Система оборотного водоснабжения

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к системам оборотного водоснабжения промышленных предприятий. Задачей изобретения является поддержание эффективной работы системы оборотного водоснабжения при длительной эксплуатации в условиях накопления загрязнений. Задача решается тем, что система оборотного водоснабжения содержит теплообменники, подключаемые прямой и обратной магистралями воды к бассейну-смесителю, снабженному охладителем, подключенным к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к обратной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключенной к сборнику загрязнений, при этом охладитель включает вертикальный корпус, боковые стенки которого и установленные в нем секционные перегородки выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке, причем охладитель снабжен оросителем, выполненным из форсунок в виде попарно расположенных расширяющихся сопел, на внутренней поверхности которых выполнены криволинейные канавки, причем в каждой паре расширяющихся сопел на первом из пары образующие криволинейных канавок имеют направление по ходу движения часовой стрелки, а на втором расширяющемся сопле данной пары образующие криволинейных канавок имеют направление против хода движения часовой стрелки, кроме того перегородки диффузоров и конфузоров выполнены из биметалла, при этом внутренний металл диффузоров имеет коэффициент теплопроводности в 2,5-3 раза выше, чем коэффициент теплопроводности внутреннего материала конфузоров. 3 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к системам оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

Известна система оборотного водоснабжения (см. патент №2128318, МПК F28C 1/06, 1999, бюл. №9), содержащая теплообменники, подключаемые прямой и обратной магистралями воды к бассейну - смесителю, снабженному охладителем, подключенным к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к обратной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключенной к сборнику загрязнений.

Недостатком данной системы оборотного водоснабжения является неэффективная работа охладителя, особенно при высоких температурах атмосферного воздуха, когда температурная разность между охлаждаемой водой и атмосферным воздухом незначительна и передача тепла в окружающую среду от корпуса охладителя имеет минимальное значение.

Известна система оборотного водоснабжения (см. патент РФ №2197691, МПК F28C 1/08, опубл. 27.01.2003), содержащая теплообменники, подключаемые прямой и обратной магистралями воды к бассейну - смесителю, снабженному охладителем, подключенным к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к обратной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключенной к сборнику загрязнений, при этом охладитель включает вертикальный корпус, боковые стенки которого и установленные в нем секционные перегородки выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке.

Недостатком данной системы является снижение эффективности работы охладителя особенно при положительных температурах наружного воздуха, когда прямоточное движение охлажденной воды, смешанной в эжекторе с горячей водой из обратной магистрали, не обеспечивает глубокого охлаждения из-за недостаточного времени контакта распыляемой каплеобразной массы с воздухом окружающей среды и поверхностями конфузоров и диффузоров, а также длительной эксплуатации, когда наблюдается налипание загрязнений в виде твердых частиц, например ржавчины и окалины, на внутренние поверхности как диффузоров, так и конфузоров, а это приводит не только к изменению гидравлического режима перемещения охлажденной жидкости в охладителе, но и ухудшению процесса тепломассообмена из-за резкого возрастания термического сопротивления загрязнений.

Технической задачей изобретения является поддержание эффективной работы системы оборотного водоснабжения при положительных температурах наружного воздуха и длительной эксплуатации в условиях накопления загрязнений в процессе движения охлаждаемой воды в охладителе, что достигается путем более активного процесса тепломассообмена с окружающей средой охлаждаемой воды за счет завихрения ее каплеобразной массы, распыляемой форсунками, которые выполнены в виде расширяющихся сопел с криволинейными канавками на внутренней поверхности, а также вибрационного стряхивания налипающих на внутренние поверхности диффузоров и конфузоров твердых частиц, например ржавчины и окалины.

Технический результат достигается тем, что система оборотного водоснабжения, содержащая теплообменники, подключаемые прямой и обратной магистралями воды к бассейну - смесителю, снабженному охладителем, подключенным к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к обратной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключенной к сборнику загрязнений, при этом охладитель включает вертикальный корпус, боковые стенки которого и установленные в нем секционные перегородки выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке, причем охладитель снабжен оросителем, выполненным из форсунок в виде попарно расположенных расширяющихся сопел, на внутренней поверхности которых выполнены криволинейные канавки, причем в каждой паре расширяющихся сопел на первом из пары образующие криволинейных канавок имеют направление по ходу движения часовой стрелки, а на втором расширяющемся сопле данной пары образующие криволинейных канавок имеют направление против хода движения часовой стрелки, кроме того перегородки диффузоров и конфузоров выполнены из биметалла, при этом внутренний металл диффузоров имеет коэффициент теплопроводности в 2,5-3 раза выше, чем коэффициент теплопроводности внутреннего материала конфузоров.

На фиг.1 схематически изображена система оборотного водоснабжения, на фиг.2 - пара форсунок в виде расширяющихся сопел с криволинейными канавками на внутренней поверхности и противоположного направления, а на фиг.3 - общий вид корпуса охладителя с диффузорами и конфузорами из биметалла.

Система оборотного водоснабжения состоит из теплообменников 1, подключенных прямой напорной 2 и обратной 3 магистралями к водосборному бассейну - смесителю 4 с охладителем 5, над которым установлен ороситель 6. Прямая магистраль 2 с термореле 7 через задвижку 8, регулятор расхода 9 соединительным трубопроводом 10 с установленным эжектором 11 соединена с оросителем 6. Камера смешивания 12 эжектора 11 всасывающим трубопроводом 13 через регулятор 14 соединена с обратной магистралью воды 3, на которой перед бассейном - смесителем 4 установлен регулятор давления 15. На прямой магистрали 2 установлен насос 16 с регулятором давления 17, при этом на пропуск максимального расхода воды на охладитель 5 при максимальной его подаче на теплообменники 1 обеспечивается оптимальной всасывающей способностью эжектора 11, которая регулируется регулятором давления 15. Вдоль сопловой части 18 от меньшего сечения к большему выполнены канавки 19, соединенные в большем сечении сопловой части 18 эжектора 11 с кольцевой канавкой 20, которая подключена к сборнику загрязнений 21 в своей нижней части.

Охладитель 5 включает корпус, боковые стенки 22 которого и установленные в нем секционные перегородки 23 выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции 24 диффузоры 25 и конфузоры 26, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке. Перегородки 23 каждой секции 24 диффузоров 25 и конфузоров 26 выполнены из биметалла, при этом внутренняя поверхность диффузоров 25 выполнена из материала 27 с коэффициентом теплопроводности в 2,5-3 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала 28 внутренней поверхности конфузоров 26. Охладитель 5 снабжен оросителем 6 из форсунок в виде попарно расположенных расширяющихся сопел 27, на внутренней поверхности которых выполнены криволинейные канавки 28 и 29, причем в каждой паре расширяющихся сопел 27 на первом 30 из пары 27 образующая криволинейных канавок 28 имеет направление по ходу движения часовой стрелки, а на втором расширяющемся сопле 31 данной пары 27 образующая криволинейных канавок 29 имеет направление против хода движения часовой стрелки (стр.509. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: 1966 - 872 с., ил.).

Система оборотного водоснабжения работает следующим образом. Оборотная вода после теплообменников 1 поступает по обратной магистрали в водосборный бассейн - смеситель 4, в котором находится ранее охлажденная в охладителе 5 вода. Если температура атмосферного воздуха ниже расчетной, то в водосборном бассейне - смесителе 4 вода, подаваемая в теплообменники 1, имеет температуру ниже, чем это необходимо. В это время задвижка 8 закрыта и вода в ороситель 6 не подается. Горячая вода из обратной магистрали 3 перемешивается с холодной водой в водосборном бассейне - смесителе 4 и повышает его температуру.

При температуре атмосферного воздуха, не обеспечивающей охлаждение оборотной воды в водосборном бассейне - смесителе 4 до максимально заданной температуры охлажденной воды, регистрируемой термореле 7 и подаваемой в теплообменники, осуществляется подача команды термореле 7 на открытие задвижки 8 и охлажденная вода, смешанная в эжекторе 11 с горячей водой, из обратной магистрали 3 подается по соединительному трубопроводу 10 на ороситель 6, где распределяется на форсунки, выполненные в виде попарно расположенных расширяющихся сопел 27, и перемещается на первом 30 сопле по криволинейным канавкам 28, закручиваясь по направлению движения часовой стрелки. Одновременно вода на втором 31 сопле, перемещаясь по криволинейным канавкам 29, где закручивается по направлению против движения часовой стрелки. Вращающиеся в противоположных направлениях закрученные потоки каплеобразной массы воды образуют микрозавихрения, интенсифицирующие тепломассообмен как между собой, так и при контакте с воздухом окружающей среды, обеспечивая Эффект Джоуля-Томсона со снижением температуры охлаждаемой воды (см. например Меркулов В.П. Вихревой эффект и его применение в промышленности. Самара 2001 438 с., ил.). В результате на выходе из попарно расположенных форсунок оросителя 6, выполненных в виде расширяющихся сопел 27 с криволинейными канавками 28 и 29 на внутренних поверхностях, осуществляется дополнительное снижение температуры потока охлаждаемой воды, которая поступает и далее на охладитель 5 для более глубокого охлаждения.

Форсунки оросителя 6 в охладителе 5 расположены таким образом, что каждая форсунка подает воду только в одну из секций 24. В результате обеспечивается равномерная эпюра скоростей водяного потока в поперечном сечении корпуса охладителя 5, поддерживаемая за счет «живого» сечения выходных отверстий форсунок оросителя 6. Распыляемый поток воды с оптимальной эпюрой скоростей, обеспечивающей рациональный контакт воды с зигзагообразными перегородками 23, поступает в секции 24 и, проходя последовательно участки диффузоров 25 и конфузоров 26, непрерывно меняет свою скорость, что приводит к турбулизации потока и повышению теплообмена, а также к распределению в секциях 24 давления движущегося потока воды. Это выравнивает гидравлическое сопротивление воды в секциях 24 и приводит к равномерному смыванию водой всего объема охладителя 5, что в конечном итоге и обеспечивает эффективную работу охладителя 5 даже при незначительном перепаде температур между атмосферным воздухом и охлаждаемой водой.

Увеличение скорости охлаждаемой воды в диффузорах 25 за счет уменьшения проходного сечения по мере движения потока приводит к возрастанию теплоты трения пограничного слоя о внутреннюю поверхность диффузоров 25, выполненных из материала 27, что приводит к увеличению температурного градиента (см., например, Лариков Н.Н. Теплотехника. - М.: Строительство, 1975 - 369 с.). Последующий переход движущегося потока охлаждаемой воды по конфузорам 26 секций 24 приводит к уменьшению его скорости и, соответственно, теплоты трения о внутреннюю поверхность конфузоров 26, выполненных из материала 28, что приводит к резкому уменьшению температурного градиента. В результате в секциях 24 на внутренних поверхностях диффузоров 25 и конфузоров 26, выполненных, соответственно, из материалов 27 и 28, имеющих коэффициенты теплопроводности, в 2,5-3 раза отличающиеся друг от друга (например, при выполнении перегородки 23 из биметалла с материалом 27 из алюминия с коэффициентом теплопроводности и материалом 28 из латуни с коэффициентом теплопроводности стр.379 Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа, 1975 - 496 с., ил.), наблюдаются термовибрации, которые постоянно стряхивают твердые частицы с поверхностей перегородок 23 секций 24, не допуская их налипания (см., например, Дмитриев В.П. Биметаллы. - Пермь: Наука, 1991 - 487 с., ил.). Все это приводит к поддержанию постоянства теплообмена в секциях 24 при длительной эксплуатации охладителя 5.

Известно, что вода, имеющая повышенную температуру, интенсифицирует процесс образования окалины и ржавчины, то есть загрязнений сопутствующих систем оборотного водоснабжения. В результате наблюдается увеличение гидравлического сопротивления трубопроводов, возрастает частота закупорки (засорения) насадок оросителя 6 и как следствие этого эффективность работы системы оборотного водоснабжения и возрастают энергозатраты на насосную установку. Поэтому горячая вода с загрязнениями (окалина, ржавчина и т.д.), перемешанная в камере смешивания 12, поступает в сопловую часть 18 эжектора 11 и, перемещаясь по винтообразным канавкам 19, закручивается. Твердые частицы сталкиваются в канавках 19, перемещаются в кольцевую канавку 20 и далее в сборник загрязнений 21, откуда удаляются вручную или автоматически (не показано).

Очищенный от загрязнений поток воды поступает в ороситель 6 и далее в охладитель 5 для более глубокого охлаждения. Оптимальная всасывающая способность эжектора 11 поддерживается регулятором давления 15. Очищенная в эжекторе 11 и охлажденная в охладителе 5 вода смешивается в водосборном бассейне - смесителе 4 с горячей водой, поступающей из теплообменников 1. В процессе смешивания постепенно понижается температура воды до расчетного минимального значения, после чего термореле 7 дает сигнал на закрытие задвижки 8.

Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что поддержание эффективной работы системы оборотного водоснабжения при длительной эксплуатации и особенно при положительных температурах наружного воздуха достигается интенсификацией тепломассообмена при образовании встречно движущихся микрозавихрений на входе в охладитель, за счет выполнения форсунок в виде попарно расположенных расширяющихся сопел и расположением на их внутренних поверхностях криволинейных канавок с направлением образующей на первой из пары сопел по ходу движения часовой стрелки и на второй из той же пары сопел против хода движения часовой стрелки, а также устранением возможности налипания твердых загрязнений на внутренние поверхности секционных перегородок усовершенствованием конструктивного выполнения охладителя путем выполнения диффузоров и конфузоров из биметалла таким образом, что внутренняя поверхность диффузоров выполнена из материала с коэффициентом теплопроводности в 2,5-3 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала внутренней поверхности конфузоров.

Система оборотного водоснабжения, содержащая теплообменники, подключаемые прямой и обратной магистралями воды к бассейну-смесителю, снабженному охладителем, подключенным к прямой магистрали соединительным трубопроводом с регулятором расхода и эжектором, камера смешивания которого подключена к обратной магистрали воды с регулятором давления, а сопловая часть эжектора на внутренней поверхности имеет винтообразные канавки, связанные с кольцевой канавкой, подключенной к сборнику загрязнений, при этом охладитель включает вертикальный корпус, боковые стенки которого и установленные в нем секционные перегородки выполнены зигзагообразными и образуют в каждой секции диффузоры и конфузоры, расположенные относительно соседних секций в шахматном порядке, отличающаяся тем, что охладитель снабжен оросителем, выполненным из форсунок в виде попарно расположенных расширяющихся сопел, на внутренней поверхности которых выполнены криволинейные канавки, причем в каждой паре расширяющихся сопел, на первом из пары образующие криволинейных канавок имеют направление по ходу движения часовой стрелки, а на втором расширяющемся сопле данной пары образующие криволинейных канавок имеют направление против хода движения часовой стрелки, кроме того, перегородки диффузоров и конфузоров выполнены из биметалла, при этом внутренний металл диффузоров имеет коэффициент теплопроводности в 2,5-3 раза выше, чем коэффициент теплопроводности внутреннего материала конфузоров.