Градирня Советский патент 1992 года по МПК F28C1/04 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а более конкретно к теплообменным аппаратам, преимущественно градирням.

Известна градирня, содержащая башню, отсек-охладитель и размещенный между нижней частью башни и отсеком-охладителем пол с проемом в центральной части.

Недостатком данной градирни является высокая температура среды на выходе из градирни вследствие низкого уровня тяги через отсек-охладитель, связанного с малым перепадом давления между основанием и горловиной башни и большим значением коэффициента трения между потоком воздуха и стенками башни.

Известна градирня, содержащая башню с выполненными на ее поверхности вертикальными тангенциальными щелями, отсек-охладитель и размещенный между

нижней частью башни и отсеком-охладителем пол с проемом в центральной части.

В данном техническом решении с целью повышения перепада давления между полом и горловиной башни, боковая стенка башни снабжена тангенциальными щелями.

Поток воздуха, попадая через щели внутрь башни, закручивается с большой скоростью и создает дополнительное бернул- лиевское разрежение в приосевой зоне. Растет перепад давления и соответственно тяга.

Недостатком данного технического решения является низкая эффективность гра- динни из-за незначительного увеличения тяги из отсека-охладителя вследствие сильного подсоса воздуха из зоны вблизи верхней стенки пола.

Ближайшим техническим решением к предлагаемому изобретению является градирня, содержащая башню с выполненииО

ю

Јь

ми на ее поверхности вертикальными тангенциальными щелями, отсек-охладитель и размещенный между нижней частью башни и отсеком-охладителем пол с проемом в центральной части, установленный с возможностью вращения.

В данном техническом решении с целью повышения уровня тяги путем ослабления подсоса воздуха из зоны вблизи верхней стенки пола последняя выполнена с возможностью вращения от внешнего двигателя,

Недостатками данного технического решения являются сложность конструкции и эксплуатационные затраты, связанные с наличием двигателя и системы передач вращения на верхнюю стенку пола и низкая эффективность работы градирни вследствие слабого увеличения тяги из отсека-охладителя, связанного с сохранением подсоса воздуха в приосевую зону вдоль верхней стенки пола, особенно сильного при порывистом ветре, когда невозможно подобрать оптимальную скорость вращения кольцевой стенки.

Целью изобретения является упрощение конструкции путем отказа от применения двигателя и системы передач вращения на верхнюю стенку пола и повышение эффективности работы градирни путем увеличения тяги через проем за счет снижения подсоса воздуха из зоны вблизи верхней стенки пола.

Указанная цель достигается тем, что пол выполнен в виде коаксиально расположенных колец, каждое из которых снабжено радиальными лопатками. В оптимальном варианте кольца выполнены с шириной, увеличивающейся от центра башни к ее периферии в соответствии с выражением h (R/r0)1/n, где R - радиус башни градирни у ее днища;

г0 - радиус проема для прохода газов;

п - число колец;

h - отношение ширины текущего кольца к ширине предыдущего.

Увеличение тяги в предлагаемом устройстве достигается за счет использования энергии ветра. Поток воздуха, попадая внутрь башни градирни через вертикальные тангенциальные щели, закручивается и образует вихрь. При этом в приосевой зоне вихря, где выше скорость движения газа, создается зона бернуллиевского разрежения. Величина перепада давления по радиусу башни устанавливается такой, что в каждой точке потока градиент давления уравновешивается центробежной силой. На плоскостях пола поле центробежных сил исчезает вследствие равенства нулю окружной скорости (из-за прилипания), а градиент давления сохраняется, поэтому вдоль пола возникает течение воздуха под действием градиента давления в сторону оси. Скорость этого течения устанавливается такой, чтобы появившиеся силы вязкости трения уравновешивали перепад давления. Таким образом положительный эффект от дополнительного разрежения, обеспечивающий

0 высокие скорости в отсеке, заметно снижается за счет подсоса воздуха из объема башни. Чтобы снизить уровень радиального потока вдоль пола, необходимо закрутить его поверхность в ту же сторону, что и вра5 щение вихря. Тогда окружная скорость на полу не будет равняться нулю и градиент давления будет компенсироваться центробежными силами. Максимальный, эффект получится, когда поля окружных скоростей

0 вихря и пола будут совпадать Однако поле скоростей кольца оказывается прямо, а поле скоростей газа обратно пропорциональны расстоянию до оси башни, поэтому добиться такого совпадения можно только в

5 одном любом узком кольцевом слое. Более точного совпадения скоростей можно достичь установкой нескольких колец, вращающихся с разной скоростью, большей к центру. Снабжение колец лопатками и вы0 полнение их с возможностью свободного вращения упрощает конструкцию При взаимодействии газового потока с лопатками кольца последнее начинает вращаться под действием силы трения, причем, чем выше

5 скорость вращения газового потока, тем выше и скорость вращения кольца. Эффективность предлагаемого решения тем выше, чем меньше трение в подвесе колец. Поскольку единственной целью установки по0 движных колец является ослабление радиального потока вдоль пола к проему, то кольца могут быть выполнены, например, из легкой пластмассы или пористого материала и установлены на конические

5 подшипники. Такое выполнение колец гарантированно обеспечит их вращение при взаимодействии с вихревым потоком и следовательно, ослабление течения, увеличение тяги при общем упрощении конструк0 ции.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема градирни, продольный разрез; на фиг, 2 - то же, поперечный разрез.

Градирня содержит башню 1 верти5 кальные тангенциальные щели 2, горловину 3, отсек-охладитель 4, пол 5, проем 6, коаксиальные кольца 7, радиальные лопатки 8.

Башня градирни 1 снабжена вертикальными тангенциальными щелями 2, ограничена сверху горловиной 3. Башня 1

размещена над отсеком-охладителем 4, который отделен от башни полом 5. Пол 5 имеет проем 6, который связывает объемы башни 1 и отсека-охладителя 4. Пол 5 выполнен в виде коаксиально расположенных колец 7, каждое из которых снабжено радиальными лопатками 8.

Градирня работает следующим образом. Воздух поступает внутрь башни 1 через вертикальные тангенциальные щели 2 и закручивается. При вращении потока возникает градиент давления вдоль радиуса и разряжение в приосевой зоне башни 1. Поток охлаждающего рабочего тела из отсека- охладителя 4 через проем 6 в полу 5 поступает в башню 1 и далее через горловину 3 выбрасывается в атмосферу. Воздушный вихрь, взаимодействуя с радиальными лопатками 8 колец 7, приводит их во вращение, что приводит к ослаблению течения воздуха вдоль пола 5 к центру башни 1. Радиальный поток ослабляется и увеличивается скорость движения охлаждающего рабочего тела в отсеке-охладителе 4, что приводит к снижению температуры охлаждаемой среды.

Опишем более подробно сущность предлагаемого технического решения. Воздух будем рассматривать как однородный несжимаемый газ. Введем систему цилиндрических координат (г, p,z. Ось z направим вдоль оси башни 1 вверх, начало координат выберем в плоскости пола 5. Рассмотрим взаимодействие закрученного потока с твердой поверхностью z 0 пола 5. В градирне вихрь образуется за счет закручивания воздуха вертикальными тангенциальными щелями 2. Вдали от плоскости 2.-О выполнены условия течения, порожденного вихревым потоком

Vr Vz - 0; Vy Г0/г; р р со

Г0 р V0R;

где Vr.ip, z - составляющие скорости потока вдоль радиуса, вокруг и вдоль оси соответственно,

V0 - скорость ветра, р оо - атмосферное давление, Р давление на расстоянии г от оси z, R - радиус башни градирни (вихря), р - плотность воздуха.

Уравнение (1) позволяет определить давление газа на расстоянии г от оси z и

выражает закон сохранения энергии. Вдали от плоскости z 0, согласно (1)

6 ,

градиент давления уравновешен центробежной силой, на самой плоскости z О вследствие прилипания поле центробежных

10 сил исчезает (Ар 0), и градиент давления компенсируется возникновением радиального течения в направлении градиента давления - к оси z башни. Скорость этого течения устанавливается такой, что возни15 кающие силы трения компенсируют ослабление центробежных сил. Это течение может перекрыть проем для прохода газов 6 и свести на нет добавочный градиент давления, созданный вихрем. Предлагаемое

20 техническое решение позволяет резко ослабить вторичное радиальное течение путем установки коаксиальных колец 7, каждое из которых снабжено радиальными лопатками 8.

25При взаимодействии вихря с радиальными лопатками 8 коаксиальных колец 7 последние за счет силы трения между воздухом и лопатками начинают вращаться в сторону вращения вихря. При взаимодейст30 вии вихря с вращающимися кольцами 7 радиальное течение в направлении к проему 6 ослабевает и становится одинаковым по высоте башни 1. Поле скоростей газа в вихре в соответствии с законом сохранения момен35.. V0R

та импульса, V , а поле скоростей

кольца Vy о г, где ш const - угловая скорость вращения кольца. Добиться их точного совпадения и полной компенсации гра40 диента давления можно лишь в тонком кольцевом слое, поэтому чем больше применено колец, тем слабее вредное вторичное течение. Пусть в конструкции использовано п колец. Рассчитаем их оптимальные разме45 ры. Критерием оптимизации будем считать точность совпадения полей скоростей газа и кольца. Расчет произведем для двух и обобщим результат на случай п колец. Пусть г0 радиус проема 6, а внешний ра50 диус малого (и внутренний большого) кольца необходимо найти. Разница скоростей газового потока и колец выражается как функция от Ј:

55 f(D J г dr + f ад г dr - / - dr ,(2) г0дг0 г

где wi,2 - угловые скорости первого и второго колец. Условие минимизации функции f(Ј)

f (l) o, f()o.

(3) (4)

Угловые скорости колец определяются из ус- 5 ловия равенства сил трения в подвесе и силы трения газ-кольцо

РГо,

| /r0 R/ Ј Обобщая на случай п колец получим, что

R к

F- h

ЦП

Использование: охлаждение отработанной жидкости с высокой температурой в теп- лообменных аппаратах, преимущественно градирнях на теплоэлектростанциях. Сущность, изобретения: пол градирни выполнен в виде коаксиально расположенных колец 7, каждое из которых снабжено радиальными лопатками 8, причем кольца выполнены с шириной, увеличивающейся от центра башни градирни к ее периферии в соответствии с выражением h (R/r0) , где R - радиус башни градирни у ее днища, г0 - радиус проема для прохода газов, п - число колец 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

тр подвеса

F

тр газ-кольцо.

(5)

FTp подвеса зависит от площади кольца и скорости его вращения

Ftp подвеса COflStvS V

кол

consti2rirdr(),(6)

FTp - газ-кольцо зависит от площади

кольца и относительной скорости движения

газа и кольца

Ртр газ-кольцо - COnst2SVoTH

V R со n st2 П rd r( -иг г),(7)

Из уравнений (5), (6) и (7) следует что o const3 -j(8)

Скорость (и остается постоянной в пределах кольца из-за его жесткости, поэтому (8) надо усреднить по радиусу кольца

1

J consT3 J - dr,

гоГо Г

сопд1з

Ш с.

ЈГо

(9)

Из (9) для колец 1 и 2 получим соответственно, что

(Ю)

(11)

Подставляя (10) и (11) в уравнение (2) и (3). получим, что

сонзЪ g2 -ro , cons 13 R2 Ј2 ., р . R V- о

-JTO-- VoRlnd °(12)

или после выполнения дифференцирования и преобразований

Откуда h (R/r0) , т.е., если радиусы колец увеличиваются от центра к периферии так, что отношение внешнего радиуса к внутреннему одинаково для любого кольца и равно h (R/r0) , то ослабление вторич- ного течения будет наиболее эффективным. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет значительно упростить конструкцию градирни и одновременно повысить эффективность ее работы путем выполнения пола 5, установленного с возможностью свободного вращения в виде коаксиально расположенных колец 7, каждое из которых снабжено радиальными лопатками 8. При взаимодействии вихря с системой колец 7 течение к проему 6 становится одинаковым по высоте башни 1 градирни.

Как показала экспериментальная проверка на модели, представляющей собой цилиндр диаметром 400 мм и высотой 600 мм, снабженный вертикальной тангенциальной щелью шириной 20 мм и плоским неподвижным дном с проемом диаметра 60 мм, скорость радиального течения вблизи дна в 4-5 раз превышает аналогичную в

5 средней части цилиндра.

При использовании одного кольца с возможностью свободного вращения на дне цилиндра интенсивность радиального течения падает и становится в 1,7-2,1 раза выше

0

радиальной скорости в средней части, при

использовании двух колец в 1,3-1,5 раз. При таких уровнях радиального течения поток воздуха, поступивший через вертикальные тангенциальные щели 2 на поверхности башни 1, не попадает в приосевую зону и не перекрывает проем 6. Градиент давления компенсируется увеличением скорости течения через проем 6.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет значительно упростить конструкцию, снизить эксплуатационные затраты за счет отказа от применения двигателя и систем передач для вращения пола и повысить эффективность работы градирни за счет более полного ослабления вторичного течения (особенно при порывистом ветре).

Интенсивность скорости в отсеке-охладителе возрастает в 1,4-1 8 раз, а интенсивность охлаждения соответственно в 1,2-1,3 раза. Температура охлаждаемой среды снижается на 4-7 К, а КПД установки возрастает на 1,6-2%.

Формула изобретения 1. Градирня, содержащая башню с выполненными на его поверхности вертикальными тангенциальными щелями, отсек-охладитель и размещенный между нижней частью башни и отсеком охладителем пол с проемом в центральной части, установленный с возможностью вращения,

0

отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения эффективности работы, пол выполнен в виде коаксиально расположенных колец, каждое из которых снабжено радиальными лопатками.

фиг. 2