Градирня энергетической установки

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(73) Патентообладатель Дымент Изот Исаевич(57) 1. Градирня энергетической установки, содержащая шахту для осуществления теплообмена между жидкостью и воздухом, устройство для раздробления потока жидкости с форсунками, установленными под заданным углом вверх, а также бассейн для сбора охлажденной жидкости, насос и трубопроводы,отличающаяся тем, что устройство для раздробления потока жидкости установлено вне шахты в воздухозаборном приспособлении, причем форсунки выполнены в виде центробежно-струйных, а угол наклона факела форсунки внутрь к центру шахты составляет не более 45 от вертикали. 2. Градирня по п. 1, отличающаяся тем, что воздухозаборное приспособление выполнено в виде установленного вне шахты короба с регулируемой с помощью размещенных по наружному периметру короба жалюзей площадью проходного сечения для воздуха. 3. Градирня по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что ее шахта выполнена открытой сверху, а верхний уровень шахты размещен по высоте над уровнем размещения верхнего ряда форсунок на расстоянии, определяемом из соотношения 22,2 где- расстояние по высоте от верхнего уровня шахты до верхнего ряда форсунок, - коэффициент, учитывающий аэродинамическое сопротивление капель раздробленной жидкости, - скорость истечения жидкости из сопла форсунки, - ускорение силы тяжести, - угол наклона к горизонту факела раздробленной жидкости.(56) 1. Гурвич С.М., Кострикин Ю.М. Оператор водоподготовки. М. Эноргоиздат, 1981. - С. 182. 2.1 366 842 1, МКИ 4 28 3/06, 1988. 3.1 158 845 1, МКИ 4 28 1/00, 1985. 4.1 601 490 1, МКИ 5 28 1/00, 1990. 5.1 071 915 1, МКИ 3 28 1/00, 1984. 6.1 590 956, МКИ 1 28 1/00, 1970 - прототип. 7. Галустов В.С. Прямоточные распылительные аппараты в теплоэнергетике. М. Энергоатомиздат, 1989. Изобретение относится к оборудованию энергетических установок и касается усовершенствования конструкции градирни, обеспечивающей охлаждение воды, используемой в качестве рабочего тела установки. Для охлаждения различных агрегатов энергетических установок обычно используется вода. Однако сброс теплых вод в окружающую среду неблагоприятно отражается на экологической обстановке. Повышение в естественных водоемах температуры воды на 8-10 С приводит к разрастанию простейших водорослей, к обеднению воды кислородом и гибели многих обитателей этого водоема. Известны технические решения, позволяющие использовать систему прудов для охлаждения воды без неблагоприятных экологических последствий 1. Создают систему прудов, соединенных протоками. В один из них спускают теплые воды, которые затем перетекают из одного пруда в другой, охлаждаясь при этом. Различная температура в прудах полезно используется для обогрева теплиц и оранжерей, разведения теплолюбивых рыб и т.п. Однако это техническое решение не получило широкого распространения из-за своего существенного недостатка, связанного с высокой стоимостью и большой требуемой для размещения прудов площадью. На предприятиях, размещаемых в городах и крупных населенных пунктах, такой способ не осуществим. Известен способ охлаждения теплых вод в брызгальных бассейнах. Например, приведенный в 2. В этом техническом решении теплые воды разбрызгивают с помощью центробежных форсунок, равномерно размещенных над поверхностью бассейна. Однако, известный способ не исчерпывает всех возможностей экономии места под размещение оборудования для охлаждения воды энергетической установки. Известны также технические решения, позволяющие интенсифицировать теплообмен, используя для отвода тепла градирни различной системы. Например, согласно 3 в башенной градирне создают дополнительный поток охлаждающего воздуха за счет эжектирования его в центральную зону градирни с помощью дополнительно установленных эжекторов. Такое решение позволяет уменьшит занимаемую градирней площадь, однако габариты башенных градирен не позволяет во многих случаях размещать их на территории предприятия. Известны также технические решения, в которых используют вентилятор для интенсификации теплообмена и уменьшения таким образом габаритов градирни, например, приведенное в 4. В известном техническом решении может быть получена значительная экономия места для установки градирни. Однако, это техническое решение имеет очень сложную конструкцию шахты, увеличенные расходы на изготовление. Увеличение скорости движения охлаждающего потока воздуха с помощью вентилятора при увеличенном гидравлическом сопротивлении воздушного тракта приводит к высоким эксплуатационным расходам. Известны также другие технические решения, в которых для движения охлаждающего воздуха используют вентилятор, например, в 5 вентиляторная градирня снабжена системой раздающих трубопроводов и разбрызгивающих сопел, что позволяет обеспечить более равномерной распределение капель охлаждаемой воды по объему градирни. Однако, известное техническое решение имеет ряд недостатков, например, увеличенные эксплуатационные расходы, сложную систему трубопроводов внутри шахты, разбрызгивающие сопла не обеспечивают оптимальных размеров капель воды, что снижает эффективность теплообмена. Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому по совокупности существенных признаков является конструкция градирни по 6, принятая авторами за прототип заявляемого изобретения. Принятый за прототип объект представляет собой градирню энергетической установки, содержащую шахту для осуществления теплообмена между жидкостью и воздухом, устройство для раздробления потока жидкости с форсунками, установленными под заданным углом вверх, а также бассейн для сбора охлажденной жидкости, насос и трубопроводы. 3358 1 Принятое за прототип устройство обеспечивает увеличенный расход воздуха через шахту градирни и достаточную теплопроизводительность. Однако, принятое за прототип устройство имеют существенные недостатки, заключающиеся в том, что при работе разбрызгивающих сопел относительная скорость движения капель воды и воздуха недостаточна,а размер капель воды не оптимальный, что приводит к уменьшению эффективности теплообмена. Конструкция второго варианта - многоярусного водораспределения сложна, что вызывает ее удорожание. Кроме того,при увеличенной теплопроизводительности градирни, когда требуется отводить увеличенное количество тепла от технологического оборудования, габариты шахты увеличиваются, что усложняет обслуживание градирни в связи с затрудненным доступом к разбрызгивающим соплам. Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования объема шахты градирни для осуществления теплообмена между каплями воды и воздухом при упрощении конструкции градирни, повышении удобства монтажа и обслуживания разбрызгивающих сопел. В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в разработке конструкции, которая позволяют модернизировать имеющиеся на предприятиях градирни повышенной теплопроизводительности, уменьшить при этом эксплуатационные расходы и обеспечить повышение эффективности охлаждения теплой воды. Использование изобретения при проектировании и изготовлении новых градирен позволит значительно снизить затраты на их создание и эксплуатацию, что повышает их конкурентоспособность в сравнении с известными. Данный технический результат достигнут тем, что в конструкции градирни энергетической установки,содержащей шахту для осуществления теплообмена между жидкостью и воздухом, устройство для раздробления потока жидкости с форсунками, установленными под заданным углом вверх, а также бассейн для сбора охлажденной жидкости, насос и трубопроводы, согласно изобретению, устройство для раздробления потока жидкости установлено вне шахты в воздухозаборном приспособлении, причем форсунки выполнены в виде центробежноструйных, а угол наклона факела внутрь к центру шахты составляет не более 45 от вертикали, при этом воздухозаборное приспособление выполнено в виде установленного вне шахты короба с регулируемой с помощью размещенных по наружному периметру короба жалюзей площадью проходного сечения для воздуха, кроме того, шахта градирни выполнена открытой сверху, а верхний уровень шахты размещен по высоте над уровнем размещения верхнего ряда форсунок на расстоянии, определяемом из соотношения 22 где Н - расстояние по высоте от верхнего уровня шахты до верхнего ряда форсунок- коэффициент, учитывающий аэродинамическое сопротивление капель раздробленной жидкости- скорость истечения жидкости из сопла форсунки- ускорение силы тяжести- угол наклона к горизонту факела раздробленной жидкости. Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что устройство для раздробления потока жидкости установлено вне шахты в воздухозаборном приспособлении, причем форсунки выполнены в виде центробежноструйных, а угол наклона факела внутрь к центру шахты составляет не более 45 от вертикали. Жидкость в виде капель под действием сил инерции своей массы движется в пределах шахты сначала вверх, достигая в верхней зоне шахты нулевой абсолютной скорости, а затем вниз - под действием сил тяжести, заполняя таким образом весь объем шахты. А при угле наклона факела внутрь к центру шахты не более 45 от вертикали капли жидкости не достигают стенок шахты. При угле наклона факела внутрь к центру шахты более 45 от вертикали капли жидкости попадают на противоположную от форсунки стенку шахты в ее верхней части и, образуя пленку увеличивающейся толщины, стекают вниз, уменьшая эффективность теплообмена с воздухом за счет уменьшения поверхности контакта. При этом установка устройства для раздробления потока жидкости вне шахты упрощает монтаж и эксплуатацию форсунок, позволяет увеличить равномерность распределения капель охлаждаемой жидкости по объему шахты. При сравнительно небольших температурных напорах в процессе теплообмена между жидкостью и охлаждающим воздухом влияние коэффициентов теплопередачи на количество отводимого тепла существенно снижается в сравнении с другими процессами теплообмена. Определяющими факторами снижения температуры охлаждаемой жидкости становятся поверхность теплообмена и время осуществления процесса теплопередачи. Увеличенная поверхность капель жидкости в сравнении с пленкой, образуемой на поверхностях насадок башенных и вентиляторных градирен, позволяет получить в заявляемом изобретении увеличенное количество передаваемого от жидкости к охлаждающему воздуху тепла. Увеличение протяженности пути потока капель жидкости при контакте с потоком охлаждающего воздуха в два раза по сравнению с башенными и вентиляторными градирнями, орошаемыми сверху, позволяет также увеличить количество передаваемого от жидкости к охлаждающему воздуху тепла, что компенсирует некоторое снижение коэффициента теплоотдачи в 3358 1 сравнении, например, с вентиляторной градирней и получить существенный выигрыш за счет снижения энергозатрат. Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что устройство для раздробления потока жидкости выполнено в виде центробежно-струйных форсунок. Такое техническое решение позволяет получить оптимальное соотношение размеров капель жидкости в факеле при достаточно высоком собственно факеле, что обеспечивает заполнение объема шахты каплями оптимального размера по всей высоте и в итоге повышает эффективность теплоотвода. Другой отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что воздухозаборное приспособление выполнено в виде установленного вне шахты короба с регулируемой с помощью размещенных по наружному периметру короба жалюзей площадью проходного сечения для воздуха. При этом задают увеличенную скорость движения потока жидкости на выходе из центробежноструйных форсунок для эжектирования охлаждающего воздуха и получают необходимую для заполнения шахты высоту факела, что улучшает теплообмен и обеспечивает требуемое охлаждение жидкости. Выполнение воздухозаборного приспособления в виде установленного вне шахты короба упрощает доступ к форсункам и их обслуживание, а регулируемая с помощью жалюзи площадь проходного сечения для воздуха позволяет предотвратить обмерзание устройства для раздробления потока жидкости в зимнее время. В заявляемой градирне наиболее оптимально в сравнении с известными используется возможность интенсификации теплообмена за счет повышения коэффициента теплоотдачи, величина которого зависит от относительной скорости движения охлаждающего и охлаждаемого потоков. Наибольшая относительная скорость поддерживается в заявляемом объекте при наибольшем температурном перепаде. Использование, например,орошаемой насадки в известных вентиляторных градирнях приводит к уменьшению скорости движения жидкости и выигрыш за счет увеличения скорости движения воздуха в сравнении с заявляемым изобретением исчезает. Изобретение позволяет значительно лучше использовать поперечный габарит градирни, что особо существенно при модернизации с использованием заявляемого изобретения действующих градирен большой теплопроизводительности. Кроме того, это техническое решение дает дополнительный положительный эффект,заключающийся в эжектировании потока охлаждающего воздуха за счет повышенной относительной скорости потоков жидкости и охлаждающего воздуха в воздухозаборном приспособлении с получением дополнительного эжектирующего эффекта по центру шахты градирни за счет кольцевого расположения центробежноструйных форсунок и направления факелов капель жидкости вверх. При использовании упомянутых выше отличительных особенностей заявляемого изобретения появляется также возможность использовать еще одну отличительную особенность изобретения, а именно то, что ее шахта выполнена открытой сверху, а верхний уровень шахты размещен по высоте над уровнем размещения верхнего ряда форсунок на расстоянии, определяемом из соотношения 22 где Н - расстояние по высоте от верхнего уровня шахты до верхнего ряда форсунок- коэффициент, учитывающий аэродинамическое сопротивление капель раздробленной жидкости- скорость истечения жидкости из сопла форсунки- ускорение силы тяжести а - угол наклона к горизонту факела раздробленной жидкости. Наибольшие относительные скорости капель воды и воздуха достигаются при этом в нижней зоне шахты,а в верхней зоне относительная скорость невелика, что значительно снижает унос воды, например, в сравнении с вентиляторными градирнями. Это позволяет осуществить эффективный отвод тепла и в то же время значительно снизить унос воды с потоком воздуха. Как показали выполненные авторами эксперименты, при этом отпадает надобность в дополнительном сооружении каплеулавливающих устройств. Кроме того, использование естественной аэрации не требует каких либо дополнительных энергетических затрат, что снижает эксплуатационные расходы. В то же время сохраняется равномерность заполнения объема шахты капельками жидкости. Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с известными техническими решениями позволяют создать дешевую и эффективно работающую градирню для любой промышленной энергетической или технологической установки, что соответственно обеспечит ее конкурентоспособность. На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемой градирни энергетической установки. Градирня содержит, шахту 1, устройство для раздробления потока жидкости, выполненное в виде водораспределительных коллекторов 2 и форсунок 3, причем направление выхода факелов раздробленной жидкости установлено под угломвверх, а верхний ряд форсунок 3 установлен на расстоянии Н от верхнего уровня шахты 1. Градирня содержит также бассейн 4 для сбора охлажденной воды, насос 5 и трубопроводы,соединяющие теплообменное оборудование 6 энергетической установки с насосом 5 и водораспределитель 3358 1 ными коллекторами 2. При этом устройство для раздробления потока жидкости выполнено в виде кольцевых водораспределительных коллекторов 2 и центробежно-струйных форсунок 3, установленных в коробе 7. Воздухозаборное приспособление образуют также размещенные в нижней части шахты 1 окна 8, выполненные в стенке шахты 1, примыкающей к коробу 7. Короб 7 выполнен с регулируемой площадью проходного сечения для воздуха для чего он оборудован жалюзями 9. Градирня снабжена насосом 5 с напором, обеспечивающим давление, которое контролируется манометром 10, не менее 0,12 Мпа перед форсунками 3. При модернизации действующих установок и повышенном гидравлическом сопротивлении охлаждаемого оборудования может быть установлен дополнительный насос перед форсунками 3 для обеспечения указанного напора. Работу заявляемой градирни осуществляют следующим образом. Охлаждающую воду из бассейна 4 с помощью насоса 5 подают для охлаждения теплообменного оборудования 6. Подогретая вода поступает в кольцевые водораспределительные коллекторы 2 и с помощью центробежно-струйных форсунок 3 разбрызгивается через окна 8 в объем шахты 1. Конструкция центробежно-струйных форсунок 3 разработана авторами на основании теоретических положений, изложенных в 7 стр. 2693, 189206. Испытания этих форсунок показали, что они обеспечивают требуемый спектр размеров капель жидкости (эквивалентный диаметр около 0,9 мм) при высоте факела до 79 метров, что соответствует габаритам используемых на болышинстве энергетических установок шахт 1 градирен, при условии, что напор жидкости перед форсунками 3 составляет величину не менее 0,12 Мпа. При напоре воды перед форсунками 3 не менее 0,12 Мпа образуется факел водяных капель с размером частиц жидкости не более 0,9 мм эквивалентного диаметра. Направление факелов устанавливают снизу вверх под углом , который составляет величину не более 45, и капли воды, выбрасываемые из форсунок со скоростью не менее 8 м/сек, движутся вверх против сил тяжести, заполняя объем шахты 1. В случае, когда необходимо отводить увеличенное количество тепла и поперечное сечение шахты 1 увеличено, коллекторы 2 и форсунки 3 размещены по высоте шахты 1 в несколько рядов (на фиг. 1 показано два ряда), и направление выхода факелов водяных капель установлено вверх с наклоном факела форсунки к центру шахты под углом не более чем 45 от вертикали. При этом капли жидкости так же заполняют объем шахты 1. Достигая верхней зоны шахты 1, капли теряют свою скорость и под действием сил тяжести падают вниз, проходят второй раз через объем шахты 1 и собираются в бассейне 4. Охлаждающий воздух поступает в объем шахты 1 из атмосферы через жалюзи 9 короба 7 и окна 8, движется снизу вверх под действием температурного напора, создаваемого при отборе тепла от жидкости, а также под действием сил эжекции движущихся с повышенной скоростью капель жидкости в факелах, создаваемых центробежноструйными форсунками 3. В верхней зоне шахты 1, где скорость движения определяется только потоком воздуха, так как капли жидкости под действием сил тяжести первоначальную скорость потеряли, происходит отделение капель жидкости, так как их размер достаточно велик, чтобы не быть унесенными с потоком воздуха. Так как скорость потока воздуха в заявляемой градирне меньше, чем, например,в вентиляторной градирне, потоком воздуха захватываются только испарившаяся жидкость. Потери охлаждаемой воды с потоком воздуха составляют при этом минимальную величину. Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с известными градирнями повышают конкурентоспособность заявляемого технического решения, так как оно обеспечивает повышение экономичности эксплуатации, а так же снижает затраты на изготовление. Расчеты и эксперименты, выполненные авторами, показали, что в сравнении с наиболее эффективными известными вентиляторными градирнями, которые обеспечивают понижение температуры теплых вод на 1215 С, заявляемое изобретение обеспечивает понижение температуры теплых вод до 1520 С при значительном уменьшении энергозатрат при эксплуатации и уменьшении капиталовложений на сооружение градирни. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 5