RU2650453C1

RU2650453C1 - Sectional ejection cooling tower of open type

Info

Publication number: RU2650453C1
Application number: RU2017116909A
Authority: RU
Inventors: Николай Васильевич Барсуков; Артемий Николаевич Барсуков
Original assignee: Николай Васильевич Барсуков; Артемий Николаевич Барсуков
Priority date: 2017-05-15
Filing date: 2017-05-15
Publication date: 2018-04-13

Abstract

FIELD: energy.

SUBSTANCE: invention relates to heat power engineering and can be used as a circulating water cooler at medium and large industrial facilities, including in the northern latitudes. Sectional ejection cooling tower contains a single body divided into sections by volumetric flow-form partitions and under them through airway corridors, the upper surface of which is the inclined weirs designed for basing the ejection units, from below – a continuous flooring of technological platforms, as well as a system of stairs, doors and ladders for easy maintenance of the unit. Below the technological platforms in the walls of the hull on the cooling tower contour are air intake windows, in the openings of which the drip tray units are vertically installed, the longitudinal walls of the airway corridors are open, their entrances on both sides are equipped with insulated sliding gates, the openings of the air intake windows on the outside have insulated shutters of the turning type, and in each section between the lower edges of the opposite weirs on the support grid is laid a layer of the sprinkler, and in the upper part of the cooling tower is open across the whole area and along the perimeter of its body is mounted a common exhaust channel, which has a confusable shape.

EFFECT: increasing the cooling capacity of the cooling tower in the summer, ensuring reliable operation of the cooling tower in winter, even at very low temperatures and reducing capital costs for construction.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в качестве охладителя оборотной воды на средних и крупных промышленных объектах, включая электростанции типа ТЭС, ГРЭС и АЭС, в том числе и в северных широтах.The invention relates to a power system and can be used as a circulating water cooler at medium and large industrial facilities, including power plants such as TPPs, state district power stations and nuclear power plants, including in northern latitudes.

Наиболее близкой по техническим решениям, является эжекционная градирня (см. патент RU, №2506512, F28C 1/00, 27.02.2012) - прототип. Градирня имеет единый корпус, разделенный на секции криволинейными перегородками и сквозными воздуховодными тоннелями. В нижней части корпуса расположены рама опорная и водосборный бассейн. В верхней части градирни над каждой секцией устроен выхлопной канал с установленным внутри, каплеуловителем. Ограждающими поверхностями каждого тоннеля являются сверху - водосливы, по бокам - ветровые перегородки, снизу - палуба нижняя. Над входами тоннеля смонтированы завесы. Его внутренний объем поделен на два яруса технологической площадкой. Каждая секция имеет по два водослива с уклоном навстречу друг другу. Под водосливами расположены коллекторы водораспределительной системы. Над ними установлены эжекторы, форсунки которых сориентированы вверх по их осям. В каждом эжекторе обеспечен гидрозатвор между факелом форсунки и стенкой эжекционного канала.The closest in technical solutions is the ejection cooling tower (see patent RU, No. 2506512, F28C 1/00, 02/27/2012) - the prototype. The cooling tower has a single housing, divided into sections by curved partitions and through air ducts. In the lower part of the body there is a supporting frame and a catchment basin. In the upper part of the tower above each section an exhaust channel is arranged with a drop eliminator installed inside. The enclosing surfaces of each tunnel are on top - spillways, on the sides - wind partitions, below - the lower deck. Over the entrances of the tunnel, curtains are mounted. Its internal volume is divided into two tiers by a technological platform. Each section has two weirs with a slope towards each other. Collectors of the water distribution system are located under the weirs. Ejectors are installed above them, the nozzles of which are oriented upwards along their axes. In each ejector, a water seal is provided between the nozzle torch and the wall of the ejection channel.

Практика эксплуатации таких градирен выявила следующие их недостатки. Форма и сравнительно малая площадь выхлопных каналов, а также наличие в них каплеуловителя создают существенное аэродинамическое сопротивление, препятствуя выходу паровоздушной смеси. Вследствие этого при работе эжекторов в объеме активной зоны появляется некоторое избыточное давление воздуха. Под действием этого давления наблюдается частичный отток эжектированного воздуха через эжекционные каналы, который увлекает за собой водяную пыль. В зимний период это явление приводит к обледенению эжекционных узлов. Кроме того, указанное повышение давления снижает величину коэффициента эжекции, а следовательно, и охлаждающую способность агрегата.The practice of operating such cooling towers revealed their following disadvantages. The shape and relatively small area of the exhaust channels, as well as the presence of a droplet eliminator in them create a significant aerodynamic resistance, preventing the exit of the vapor-air mixture. As a result of this, during operation of the ejectors, some excess air pressure appears in the core volume. Under the influence of this pressure, a partial outflow of ejected air through the ejection channels is observed, which entrains water dust. In winter, this phenomenon leads to icing of the ejection units. In addition, the specified increase in pressure reduces the value of the ejection coefficient, and hence the cooling ability of the unit.

При лобовом столкновении в верхней части водяных потоков, поступающих с противоположных водосливов, значительная часть воздуха уходит в атмосферу. После чего со струями образовавшегося дождя, свободно падающего в водосборный бассейн, взаимодействует намного меньшее количество воздуха, что также снижает эффективность процесса охлаждения воды.In a head-on collision in the upper part of the water flows coming from opposite weirs, a significant part of the air goes into the atmosphere. After that, much less air interacts with the streams of rain that forms freely falling into the catchment basin, which also reduces the efficiency of the water cooling process.

Конструкция градирни имеет достаточно высокую металлоемкость.The design of the cooling tower has a fairly high metal consumption.

Задачами данного изобретения являются: повышение охлаждающей способности градирни в летний период, обеспечение надежной работы градирни в зимний период даже при очень низких температурах и снижение капитальных затрат.The objectives of this invention are: increasing the cooling capacity of the tower in the summer, ensuring reliable operation of the tower in the winter even at very low temperatures and reducing capital costs.

Для решения этих задач предложена секционная эжекционная градирня открытого типа, имеющая единый корпус, разделенный на секции объемными перегородками обтекаемой формы и расположенными под ними сквозными воздуховодными коридорами. Ниже, в стенках корпуса по контуру градирни выполнены воздухозаборные окна. В каждой секции между нижними кромками противоположных водосливов уложен слой оросителя. В верхней части градирня открыта по всей площади и по периметру ее корпуса смонтирован общий выхлопной канал, имеющий конфузорную форму.To solve these problems, an open-type sectional ejection cooling tower has been proposed, which has a single casing, divided into sections by volumetric streamlined partitions and through them air ducts located under them. Below, in the walls of the housing along the contour of the cooling tower, air intake windows are made. In each section between the lower edges of the opposite spillways a layer of irrigator is laid. In the upper part of the tower, it is open throughout the area and a common exhaust channel having a confuser shape is mounted around the perimeter of its body.

Для удобства технического обслуживания градирня оснащена системой лестниц, дверей и трапов. Градирня может базироваться как над заглубленным железобетонным водосборным бассейном, так и в приподнятом положении.For the convenience of maintenance, the cooling tower is equipped with a system of stairs, doors and ladders. The cooling tower can be based both above a deepened reinforced concrete drainage basin and in an elevated position.

Принципиальная схема градирни представлена на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 - общий вид градирни. На фиг. 2 - поперечный разрез по фиг. 1.A schematic diagram of a cooling tower is shown in FIG. 1 and 2. In FIG. 1 is a general view of a cooling tower. In FIG. 2 is a cross-sectional view of FIG. one.

По схеме корпус градирни, базирующийся над заглубленным железобетонным водосборным бассейном, имеет металлический каркас 1. Корпус разделен на несколько секций объемными перегородками 2 и сквозными воздуховодными коридорами. Перегородки в поперечном сечении имеют обтекаемую грушевидную форму и обшиты снаружи листовыми полимерными материалами. Образующими поверхностями воздуховодных коридоров являются: сверху - наклонные водосливы 3, снизу - технологические площади 4. Продольные стенки воздуховодных коридоров открыты. Водосливы предназначены для базирования эжекционных узлов, на которых сверху устанавливают эжекционные каналы 5, а непосредственно под ними расположена водораспределительная система 6 с форсунками 7 и с запорной арматурой 8 на стояках. Ниже в стояки врезаны боковые отводы с запорной арматурой 9. В объеме каждой секции на уровне нижней кромки водосливов смонтирована опорная решетка 10, на которой уложен слой оросителя 11. Ниже технологических площадок в стенках корпуса по контуру градирни выполнены воздухозаборные окна, в проемах которых вертикально установлены блоки каплеуловителя 12. Входы воздуховодных коридоров с обеих сторон снабжены утепленными раздвижными затворами 13. Проемы воздухозаборных окон снаружи также имеют утепленные затворы 14 поворотного типа. Все раздвижные и поворотные затворы изготовлены из легких полимерных материалов В верхней части градирня открыта по всей площади и по периметру ее корпуса смонтирован общий выхлопной канал 15, имеющий конфузорную форму. Для технического обслуживания конструкций выхлопного канала в градирне предусмотрены два трапа - внутренний 16 и наружный - 17, а также двери 18. Обслуживающий персонал имеет свободный доступ к элементам водораспределительной системы, попадая в воздуховодные коридоры через открытые раздвижные затворы с поверхности нижнего трапа 19. В непосредственной близости от одной из торцевых стенок градирни смонтирована лестничная клеть 20. Для надежной локализации активной зоны и снижения теплопотерь при низких температурах все ограждения градирни 21 выполнены двухслойными из листовых полимерных материалов.According to the scheme, the cooling tower housing, based on a recessed reinforced concrete drainage basin, has a metal frame 1. The housing is divided into several sections by volumetric partitions 2 and through air ducts. Partitions in cross section have a streamlined pear-shaped shape and are sheathed on the outside with sheet polymer materials. The forming surfaces of the air ducts are: on top - inclined spillways 3, on the bottom - technological areas 4. The longitudinal walls of the air ducts are open. Spillways are designed to base the ejection units, on which the ejection channels 5 are mounted on top, and directly below them is the water distribution system 6 with nozzles 7 and with shutoff valves 8 on the risers. Lower side bends with stop valves 9 are cut into the risers. A support grid 10 is mounted in the volume of each section at the level of the lower edge of the spillways, on which an irrigation layer 11 is laid. Below the technological platforms, air intake windows are made along the contour of the cooling tower, in the openings of which vertically installed droplet eliminator blocks 12. The entrances of the air ducts on both sides are equipped with insulated sliding shutters 13. The openings of the air intake windows from the outside also have insulated shutters 14 of a rotary type. All sliding and butterfly valves are made of lightweight polymeric materials. In the upper part of the cooling tower is open over the entire area and a common exhaust channel 15 having a confuser shape is mounted around the perimeter of its body. For maintenance of the exhaust duct structures, two cooling ladders are provided in the cooling tower - internal 16 and external - 17, as well as doors 18. Maintenance personnel have free access to the elements of the water distribution system, entering the air ducts through open sliding shutters from the surface of the lower ladder 19. In the immediate a staircase 20 is mounted near one of the end walls of the tower 20. For reliable localization of the active zone and reduction of heat loss at low temperatures, all the fencing of the tower 21 made of two-layer sheet polymer materials.

Градирня работает следующим образом. Нагретая вода выталкивается форсунками в эжекционные каналы 5, в которых из объемов воздуховодных коридоров эжектируется необходимое количество воздуха. Охлаждение воды начинается уже в объеме эжекционных каналов, где происходит интенсивный подсос воздуха и потоки движутся с большими скоростями - первая зона активного охлаждения. После эжекционных узлов потоки диспергированной воды, взаимодействуя с воздухом, в режиме интенсивной турбулизации движутся вверх по криволинейным траекториям на высоту до 4-5 м - вторая зона активного охлаждения. В верхней части градирни происходит лобовое столкновение потоков, поступающих с противоположных водосливов. При этом капли многократно дробятся и витают в процессе хаотического движения, как бы зависая в объеме на некоторое время.The cooling tower works as follows. Heated water is pushed by nozzles into the ejection channels 5, in which the required amount of air is ejected from the volumes of the air ducts. Water cooling begins already in the volume of the ejection channels, where there is an intensive intake of air and flows move at high speeds - the first zone of active cooling. After the ejection units, flows of dispersed water interacting with air, in the regime of intense turbulization, move upward along curved paths to a height of 4-5 m - the second zone of active cooling. In the upper part of the tower there is a head-on collision of flows coming from opposing weirs. In this case, the drops are crushed many times and soar in the process of chaotic motion, as if hanging in the volume for a while.

Отработавший воздух уходит через выхлопной канал 15 в атмосферу - третья зона активного охлаждения. Затем охлаждаемая вода, увлекая за собой некоторую часть эжектированного воздуха, падает на поверхность оросителя 11 в виде свободного дождя. Здесь водяные потоки опять дробятся, интенсивно перемешиваясь с воздухом в его объеме - четвертая дополнительная зона активного охлаждения. Снижение скорости водяных потоков, а также наличие аэродинамического сопротивления препятствуют сквозному проходу воздуха вниз через слой оросителя. После оросителя охлажденная вода ниспадает в водосборный бассейн. В то же время за счет работы эжекционных узлов через воздуховходные окна градирни и блоки каплеуловителя 12 постоянно идет подсос новых объемов воздуха из атмосферы. Потоки воздуха, поступая в активную зону градирни, прежде чем попасть на всас эжекционных узлов, «просеиваются» сквозь капли и струи падающего дождя, доохлаждая оборотную воду - пятая дополнительная зона активного охлаждения.The exhaust air leaves through the exhaust channel 15 into the atmosphere - the third zone of active cooling. Then the cooled water, dragging along some of the ejected air, falls on the surface of the irrigator 11 in the form of free rain. Here, water flows again crush, intensively mixing with air in its volume - the fourth additional zone of active cooling. A decrease in the speed of water flows, as well as the presence of aerodynamic drag, impedes the through passage of air down through the sprinkler layer. After the sprinkler, chilled water flows into the catchment area. At the same time, due to the operation of the ejection units through the air inlet windows of the tower and the units of the droplet eliminator 12, there is constantly suction of new volumes of air from the atmosphere. Air flows entering the active zone of the cooling tower, before entering the suction of the ejection units, “sift” through drops and streams of falling rain, aftercooling the circulating water - the fifth additional zone of active cooling.

Такая схема организации процесса обеспечивает режим интенсивного тепломассообмена теплоносителей практически на всем пути их перемещения в активной зоне градирни. Наличие оросителя не только способствует увеличению времени контакта теплоносителей и повышает эффективность процесса охлаждения, но и решает еще одну важную задачу. При его расположении между водосливами он создает некоторое аэродинамическое сопротивление, препятствуя рециркуляции отработавшего воздуха снова на всас эжекционных узлов.Such a process organization scheme provides the regime of intense heat and mass transfer of heat carriers practically along the entire path of their movement in the active zone of the cooling tower. The presence of a sprinkler not only helps to increase the contact time of the coolants and increases the efficiency of the cooling process, but also solves another important problem. When it is located between the weirs, it creates some aerodynamic drag, preventing the exhaust air from being recycled again to the suction of the ejection units.

Многократно увеличенная площадь общего выхлопного канала 15 соответственно уменьшает скорость выхода паровоздушной смеси до уровня много ниже скорости витания капель. Это предотвращает каплеунос даже без монтажа каплеуловителя в площади выхлопного канала и устраняет аэродинамическое сопротивление, препятствующее выходу отработавшего воздуха. Кроме того, отсутствие в активной зоне избыточного давления повышает коэффициент эжекции, а также исключает вынос капельной влаги из эжекционных каналов 5 в объем воздуховодных коридоров.The greatly increased area of the common exhaust channel 15, respectively, decreases the exit velocity of the vapor-air mixture to a level much lower than the droplet soaking speed. This prevents droplet formation even without the installation of a droplet eliminator in the area of the exhaust channel and eliminates aerodynamic drag that prevents the exhaust air from escaping. In addition, the absence of excess pressure in the core increases the ejection coefficient, and also eliminates the transfer of droplet moisture from the ejection channels 5 to the volume of the air ducts.

Предложенная конструкция градирни обеспечивает широкий диапазон регулирования агрегата при изменении климатических условий и тепловой нагрузки.The proposed design of the cooling tower provides a wide range of regulation of the unit when changing climatic conditions and heat load.

В летний период для того, чтобы обеспечить полное взаимодействие вновь поступающего атмосферного воздуха, раздвижные затворы 13 закрывают, а поворотные затворы 14 полностью открывают. Другие режимы работы градирни возможны, если обеспечить сообщение воздуховодных коридоров непосредственно с атмосферой, при частично открытых раздвижных затворах. В этом случае воздушный поток из объема активной зоны под оросителем уменьшится, но на всас эжекторов будет поступать больше воздуха с меньшей относительной влажностью. In the summer period, in order to ensure full interaction of the newly incoming atmospheric air, the sliding shutters 13 are closed, and the rotary shutters 14 are fully open. Other cooling tower operating modes are possible if air ducts are connected directly to the atmosphere with partially open sliding shutters. In this case, the air flow from the volume of the active zone under the sprinkler will decrease, but more air with less relative humidity will flow to the suction port of the ejectors.

В зимний период раздвижные затворы 13 всегда плотно закрыты. А поворотные затворы 14 в диапазоне умеренных температур частично или полностью открыты. При этом поступающий атмосферный воздух, «просеиваясь» через теплый дождь, ощутимо нагревается. В результате в объемах воздуховодных коридоров под водосливами создается «парниковая» зона за счет теплоты охлаждаемой воды.In the winter, the sliding shutters 13 are always tightly closed. And the butterfly valves 14 in the moderate temperature range are partially or completely open. At the same time, the incoming atmospheric air, "sifting through" warm rain, heats up significantly. As a result, a “greenhouse” zone is created under the weirs in the volumes of air-duct corridors due to the heat of the cooled water.

При очень низких температурах в зависимости от тепловой нагрузки градирни поворотные затворы 14 частично открывают либо полностью закрывают, прекращая подачу холодного воздуха. При этом охлаждение воды осуществляется за счет ее конвективного теплообмена с холодным воздухом через выхлопной канал 15 градирни.At very low temperatures, depending on the thermal load of the tower, the butterfly valves 14 partially open or completely close, stopping the supply of cold air. In this case, the water is cooled due to its convective heat exchange with cold air through the exhaust channel 15 of the tower.

При экстремально низких температурах все затворы полностью закрыты. Запорную арматуру 8 на стояках закрывают, а 9 на боковых отводах открывают, и нагретая вода подается непосредственно в водосборный бассейн, минуя эжекционные узлы. При этом теплообмен с окружающей средой осуществляется только через выхлопной канал 15 со свободной поверхности воды в бассейне.At extremely low temperatures, all gates are completely closed. Shutoff valves 8 on the risers are closed, and 9 on the lateral branches open, and heated water is supplied directly to the catchment basin, bypassing ejection units. In this case, heat exchange with the environment is carried out only through the exhaust channel 15 from the free surface of the water in the pool.

Технологическая схема процесса охлаждения и предлагаемая конструкция градирни позволяют получить следующие технические результаты.The technological scheme of the cooling process and the proposed design of the cooling tower allow to obtain the following technical results.

Многократное увеличение площади выхлопного канала устраняет аэродинамическое сопротивление на выходе образовавшейся паровоздушной смеси и повышает коэффициент эжекции. Наличие оросителя улучшает тепломассообмен и предотвращает рециркуляцию отработавшего воздуха снова на всас эжекционных узлов. Атмосферный воздух поступает к эжекторам, «просеиваясь» через струи ниспадающего дождя, увеличивая время контакта теплоносителей. Все это повышает охлаждающую способность градирни.A multiple increase in the area of the exhaust channel eliminates aerodynamic drag at the outlet of the resulting vapor-air mixture and increases the ejection coefficient. The presence of a sprinkler improves heat and mass transfer and prevents exhaust air recirculation again to the suction ejection units. Atmospheric air enters the ejectors, “sifting through” jets of falling rain, increasing the contact time of the coolants. All this increases the cooling capacity of the tower.

Предложенная схема процесса тепломассообмена, наличие системы затворов, а также обогрев воздуховодных коридоров теплотой из активной зоны градирни гарантированно предотвращают обмерзание эжекционных узлов в зимний период.The proposed scheme of the heat and mass transfer process, the presence of a gate system, as well as the heating of the air ducts with heat from the core of the cooling tower are guaranteed to prevent freezing of the ejection units in the winter.

Отсутствие у градирни кровли, а также второго яруса в конструкции воздуховодных коридоров существенно сокращает металлоемкость агрегата, а следовательно, и величину капитальных затрат на его строительство.The absence of the roof of the tower, as well as the second tier in the design of the air ducts, significantly reduces the metal consumption of the unit, and consequently, the amount of capital costs for its construction.

Claims

Sectional ejection cooling tower, containing a single casing, divided into sections by volumetric streamlined partitions and through them air ducts located under them, the forming surfaces of which are above - inclined spillways designed to base ejection units, from below - continuous flooring of technological platforms, as well as a system of stairs, doors and ladders for ease of maintenance of the unit, characterized in that below the technological platforms in the walls of the housing along the contour of the cooling tower and made air intake windows, in the openings of which droplet eliminator blocks were vertically installed, the longitudinal walls of the air ducts are open, their entrances are equipped with insulated sliding shutters on both sides, the openings of the air intake windows have insulated rotary shutters, and in each section between the lower edges of the opposite spillways the irrigation layer is laid in the grate, and in the upper part of the cooling tower it is open over the entire area and a common exhaust channel with a confuser form.