Устройство для охлаждения воды

Изобретение относится к устройствам для прямого испарительного охлаждения воды и может быть использовано в системах оборотного водоснабжения энергопотребляющего оборудования. Устройство для охлаждения воды содержит корпус, блок насадки, коллекторы с разбрызгивающими устройствами, каплеуловитель, бак с водяным насосом, вентилятор и поверхностный теплообменник, расположенный над блоком насадки. Изобретение позволяет повысить охлаждающую мощность и снизить температуру воды ниже температуры по мокрому термометру воздуха путем предварительного косвенного охлаждения наружного потока воздуха в поверхностном теплообменнике воздухом, охлажденным в блоке насадки в результате прямого испарительного процесса. 3 ил.

 

Изобретение относится к технике оборотного водоснабжения.

Цель изобретения - повышение охлаждающей мощности оборудования при прямом испарительном охлаждении воды в потоке 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 она представляет колонный аппарат прямоугольного или круглого сечения с насадкой. В качестве насадочных тел 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 окружающего воздуха на 3°С, т.е. t_w≥t_м+3.

В то же время снижение начальной температуры воды позволяет повысить охлаждающую мощность оборудования и, соответственно, уменьшить требуемую поверхность теплопередачи узла охлаждения при заданной тепловой нагрузке.

Из уравнения теплопередачи

где F - поверхность теплопередачи, м²;

Q - тепловая нагрузка (отводимое тепло), Вт;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

Δt_ср - средний перепад температур между теплоносителями, °С.

Здесь одной из рабочих сред является вода, поступающая из градирни. С уменьшением начальной температуры охлаждающей воды движущая сила процесса Δt_ср увеличивается, соответственно, F уменьшается согласно уравнению (1).

Уменьшение поверхности теплопередачи способствует уменьшению металлоемкости (снижается расход цветных металлов - меди, алюминия, из которых изготавливаются элементы (трубки) конденсаторов холодильных машин и др.), снижению стоимости оборудования.

Также известны конструкции систем кондиционирования воздуха (СКВ), работающие по схеме двухступенчатого (прямого и косвенного) охлаждения воздуха /1, с.130-132/. Схема двухступенчатого испарительного охлаждения воздуха приведена на фиг.1.

Позиции на чертеже обозначают:

1 - корпус кондиционера;

2 - поверхностный теплообменник (воздухоохладитель);

3 - форсуночная камера;

4 - насос;

5 - градирня;

6 - механические форсунки;

7 - насос.

Воздух охлаждается вначале в поверхностном теплообменнике 2 (1 ступень), затем охлаждается в контактном аппарате - форсуночной камере 3 с помощью рециркуляционной воды (2 ступень).

На первой ступени происходит косвенное охлаждение воздуха за счет воды, охлажденной в результате испарительного процесса в градирне 5. Воду из градирни 5 с помощью насоса 4 направляют внутрь оребренных труб теплообменника 2. Снаружи оребренных труб движется воздух, который, отдавая тепло воде, охлаждается при сохранении начального влагосодержания (происходит сухое охлаждение воздуха). Вода, принимая тепло от воздуха, нагревается и, пройдя теплообменник 2, вновь направляется в градирню 5 для охлаждения в потоке воздуха.

После теплообменника 2 воздух поступает в контактный аппарат - форсуночную камеру 3, где он подвергается прямому испарительному охлаждению (происходит адиабатическое охлаждение и увлажнение воздуха). Данный процесс происходит за счет распыления рециркуляционной воды через механические форсунки 6 в объеме камеры 3 при помощи насоса 7. Схема двухступенчатого охлаждения воздуха применяется для более глубокого охлаждения воздуха. Температура воздуха, выходящего из кондиционера 1 (после форсуночной камеры 3), ниже, чем температура воздуха, уходящего из градирни 5.

Принцип двухступенчатого охлаждения воздуха можно использовать для более глубокого охлаждения воды при оборотном водоснабжении. Температура рециркуляционной воды, как в градирне 5, так и в другом контактном аппарате, - форсуночной камере 3 зависит от температуры поступающего в них воздуха. В пределе она стремится принять температуру мокрого термометра воздуха, поступающего в контактный аппарат. Поскольку температура воздуха, поступающего в форсуночную камеру 3 ниже, чем температура воздуха на входе в градирню 5, то также ниже будет численное значение температуры мокрого термометра для воздушного потока на входе в форсуночную камеру 3 по сравнению с аналогичной величиной для воздуха на входе в градирню 5.

Следовательно, температура рециркуляционной воды в контактном аппарате (форсуночной камере) 3 всегда ниже, чем температура рециркуляционной воды на входе на выходе из градирни 5.

Таким образом, воду из контура контактного аппарата 3, охлажденную до температуры ниже, чем в обычных известных градирнях, можно использовать в качестве охлаждающей среды в оборотном водоснабжении. Более наглядно можно продемонстрировать изменения параметров воздуха (и температуры рециркуляционной воды) на (J-d) диаграмме влажного воздуха, которая представлена на фиг.2.

Физический смысл приведенных отрезков (лучей процессов обработки воздуха) следующий:

ПК - охлаждение наружного воздуха в поверхностном теплообменнике 2 (фиг.1) (косвенное охлаждение);

КО - прямое испарительное охлаждение воздуха в форсуночной камере 3 (фиг.1) (адиабатическое увлажнение воздуха);

НО^/ - адиабатическое увлажнение воздуха в форсуночной камере без предварительного охлаждения наружного воздуха в теплообменнике.

Аналогичным образом изменились бы параметры воздуха в градирне 5 (фиг.1) при подаче рециркуляционной воды в градирню, минуя теплообменник 2.

Температура рециркуляционной воды в контуре контактных теплообменников при отсутствии отбора воды на сторону стабилизируется и равна температуре воздуха по мокрому термометру /1, с.47/.

Сравним температуру воды в форсуночной камере (контактном аппарате) t_w:

- при двухступенчатом охлаждении воздуха (косвенном и прямом)

;

- при прямом испарительном охлаждении воздуха

(фиг.2).

Из фиг.2 видно t_мк<t_мн, т.е. , что и требовалось подтвердить. Здесь t_мк, t_мн - температура мокрого термометра воздуха на входе в форсуночную камеру и входе в градирню (фиг.1, фиг.2), °С, соответственно.

Задачей является повышение охлаждающей мощности градирни и снижение температуры воды ниже температуры по мокрому термометру воздуха.

Задача решается тем, что устройство для охлаждения воды содержит корпус, блок насадки, коллекторы с разбрызгивающими устройствами, каплеуловитель и бак с вентилятором. Согласно изобретению сверху блока насадки установлен поверхностный воздухо-воздушный теплообменник, расположенный на пути движения наружного воздуха и воздуха из блока насадки.

В данном устройстве использован принцип двухступенчатого охлаждения воздуха.

Устройство приведено на фиг.3.

Позиции на фиг.3 обозначают:

1 - корпус; 2 - насадка; 3 - разбрызгивающие(ее) устройства(о) (форсунки(и));

4 - каплеуловитель; 5 - поверхностный теплообменник; 6 - бак для воды;

7 - насос; 8 - вентилятор.

Устройство для охлаждения воды содержит корпус 1 прямоугольного или круглого сечения, внутри которого расположена в виде вертикального слоя насадка 2. Сверху насадки установлено разбрызгивающее устройство, например механическая форсунка 3 для распыления воды. Над форсункой в верхней части корпуса расположен каплеуловитель 4, предотвращающий вынос капель воды. Сверху за каплеуловителем установлен 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 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, 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 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_k, т.е. t<t_k (фиг.2), что, соответственно, вызовет дальнейшее понижение температуры рециркуляционной воды в системе.

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

При использовании этой воды в системе оборотного водоснабжения, например, в конденсаторах холодильных машин и т.п. температурно-влажностный режим работы предлагаемого устройства будет отличаться от изоэнтальпийного (адиабатического) увлажнения и охлаждения воздуха в насадке данного устройства в соответствии с указаниями, приведенными в /1, с.131-132/.

Расчет режимных параметров подтверждает, что применение данного устройства для охлаждения воды при оборотном водоснабжении позволяет снизить температуру выходящей воды до численных значений ниже, чем температура окружающего (наружного) воздуха по мокрому термометру.

С целью сокращения времени выхода устройства на стабильный рабочий режим предлагается использовать две стадии работы:

I стадия - стадия пуска.

При этом теплообменник 5 (фиг.3) отключен, наружный воздух при помощи вентилятора 8 поступает в нижнюю часть насадки 2, минуя теплообменник; шибер (б) закрыт, шибер (а) открыт; насадка орошается рециркуляционной водой при помощи насоса 7. Отбор воды на сторону (потребителю) не производится, вентиль (в) закрыт, вентиль (г) открыт. Продолжительность стадии зависит от времени достижения температуры воды t_w=t_мн.

II стадия - рабочая стадия. Включают в работу теплообменник 5: шибер (а) закрывают, шибер (б) открывают. Происходит отбор воды из бака 6 насосом 7 потребителю, при этом вентиль (в) открывают, вентиль (г) закрывают. Вода от потребителя непрерывно поступает через форсунку 3 на насадку 2 для охлаждения воздуха, который предварительно подвергся косвенному охлаждению наружным воздухом в теплообменнике 5 (фиг.3).

Источник информации

1. Богословский В.Н., Кокорин О.Я., Петров В.Л. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. М.: Стройиздат, 1985 г.

Устройство для охлаждения воды, содержащее корпус, блок насадки, коллекторы с разбрызгивающими устройствами, каплеуловитель и бак с вентилятором, отличающееся тем, что сверху блока насадки установлен поверхностный воздухо-воздушный теплообменник, расположенный на пути движения наружного воздуха и воздуха из блока насадки.