CZ304918B6 - Zařízení pro snížení úletu kapalné fáze a ztrát odparem u ventilátorové chladicí věže - Google Patents

Abstract

Zařízení pro snížení úletu kapalné fáze a ztrát odparem u ventilátorové chladicí věže obsahující ve své horní části ventilátor (2) s motorem (1), pod kterým jsou umístěny elementy (7) zpětné kondenzace s pomocným ventilátorem (9) sekundárního okruhu, eliminátory (3) úletu kapalné fáze, rozvod (4) vody a chladicí výplň (5). Eliminátory (3) úletu kapalné fáze a elementy (7) zpětné kondenzace jsou tvořeny jedněmi tvarovanými elementy (12). Kanály tvarovaných elementů (12) u protiproudové ventilátorové chladicí věže mají na své vnější straně tvar eliminátoru a u křížoproudé ventilátorové chladicí věže mají tvar lopatek.

Description

Zařízení pro snížení úletu kapalné fáze a ztrát odparem u ventilátorové chladicí věže

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro snížení úletu kapalné fáze a ztrát odparem u ventilátorové chladicí věže opatřené ve své horní části ventilátorem s motorem, pod kterým jsou umístěny elementy zpětné kondenzace s pomocným ventilátorem sekundárního okruhu, eliminátory úletu kapalné fáze, rozvod vody a chladicí výplň, tedy vestavbami používanými v chladicích věžích ventilátorového typu všech rozměrů od mikrochladičů po klasické ventilátorové věže.

Dosavadní stav techniky

Chladicí věže slouží k odvodu tepla z technologických a energetických provozů do okolní atmosféry. Jedná se o jeden ze způsobů, který je hojně využíván především pro své nízké pořizovací i provozní náklady. Chladicí věž jako taková ve své podstatě funguje jako směšovací výměník, kdy je oteplená voda přiváděna do horních pater chladicí věže, odkud je pomocí soustavy trysek rozstřikována na chladicí výplň. Zde dochází k dominantnímu přestupu tepla mezi ochlazovanou vodou a okolo proudícím vzduchem. Hlavní část tohoto tepelného toku je přitom způsobena odpařováním vodní páry z vodního filmu, který na výplni vzniká. Výpamé teplo je totiž násobně větší než tepelná kapacita chladicího vzduchu.

Vodu je však nutné do chladicího oběhu neustále doplňovat. Je to dáno tím, že v chladicím okruhu dochází k jejím neustálým ztrátám, které lze rozdělit do dvou hlavních kategorií, podle příčiny jejich vzniku.

První kategorii je tzv. úlet, kdy jsou kapičky vody vzniklé rozstřikem a postupným rozpadáním vodních struktur unášeny okolo proudícím vzduchem směrem ven z chladicí věže. Rozměry těchto kapek se pohybují v závislosti na rychlosti v chladicí věži od nuly do cca. 0,5 mm a jsou z ekologického hlediska nebezpečné zejména proto, že obsahují řadu chemikálií, které se do vodní části okruhu záměrně přidávají s cílem zamezit růstu bakterií a ochránit jednotlivé části chladicí věže před usazováním vodního kamene atd.

Druhou kategorií je tzv. odpař. Ten je způsoben vlastním odpařováním vody z povrchu vodního filmu na chladicích výplních a jeho nebezpečí spočívá především ve tvorbě mlh a námraz způsobených zvýšenou vzdušnou vlhkostí v okolí chladicí věže. Vzduch je v chladicí věži kromě sycení vodní parou také ohříván. S rostoucí teplotou pak narůstá rozpustnost vodní páry ve vzduchu. Ve chvíli, kde nasycený vlhký vzduch opustí prostor chladicí věže, dojde kjeho rychlému ochlazení vzduchem okolním a k následné kondenzaci vodní páry ve formě kapek.

Zatímco vodní ztráty způsobené úletem jsou jednoznačně nežádoucí, vodní ztráty odparem nelze v rámci chladicího procesu jednoduše minimalizovat. Důvodem je především skutečnost, že na sděleném výpamém teple je celý systém chlazení založen - chladicí věže jsou navrhovány tak, aby v prostoru nad výplněmi byl vzduch stoprocentně nasycen vodní parou. Nabízí se zde ale možnost ochladit nasycený vlhký vzduch ještě v prostoru chladicí věže a následně zkondenzovanou vzdušnou vlhkost vracet ve formě vody zpět do chladicího okruhu, případněji sbírat a využívat k dalším účelům. V současné době proto existují systémy jak pro minimalizaci úletu - tzv. eliminátory úletu kapalné fáze z prostoru chladicích věží, tak v poslední době také systémy pro snižování ztrát odparem - tzv. elementy pro zpětnou kondenzaci.

Eliminátory úletu se do chladicích věží instalují již několik desetiletí a v současné době jsou standardní součástí prakticky každého chladicího okruhu využívajícího principu mokrého chlazení. Jedná se ve své podstatě o soustavu profilovaných lišt vytvářejících zakřivené kanály, kterými směs vzduchu a vodních kapek v prostoru nad výplněmi prochází. Právě zakřivení kanálů způso- 1 CZ 304918 B6 buje změnu směru proudění vzduchu a kapky vody pak nejsou vlivem setrvačných sil schopny toto proudění sledovat. Ulpívají tedy na stěnách kanálů eliminátorů, po kterých stékají ajsou vraceny zpět do chladicího oběhu. Eliminátorů úletu existuje v současné době celá řada druhů lišících se geometrií, např. lištové, buňkové apod., počtem změn směru proudění - dva nebo tři, atd.

Oproti eliminátorům jsou systémy pro zpětnou kondenzaci vzdušné vlhkosti celosvětově absolutní novinkou. V současné době existuje prakticky pouze jediná chladicí věž, která tento systém zkušebně využívá. Hlavní myšlenkou systémů zpětné kondenzace je ochlazení nasyceného vlhkého vzduchu ještě v prostoru chladicí věže. Ochlazením vzduchu dojde ke snížení rozpustnosti vodní páry v něm obsažené, která následně kondenzuje ve formě kapek a je vracena zpět do chladicího oběhu. Za tímto účelem jsou do chladicí věže instalovány speciální výměníky typu vzduch-vzduch, které jsou na své studené straně syceny chladnějším, sekundárním vzduchem z okolní atmosféry. Tento sekundární vzduch pak může být po jeho ohřátí směšován se vzduchem primárním, procházejícím mokrou sekcí chladicí věže. Dojde tím ke snížení relativní vlhkosti vzduchu vystupujícího z chladicí věže a následně i k redukci tzv. parní vlečky. Tento sekundární efekt je pak také jedním z důvodů, pro nasazení systémů zpětné kondenzace do reálných provozních podmínek.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny zařízením pro snížení úletu kapalné fáze a ztrát odparem u ventilátorové chladicí věže obsahující ve své horní části ventilátor s motorem, pod kterým jsou umístěny elementy zpětné kondenzace s pomocným ventilátorem sekundárního okruhu, eliminátory, úletu kapalné fáze, rozvod vody a chladicí výplň, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že eliminátory úletu kapalné fáze a elementy zpětné kondenzace jsou tvořeny jedněmi tvarovanými elementy.

Kanály tvarovaných elementů u protiproudové ventilátorové chladicí věže mají na své vnější straně tvar eliminátorů a u křížoproudé ventilátorové chladicí věže mají tvar lopatek.

Účelem vynálezu je spojení obou shora uvedených zařízení do zařízení jediného. Takovéto řešení umožní jednak minimalizaci tlakových ztrát na straně primárního vzduchu, současně také sníží celkovou výšku chladicí věže a tím pořizovací náklady nutné pro její výstavbu.

Tlaková ztráta na straně primárního vzduchu, tj. nasyceného vlhkého vzduchu procházejícího mokrou sekcí chladicí věže, je pro chladicí věž se systémem zpětné kondenzace obecně dána jako součet tlakových ztrát na vstupu do chladicí věže, v chladicí výplni, v eliminátorů úletu a v systému zpětné kondenzace. Z hlediska eliminátorů úletu dochází k tlakové ztrátě především vlivem odtržení proudu v samotných kanálech eliminátorů. Toto odtržení je způsobeno tím, že v eliminátoru dochází k rapidním změnám ve směru proudění při zachování velikosti průtočné plochy jednotlivých kanálů. Neměnnost průtočné plochy je dána tím, že eliminátory jsou z konstrukčních a technologických důvodů vesměs vyráběny z tenkých fólií, které jsou k sobě různým způsobem spojovány. Tlaková ztráta způsobená systémem pro zpětnou kondenzaci je naopak dána především třecí tlakovou ztrátou - v deskovém, křížoproudém výměníku typu vzduch-vzduch.

Spojení obou systémů v jeden umožňuje především lepší tvarování kanálů eliminátorů na straně primárního vzduchu díky možnosti změny velikosti průtočné plochy. Navržené řešení spočívá ve zmenšování průtočné plochy primárního vzduchu ve všech ohybech, čímž je zamezeno zmiňovanému odtržení. V koncové rovné části pak dochází k pozvolnému rozšiřování o tak malém úhlu, že ani zde k odtržení nedochází. V prostoru rozšíření jsou jednotlivé elementy navíc děrovány tak, aby v tomto prostoru mohlo docházet ke směšování primárního a sekundárního proudu vzduchu. Zvýšená třecí ztráta tohoto systému oproti samotným eliminátorům je pak hrazena snížením tlakové ztráty způsobené odtržením. Ve svém důsledku je pak celková tlaková ztráta eliminátorů

-2CZ 304918 B6 s možností zpětné kondenzace stejná jako tlaková ztráta eliminátorů běžných, přičemž při optimalizaci na dané provozní podmínky může být i nižší. Systém ale oproti klasickým eliminátorům umožňuje i, po sepnutí přívodu sekundárního vzduchu, kondenzaci přebytečné vlhkosti z ochlazeného primárního vlhkého vzduchu.

Zařízení kombinuje funkci dvou vestaveb odlišného typu, eliminátorů úletu kapalné fáze a elementů pro zpětnou kondenzaci vzdušné vlhkosti. Zmiňovanou kombinací je dosaženo především snížení tlakové ztráty celého zařízení při využití obou principů snižování spotřeby doplňkové vody. Výsledné zařízení tak nejen přispívá ke zvyšování ekologičnosti energetických provozů, ale též ke snižování jejich vlastní spotřeby a tedy i nákladů na provoz chladicích okruhů technologických a energetických provozů.

Objasnění výkresu

Zařízení pro snížení úletu kapalné fáze a ztrát odparem u ventilátorové chladicí věže bude podrobněji popsáno na konkrétních příkladech provedení s využitím přiložených výkresů, kde na obr. 1 je ventilátorová chladicí věž s klasickým uspořádáním, tj. s oddělenými systémy pro minimalizaci úletu a odparu. Na obr. 2 je řešení dle vynálezu v bokorysu v řezu. Na obr. 3 je příklad provedení tvarovaných elementů pro protiproudou chladicí věž a na obr. 4 pro křížoproudou chladicí věž. Na obr. 5 je graf porovnání velikosti tlakových ztrát na vnější straně, tj. straně primárního vzduchu, pro klasický eliminátor lištového typu a tvarovaný eliminátor s integrovaným systémem pro zpětnou kondenzaci.

Příklad uskutečnění vynálezu

Zařízení pro snížení úletu kapalné fáze a ztrát odparem u ventilátorové chladicí věže obsahující ve své horní části ventilátor 2 s motorem 1, pod kterým jsou umístěny elementy 7 zpětné kondenzace s pomocným ventilátorem 9 sekundárního okruhu, eliminátory 3 úletu kapalné fáze, rozvod 4 vody a chladicí výplň 5. Eliminátory 3 úletu kapalné fáze a elementy 7 zpětné kondenzace jsou tvořeny jedněmi tvarovanými elementy. Ve spodní části je sběrný bazén 6. Stávající elementy 7 zpětné kondenzace jsou opatřeny otvory 8 pro výstup sekundárního vzduchu a pod nimi je sběrný kanálek 10 kondenzátu a odvod 11 kondenzátu.

Na obr. 2 je uvedeno navrhované řešení s kombinovaným systémem s tvarovanými eliminátory úletu, tvořenými jedněmi tvarovanými elementy 12 s možností zpětné kondenzace, kdy oproti klasickému řešení odpadají sběrný kanálek 10 a odvod JJ, - vzhledem k současné eliminaci úletu nedosahuje kvalita zpětně získané vody takových parametrů, aby jí bylo možné považovat za čistou, a ke sloučení vestaveb stávajících elementů 7 a eliminátorů 3 do nové vestavby.

Typický příklad tvaru tvarovaných elementů pro protiproudou ventilátorovou chladicí věž je uveden na obr. 3. Kanály tvarovaného elementu na vnější straně, tj. proudění primárního vzduchu, v tomto případě ve směru zdola nahoru, jsou koncipovány tak, aby svým zakřivením způsobovaly v proudícím vzduchu takové změny směru, které nejsou schopny proudění sledovat a tvarovaný element tak funguje současně jako eliminátor. Sekundární vzduch pak proudí kolmo k nárysně a je buď vyveden otvory v horní části tvarovaného elementu, a je tedy směšován se vzduchem primárním v prostoru nad tvarovanými elementy, nebo prochází tvarovaným elementem na druhou stranu chladicí věže, kde ji ohřátý opět opouští.

Pro křížoproudou chladicí věž je tvar tvarovaného elementu schematicky znázorněn na obr. 4. Zde, stejně jako v případě protiproudé věže proudí primární vzduch zdola nahoru a sekundární kolmo k nákresně. Výstup sekundárního vzduchu může být opět řešen, buď pomocí otvorů v horní části tvarovaných elementu do prostoru chladí věže, nebo, v případě absence otvorů, mimo ni.

-3 CZ 304918 B6

Na obr. 5 je pak znázorněn hlavní důvod sloučení obou vestaveb, tj. eliminátoru a elementu pro zpětnou kondenzaci, v jednu. Jedná se o závislosti vnější tlakové ztráty, tj. tlakové ztráty primárního vzduchu, na střední rychlosti proudění v chladicí věži pro dvě různá uspořádání. První z nich je tlaková ztráta klasického eliminátoru lištového typu, druhé tlaková ztráta eliminátoru úletu s možností zpětné kondenzace. Je zde patrné, že oproti klasickému provedení vykazuje nově navrhovaný eliminátor, umožňující též zpětnou kondenzaci, dokonce nižší tlakovou ztrátu, než eliminátor klasický, tj. bez možnosti zpětné kondenzace.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro snížení úletu kapalné fáze a ztrát odparem u ventilátorové chladicí věže nalezne uplatněn především v oblasti výroby elektrické energie a dalších technologických procesech, kde umožní snížení nákladů na úpravu doplňkové vody, minimalizaci a případně úplnou eliminaci tzv. parní vlečky a snížením tlakové ztráty eliminátorů úletu též redukci vlastní spotřeby energetických provozů.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro snížení úletu kapalné fáze a ztrát odparem u ventilátorové chladicí věže obsahující ve své homí části ventilátor s motorem, pod kterým jsou umístěny elementy zpětné kondenzace s pomocným ventilátorem sekundárního okruhu, eliminátory úletu kapalné fáze, rozvod vody a chladicí výplň, vyznačující se tím, že eliminátory (3) úletu kapalné fáze a elementy (7) zpětné kondenzace jsou tvořeny jedněmi tvarovanými elementy (12).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že kanály tvarovaných elementů (12) u protiproudové ventilátorové chladicí věže mají na své vnější straně tvar eliminátoru.
3. 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že kanály tvarovaných elementů (12) u křížoproudé ventilátorové chladicí věže mají tvar lopatek.