RU192442U1

RU192442U1 - Heat and mass transfer evaporative cooling nozzle for disinfection of circulating water

Info

Publication number: RU192442U1
Application number: RU2019116905U
Authority: RU
Inventors: Николай Анатольевич Меренцов; Александр Владимирович Персидский; Виталий Николаевич Лебедев; Петр Сергеевич Васильев; Александр Борисович Голованчиков
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2019-09-17

Abstract

Техническое решение относится к тепломассообменному оборудованию при непосредственном контакте между воздухом и водой в промышленных градирнях для охлаждения оборотной воды и может найти применение в энергетической, атомной, химической и нефтехимической промышленности.Поставленный технический результат достигается тем, что тепломассообменная насадка испарительного охлаждения для обеззараживания оборотной воды содержит набор параллельно расположенных стержней, на которых с каскадным расположением относительно друг друга вершиной вниз установлены пластины параболической формы со свободными от стержней отверстиями, при этом стержни установлены между двумя противоположно заряженными основаниями с образованием насадочного блока, причем каждый стержень подсоединен к одному основанию электропроводным концом, а к другому основанию - диэлектрическим концом, так что соседние стержни подсоединены к противоположным полюсам источника постоянного тока, а пластины выполнены из диэлектрического материалаТехническим результатом является повышение производительности тепломассообменных аппаратов.The technical solution relates to heat and mass transfer equipment with direct contact between air and water in industrial cooling towers for cooling circulating water and can find application in the energy, nuclear, chemical and petrochemical industries. The technical result is achieved in that the heat and mass transfer evaporative cooling nozzle for disinfecting circulating water contains a set of parallel rods, on which with cascading vertices relative to each other the parabolic plates with the holes free from the rods are installed downward, the rods being installed between two oppositely charged bases to form a nozzle block, each rod being connected to one base by an electrically conductive end, and to the other base by a dielectric end, so that adjacent rods are connected to opposite poles of a direct current source, and the plates are made of dielectric material. The technical result is an increase in productivity heat and mass transfer apparatus.

Description

Техническое решение относится к тепломассообменному оборудованию при непосредственном контакте между воздухом и водой в промышленных градирнях для охлаждения оборотной воды и может найти применение в энергетической, атомной, химической и нефтехимической промышленности.The technical solution relates to heat and mass transfer equipment with direct contact between air and water in industrial cooling towers for cooling circulating water and can find application in the energy, nuclear, chemical and petrochemical industries.

Известно огромное количество тепломассообменных насадочных устройств различных конфигураций, ориентированных на определенный спектр технологических процессов (Сокол Б.А., Чернышов А.К., Баранов Д.А. Насадки массообменных колонн / под ред. Д.А. Баранова. - М.: ЗАО «Инфохим», 2009. - 358 с., Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов / А.М. Каган [и др.]; под ред. Лаптева. Казань: Отечество. 2013. 454 с.).A huge number of heat and mass transfer nozzles of various configurations oriented to a certain range of technological processes is known (Sokol B.A., Chernyshov A.K., Baranov D.A. Nozzles of mass transfer columns / edited by D.A. Baranov. - M .: CJSC Infokhim, 2009. - 358 pp., Contact nozzles of industrial heat and mass transfer devices / AM Kagan [et al.]; Edited by Laptev. Kazan: Fatherland. 2013. 454 pp.).

К причинам препятствующим достижению заданного технического результата относится снижение интенсивности тепломассообменных процессов из-за образования на поверхности насадочных элементов биопленки микроорганизмов, препятствующей развитию заданного гидродинамического режима работы и увеличивающей гидравлическое сопротивление слоя насадки, что негативно скажется на энергоэффективности процесса.The reasons that impede the achievement of a given technical result include a decrease in the intensity of heat and mass transfer processes due to the formation of microorganisms on the surface of the packed elements of the biofilm, which impedes the development of a given hydrodynamic mode of operation and increases the hydraulic resistance of the packing layer, which will negatively affect the energy efficiency of the process.

Известна тепломассообменная насадка в виде модулей из слоев полимерных сетчатых оболочек, выполненных цилиндрическими, размещенных во всех вертикальных слоях параллельно друг другу и сваренных по торцам модуля между собой в местах соприкосновения, при этом ороситель градирни составлен из трех модулей: в нижнем модуле каждая сетчатая оболочка дополнительно содержит в своем объеме лопастные завихрители, представляющие собой полимерный цилиндр, на внутренней стороне которого размещены лопатки; средний модуль содержит вертикальные слои горизонтально лежащих сетчатых оболочек, располагающихся поочередно с вертикально установленными гофрированными листами; в верхнем модуле в составе каждого ряда вертикально размещенных сетчатых оболочек установлены горизонтально лежащие гофрированные трубы (Патент RU 76111, МПК F28F 25/08, 2008).Known heat and mass transfer nozzle in the form of modules of layers of polymer mesh shells made of cylindrical placed in all vertical layers parallel to each other and welded at the ends of the module between them in contact, while the cooling tower sprinkler is composed of three modules: each mesh shell is additionally in the lower module contains in its volume bladed swirlers, which are a polymer cylinder, on the inner side of which the blades are located; the middle module contains vertical layers of horizontally lying mesh shells located alternately with vertically mounted corrugated sheets; horizontally lying corrugated pipes are installed in the upper module as a part of each row of vertically placed mesh shells (Patent RU 76111, IPC F28F 25/08, 2008).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата относится обрастание поверхности сетчатых оболочек биопленкой микроорганизмов, что снижает интенсивность тепломассообменных процессов между охлаждаемой водой и воздухом в градирнях.Reasons that impede the achievement of a given technical result include fouling of the surface of the mesh shells with a biofilm of microorganisms, which reduces the intensity of heat and mass transfer processes between cooled water and air in cooling towers.

Известна тепломассообменная насадка градирен в виде модуля из слоев полимерных сетчатых оболочек, выполненных цилиндрическими и размещенных во всех вертикальных слоях параллельно друг другу и сваренных по торцам модуля между собой в местах соприкосновения, при этом на нижней поверхности модуля установлены дистанцирующие вставки, выполненные в виде завихрителя и каждая дистанцирующая вставка выполнена из электропроводящего материала и снабжена вертикальным электродом, причем соседние дистанцирующие вставки присоединены к противоположным полюсам источника постоянного тока (Патент RU 123918, МПК F28F 25/08, 2012).Known heat and mass transfer nozzle of cooling towers in the form of a module from layers of polymer mesh shells made cylindrical and placed in all vertical layers parallel to each other and welded at the ends of the module between them at the contact points, while on the bottom surface of the module there are spacer inserts made in the form of a swirler and each spacer insert is made of an electrically conductive material and provided with a vertical electrode, wherein adjacent spacer inserts are connected to the positive poles of a direct current source (Patent RU 123918, IPC F28F 25/08, 2012).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокая интенсивность тепломассообменных процессов между охлаждаемой водой и воздухом в градирнях из-за обрастания полимерных сетчатых оболочек насадки биопленкой микроорганизмов, это связано с тем, что в данных условиях процесс обеззараживания протекает мало интенсивно и очень неравномерно, так как через пленки жидкости покрывающие поверхность насадки должен идти ток, соответственно сопутствующие условия будут создаваться не всегда и неравномерно по объему насадки.The reasons that impede the achievement of the desired technical result include the low intensity of heat and mass transfer processes between the cooled water and air in the cooling towers due to the fouling of the polymer mesh shells of the nozzle with a biofilm of microorganisms, this is due to the fact that under these conditions the disinfection process is not very intensive and very uneven, since current must flow through the liquid films covering the surface of the nozzle, respectively, the associated conditions will not always be created and uneven a nozzle for volume.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является конструкция элемента насадки для массообменного аппарата, содержащего набор параллельно расположенных стержней, на которых с каскадным расположением относительно друг друга вершиной вниз установлены пластины параболической формы с зубчатыми краями со свободными от стержней отверстиями (Патент RU 142483, МПК B01J 19/32, 2014).The closest technical solution for the totality of features is the design of the nozzle element for a mass transfer apparatus containing a set of parallel rods with parabolic plates with serrated edges with serrated edges with openings free of rods with cascade tops down (Patent RU 142483, IPC B01J 19/32, 2014).

К причинам препятствующим достижению заданного технического результата относится снижение интенсивности тепломассообменных процессов из-за образования на поверхности элементов насадки биопленки микроорганизмов, препятствующей развитию интенсивного капельного режима течения.The reasons that impede the achievement of a given technical result include a decrease in the intensity of heat and mass transfer processes due to the formation on the surface of the nozzle elements of a biofilm of microorganisms that impedes the development of an intensive drip flow.

Задача - разработка конструкции тепломассообменной насадки для испарительного охлаждения, обладающей функцией обеззараживания оборотной воды и поддерживающей интенсивный капельный режим течения.The task is to develop the design of a heat and mass transfer nozzle for evaporative cooling, which has the function of disinfecting circulating water and supports an intensive drip flow regime.

Техническим результатом является повышение производительности тепломассообменных аппаратов.The technical result is to increase the productivity of heat and mass transfer apparatuses.

Поставленный технический результат достигается тем, что тепломассообменная насадка испарительного охлаждения для обеззараживания оборотной воды, содержит набор параллельно расположенных стержней, на которых с каскадным расположением относительно друг друга, вершиной вниз установлены пластины параболической формы со свободными от стержней отверстиями, при этом стержни установлены между двумя противоположно заряженными основаниями с образованием насадочного блока, причем каждый стержень подсоединен к одному основанию электропроводным концом, а к другому основанию - диэлектрическим концом, так, что соседние стержни подсоединены к противоположным полюсам источника постоянного тока, а пластины выполнены из диэлектрического материала.The technical result is achieved in that the heat and mass transfer nozzle for evaporative cooling for disinfection of circulating water contains a set of parallel rods, on which, with a cascade arrangement relative to each other, parabolic plates with openings free from rods are installed with their tops down, while the rods are installed between two opposite charged bases with the formation of a nozzle block, with each rod connected to one base of electric wires at one end and at the other base with a dielectric end, so that adjacent rods are connected to opposite poles of the direct current source, and the plates are made of dielectric material.

Выполнение каждого стержня электропроводным с одним концом из диэлектрического материала и установка на стержнях насадочных элементов (пластинами параболической формы) из диэлектрического материала, а также присоединение соседних стержней-электродов к противоположным полюсам источника постоянного тока (в шахматном порядке), позволяет добиться наивысшей напряженности электрического поля, в результате чего охлаждаемая в градирне вода оказывается под воздействием электрического поля по всей высоте насадки, что приводит к гибели микроорганизмов и предупреждает образование биопленки микроорганизмов на поверхности элементов насадки. Это приводит к интенсификации тепломассообменных процессов между охлаждаемой водой и воздухом и поддержанию развитого капельного режима течения в аппаратах испарительного охлаждения с сохранностью гидрофобных свойств поверхностей элементов насадок, что повышает производительность тепломассообменных аппаратов.The implementation of each rod electrically conductive with one end of a dielectric material and the installation of nozzle elements on the rods (parabolic plates) of dielectric material, as well as the connection of adjacent electrode rods to opposite poles of a direct current source (staggered), allows to achieve the highest electric field strength as a result of which the water cooled in the cooling tower is exposed to an electric field along the entire height of the nozzle, which leads to the death of micro organisms and prevents the formation of biofilm microorganisms on the surface of the nozzle elements. This leads to the intensification of heat and mass transfer processes between cooled water and air and the maintenance of a developed drip flow regime in evaporative cooling devices with the preservation of the hydrophobic properties of the surfaces of the nozzle elements, which increases the productivity of heat and mass transfer devices.

На фиг. 1 представлен общий вид тепломассообменной насадки испарительного охлаждения.In FIG. 1 shows a General view of the heat and mass transfer nozzles of evaporative cooling.

На фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема тепломассообменной насадки испарительного охлаждения с шахматным подключением стержневых электродов.In FIG. 2 is a circuit diagram of a heat and mass transfer nozzle of evaporative cooling with a checkerboard connection of rod electrodes.

На фиг. 3 представлена схема аппарата испарительного охлаждения оборотной воды с заявляемой тепломассообменной насадкой.In FIG. 3 shows a diagram of an apparatus for evaporative cooling of circulating water with the inventive heat and mass transfer nozzle.

Тепломассообменная насадка испарительного охлаждения для обеззараживания оборотной воды состоит из набора параллельно расположенных стержней 1 (электродов), на которых с каскадным расположением относительно друг друга вершиной вниз установлены пластины параболической формы 2 (насадочные элементы), выполненные из диэлектрического материала. Стержни 1 установлены между двумя противоположно заряженными основаниями 3 и 4, выполняющим роль полюсов источника постоянного тока, с образованием насадочного блока. Каждый стержень 1 выполнен из электропроводного и диэлектрического материала и подсоединен к одному основанию электропроводным концом 5, а к другому основанию - диэлектрическим концом 6, таким образом, что соседние стержни подсоединены к противоположным полюсам источника постоянного тока (в шахматном порядке).The heat and mass transfer nozzle of evaporative cooling for disinfection of circulating water consists of a set of parallel rods 1 (electrodes), on which, with a cascade arrangement relative to each other, tops down are mounted with parabolic plates 2 (nozzle elements) made of dielectric material. The rods 1 are installed between two oppositely charged bases 3 and 4, which acts as the poles of a direct current source, with the formation of a nozzle block. Each rod 1 is made of electrically conductive and dielectric material and is connected to one base by an electrically conductive end 5, and to another base by a dielectric end 6, so that adjacent rods are connected to opposite poles of the DC power source (staggered).

Тепломассообменная насадка испарительного охлаждения работает следующим образом.Heat and mass transfer nozzle evaporative cooling operates as follows.

От источника постоянного тока подают напряжение на основания 3 и 4 насадочного блока. Основания 3 и 4 приобретают противоположные заряды. Охлаждаемую оборотную воду орошают на верхние насадочные элементы насадочного блока, а снизу поступает воздушный поток. Насадочные элементы (пластины параболической формы) 2 расположены на параллельных стержнях 1 таким образом, чтобы капли срывались с насадочного элемента преодолевали секцию, соударялись со следующим элементом, дробились и обновляли свою поверхность тепломассопередачи. Эти циклы повторяются непрерывно по всей высоте насадки. Каждый стержень 1 подсоединен к одному из оснований 3 или 4 электропроводным концом 5, а к другому основанию - диэлектрическим концом 6, таким образом, что соседние стержни подсоединены к противоположным полюсам источника постоянного тока. Это обеспечивает высокую напряженность электрического поля в пределах объема насадочного блока. Поэтому капли водяного потока, развиваемого благодаря каскадному расположению насадочных элементов 2, подвергаются воздействию электрического поля высокой напряженности, образующегося под действием постоянного напряжения, приложенного между противоположно заряженными (в шахматном порядке) стержнями 1. Это подавляет жизнедеятельность микроорганизмов и предотвращает образование биопленки на поверхности насадочных элементов (пластины параболической формы) 2, что способствует развитию и поддержанию развитого капельного режима течения сквозь слой насадки и интенсифицирует тепломассообменные процессы между охлаждаемой водой и воздухом в аппаратах испарительного охлаждения. Кроме того, при движении капель воды через электрическое поле высокой напряженности, в них возникают токи поляризации, что способствует еще более качественному эффекту обеззараживания. И эти эффекты, обеспечивающие высокое качество обеззараживания оборотной воды, протекают очень равномерно по всему объему тепломассообменной насадки. От пробоя между электродными стержнями и противоположно заряженными основаниями оберегают изолирующие вставки (диэлектрические концы стержней) 6, пробой между смежными противоположно заряженными электродами предотвращается за счет контроля тока в цепи источника питания G и уменьшения его выходного напряжения таким образом, чтобы ток удерживался неизменным. Для исключения прохождения через источник питания токов короткого замыкания в цепь питания модуля может быть включено токоограничивающее сопротивление R_TO, а для гашения всплесков тока при замыкании - дроссель L. В случае замыкания напряжение источника питания автоматически снижается до минимального значения, определяемого величиной R_TO, а при исчезновении замыкания автоматически поднимается до рабочего значения.A voltage is supplied from a direct current source to the bases 3 and 4 of the nozzle unit. Bases 3 and 4 acquire opposite charges. The cooled circulating water is irrigated onto the upper nozzle elements of the nozzle block, and the air stream flows from below. Nozzle elements (parabolic plates) 2 are located on parallel rods 1 so that drops tearing off the nozzle element overcome the section, collide with the next element, crush and update their heat and mass transfer surface. These cycles are repeated continuously throughout the height of the nozzle. Each rod 1 is connected to one of the bases 3 or 4 by an electrically conductive end 5, and to the other base by a dielectric end 6, so that adjacent rods are connected to opposite poles of the DC source. This provides a high electric field strength within the volume of the nozzle block. Therefore, droplets of the water flow developed due to the cascade arrangement of the nozzle elements 2 are exposed to a high-voltage electric field generated by a constant voltage applied between oppositely charged (staggered) rods 1. This inhibits the vital activity of microorganisms and prevents the formation of biofilms on the surface of the nozzle elements (parabolic plate) 2, which contributes to the development and maintenance of the developed drip flow I through the nozzle layer and intensifies heat and mass transfer processes between cooled water and air in evaporative cooling devices. In addition, when water droplets move through a high-voltage electric field, polarization currents appear in them, which contributes to an even better disinfection effect. And these effects, providing a high quality of disinfection of circulating water, proceed very evenly throughout the volume of the heat and mass transfer nozzle. Insulation inserts (dielectric ends of the rods) 6 are protected from breakdown between the electrode rods and oppositely charged bases; 6, breakdown between adjacent oppositely charged electrodes is prevented by controlling the current in the power supply circuit G and reducing its output voltage so that the current is kept constant. To exclude the passage of short-circuit currents through the power supply, a current-limiting resistance R _TO can be included in the power supply circuit of the module, and an inductor L to suppress current surges during short-circuiting. In the event of a short-circuit, the voltage of the power supply automatically decreases to the minimum value determined by the value of R _TO , and when the circuit disappears, it automatically rises to the operating value.

Шахматный порядок присоединения смежных стержневых электродов к противоположно заряженными основаниями позволяет обеспечить их противоположный заряд и достичь наивысшей напряженности электрического поля, что повышает качество и равномерность эффекта по обеззараживанию оборотной воды.The staggered order of connecting adjacent rod electrodes to oppositely charged bases makes it possible to ensure their opposite charge and achieve the highest electric field strength, which increases the quality and uniformity of the effect on disinfection of circulating water.

Параллельные электродные стержни 1 выполненные из электропроводного материала могут быть выполнены как из жесткого, так и из гибкого материала. Гибкие стержни под воздействием восходящего потока воздуха будут совершать продольные, изгибные и крутильные колебаться, что приведет к разрыву пленок жидкости на поверхностях насадочных элементов 2 и поспособствует развитию интенсивного капельного режима течения и интенсификации тепломассообменных процессов между охлаждаемой водой и воздухом.Parallel electrode rods 1 made of electrically conductive material can be made of both rigid and flexible material. Flexible rods under the influence of the upward air flow will perform longitudinal, bending and torsional vibrations, which will lead to rupture of the liquid films on the surfaces of the nozzle elements 2 and will contribute to the development of an intensive drip regime and intensification of heat and mass transfer processes between cooled water and air.

Таким образом, предлагаемая конструкция тепломассообменной насадки испарительного охлаждения позволяет за счет непрерывной обработки воды электрическим полем предотвращать образование биопленки микроорганизмов на поверхности насадочных элементов насадочных блоков, а значит интенсифицировать тепломассообменные процессы и поддерживать развитый капельный режим течения в течение всего срока службы насадочного устройства. Разработанная тепломассообменная насадка уменьшает затраты времени на ремонт аппаратов испарительного охлаждения, связанные с очисткой поверхности насадок от биопленки микроорганизмов, стабилизирует режим работы, связанный с постоянством гидравлического сопротивления восходящего потока воздуха, и уменьшает энергозатраты на движение воздуха в аппаратах испарительного охлаждения, так как пористость насадки остается постоянной и не снижается во времени по сравнению с градирнями, где поверхность насадки «обрастает» биопленкой микроорганизмов. Кроме того, обработанная вода поступает в оборотный цикл с улучшенными свойствами, тем самым препятствуя обрастанию биопленкой микроорганизмов всех теплообменных поверхностей технологического оборудования.Thus, the proposed design of the heat and mass transfer nozzle of evaporative cooling allows preventing the formation of biofilms of microorganisms on the surface of the nozzle elements of the nozzle blocks due to the continuous treatment of water with an electric field, which means to intensify the heat and mass transfer processes and maintain the developed drop flow regime throughout the life of the nozzle device. The developed heat and mass transfer nozzle reduces the time spent on repairing evaporative cooling devices associated with cleaning the nozzle surface from the biofilm of microorganisms, stabilizes the operating mode associated with the constancy of the hydraulic resistance of the upward air flow, and reduces the energy consumption for air movement in evaporative cooling devices, since the porosity of the nozzle remains constant and does not decrease in time in comparison with cooling towers, where the surface of the nozzle “grows” with micro biofilm organisms. In addition, the treated water enters the reverse cycle with improved properties, thereby preventing the biofilm from fouling microorganisms of all heat transfer surfaces of the processing equipment.

Claims

A heat and mass transfer evaporative cooling nozzle for disinfecting circulating water, containing a set of parallel rods, on which parabolic plates with openings free from rods are installed with their tops cascaded downward, characterized in that the rods are installed between two oppositely charged bases to form a nozzle block moreover, each rod is connected to one base by an electrically conductive end, and to a different base - die an insulating end so that adjacent rods are connected to opposite poles of a DC source, a plate made of dielectric material.