСТАНОВКА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА | 1972 |
|
SU335504A1 |
УСТРОЙСТВО УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ | 2010 |
|
RU2436011C1 |
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.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ | 2004 |
|
RU2274813C2 |
СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ГАЗОВОГО (ВОЗДУШНОГО) ПОТОКА | 2005 |
|
RU2300056C2 |
Контактный аппарат для испарительного охлаждения воды | 1973 |
|
SU714130A1 |
Установка ступенчатого испарительного охлаждения воздуха | 1989 |
|
SU1691661A1 |
Способ охлаждения воды до температуры точки росы наружного воздуха | 1951 |
|
SU93829A1 |
CN 205209073 U, 04.05.2016 | |||
CN 212025283 U, 27.11.2020. |
Авторы
Даты
2023-06-15—Публикация
2022-09-30—Подача