CC BY
233
УДК 66.045.3.5
ФОРСУНКА ДЛЯ ЭЖЕКЦИОННЫХ ГРАДИРЕН НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Н.Н.Заводов
ATOMIZER FOR THE NEW-GENERATION EJECTION COOLING TOWERS
N.N.Zavodov
Политехнический институт НовГУ, [email protected]
Проведен анализ существующих конструкций градирен, используемых в водооборотных системах промышленных предприятий. Представлены их преимущества и недостатки. Описана конструкция оригинальной форсунки для использования в водораспределительных системах охлаждения и приведены ее характеристики, позволившие реализовать эффект эжекции в новых градирнях по технологии «ЭГРА».
Ключевые слова: водооборотные системы охлаждения, градирни, сопла, форсунки, эжекция, технология «ЭГРА»
The article analyzes the existing constructions of cooling towers used in water circulation systems of plants and factories. Their advantages and disadvantages are shown. We describe the design of an original atomizer for using in water distribution cooling systems and also present its characteristics enabling to realize the ejection effect for new towers by the technology «EGRA». Keywords: water circulation cooling systems, cooling towers, nozzles, atomizers, ejection, technology "EGRA"
Введение
На сегодняшний день практически во всех отраслях промышленности в подавляющем большинстве случаев водооборотные системы охлаждения на предприятиях стали неотъемлемой частью структуры производства. Основными элементами этих систем являются градирни.
Основным видом водораспределительных устройств большинства современных градирен является система напорных стальных трубопроводов с пластмассовыми соплами.
Общеизвестное требование к основной функции таких устройств — обеспечение равномерного распределения воды по оросителю при небольших энергозатратах без создания ощутимых препятствий проходу и распределению потока воздуха. Вместе с тем, по отзывам эксплуатационников, им важны еще и затраты на монтаж, надежность, доступная цена, поскольку современные сопла практически во всем многообразии эффективно выполняют свою основную функцию.
Анализ, приведенный в работе [1], показывает, что до сих пор находят применение в основном следующие типы сопел: центробежные, струйно-винтовые
и ударные. При этом разнообразие конструктивных решений довольно большое.
В частности, инженерами научно-производственного предприятия «Вайгач» (Новгород) еще в 1993 г. была разработана и запатентована конструкция струйно-винтового сопла большой производительности [2], которая нашла применение в конструкциях как вентиляторных, так и безвентиляторных градирен [3]. Она прошла всесторонние испытания в условиях НИИ ВОДГЕО и получила высокую оценку специалистов.
Целью данной статьи является анализ достоинств и недостатков существующих конструкций градирен и описание новых конструктивных решений в этой области, реализация которых позволила создать совершенно новую технологию, получившую название «ЭГРА».
Основная часть
В течение многих десятилетий наиболее широкое применение имеют вентиляторные и башенные градирни, причем их принципиальные схемы за этот период практически не изменились. Менялись лишь материалы, из которых изготавливаются детали и составные части агрегатов.
Башенные градирни более надежны и поэтому, учитывая специфику турбинных циклов, они традиционно применяются для охлаждения оборотной воды на ТЭЦ и других тепловых станциях, но они имеют худшую охлаждающую способность. Кроме того, строительство башенных градирен требует значительных капитальных затрат. В этой связи в последние годы на некоторых тепловых станциях были построены вентиляторные градирни. Оба типа этих градирен имеют целый ряд общих недостатков.
1. При отсутствии реагентной обработки воды поверхности оросителей интенсивно обрастают микрофлорой, создавая сопротивление движению воздуха. При этом снижение тепловой нагрузки на градирню в зимний период приводит к обледенению и разрушению оросителей.
2. Водораспределительная система и каплеуло-витель расположены в труднодоступном месте. В связи с этим для их технического обслуживания необходимо полностью останавливать градирни.
3. Трубопроводы водораспределительной системы, расположенные в активной зоне внутри градирни, очень быстро корродируют.
4. Через открытую нижнюю часть градирен (зона воздуховходных окон) при боковом ветре наблюдается значительный вынос капельной влаги, что в совокупности с капельным уносом через выхлопной канал достигает 3% и более от общего расхода воды. А это существенные расходы на подпитку.
Кроме того, вентиляторные градирни имеют и свои специфические недостатки.
1. Вентиляторы также довольно часто выходят из строя, в особенности современные рабочие колеса, изготавливаемые из пластмасс. Через каждые 3-4 года их приходится менять. Монтаж (демонтаж) вентиляторов требует применения больших автокранов.
2. Ремонт оросителей и вентиляторов — весьма дорогостоящее мероприятие.
3. Работа вентиляторов требует дополнительных затрат на электроэнергию.
Периодически предпринимаются попытки устранить эти недостатки либо создать разумную альтернативу вентиляторным градирням. Так, в 80-х гг. прошлого века фирмой «Baltimore Aircoil» (США) был разработан малогабаритный эжекционный охладитель, послуживший прототипом для всех последующих конструкций. Начиная с 90-х гг. и в России стали появляться подобные аппараты — «Муссон» (ООО «Политехника», Ярославль), «Прагма» (ООО «Инженерный центр ВК», С.-Петербург), градирня фирмы «Новые технологии» и др.
Однако охладители балтиморовского типа так и не смогли составить серьезную конкуренцию вентиляторным градирням ввиду их низких эксплуатационных характеристик: недостаточная глубина охлаждения, большой каплеунос, малые перепады температур, высокое потребное давление (0,4-0,5 МПа), незначительная единичная производительность и др. Достоинством этих агрегатов являются малые габариты и соответственно их низкая себестоимость.
Все это и предопределило область их применения — предприятия с небольшими расходами воды, где существенные перерасходы электроэнергии на обеспечение высокого давления не столь ощутимы.
Как бы там ни было, но идея полезного использования бросовой энергии остаточного давления воды для ее охлаждения осталась весьма заманчивой. В этой связи специалисты НПФ «Пульсар» совместно с НПФ «Вайгач» с конца 90-х гг. сначала по собственной инициативе, а в 2004-2005 гг. — по контракту с правительством РФ в рамках федеральной программы «Старт» занимались углубленным изучением особенностей теплообмена при эжекции.
В процессе исследований были выявлены основные причины, определяющие негативные характеристики балтиморовских охладителей и других эжекционных систем.
В результате проведенной работы была разработана технология «ЭГРА», позволяющая не только строить принципиально новые, но и реконструировать старые градирни любых типов. Сущность технологии изложена в восьми заявках на патент РФ, поданных авторами за последние пять лет.
В одной из этих заявок предложена конструкция ударно-вихревой форсунки, использование которой и позволяет реализовать технологию «ЭГРА».
Известно, что наиболее важными факторами, определяющими эффективность тепломассообмена при испарительном охлаждении жидкостей, являются степень диспергирования, скорость движения и структура потока.
Предлагаемая форсунка по этим и ряду других параметров имеет одни из лучших показателей — размер капель не превышает 2 мм, структура факела в виде полого конуса, сформированного из множества закрученных струй, одновременно движущихся с большими скоростями по спиральным траекториям в контуре конуса (рис.1). Такая структура потока создает сильную его турбулизацию, также способствующую интенсификации тепломассообмена.
Рис.1. Форсунка в работе
Высокая эффективность достигается благодаря соразмерности и конфигурации элементов проточной части форсунки. Конструкция специального вкладыша «сатурнель» определяет локальное скачкообразное повышение давления, вследствие чего даже при сравнительно невысоких давлениях в системе поток с большими скоростями вырывается из отверстия насадки.
Форсунка предназначена для применения в качестве разбрызгивающего устройства в скрубберах, градирнях, брызгальных бассейнах и других тепло-массообменных аппаратах контактного типа.
Помимо характеристик, указанных выше, факел с такой структурой обладает повышенной эжектирующей способностью. Это свойство определяет возникновение в объеме насадочных градирен дополнительной зоны интенсивного тепломассообмена, кроме поверхностей оросителя, а в эжекционных агрегатах позволяет снизить в 1,5-2 раза величину рабочего давления.
Так, например, только установка подобных форсунок в брызгальных бассейнах позволяет снизить температуру охлажденной воды на 1-2°С.
Форсунки могут быть выполнены из различных полимерных материалов — полиамида, полистирола, полипропилена.
Рабочая характеристика форсунки позволяет эффективно использовать ее при различных величинах рабочего давления (рис.2).
G, м3/ч
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
0 1 2 3 4 5
Pи, 10 1
Диаметр выходного отверстия форсунки
1 — 15 мм; 2 — 11 мм
Рис.2. Зависимость производительности форсунки от рабочего давления
Технические характеристики форсунки ФУВ-2 Диапазон рабочих давлений, МПа
— в вентиляторных и башенных градирнях от 0,07
— в эжекционных системах 0,2 ± 0,05
Диаметр присоединительной резьбы хвостовика
— резьба охватывающая — труб. 1"
Габаритные размеры, мм
— диаметр 96
— длина 140
К настоящему времени более двух тысяч форсунок ФУВ-2 смонтированы и работают на различных предприятиях России.
Заключение
Благодаря своим исключительным техническим характеристикам и вполне доступной цене данные форсунки нашли применение в различных тепломассообменных аппаратах контактного типа. Однако главное их достоинство в том, что на основе этих характеристик удалось спроектировать и построить эжекционные градирни нового поколения, аналогов которым в мире еще нет.
1. Пономаренко B.C. Водораспределительные устройства градирен. Водоснабжение и санитарная техника. М.: Стройиздат, 1996. С.4-6.
2. Патент на изобретение № 2084292. МПК В05В. Форсунка / Н.В.Барсуков. Заявл. 03.02.1993. Опубл. 20.07.1997. 5 с.
3. Барсуков Н.В., Заводов Н.Н., Малкин А.Н. Струйно-винтовые сопла большой производительности // Машиностроитель. 2001. №1. С.13-14.
Bibliography (Transliterated)
1. Ponomarenko B.C. Vodoraspredelitel'nye ustroistva gradiren. Vodosnabzhenie i sanitarnaia tekhnika. M.: Stroiizdat, 1996. S.4-6.
2. Patent na izobretenie № 2084292. MPK V05V. Forsunka / N.V.Barsukov. Zaiavl. 03.02.1993. Opubl. 20.07.1997.
5 s.
3. Barsukov N.V., Zavodov N.N., Malkin A.N. Struino-vintovye sopla bol'shoi proizvoditel'nosti // Mashinostroitel'. 2001. №1. S.13-14.
