PL235691B1 - Wieża chłodnicza i sposób zapobiegania rozwojowi zanieczyszczeń na wymienniku ciepła wieży chłodniczej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wieża chłodnicza i sposób zapobiegania rozwojowi zanieczyszczeń na wymienniku ciepła wieży chłodniczej.

Wynalazek należy do dziedziny układów adiabatycznego chłodzenia wody.

Systemy chłodzenia adiabatycznego stosowane są na świecie od ponad stu lat. Ich ogromną zaletą jest możliwość obniżenia temperatury wody przy nieznacznym udziale zużycia energii elektrycznej. Użyteczny efekt chłodzenia zapewniony jest dzięki odparowaniu części wody obiegowej, definiując też największą wadę takich układów: przymus uzdatniania wody obiegowej w celu zapewnienia eksploatacji układu (jeśli woda nie jest uzdatniania rośnie stężenie soli prowadząc z jednej strony do pogorszenia warunków wymiany ciepła w urządzeniu a z drugiej do fizycznych uszkodzeń podzespołów urządzenia np. przez kamień, bądź rozwój zanieczyszczeń biologicznych). Stosowane jak dotąd, zarówno w układach zamkniętych w których chłodzone medium nie ma bezpośredniego kontaktu z powietrzem jak i otwartych w których chłodzone medium ma bezpośredni kontakt z powietrzem, systemy uzdatniania wody są skupione w obszarze odpowiedniego dozowania chemikaliów bądź regularnych zrzutach wody obiegowej - nie są to działania ekonomiczne ani przyjazne dla środowiska.

Proponowane rozwiązanie polega na wykorzystaniu MNB (Micro Nano Bubble - mikro nano pęcherzy) do nasycania wlotowej wody uzupełniającej pęcherzami tlenu, ozonu lub dwutlenku węgla, bądź ich mieszaniny, o średnicy poniżej 0.1 mm, w celu ograniczenia formowania się osadów oraz poprawy wymiany ciepła wewnątrz urządzenia co w połączeniu z dodatkową powłoką na wymienniku ciepła o takim samym ładunku jak MNB gwarantuje znacznie bardziej korzystne parametry eksploatacyjne układu. Pękające mikro nano pęcherze generują fale ultradźwiękowe działające oczyszczająco na wszelkie powierzchnie stałe, a więc na zraszany wymiennik wieży chłodniczej. W wyniku pękania mikro nano pęcherzy powstają rodniki hydroksylowe OH*, które są bardzo silnymi utleniaczami, silniejszymi od ozonu i tlenu atomowego, a więc zabezpieczają wieżę przed rozwojem zanieczyszczeń biologicznych w tym bardzo groźnej Legionelli. Rodniki hydroksylowe niszczą wszelkie mikroorganizmy takie jak bakterie czy wirusy oraz mają pozytywny wpływ na już osadzone zanieczyszczenia - pękające MNB czyszczą mechanicznie powierzchnie wymiany ciepła przez zabezpieczenie przed zarastaniem węglanami oraz minerałami, powodującymi scaling oraz zabezpieczają przed powstawaniem biofilmów szczególnie w układach otwartych. Dodatkowo obecność MNB w wodzie zmienia rozpuszczalność minerałów i przesuwa granicę nasycenia roztworów co jest bardzo korzystne dla procesów wyparnej wymiany ciepła.

Woda wykorzystywana w wieżach chłodniczych jako czynnik obiegowy wymaga odpowiedniego uzdatniania w celu przeciwdziałania procesowi zarastania biologicznego elementów wykonawczych wież chłodniczych oraz procesowi powstawania kamienia, co następuje na skutek zatężania wody w wyniku jej cyklicznego odparowywania. W tym celu w skład instalacji wież chłodniczych powinna wchodzić stacja uzdatniania wody, której zadaniem jest kontrola parametrów i przeciwdziałanie wyżej wymienionym zagrożeniom przy pomocy dozowania adekwatnych dawek chemikaliów. Popularnie stosowane są środki chemiczne, których kompozycja i dozowanie zależy od jakości wody uzupełniającej. Pomaga to skutecznie utrzymywać w granicach normy parametry procesowe wody krążącej w wieży chłodniczej i instalacjach towarzyszących.

W amerykańskim zgłoszeniu patentowym nr US20070284316 przedstawiono propozycję nasycania wody procesowej przy zastosowaniu generatora MNB wykorzystującego ozon. Generator nasyca wodę w wannie wieży chłodniczej, czyli w miejscu, gdzie zbiera się ona po procesie chłodzenia adiabatycznego. W odróżnieniu do znanego ze stanu techniki, w proponowanym rozwiązaniu, aplikacja pęcherzy MNB ma miejsce tuż przed dyszami natryskującymi wodę na wymiennik, dzięki czemu poza silnym właściwością utleniającym prowadzącym do hamowania rozwoju alg i niszczenia mikroorganizmów, dodatkowo atomizują one natryskiwaną wodę dzięki czemu rozwinięciu ulega efektywna powierzchnia wymiany cieplnej na linii woda/powietrze co bezpośrednio poprawia efektywność procesu schładzania wody nawet o 5% prowadząc do wzrostu mocy układu bądź ograniczenia zużycia energii elektrycznej przez cały system.

Vidic R. D., Duda S. M., Stout J. E., Biological Control w Cooling Water Systems Using NonChemical Treatment Devices, HVAC&R Research 2011 nr 1 str. 872-890. przedstawili jedną z metod polegającą na generowaniu pęcherzy i nasycaniu nimi wody procesowej w wieży chłodniczej w celu wykorzystania siły implozji, temperatury z nimi związanej i generowanych fal ultradźwiękowych przy

PL 235 691 B1 pękaniu pęcherzy jako zabezpieczenia przeciwko rozwojowi mikroorganizmów. Opisywana metoda polegała na generowaniu pęcherzy poprzez przeciwprądowe zderzanie dwóch strumieni wody, dzięki czemu formował się obszar obniżonego ciśnienia formujący pęcherze kawitacyjne. W rozwiązaniu według zgłaszanego wynalazku, mikro nano pęcherze generowane są metodą ciśnieniową w generatorze, a średnica pęcherza wynosi nie więcej niż 0.1 mm. Gwarantuje to wyższe nasycenie roztworu pęcherzami. Dodatkowo powierzchnia wymiennika pokryta jest powłoką o takim samym ładunku jak MNB praktycznie eliminując proces rozwoju kamienia oraz zanieczyszczeń biologicznych.

Al-Bloushi M., Saththasivam J., Jeong S. i inni, w Effect of organie on Chemical oxidation for biofouling control in pilot-scale seawater cooling towers, Journal of Water Process Engineering 2017 nr 20 str. 1-7 opisali metodę aplikowania mikro-pęcherzy ozonu do strumienia solanki uzupełniającej poziom wody procesowej w wieży chłodniczej jako skuteczny sposób na dezynfekcję wody uzupełniającej hamujący rozwój mikroorganizmów. Dzięki temu potencjał oksydacyjno-redukcyjny wyniósł +600 mV. W rozwiązaniu według wynalazku powierzchnia zewnętrzna wymiennika ciepła wieży została pokryta strukturą zapewniającą hydrofilowość i ujemny ładunek zeta intensyfikując korzystny wpływ MNB.

W zgłoszeniu nr CN106944400 zaprezentowano metodę oczyszczania zabytków przy pomocy wody wraz z rozpuszczonymi cząsteczkami MNB przy pomocy ręcznego natrysku. W rozwiązaniu według zgłaszanego wynalazku mieszanka wody z MNB podawana jest bezpośrednio do systemu zraszania wymiennika wieży w celu uniemożliwienia osadzania się kamienia i zanieczyszczeń biologicznych.

W zgłoszeniu WO2017127636 przedstawiono zastosowania dozowania MNB do cieczy w celu ograniczenia ich lepkości, a co za tym idzie ograniczenia kosztów pompowania. Rozwiązania znajduje szczególne zastosowanie w przemyśle spożywczym (np. przetłaczanie mleka) dzięki korzystnemu wpływowi MNB na mieszanie się dodawanych do mleka składników przy jednoczesnej redukcji kosztów pompowania. W rozwiązaniu według zgłaszanego wynalazku mieszanka wody z MNB podawana jest bezpośrednio do systemu zraszania wymiennika wieży w celu uniemożliwienia osadzania się kamienia i zanieczyszczeń biologicznych.

W rozwiązaniu według wynalazku część wody obiegowej wieży chłodniczej, czy to układu otwartego czy zamkniętego, nasycana jest mikro nano pęcherzami (MNB) oraz podawana bezpośrednio do systemu zraszania wymiennika ciepła. Dodatkowo, wymiennik układu otwartego bądź zamkniętego pokryty jest powłoką posiadającą taki sam ładunek jak mikro nano pęcherze. Dzięki temu zabiegowi woda, która posiada w wyniku nasycenia potencjał ujemny oraz wymiennik pokryty warstwą hydrofilową charakteryzującą się ujemnym potencjałem, w wyniku kontaktu odpychają się, dzięki czemu powierzchnia wymiany cieplnej ma ograniczony do minimum kontakt z czynnikami powodującymi zarastanie kamieniem i biofilmem. W przypadku nasycania wody technologicznej mikro nano pęcherzami dwutlenku węgla, poprawia się rozpuszczalność tego gazu w wodzie technologicznej jednocześnie ograniczając ryzyko zarastania powierzchni wymiany cieplnej formacjami węglanowymi. Istotne jest również miejsce nasycania wody technologicznej mikro nano pęcherzami (MNB) - według proponowanego rozwiązania odbywa się to tuż przed dyszami zraszającymi wymiennik dzięki czemu maksymalizowana jest ilość pęcherzy w wodzie podczas kontaktu z wymiennikiem ciepła - ilość pęcherzy maleje wraz z opadaniem natryskiwanej mgły w wyniku kontaktu z elementami wieży chłodniczej - pęcherze pękają i jednocześnie emitują falę ultradźwiękową skutecznie eliminującą narastające osady, kamień i biofilmy na powierzchni wymiany ciepła. Stąd też istotna jest maksymalizacja gęstości pęcherzy w górnej sekcji - w której ulokowany jest wymiennik. W znanym stanie techniki woda nasycana jest pęcherzami w wannie zbiorczej, gdzie część pęcherzy uległa uwolnieniu z wody na skutek pompowania w przewodzie i kontaktu z elementami wirnikowymi pompy obiegowej istotnie ograniczając ilość MNB w kluczowym obszarze wymiennika.

Ponadto nasycanie wody technologicznej MNB tuż przed jej dystrybucją na dysze zraszające pozwala na atomizację wody natryskiwanej przez co przyjmuje ona postać mgły znacznie poprawiając wskaźniki wymiany ciepła. Gazem biorącym udział w procesie jest ozon, tlen lub dwutlenek węgla, który skutecznie blokuje rozwój mikroorganizmów, bakterii, wirusów oraz skutecznie przeciwdziała procesowi zarastania biologicznego oraz formowania się kamienia na elementach wykonawczych wież chłodniczych ze względu na siły implozji i generowanie fal ultradźwiękowych na skutek pękania pęcherzy, którymi nasycona jest woda procesowa.

Istotą wynalazku jest wieża chłodnicza zawierająca układ wentylatora, wymiennik ciepła, system zraszania wymiennika, spust wody wyposażony w zawór, układ uzupełniania wody przy pomocy rurociągu wyposażonego w pompę gdzie stacja przygotowania gazu połączona jest rurociągiem gazu

PL 235 691 B1 z generatorem mikro nano pęcherzy, który połączony jest do źródła wody przy pomocy rurociągu. Generator mikro nano pęcherzy połączony jest rurociągiem z systemem zraszania wieży chłodniczej a wymiennik ciepła pokryty jest powłoką o ujemnym ładunku zeta. Ponadto do generatora MNB podłączony jest rurociąg obiegowy wody zraszającej połączony z rurociągiem zasilania wodą obiegową.

Korzystnie gdy wymiennik ciepła jest typu złoże zraszane.

Sposób zapobiegania rozwojowi zanieczyszczeń w szczególności biologicznych oraz osadzania kamienia na wymienniku ciepła wieży chłodniczej, gdzie gaz wytwarzany jest w generatorze, a następnie za pośrednictwem rurociągu podawany jest do generatora NMB, gdzie wskutek mieszania z wodą pochodzącą ze źródła wody, woda zostaje wzbogacana w mikro nano pęcherze. Woda zawierająca mikro nano pęcherze za pośrednictwem rurociągu podawana jest bezpośrednio do układu zraszania. Woda zawierająca mikro nano pęcherze poprzez system zraszania podawana jest na wymiennik ciepła pokryty powłoką o ujemnym potencjale zeta. Źródłem wody jest woda pochodząca z systemu wody obiegowej dostarczanej do generatora MNB za pomocą rurociągu obiegowego wody zraszającej.

Wynalazek w korzystnym przykładzie wykonania został przedstawiony na rysunku fig. 1 prezentującym układ adiabatycznego chłodzenia wody.

P r z y k ł a d 1

Wieża chłodnicza zawierająca układ wentylatora (17) promieniowego o mocy elektrycznej 11 kW zapewniającego przepływ powietrza do 140 000 m³/h, system zraszania wymiennika (3) składający się z zestawu dysz zraszających wykonanych z tworzywa PVC, spust wody (11) wykonany z rury PVC o średnicy DN50 wyposażony w zawór elektromagnetyczny (13), układ uzupełniania wody przy pomocy rurociągu (10) wykonanego z PVC o średnicy DN40 wyposażonego w pompę (16) zasilającego wannę wieży (19). Stacja przygotowania gazu (1) składa się z czerpni powietrza wyposażonej w warstwy filtracyjne w postaci demontowalnych filtrów, wentylator odśrodkowy, systemu sorpcyjnego pochłaniania wilgoci węglem aktywnym oraz separatora tlenu typu adsorpcyjnego połączonego z generatorem ozonu. Stacja przygotowania gazu (1) połączona jest rurociągiem gazu (6) z generatorem (2) mikro nano pęcherzy, który podłączony jest do źródła wody (4) będącego zbiornikiem ze stali 316L o pojemności 6 m³ przy pomocy rurociągu (12) wykonanego z tworzywa PVC. Generator (2) NMB jest połączony rurociągiem (7) wykonanym z tworzywa PVC z systemem zraszania wieży chłodniczej (3) znajdującym się nad wymiennikiem ciepła (5), który na stałe pokryty jest powłoką z węglika krzemu o ujemnym ładunku zeta i grubości 0,1 mm. Wymiennik ciepła (5) został pokryty powłoką z węglika krzemu o ujemnym ładunku zeta poprzez wykorzystanie metody niskotemperaturowego natrysku laserowego. Medium chłodzonym w zamkniętym wymienniku ciepła typu lamelowo rurowego chłodzony jest destylat pochodzący z systemu odsalania wody. Dzięki zastosowaniu mieszaniny wody wraz z MNB opartymi na ozonie osiągnięty został efekt ograniczenia zużycia środków chemicznych, ograniczenia zużycia wody oraz poprawy wymiany ciepła na powierzchni wieży dzięki zatrzymaniu osadzania się kamienia i biofilmów. W wariancie konwencjonalnym, dla tego korzystnego przykładu wykonania, koszty użytych chemikaliów to 2500 USD rocznie, w wariancie według wynalazku koszty eksploatacji układu to tylko 200 USD rocznie, a więc ponad dwunastokrotnie mniej. Wartość tą należy powiększyć o ilość wody technologicznej zrzucanej z wanny zbiorczej po osiągnięciu stężenia granicznego soli zawartej w wodzie technologicznej, która z racji zastosowania technologii MNB może wynosić nawet ponad 50000 ppm, a więc o 44000 ppm więcej w stosunku do rozwiązania konwencjonalnego, generując kolejny strumień przychodów - dla rocznego cyklu eksploatacji ilość zrzucanej wody zostanie ograniczona o 2 m³ na godzinę na każde 1900 kW mocy chłodniczej. Woda zrzucana jest rurociągiem spustowym (11) po otwarciu zaworu (13). Widoczny jest także korzystny efekt poprawy własności wymiany ciepła w związku z zapobieganiem osadzania się kamienia i biofilmów: w rozwiązaniu konwencjonalnym na skutek zarastania powierzchni wymiennika ciepła biofilmami oraz kamieniem, efektywność wymiany spada nawet o 30%, a w rozwiązaniu według wynalazku w związku z ciągłym oczyszczaniem powierzchni wymiany cieplnej za pośrednictwem pękających mikro nano pęcherzy, wymiennik pracuje ze swoją nominalną, 100% efektywnością wymiany cieplnej nawet po roku eksploatacji.

P r z y k ł a d 2

Sposób zapobiegania rozwojowi zanieczyszczeń w szczególności biologicznych oraz osadzania kamienia na wymienniku ciepła (5) wieży chłodniczej według wynalazku, został zrealizowany poprzez doprowadzenie powietrza do stacji przygotowania gazu (1) za pomocą wbudowanej czerpni powietrza atmosferycznego. Powietrze zostało osuszone przy pomocy osuszacza adsorpcyjnego wykorzystującego węgiel aktywny i oczyszczone zestawem filtrów. Tak przygotowany gaz trafił kanałem (6) do Ge

PL 235 691 B1 neratora MNB (2), w którym formowane są mikro nano pęcherze w dostarczonej przy pomocy wykonanego z tworzywa PVC rurociągu obiegowego wody zraszającej (18). Następnie za pośrednictwem rurociągu wykonanego z tworzywa PVC (7) strumień wody technologicznej nasyconej MNB kierowany był bezpośrednio do systemu zraszaczy (3). Woda obiegowa została nasycona do poziomu 5 mg na każdy kilogram wody. Nasycona mikro nano pęcherzami (MNB) woda obiegowa została rozdystrybuowana zraszaczami (3) na wymiennik ciepła (5) pokryty warstwą hydrofilową o grubości 0,1 mm. Jednocześnie wentylator (17) nieustannie zasysał powietrze umożliwiając przeciwprądowy kontakt zraszanej wody z powietrzem. W wyniku adiabatycznego nawilżenia powietrza zostało odebrane ciepło z wymiennika (5) zasilanego rurociągami (9) - rurociąg zasilający (9a) wykonany z tworzywa PVC wyposażony w pompę obiegową (15) oraz rurociąg powrotny (9b) wykonany z tworzywa PVC - uzyskując użyteczny efekt chłodzenia wody destylowanej będącej produktem procesu odsalania wielostopniowego. Destylat doprowadzony był do wymiennika rurociągiem (9) przy zastosowaniu pompy obiegowej (15) a jego temperatura wynosiła 46°C. W tej konfiguracji moc chłodnicza układu wynosi 1900 kW odpowiadając obniżeniu temperatury strumienia destylatu do 38°C. Rurociągiem (9) przepływał destylat w ilości około 205 m³ na godzinę. W wyniku odparowania z wieży wody obiegowej w ilości do 2,5 m³ na godzinę, uzupełniano wodę technologiczną w tej samej ilości za pośrednictwem rurociągu (10) i pompy obiegowej (16). Dzięki zastosowaniu MNB poprawie uległa efektywność chłodnicza wieży o ponad 5%. Spowodowane jest to rozwinięciem powierzchni wymiany ciepła pomiędzy przepływającym powietrzem a natryskiwaną wodą z dysz, dzięki czemu moc chłodnicza wieży wzrasta z 1900 kW do 1995 kW.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Wieża chłodnicza zawierająca układ wentylatora (17), wymiennik ciepła (5), system zraszania wymiennika (3), spust wody (11) wyposażony w zawór (13), układ uzupełniania wody przy pomocy rurociągu (10) wyposażonego w pompę (16) gdzie stacja przygotowania (1) gazu połączona jest rurociągiem gazu (6) z generatorem mikro nano pęcherzy (2), który połączony jest do źródła wody (4) przy pomocy rurociągu (12), znamienna tym, że generator mikro nano pęcherzy (2) połączony jest rurociągiem (7) z systemem zraszania wieży chłodniczej (3), a wymiennik ciepła (5) pokryty jest powłoką o ujemnym ładunku zeta; ponadto do generatora MNB (2) podłączony jest rurociąg obiegowy wody zraszającej (18) połączony z rurociągiem zasilania wodą obiegową (8).

2. Wieża według zastrz. 1, znamienna tym, że wymiennik ciepła (5) jest typu złoże zraszane.

3. Sposób zapobiegania rozwojowi zanieczyszczeń w szczególności biologicznych oraz osadzania kamienia na wymienniku ciepła (5) wieży chłodniczej gdzie gaz wytwarzany jest w generatorze (1), a następnie za pośrednictwem rurociągu (6) podawany jest do generatora (2) mikro nano pęcherzy gdzie wskutek mieszania z wodą pochodzącą ze źródła wody (4) zostaje wzbogacany w mikro nano pęcherze, znamienny tym, że woda zawierająca mikro nano pęcherze za pośrednictwem rurociągu (7) podawana jest bezpośrednio do układu zraszania (3) a woda zawierająca mikro nano pęcherze poprzez system zraszania (3) podawana jest na wymiennik ciepła (5) pokryty powłoką o ujemnym potencjale zeta; źródłem wody (4) jest woda pochodząca z systemu wody obiegowej dostarczanej do generatora MNB (2) za pomocą rurociągu obiegowego wody zraszającej (18).