СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ С ВЕНТИЛЯТОРНОЙ ГРАДИРНЕЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2023 года по МПК F28C1/06 

Область техники.

Изобретение относится к системам оборотного охлаждения (СОВ) с вентиляторными градирнями и может быть использовано в энергетической, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности для водоснабжения теплоиспользующего оборудования.

Уровень техники.

Известна система с башенными градирнями для охлаждения большого количества теплоносителя без использования электроэнергии, то есть естественным путем, в которой воздух засасывается через нижнюю часть корпуса, а вода разбрызгивается навстречу воздушному потоку. Башенная градирня включает:

- распределительное устройство для подачи воды;

- каплеуловитель для уменьшения выноса воды;

- ороситель для интенсификации процессов охлаждения и испарения воды;

- бассейн-накопитель для сбора воды

(Водоподготовка и водный режим паротурбинных электростанций М.С. Шкроб, В.Ф. Прохоров. Энергоиздат 1960 с. 471 - аналог 1.

Вопросы конструирования и эксплуатации конденсационных устройств паровых турбин. Сб. Монтоэт Госэнергоиздат 1953. Башенная градирня ООО "НПО "Агростройсервис". 26.04.2018-аналог 2).

Недостатки башенной градирни:

- большие затраты при строительстве, т.к. высота бетонных градирен может достигать 100 метров, а площадь орошения до 35 тысяч кв.м;

- большая площадь для размещения;

- вытяжные башни работают в очень тяжелых условиях, оболочки башен вследствие насыщения бетона изнутри влагой и многократного замерзания и оттаивания его под влиянием температур наружного воздуха разрушается;

- существенные потери воды с капельным уносом 0,5 - 1,0% и испарением до 1,6% летом и до 0,8% зимой, в среднем открытые градирни испаряют около 2% поступающей воды;

- существенные потери воды с продувкой 0,5 - 1,0% в зависимости от кратности концентрирования;

- малая глубина охлаждения не более 5-10°С.

Известна система, которая относится к контактным охладителям, в частности к градирням, и может быть использована для охлаждения оборотной воды. Градирня вентиляторная содержит корпус, разбрызгивающее устройство, бак-водосборник и вентилятор, корпус состоит из двух частей - верхней части, включающей ороситель и каплеотделитель, между которыми расположен коллектор разбрызгивающего устройства с форсунками, и нижней части, в которой расположен бак-водосборник с установленным на нем вентилятором, причем корпус изготовлен из тонколистовой нержавеющей стали, а в баке-водосборнике имеется диффузор, который представляет собой часть корпуса и соединен с вентилятором, выполненным с пластиковым рабочим колесом и многоскоростным электродвигателем, позволяющим в процессе работы, в зависимости от погодных условий, изменять производительность градирни за счет изменения расхода воздуха, а каплеотделитель выполнен с тройным рифлением, где поток воздуха три раза изменяет направление движения и за счет этого достигается значительное уменьшение каплеуноса, а при скорости воздуха в живом сечении каплеотделителя от 4 до 4,5 м/с степень отделения капельной влаги составляет 99,9%, при этом величина капельного уноса составляет 0,1% от количества воды, проходящей через градирню при номинальном режиме.

(Заявка: 2009116158/06. 29.04.2009 Дата публикации заявки: 10.11.2010 Бюл. №31 Опубликовано: 10.08.2013 Бюл. №22 Автор(ы). Кочетов Олег Савельевич (RU) - прототип)

Недостатками прототипа являются

• повышенные затраты на электроэнергию в связи с расположением на пути прохождения воздуха элементов, создающих сопротивление его движения;- ороситель, диффузор, каплеуловитель, в котором поток воздуха три раза изменяет направление движения;

• сложность конструкции;

• необходимость дополнительных аксессуаров для зимнего сезона;

• необходимость инструктажа и участия в эксплуатации персонала;

• существенные потери воды с продувкой 0,5 - 1,0 процент в зависимости от кратности упаривания;

• существенные потери воды с испарением до 1,6% летом и до 0,8% зимой

• низкая производительность, что не отвечает заявленному в прототипе использованию на электростанциях;

• быстрое испарение воды, поэтому необходимо постоянно контролировать номинальный объем и вовремя его пополнять

Раскрытие изобретения.

Задачей патентуемого изобретения является создание условий работы системы оборотного водоснабжения (СОВ) в режиме экономного водопользования, а техническим результатом - обеспечение работы с минимальными потерями воды на капельный унос, испарение и продувку.

В первом варианте решение указанной задачи достигается тем, что система охлаждения включает вентиляторную градирню с каплеуловителем, разбрызгивающим устройством, оросителем и бассейном для сбора охлажденной воды, трубопроводом подачи нагретой циркуляционной воды в воздушное пространство корпуса градирни, трубопроводами подпиточной и продувочной воды.

Согласно патентуемому изобретению градирня имеет двойной корпус - внешний из тонколистовой нержавеющей стали и внутренний, оборудованный разбрызгивающим устройством и оросителем, во внутреннем корпусе вода и воздух движутся параллельно друг другу в одном направлении сверху вниз, паровоздушный поток отводится из нижней части внутреннего корпуса через отбойные щитки во внешний корпус, оборудованный каплеуловителем, разбрызгивающим устройством и оросителем, во внешнем корпусе паровоздушный поток движется снизу верх навстречу воде, стекающей из оросителя, на ороситель подается охлажденная вода из бассейна сбора (фиг.1).

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков патентуемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что:

- при движении воздуха и воды параллельно в одном направлении сверху вниз во внутреннем корпусе предотвращается вынос из него капельной влаги пара и образующегося парового конденсата;

- внешний корпус, в который поступает паровоздушный поток из внутреннего корпуса, обеспечивает улавливание в нем остаточного количества пара и парового конденсата;

- улавливание во внешнем корпусе капельной влаги и парового конденсата уменьшает расход подпиточной воды в СОВ и снижает кратность упаривания в системе охлаждения, что уменьшает потери воды с продувкой;

- подача охлажденной воды из бассейна градирни во внешний корпус на разбрызгивание навстречу воздушно-паровому потоку уменьшает вынос из внешнего корпуса остаточной капельной влаги и парового конденсата;

наличие внешнего корпуса из тонколистовой нержавеющей стали дополнительно снижает температуру охлажденной воды

Во втором варианте система охлаждения циркуляционной воды для теплопередающего оборудования, включающая вентиляторную градирню с оросителем, трубопроводом подачи нагретой циркуляционной воды в воздушное пространство корпуса градирни и трубопроводом отвода охлажденной циркуляционной воды, трубопроводами подпиточной и продувочной воды,

отличающаяся тем, что градирня имеет два бассейна сбора охлажденной воды - один для внешнего и другой - для внутреннего корпусов, разделенные перегородкой, во внутреннем корпусе вода и охлаждающий воздух движется параллельно сверху вниз, во внешнем корпусе паровоздушный поток, поступающий из нижней части внутреннего корпуса, движется снизу вверх навстречу воде, стекающей из оросителя, на ороситель подается охлажденная вода из бассейна сбора внешнего корпуса, подпиточная вода в бассейн внутреннего корпуса поступает по трубопроводу через теплообменник, установленный в бассейне внешнего корпуса (фиг.2).

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков патентуемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что:

- наличие двух бассейнов сбора охлажденной воды одного для внешнего и другого для внутреннего корпусов обеспечивает сбор в бассейне внешнего корпуса маломинерализованной воды с целью последующего ее использования для охлаждения восходящего воздушно-парового потока и получения в бассейне внешнего корпуса маломинерализованной воды для технологических нужд, например на ТЭС и АЭС для питания паровых котлов и водяных реакторов;

- подача холодной подпиточной воды в бассейн внутреннего корпуса через теплообменник в бассейне внешнего корпуса дополнительно снижает в нем температуру охлажденной воды, что улучшает условия конденсации пара на оросителе внешнего корпуса.

Перечень и номера позиций по первому варианту приведены на фиг.1.

1 внешний корпус градирни

2 внутренний корпус градирни

3 бассейн сбора охлажденной воды

4 вентилятор

5 теплоиспользующее оборудование - конденсатор

6 трубопровод охлажденной циркуляционной воды

7 трубопровод нагретой циркуляционной воды на разбрызгивание во внутреннем корпусе

8 трубопровод охлажденной воды на разбрызгивание во внешнем корпусе

9 циркуляционный насос подачи охлажденной воды в систему теплоиспользующего оборудования - конденсатор

10 циркуляционный насос подачи охлажденной воды на разбрызгивание во внешнем корпусе

11 разбрызгивающее устройство во внутреннем корпусе

12 ороситель во внутреннем корпусе

13 разбрызгивающее устройство во внешнем корпусе

14 ороситель во внешнем корпусе

15 каплеуловитель во внешнем корпусе

16 трубопровод подпиточной воды

17 трубопровод продувочной воды

18 отбойные щитки

Работа системы охлаждения по первому варианту согласно патентуемому изобретению осуществляется следующим образом. Нагретая в теплоиспользующем оборудовании - конденсаторе 5 циркуляционная вода по трубопроводу 7 поступает во внутренний корпус 2, разбрызгивается через разбрызгивающее устройство 11 на ороситель 12. Охлажденная вода стекает в бассейн 3. Из бассейна основное количество охлаждающей воды подается циркуляционным насосом 9 по трубопроводу 6 в теплоиспользующее оборудование - конденсатор 5. Необходимое количество охлажденной воды подается из бассейна 3 циркуляционным насосом 10 по трубопроводу 8 на разбрызгивание во внешний корпус градирни 1. Подпиточная вода по трубопроводу 16 подается в бассейн охлажденной воды 3.

Охлаждающий воздух нагнетается вентилятором 4 во внутренний корпус градирни 2. После оросителя 12 паровоздушный поток с остаточным количеством неуловленной влаги, пара и парового конденсата через отбойные щитки 18 поступает во внешний корпус градирни 1 и под давлением нагнетающего вентилятора 4 поднимается вверх. На оросителе 14 происходит конденсация остаточного пара и охлаждение парового конденсата. На водоуловителе 15 задерживается остаточное количество выносимой влаги. Отсепарированная влага из оросителя 14 стекает в бассейн градирни 3. Нагретый воздух выходит в атмосферу из внешнего корпуса градирни 1.

Расчетное количество оборотной воды выводится из системы по трубопроводу продувочной воды 17.

Перечень и номера позиций по второму варианту приведены на фиг.2.

1 внешний корпус градирни

2 внутренний корпус градирни

3 бассейн сбора охлажденной воды внешнего корпуса

4 бассейн сбора охлажденной воды внутреннего корпуса

5 вентилятор

6 теплоиспользующее оборудование - конденсатор

7 трубопровод охлажденной циркуляционной воды

8 трубопровод нагретой циркуляционной воды на разбрызгивание во внутреннем корпусе

9 трубопровод охлажденной воды на разбрызгивание во внешнем корпусе

10 циркуляционный насос подачи охлажденной воды в систему теплоиспользующего оборудования - конденсатор

11 циркуляционный насос подачи охлажденной воды на разбрызгивание во внешнем корпусе

12 разбрызгивающее устройство во внутреннем корпусе

13 ороситель во внутреннем корпусе

14 разбрызгивающее устройство во внешнем корпусе

15 ороситель во внешнем корпусе

16 каплеуловитель во внешнем корпусе

17 трубопровод подпиточной воды

18 трубопровод продувочной воды

19 теплообменник в бассейне охлажденной воды внешнего корпуса

20 трубопровод отвода воды из бассейна охлажденной воды внешнего корпуса

21 бак-накопитель воды

22 отбойные щитки

Работа системы охлаждения по второму варианту согласно патентуемому изобретению осуществляется следующим образом. Градирня имеет два бассейна сбора охлажденной воды, один для внешнего корпуса 3, другой - для внутреннего корпуса 4, разделенные перегородкой. Нагретая в теплоиспользующем оборудовании - конденсаторе 6 циркуляционная вода по трубопроводу 8 поступает на разбрызгивающее устройство 12 внутреннего корпуса градирни, разбрызгивается на ороситель 13, после которого охлажденная вода стекает в бассейн сбора охлажденной воды внутреннего корпуса 4. Основное количество охлаждающей воды подается циркуляционным насосом 10 по трубопроводу 7 в теплоиспользующее оборудование - конденсатор 6. Подпиточная вода по трубопроводу 17 подается через теплообменник 19, установленный в бассейне охлажденной воды 3 внешнего корпуса градирни и поступает в бассейн внутреннего корпуса градирни 4.

Необходимое количество охлажденной воды из бассейна 3 внешнего корпуса подается на разбрызгивающее устройство 14 внешнего корпуса градирни, разбрызгивается на ороситель 15. Охлаждающий воздух нагнетается вентилятором 5 во внутренний корпус градирни. Паровоздушный поток с остаточным количеством неуловленной влаги, пара и парового конденсата через отбойные щитки 18 поступает во внешний корпус градирни 3 и поднимается вверх. На водоуловителе 16 задерживаются капли влаги, на оросителе 15 происходит конденсация пара. Отсепарированная влага стекает в бассейн 3 внешнего корпуса градирни. Нагретый воздух выходит в атмосферу из внешнего корпуса градирни 1.

Расчетное количество оборотной воды выводится из системы по трубопроводу продувочной воды 18. Расчетное количество маломинерализованной воды выводится из бассейна 3 внешнего корпуса по трубопроводу продувочной воды 20 в бак-накопитель маломинерализованной воды 21.

Пример 1.

Работа СОВ с одним бассейном сбора 3 в зимнем режиме.

СОВ с вентиляторной градирней работает с расходом оборотной воды 50000 м³/ч. Добавочная вода с содержанием жесткости 3,8 мг-экв/дм³, щелочности 3,4 мг-экв/дм³, кальция 2,8 мг-экв/дм³ и солесодержанием 380 мг/дм³ подается в СОВ. Нагретая вода после теплоиспользующего оборудования 5 с температурой 40°С поступает через разбрызгивающее устройство 11 на ороситель 12 во внутреннем корпусе 2 градирни. Сверху с помощью вентилятора 4 подается охлаждающий воздух. Охлажденная вода из оросителя с температурой 25°С сливается в бассейн сбора 3. Потери воды с капельным уносом и выпаром во внутреннем корпусе отсутствуют, так как охлаждаемая вода и паровоздушный поток не выходят за пределы внутреннего корпуса.

При прохождении паровоздушного потока через отбойные щитки 18 капельная влага от него отделяется и сливается в бассейн сбора 3. Паровоздушный поток поднимается во внешнем корпусе 1 градирни на ороситель 14. Сверху на ороситель 14 через разбрызгивающее устройство 13 подается по трубопроводу 8 охлажденная вода из бассейна сбора 3. Сконденсированная на оросителе влага сливается в бассейн 3 градирни. Остаточное минимальное количество капельной влаги улавливается на каплеуловителе 15.

В результате такого движения воды и воздуха параллельно во внутреннем корпусе 2 и противотоком во внешнем корпусе 1 потери оборотной воды в виде капельного уноса составляют 0,1% от расхода оборотной воды, а потери с выпаром - 0,2%.

С целью обеспечения безнакипного водно-химического режима карбонатный индеке И_к в оборотной воде должен поддерживаться не выше 16 (мг-экв/дм³)². Для исходной воды И_к будет составлять Са²⁺×НСО^-₃=2,8×3,4=9,52 (мг-экв/дм³)². Исходя из полученных значений безопасная кратность упаривания К_у в СОВ будет равна

К_у=16:9,52=1,68

Это позволяет определить расход воды с продувкой

Ку=1+Q_вып./(Q_ун+Q_прод.)

1,68=1+0,2/(0,1+Q_прод.)

Q_прод.=0,194% от расхода оборотной воды

Соответственно расход добавочной воды в СОВ составит

Q_доб.=Q_ун.+Q_прод.+Q_вып.

Q_доб.=0,1+0,194+0,2=0,494% или 247 м³/ч

В такой системе расходы воды составляют

Q_yн=50 м³/ч, Q_прод.=194 м³/ч, Q_вып.=100 м³/ч

Кратность упаривания в системе будет

К_у=1+Q_вып./Q_ун+Q_прод.

К_у=1+0,2/(0,1+0,194)=1,68

Практически для всех типов природных вод СОВ с такими кратностями упаривания могут работать в безнакипном режиме без коррекционной обработки добавочной или циркуляционной воды.

Пример 2.

Работа СОВ с одним бассейном сбора 3 в летнем режиме.

СОВ с расходом оборотной воды 50000 м³/ч работает с потерями оборотной воды в виде капельного уноса 0,1% от расхода оборотной воды, потерями с продувкой 0,2% и потерями с выпаром 0,3%. Соответственно расход добавочной воды СОВ составляет

Q_доб.=Q_yн.+Q_прод.+Q_вып.

Q_доб.=0,1+0,2+0,3=0,6% или 300 м³/ч

В такой системе расходы воды составляют

О_ун.=50 м³/ч, Q_прод.=100 м³/ч, Q_вып.=150 м³/ч

Кратность упаривания в системе будет

К_у=1+Q_вып./ (Q_yн+О_прод.)

К_у=1+0,3/(0,1+0,2)=2,0

При работе СОВ с такими кратностями упаривания для некоторых типов природных вод для обеспечения безнакипного режима может потребоваться коррекционная обработка добавочной или циркуляционной воды.

Пример 3.

Работа СОВ с двумя бассейнами сбора 3 и 4 соответственно для внешнего и для внутреннего корпусов градирни.

В этом случае следует рассматривать водно-химический режим СОВ с внутренним корпусом 2 отдельно, так как на него приходится до 99% расхода оборотной воды. Для него потери с выходящим в нижней части корпуса через отбойные щитки 18 потоком воздуха, влаги и пара будут фактически продувкой.

Q_прод.=Q_ун.+Q_вып.

Численные значения этих потерь для внутреннего корпуса будут больше, чем потери во внешнем корпусе 1 и будут равны потерям в обычной вентиляторной градирне. То есть

Q_yн.=0,5%, Q_вып.=0,8%, a Q_прод. определяется по их сумме

О_прод.=0,8+0,5=1,3%

Кратность упаривания в рассматриваемой СОВ

К_у=1+Q_вып./ (Q_ун+Q_прод.)

К_у=1+0,8/(0,5+1,3)=1,44

Практически для всех типов природных вод СОВ с такими кратностями упаривания могут работать в безнакипном режиме без коррекционной обработки добавочной или циркуляционной воды.

Соответственно расход добавочной воды в СОВ составит

Q_доб.=Q_yн.+Q_прод.+Q_вып.

Q_доб.=0,5+1,3+0,8=2,6% или 1300 м³/ч

Промышленная применимость

Патентуемое Изобретение отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертеже достаточно ясно, а используемые средства просты и доступны для промышленной реализации в области энергетики, химии, нефтепереработки и других отраслей промышленности, требующих охлаждение воды для теплоиспользующего оборудования

Группа изобретений относится к области энергетики. Система охлаждения циркуляционной воды для теплопередающего оборудования содержит вентиляторную градирню с каплеуловителем 15, разбрызгивающим устройством 13, оросителем 14 и бассейном 3 для сбора охлажденной воды, трубопровод 7 подачи нагретой циркуляционной воды в воздушное пространство корпуса градирни, трубопровод 6 отвода охлажденной циркуляционной воды из бассейна градирни, трубопроводы подпиточной 16 и продувочной 17 воды. Градирня имеет двойной корпус - внешний 1 из тонколистовой нержавеющей стали и внутренний 2, оборудованный разбрызгивающим устройством 11 и оросителем 12, во внутреннем корпусе 2 вода и воздух движутся параллельно друг другу в одном направлении сверху вниз, паровоздушный поток отводится из нижней части внутреннего корпуса через отбойные щитки 18 во внешний корпус 1, оборудованный каплеуловителем 15, разбрызгивающим устройством 13 и оросителем 14, во внешнем корпусе 1 паровоздушный поток движется снизу вверх навстречу воде, стекающей из оросителя 14, на ороситель 14 подается охлажденная вода из бассейна сбора 3 охлажденной воды. Технический результат - обеспечение работы системы оборотного водоснабжения для теплопередающего оборудования промпредприятия с минимальными потерями на выпар, капельный унос и продувку. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система охлаждения циркуляционной воды для теплопередающего оборудования, включающая вентиляторную градирню с каплеуловителем, разбрызгивающим устройством, оросителем и бассейном для сбора охлажденной воды, трубопроводом подачи нагретой циркуляционной воды в воздушное пространство корпуса градирни, трубопроводом отвода охлажденной циркуляционной воды из бассейна для сбора охлажденной воды градирни, трубопроводами подпиточной и продувочной воды, отличающаяся тем, что градирня имеет двойной корпус - внешний из тонколистовой нержавеющей стали и внутренний, оборудованный разбрызгивающим устройством и оросителем, во внутреннем корпусе вода и воздух движутся параллельно друг другу в одном направлении сверху вниз, паровоздушный поток отводится из нижней части внутреннего корпуса через отбойные щитки во внешний корпус, оборудованный каплеуловителем, разбрызгивающим устройством и оросителем, во внешнем корпусе паровоздушный поток движется снизу вверх навстречу воде, стекающей из оросителя, на ороситель подается охлажденная вода из бассейна сбора охлажденной воды.

2. Система охлаждения циркуляционной воды для теплопередающего оборудования, включающая вентиляторную градирню с каплеуловителем, разбрызгивающим устройством, оросителем, трубопроводом подачи нагретой циркуляционной воды в воздушное пространство корпуса градирни, трубопроводом отвода охлажденной циркуляционной воды, трубопроводами подпиточной и продувочной воды, отличающаяся тем, что градирня имеет два бассейна сбора охлажденной воды: один - для внешнего корпуса и другой - для внутреннего корпуса, разделенные перегородкой, во внутреннем корпусе вода и охлаждающий воздух движутся параллельно сверху вниз, во внешнем корпусе паровоздушный поток, поступающий из нижней части внутреннего корпуса, движется снизу вверх навстречу воде, стекающей из оросителя, на ороситель подается охлажденная вода из бассейна сбора охлажденной воды внешнего корпуса, подпиточная вода в бассейн сбора охлажденной воды внутреннего корпуса поступает по трубопроводу через теплообменник, установленный в бассейне сбора охлажденной воды внешнего корпуса.