RU2101641C1

RU2101641C1 - Cooling tower with built-in fan for forced cooling

Info

Publication number: RU2101641C1
Application number: RU95122198A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Ефремович Булкин; Валерий Иванович Панов; Евгений Иванович Панов; Владимир Федорович Чертушкин
Original assignee: Анатолий Ефремович Булкин; Валерий Иванович Панов; Евгений Иванович Панов; Владимир Федорович Чертушкин
Priority date: 1995-12-25
Filing date: 1995-12-25
Publication date: 1998-01-10

Abstract

FIELD: power engineering; various industries. SUBSTANCE: liquid to be cooled shall be sprayed through nozzles provided in trailing edges of blades of built-in fan; supply of liquid to nozzles shall be effected through hollow shaft of fan and passages in fan blade. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в различных отраслях промышленности, а именно там, где технологический процесс требует охлаждения больших расходов жидкости, чаще всего воды, и где для этого могут быть использованы градирни. The invention relates to the field of heat engineering and can be used in various industries, namely, where the technological process requires the cooling of large liquid flows, most often water, and where cooling towers can be used for this.

Известны (см. например, Гладков В.А. Арефьев Ю.М. Пономаренко В.С. Вентиляторные градирни. Изд. 2-ое, перераб. и доп. М. Стройиздат. 1976. 216 с. с илл. ) градирни с встроенным вентилятором принудительного охлаждения, содержащие:
полую башню, обычно, в виде тела вращения (чаще всего с гиперболической образующей) с открытой верхней торцовой частью и с окнами в нижней части для прохода охлаждающего воздуха;
трубопровод охлаждаемой воды, подающий ее внутрь башни к разбрызгивающей системе с некоторым избыточным давлением Р₀;
разбрызгивающую систему, устанавливаемую внутри башни, например, под вентилятором и состоящую из:
водораспределительного устройства системы труб, начинающейся от трубопровода охлаждаемой воды и заканчивающейся круглыми или щелевыми в сечении соплами;
оросителя, выполненного в виде разбрызгивающих тарелочек или же лотков и обеспечивающего соответственно капельное или пленочно-капельное размельчение струй охлаждаемой воды, поступающей из сопел водораспределительного устройства; при величине давления перед соплами приблизительно P₀ 0,5 ати скорость истечения воды из сопл составляет около C_c=3 м/с, что в совокупности с тарелочками или(и) лотками обеспечивает разбрызгивание потока охлаждаемой воды до расчетного уровня;
вентилятора, установленного, чаще всего, в верхней части башни и снабженного электродвигателем, приводящим вентилятор во вращение; диаметр лопастей вентилятора выполняется несколько меньшим внутреннего диаметра башни градирни; вентилятор увеличивает расход охлаждающего воздуха через внутреннюю полость башни и интенсифицирует теплоотдачу в градирне. Большой диаметр лопастей вентилятора предопределяет его тихоходность и необходимость применения металлоемкого электродвигателя с большим количеством полюсов или же редукторной передачи от быстроходного электродвигателя; электродвигатель встроенного вентилятора работает в условиях большой влажности, по этой причине обмотки и тяжело нагруженные для безредуторных схем и смазываемые чаще всего консистентной смазкой подшипники электродвигателя не обладают достаточной надежностью;
каплеуловителя, устанавливаемого выше вентилятора и заметно снижающего унос воды из градирни;
бассейна под башней градирни для сбора стекающей сверху охлажденной воды и отвода по трубопроводу, например, к насосу.Known (see, for example, Gladkov V.A. Arefyev Yu.M. Ponomarenko V.S. Fan coolers. 2nd ed., Revised and additional M. Stroyizdat. 1976. 216 pp. Ill.) Cooling towers with built-in forced cooling fan, containing:
a hollow tower, usually in the form of a body of revolution (most often with a hyperbolic generatrix) with an open upper end part and with windows in the lower part for the passage of cooling air;
a cooled water pipeline supplying it inside the tower to a spray system with some excess pressure P ₀ ;
a spray system installed inside the tower, for example, under a fan and consisting of:
a water distribution device of a pipe system starting from a cooled water pipeline and ending with round or slotted nozzles in section;
an irrigator made in the form of spray plates or trays and, respectively, providing drip or film-droplet grinding of jets of cooled water coming from the nozzles of the water distribution device; when the pressure in front of the nozzles is approximately P ₀ 0.5 ati, the rate of water outflow from the nozzles is about C _c = 3 m / s, which, in combination with plates and / or trays, ensures that the flow of cooled water is sprayed to the calculated level;
a fan installed, most often, in the upper part of the tower and equipped with an electric motor that drives the fan in rotation; the diameter of the fan blades is slightly smaller than the inner diameter of the tower of the tower; the fan increases the flow of cooling air through the internal cavity of the tower and intensifies the heat transfer in the tower. The large diameter of the fan blades determines its low speed and the need to use a metal-intensive electric motor with a large number of poles or a gear transmission from a high-speed electric motor; the electric motor of the built-in fan operates in conditions of high humidity, for this reason the windings and heavily loaded for gearless circuits and most often lubricated with grease motor bearings do not have sufficient reliability;
a droplet eliminator installed above the fan and significantly reducing the entrainment of water from the cooling tower;
a basin under the tower of a cooling tower to collect chilled water flowing from above and discharge through a pipeline, for example, to a pump.

Особо следует указать на описанный в упомянутой монографии "Вентиляторные градирни" и использованный фирмой "Thermotank" вариант выполнения водораспределительного устройства в виде вращающейся относительно вертикальной оси в горизонтальной плоскости трубы с отверстиями на двух цилиндрических образующих, через которые охлаждаемая вода распределяется по горизонтальной торцовой поверхности оросителя; причем вращение трубы в собственных подшипниках происходит за счет реактивных сил струй воды, вытекающих из отверстий в трубе. Special mention should be made of the option described in the aforementioned monograph “Fan Cooling Towers” and used by “Thermotank” company of a water distribution device in the form of a pipe rotating relative to the vertical axis in the horizontal plane with holes on two cylindrical components through which the cooled water is distributed along the horizontal end surface of the sprinkler; moreover, the rotation of the pipe in its own bearings occurs due to the reactive forces of the jets of water flowing from the holes in the pipe.

Башенная градирня с встроенным вентилятором по сравнению с безвентиляторной допускает более высокие тепловые нагрузки, обеспечивает более глубокое (на 3 5^o) охлаждение жидкости и даже позволяет сравнительно просто регулировать ее температуру. Также, как и в безвентиляторных градирнях, охлаждение жидкости в вентиляторных градирнях происходит приблизительно на 90% за счет ее испарения и на 10% за счет конвективной теплоотдачи от жидкости к воздуху.Compared to a fanless tower, a tower cooling tower with a built-in fan allows for higher thermal loads, provides deeper (by 3 5 ^o ) cooling of the liquid and even makes it relatively easy to adjust its temperature. Also, as in fanless cooling towers, cooling of the liquid in the fan cooling towers occurs by approximately 90% due to its evaporation and by 10% due to convective heat transfer from the liquid to the air.

Недостатками известного выполнения градирни с встроенным вентилятором принудительного охлаждения являются, прежде всего:
большие габаритные размеры, что свидетельствует о несовершенстве такой градирни как теплообменника;
необходимость специальной громоздкой разбрызгивающей системы, увеличивающей гидравлическое сопротивление воздушного тракта и потребляющей только на подъем воды, например, на высоту 6 8 м, и ее разбрызгивание удельную (на 1 кг разбрызгиваемой воды) энергию около 0,12 кДж/кг;
недостаточная надежность, связанная более всего с неблагоприятными условиями работы электродвигателя вентилятора, а также с ограниченным ресурсом работы (часто деревянных) лотков и других элементов разбрызгивающей системы.The disadvantages of the known implementation of the cooling tower with a built-in forced cooling fan are, first of all:
large overall dimensions, which indicates the imperfection of such a tower as a heat exchanger;
the need for a special bulky spray system that increases the hydraulic resistance of the air path and consumes only water rising, for example, to a height of 6-8 m, and its spraying specific (per 1 kg of sprayed water) energy of about 0.12 kJ / kg;
insufficient reliability, associated most of all with adverse operating conditions of the fan motor, as well as with the limited service life of (often wooden) trays and other elements of the spray system.

Технической задачей, решаемой данным изобретением является повышение эффективности охлаждения жидкости, упрощение конструкции, уменьшение энергопотребления и повышение надежности градирни с встроенным вентилятором принудительного охлаждения. The technical problem solved by this invention is to increase the efficiency of cooling the liquid, simplifying the design, reducing power consumption and improving the reliability of the cooling tower with a built-in forced cooling fan.

Для решения указанной задачи предлагается осуществлять разбрызгивание охлаждаемой жидкости через суживающиеся сопла, выполненные в выходных кромках лопастей вентилятора, а жидкость к соплам подавать через полый вал вентилятора и каналы в его лопастях. В результате этого представляется возможным:
отказаться от использования специальной разбрызгивающей системы (водораспределительного устройства и оросителя), и за счет этого упростить конструкцию, и вследствие снижения гидравлического сопротивления воздушного тракта уменьшить требуемые напор и энергопотребление вентилятора;
обеспечить более тонкое размельчение потока охлаждаемой жидкости вследствие существенного повышения ее давления перед соплами из-за насосного эффекта, появляющегося при вращении протекающей в радиальных каналах лопастей жидкости, и за счет более равномерного распределения разбрызгиваемой жидкости по всей торцовой площади градирни, и таким образом добиться существенного увеличения поверхности теплообмена, что в свою очередь позволит, например, уменьшить габаритные размеры градирни, ее элементов и энергопотребление на привод вентилятора;
использовать энергию подводимого потока охлаждаемой жидкости не только для разбрызгивания, но и для создания реактивного вращающего момента на валу вентилятора и этим уменьшить энергию, потребляемую приводным электродвигателем, а при некотором увеличении давления охлаждаемой жидкости перед градирней и вовсе отказаться от применения электродвигателя и обеспечить вращение вентилятора за счет момента сил реакций потоков воды, вытекающих из сопл в лопастях вентилятора, следствием чего будет являться повышение надежности градирни.To solve this problem, it is proposed to carry out spraying of the cooled liquid through the narrowing nozzles made in the outlet edges of the fan blades, and to supply the liquid to the nozzles through the hollow fan shaft and channels in its blades. As a result of this, it seems possible:
refuse to use a special spray system (water distribution device and sprinkler), and thereby simplify the design, and due to a decrease in the hydraulic resistance of the air duct, reduce the required pressure and power consumption of the fan;
to provide finer grinding of the flow of the cooled liquid due to a significant increase in its pressure in front of the nozzles due to the pumping effect that occurs when the fluid blades flowing in the radial channels and due to a more uniform distribution of the sprayed liquid over the entire end area of the cooling tower, and thus achieve a significant increase heat transfer surface, which in turn will allow, for example, to reduce the overall dimensions of the tower, its elements and energy consumption for the valve drive torus;
use the energy of the supplied flow of the cooled liquid not only for spraying, but also to create reactive torque on the fan shaft and thereby reduce the energy consumed by the drive motor, and with a slight increase in the pressure of the cooled liquid in front of the tower, completely abandon the use of the electric motor and allow the fan to rotate for due to the reaction forces of water flows arising from nozzles in the fan blades, which will result in increased cooling tower reliability.

На фиг. 1, 2 показана градирня; на фиг. 3 лопасть вентилятора; на фиг. 4 вид B на фиг. 3. In FIG. 1, 2 shows a cooling tower; in FIG. 3 fan blade; in FIG. 4 is a view B in FIG. 3.

На фиг. 1 схематично изображена предлагаемая градирня с встроенным вентилятором принудительного охлаждения: на фундаменте 1 с выполненным в нем бассейном установлена полая башня 2, имеющая форму тела вращения с окнами в нижней части для входа охлаждающего воздуха; опоры вала вентилятора 3 установлены на конце (при необходимости ужесточенного и дополнительного закрепленного) трубопровода 4, по которому к градирне подводится каплеуловитель 5; охлажденная жидкость отводится из бассейна по трубопроводу 6. In FIG. 1 schematically shows the proposed cooling tower with a built-in forced cooling fan: on the foundation 1 with a swimming pool made therein, a hollow tower 2 is installed, having the form of a body of revolution with windows in the lower part for cooling air inlet; the fan shaft supports 3 are installed at the end (if necessary, toughened and additional fixed) of the pipeline 4, through which the drip catcher 5 is brought to the cooling tower; chilled fluid is discharged from the pool through line 6.

На фиг. 2 в большем масштабе изображен вентилятор 3, выполненный с четырьмя лопастями; в месте подвода к вентилятору трубопровода 4 охлаждаемой жидкости в каждой лопасти вентилятора выполнено по одному каналу и суживающемуся щелевому соплу 8, обеспечивающему тангенциальный выход потока воды в направлении, противоположном направлению вращения, в плоскости, близкой к плоскости вращения лопастей. Вал вентилятора в радиальных направлениях зафиксирован с помощью опорных подшипников (скольжения) 9, размещенных на трубопроводе 4. Верхний конец трубопровода с окнами для прохода жидкости к каналам в лопастях закрыт торцовой заглушкой 10, на которой размещен упорный подшипник (скольжения) 11, для предотвращения возможных перемещений вентилятора вверх установлен болт-ограничитель 12. Подшипники скольжения вентилятора могут быть выполнены, например, резиновыми; для охлаждения и смазки таких подшипников можно использовать потоки утечек жидкости. Упорный подшипник 11 может быть почти полностью разгружен за счет гидростатической силы перепада давлений, действующих на верхнюю торцовую поверхность полого вала вентилятора. In FIG. 2 on a larger scale shows a fan 3 made with four blades; in the place of supply to the fan of the pipeline 4 of the cooled liquid in each fan blade, there is one channel and a tapering slot nozzle 8, which provides a tangential exit of the water flow in the direction opposite to the direction of rotation in a plane close to the plane of rotation of the blades. The fan shaft in radial directions is fixed using thrust bearings (sliding) 9 located on the pipe 4. The upper end of the pipeline with windows for the passage of fluid to the channels in the blades is closed by an end cap 10, on which the thrust bearing (sliding) 11 is placed, to prevent possible upward movement of the fan, a limiter bolt 12 is installed. The sliding bearings of the fan can be made, for example, rubber; fluid leaks can be used to cool and lubricate such bearings. The thrust bearing 11 can be almost completely unloaded due to the hydrostatic force of the differential pressure acting on the upper end surface of the hollow fan shaft.

Предлагаемая градирня работает следующим образом. От непоказанного на фиг. 1, 2 источника, например, от насоса, охлаждаемая жидкость по трубопроводу 4 подводится к вращающемуся вентилятору 3 и через его полый вал поступает по каналам в телах лопастей к суживающимся соплам 8. При этом вследствие вращения движущейся в каналах жидкости с увеличением радиуса происходит рост давления этой жидкости. Под действием большого перепада давлений в соплах потоки жидкости ускоряются и с высокой (в относительном движении) скоростью вытекают во внутреннее пространство башни 2, распыляясь до мельчайших частиц. Во внутренней полости башни 2 благодаря работе вентилятора 3 интенсифицируется восходящий поток охлаждающего воздуха, который контактирует с частицами жидкости, движущимися вниз под действием силы тяжести. При контакте с воздухом температура частиц жидкости снижается как из-за испарения, так и из-за конвективной теплоотдачи. В результате этого происходит охлаждение частиц жидкости и температуры ее на выходе из градирни (в бассейне) оказывается ниже, чем на входе. Воздух вместе с частицами жидкости проходит через каплеуловитель 5 и выходит в атмосферу через верхний торец башни 2. The proposed cooling tower operates as follows. From not shown in FIG. 1, 2 sources, for example, from a pump, the cooled liquid is supplied through a pipe 4 to a rotating fan 3 and through its hollow shaft enters through the channels in the bodies of the blades to the narrowing nozzles 8. In this case, due to the rotation of the fluid moving in the channels, the pressure increases this fluid. Under the action of a large pressure drop in the nozzles, the fluid flows are accelerated and with a high (in relative motion) speed flow into the inner space of the tower 2, spraying to the smallest particles. In the inner cavity of the tower 2, due to the operation of the fan 3, the upward flow of cooling air is intensified, which contacts the liquid particles moving downward by gravity. Upon contact with air, the temperature of the liquid particles decreases both due to evaporation and due to convective heat transfer. As a result of this, the liquid particles are cooled and its temperature at the outlet of the tower (in the pool) is lower than at the inlet. Air together with liquid particles passes through a droplet eliminator 5 and enters the atmosphere through the upper end of the tower 2.

Для повышения давления жидкости перед соплами 8 необходимо затрачивать дополнительную энергию, т.е. для вращения вентилятора с жидкостью, протекающей внутри радиальных каналов лопастей, необходим больший крутящий момент, чем для вращения "сухого" вентилятора. Но, если выполнить сопла 8 так, как показано на фиг. 2, то реактивные силы потоков жидкости, вытекающих из сопел, будут создавать вращающий момент. В идеальном случае при течении жидкости в каналах и соплах без потерь, при строго тангенциальном в плоскости вращения выходе потоков из сопели, наконец, при нулевой (в абсолютном движении) скорости потоков, вытекающих из сопел, противодействующий (из-за насосного эффекта) и вращающий (от реактивных сил потоков) моменты будут одинаковы. Из-за невыполнения указанных условий мощность, развиваемая реактивной гидротурбиной (при истечении жидкости из сопел) будет несколько меньшей, чем необходимая для обеспечения насосного эффекта. To increase the pressure of the liquid in front of the nozzles 8, it is necessary to expend additional energy, i.e. for rotation of the fan with the fluid flowing inside the radial channels of the blades, more torque is needed than for the rotation of the “dry” fan. But, if nozzles 8 are made as shown in FIG. 2, the reactive forces of the fluid flows arising from the nozzles will create a torque. In the ideal case, when the fluid flows through the channels and nozzles without losses, when the flow exit from the nozzle is strictly tangential in the plane of rotation, finally, at zero (in absolute motion) velocity of the flows flowing from the nozzle, it counteracts (due to the pumping effect) and rotates (from the reactive forces of the flows) the moments will be the same. Due to non-fulfillment of these conditions, the power developed by a jet turbine (when the fluid flows from the nozzles) will be slightly less than that necessary to ensure the pumping effect.

Реально выходной поток из каждого сопла будет направлен несколько вверх от плоскости вращения, так как технологически проще выполнить сопла, оси которых направлены по хордам лопастей, и может специально отклоняться от строго тангенциального, например, в сторону периферии для некоторого уменьшения напряжения растяжения в лопастях. Actually, the output stream from each nozzle will be directed somewhat upward from the plane of rotation, since it is technologically simpler to make nozzles whose axes are directed along the chords of the blades, and can specifically deviate from strictly tangential, for example, towards the periphery to slightly reduce the tensile stress in the blades.

Во избежание увеличения механического уноса распыленной влаги, имеющей малые размеры частиц, кроме применения каплеуловителя, возможно и целесообразно уменьшение напора вентилятора, а также снижение высоты, на которой осуществляется распыление жидкости. При этом снижается высота, на которой устанавливается вентилятор, что соответственно уменьшает капитальные затраты на строительство градирни, а также снижаются затраты энергии на подачу охлаждаемой жидкости. In order to avoid an increase in the mechanical entrainment of atomized moisture having small particle sizes, in addition to the use of a droplet eliminator, it is possible and advisable to reduce the pressure of the fan, as well as lower the height at which the liquid is sprayed. This reduces the height at which the fan is installed, which accordingly reduces the capital cost of building a cooling tower, and also reduces the energy cost of supplying a cooled liquid.

Возможно применение вентилятора не с четырьмя, как на фиг. 2, а практически с любым количеством лопастей. Вентилятор может быть установлен как внутри башни градирни, так и на отдельных опорах. It is possible to use a fan other than four, as in FIG. 2, but with almost any number of blades. The fan can be installed both inside the tower of the cooling tower and on separate supports.

Вместо одного щелевого сопла на каждой лопасти для более равномерного распределения охлаждаемой воды по поперечному сечению градирни можно использовать несколько сопел с коническими внутренними каналами, например, ввинчиваемых в тело лопасти в зоне ее выходной кромки и обеспечивающих распыление жидкости приблизительно тангенциально и в плоскости вращения лопастей. При расчете выходных сечений конических сопел, расположенных на разных радиусах вращения, необходимо учитывать изменение давления жидкости перед соплами по радиусу. Instead of a single slotted nozzle on each blade, for a more even distribution of the cooled water over the cross section of the tower, several nozzles with conical internal channels can be used, for example, screwed into the body of the blade in the area of its outlet edge and providing liquid atomization approximately tangentially and in the plane of rotation of the blades. When calculating the outlet cross sections of conical nozzles located at different radii of rotation, it is necessary to take into account the radius change of the liquid pressure in front of the nozzles.

Во избежание засорений сопел, желательно, чтобы минимальный размер сопла (высота для щелевого и выходной диаметр для конического) был бы не меньше 10 12 мм. При меньших высотах щелевых или диаметрах конических сопл можно достичь лучшего разбрызгивания охлаждаемой жидкости и добиться увеличения надежности ее, в этом случае потребуется установка дополнительного фильтра тонкой очистки охлаждаемой жидкости. In order to avoid clogging of nozzles, it is desirable that the minimum size of the nozzle (height for slotted and outlet diameter for conical) is not less than 10 12 mm. At lower slotted heights or diameters of conical nozzles, it is possible to achieve better spraying of the cooled liquid and to increase its reliability; in this case, it will be necessary to install an additional filter for fine cleaning the cooled liquid.

Может быть использован промежуточный вариант реализации изложенного предложения, при котором вращение вала вентилятора осуществляется как за счет момента сил реакций потоков, вытекающих из сопл, так и за счет момента дополнительного электропривода, закрепленного на башне. An intermediate version of the implementation of the above proposal can be used, in which the rotation of the fan shaft is carried out both due to the reaction forces of the flows arising from the nozzles, and due to the moment of an additional electric drive mounted on the tower.

Claims

1. A cooling tower with a built-in forced cooling fan, comprising a hollow tower mounted on a foundation with fan blades mounted on it and equipped with blades, a foundation pool under the tower, a spray device with a cooling water supply pipe, a drop eliminator, a discharge pipe, characterized in that the shaft and the fan blades are made hollow, and the spray device is made in the form of tapering nozzles installed tangentially in the outlet edges of the blades and in a plane close to to the plane of their rotation, and the cavity inside the blades communicated with the nozzles and with a cavity inside the shaft, which is connected to the supply pipe.

2. The cooling tower according to claim 1, characterized in that the fan is additionally equipped with an electric drive mounted on the tower.