СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ ЖИДКИХ, ГАЗООБРАЗНЫХ И МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. Российский патент 2000 года по МПК F22G5/12 

Изобретение относится к энергетике, в частности к редуцированию и охлаждению перегретого пара в пускосбросных устройствах тепловых и атомных электростанций, редуцированию и охлаждению газообразных и мелкодисперсных сред при авариях на атомных электростанциях.

Известен способ изменения температуры и давления жидких и газообразных сред, в частности воды и водяного пара, заключающийся в делении сред на части, сообщении каждой части заданного направления и величины скорости, подачи их в зону контакта, смешения, разделения и вывода (Авторское свидетельство СССР N 569795, кл. F 22 G 5/12, 1977). В данном способе изменения температуры и давления воды и пара воду подают в поток пара в зоне контакта на участке его движения с малой скоростью, причем вода подается в виде одной струи, разнонаправленной с потоком пара.

Недостатками способа являются:
низкая эффективность процессов тепло- и массообмена в зоне контакта сред;
пульсации газожидкостной смеси в зоне контакта.

Известно устройство для изменения температуры и давления жидких и газообразных сред (Авторское свидетельство СССР N 569795, кл. F 22 G 5/12, 1977), в котором имеется камера смешения, узлы подвода жидких и газообразных сред и узлы их вывода.

Данное устройство обладает кроме недостатков вышеописанного способа также низкой надежностью, связанной с высокими градиентами температур на стенках, контактирующих одной стороной с водой, а другой - с паром.

Известен способ изменения температуры и давления жидких и газообразных сред, в частности воды и водяного пара, заключающийся в делении сред на части, сообщения каждой части заданного направления и величины скорости, подачи их в зону контакта, смешивания, разделения и вывода (Авторское свидетельство СССР N 1110990, кл. F 22 G 5/12, 1982).

В указанном способе изменения температуры и давления воды и пара воду также подают в поток пара в зоне контакта на участке его движения с малой скоростью и также жидкость подается в виде одной сплошной струи, но спутнонаправленной с потоком пара.

Это позволяет несколько интенсифицировать процессы тепло- и массообмена и снизить уровень пульсаций газожидкостной смеси в зоне контакта сред.

Недостатками способа являются:
низкая эффективность процессов тепло- и массообмена в зоне контакта сред;
пульсации газожидкостной смеси в зоне контакта.

Известно устройство для изменения температуры и давления жидких и газообразных сред (Авторское свидетельство СССР N 1110990, кл. F 22 G 5/12, 1982), в котором имеется камера смешения, узлы подвода жидких и газообразных сред и узлы их вывода.

Данное устройство обладает кроме недостатков вышеописанного способа также низкой надежностью, связанной с высокими градиентами температур на стенках, контактирующих одной стороной с водой, а другой - с паром.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому нами является способ изменения температуры и давления жидких и газообразных сред, в частности воды и водяного пара, заключающийся в делении сред на части, сообщении каждой части заданного направления и величины скорости, подачи их в зону контакта, смешения, разделения и вывода (Авторское свидетельство СССР N 1715011, кл. F 22 G 5/12, 1989).

В данном способе изменения температуры и давления воды и пара жидкость в поток пара подают также на участке его движения с малой скоростью и также жидкость в поток пара подается в виде одной спутнонаправленной струи. Однако поддержание расхода воды и отношения радиальной скорости пара к окружной скорости пароводяной смеси постоянными и в заданном диапазоне позволяют интенсифицировать процесс тепло- и массообмена при переменных расходах пара.

Недостатком указанного способа является низкая эффективность процессов тепло- и массообмена в зоне контакта сред.

Известно устройство для изменения температуры и давления жидких и газообразных сред (Авторское свидетельство СССР N 1715011, кл. F 22 G 5/12, 1989), в котором имеется камера смешения, узлы подвода жидких и газообразных сред и узлы их вывода. Данное устройство обладает кроме недостатков вышеописанного способа также низкой надежностью, связанной с высокими градиентами температур на стенках, контактирующих одной стороной с водой, а другой - с паром.

Целью настоящего изобретения является создание способа изменения температуры и давления жидких, газообразных и мелкодисперсных сред, который обеспечил бы повышение эффективности процессов тепло- и масообмена в зоне контакта.

Поставленная цель решается тем, что в способе изменения температуры и давления жидких, газообразных и мелкодисперсных сред, заключающемся в подаче их в зону контакта, деления на части, сообщения каждой части среды заданного направления и величины скорости, смешения, разделения и вывода. Согласно изобретению частям газообразных и мелкодисперсных сред, движущихся в зоне контакта, сообщают знакопеременные ускорения, а части жидкой среды в зоне контакта делят на множество струй.

Описанный способ позволяет повысить эффективность процессов тепло- и массообмена в зоне контакта.

В результате объем зоны контакта удалось снизить в 1,5-1,8 раза по сравнению с зоной контакта прототипа.

Отличительной особенностью данного изобретения является подача газообразных и мелкодисперсных сред на охлаждение со знакопеременными ускорениями, первоначально поток среды тормозится за счет увеличения сопротивления движению потока при сужении каналов, что приводит к повышению давления, а затем ускоряется за счет снижения сопротивления движению потока при расширении проходных сечений каналов, что наоборот снижает давление. В результате температура и давление газообразных и мелкодисперсных сред, находящихся внутри газообразных, за счет совершения работы сжатия и работы расширения снижается.

Как показали экспериментальные исследования, при взаимодействии потока чистого пара или парогазового потока с жидкостью, процесс идет в две стадии. На первой стадии происходит конденсация пара на поверхностях жидкости с выделением тепла и соответственно нагрев жидкости. На второй стадии жидкость испаряется с поглощением тепла.

Конечный процесс испарения жидкости и снижение температуры и давления сред происходит тем быстрее, чем больше поверхность контакта или меньше объемы частей жидкой среды и чем выше относительная скорость сред.

Множество тонких струй жидкости, двигающихся с высокой скоростью поперек газообразных и мелкодисперсных сред, образуют оптимальную зону контакта.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью устройства для изменения температуры и давления жидких, газообразных и мелкодисперсных сред, которое включает камеру смешения, узлы подвода жидких, газообразных и мелкодисперсных сред и узлы их вывода. Согласно изобретению узел подвода жидкой среды в камеру смешения выполнен в виде полых стержней с криволинейными и/или прямыми перфорированными, и/или пористыми стенками, установленными по окружности камеры смешения с интервалами, служащими каналами для прохода газообразных и мелкодисперсных сред в камеру смещения, в варианте оси каналов между перфорированными и/или пористыми стенками полых стержней развернуты относительно радиусов камеры смешения на углы не менее 30^o.

Такое устройство повышает надежность системы изменения температуры и давления. В устройствах, работающих в условиях наличия градиентов температур на стенках, для каждого из применяемых для его изготовления материалов установлены значения предельных допустимых величин градиентов температур. Например, для стенок, изготовленных из стали, градиент температуры по ее толщине не должен превышать 50^o на сантиметр.

Поскольку в аварийных ситуациях на АЭС значения температурных градиентов на стенках данного устройства могут быть существенно выше, необходимо предусмотреть конструкционные мероприятия по снижению градиентов температур на них. Наиболее эффективным мероприятием по снижению градиентов температур является охлаждение всего объема стенки за счет снабжения ее сквозными отверстиями малого диаметра или порами.

Жидкая среда, предназначенная для испарения, продавливается через отверстия или поры и равномерно охлаждает стенку, устраняя высокие градиенты температур.

Выполнение каналов между перфорированными и/или пористыми стенками полых стержней с углом наклона относительно радиусов камеры порядка 30^o обеспечивает возникновение вихревого движения в камере смешения и естественную интенсификацию тепло- и массообменных процессов в нем. Выполнение каналов с углом более 30^o повышает устойчивость и надежность устройства изменения температуры и давления за счет стабилизации вихревого движения газожидкостного слоя в камере смешения более высокими уровнями центробежных сил.

На фиг. 1 изображено устройство для изменения температуры и давления жидких, газообразных и мелкодисперсных сред (продольное сечение).

На фиг. 2 показано поперечное сечение по А-А устройства для изменения температуры и давления фиг. 1.

На фиг. 3 в увеличенном масштабе представлена часть узла подвода жидких сред Б фиг. 2.

Рассмотрим устройство на фиг. 1, 2, 3, которое реализует данный способ.

Устройство для изменения температуры и давления жидких, газообразных и мелкодисперсных сред содержит корпус 1, кольцевой ресивер 2, камеру смешения 3, полые стержни 4, отверстия ввода газообразных и мелкодисперсных сред в ресивер 5, патрубок ввода жидкой среды 6, отверстия ввода жидкой среды в полости стержней 7, струеформирующие отверстия охлаждающей жидкости 8, каналы ввода газообразных и мелкодисперсных сред в камеру смешения 9, канал вывода охлажденной газообразной среды 10, поры для охлаждающей жидкой среды 11, сепаратор 12.

Камера смешения 3 ограничена сбоку полыми стержнями 4 и стенками канала 10, снизу стенкой корпуса 1 и сверху сепаратором 12 и охвачена с внешней боковой стороны кольцевым ресивером 2.

Корпус 1 снабжен патрубком ввода жидкой среды 6, отверстиями ввода газообразных и мелкодисперсных сред 5.

Сепаратор 12 размещен над корпусом 1 и соединен с камерой смешения 3 каналом 10.

Стенки полых стержней 4 в нижней части снабжены отверстиями ввода жидкой среды 7, вдоль каналов 9 струеформирующими отверстиями 8 и вдоль кольцевого ресивера 2 порами для охлаждающей жидкой среды 11.

Далее рассмотрим работу данного устройства, из которого станет ясна и сущность заявленного способа.

Горячая газообразная среда с мелкодисперсными частицами поступает в кольцевой ресивер 2 устройства изменения температуры и давления через отверстия 5 и далее из кольцевого ресивера 2 в каналы 9 между полыми стержнями.

Охлаждающая жидкая среда подается через патрубок 6 в камеру смешения 3 и далее через отверстия 7 в полость стержней 4 и через струеформирующие отверстия 8 в каналы 9. В каналах 9 происходит конденсация паров жидкости на поверхностях струй, разогрев жидкости до температуры кипения и ее частичное испарение.

Каналы 9 имеют переменное продольное сечение: сужающееся на начальном участке и расширяющееся на конечном участке.

Трехфазная система газ-жидкость-твердые частицы из каналов 9 поступает в камеру смешения 3 в жидкую среду.

Вследствие наклона каналов 9 относительно радиусов камеры смешения на углы α в камере 3 образуется вихревой кольцевой газожидкостный слой, из которого газообразная среда отводится барботированием ее через жидкую среду, а мелкодисперсные частицы опускаются в нижнюю часть камеры смешения 3.

Охлажденная газообразная среда из корпуса 1 по каналу 10 поступает на сепаратор 12 для отделения капель жидкой среды.

При высоких разностях температуры газообразной охлаждаемой среды и охлаждающей жидкой среды для предотвращения разрушения стенок полых стержней 4, последние выполняются с порами для прохода охлаждающей жидкой среды 11.

В случае использования предложенного устройства для изменения температуры и давления жидких, газообразных и мелкодисперсных сред на атомных электрических станциях в системе пассивной безопасности оно дополняется фильтром для улавливания радиоактивных изотопов, устанавливаемым после сепаратора 12, а кольцевой ресивер 2 и камера смешения 3 заполнены расчетным количеством жидкой среды постоянно (см. фиг. 1, левая половина продольного сечения).

Пример 1
Устройство для изменения температуры и давления, реализующее предлагаемый способ, установлено на энергоблоке N 6 Минской ТЭЦ-4.

Его основные характеристики следующие:
паропроизводительность горячего пара с температурой 300^oC и давлением 1,3 МПа-10 т/час,
паропроизводительность охлажденного пара с температурой 150^oC и давлением 1,1 МПа-11,1 т/час,
параметры охлаждающей воды: температура 40^oC, давление 1,5 МПа, расход 1,1 т/час,
размеры: диаметр корпуса 213 мм, высота 240 мм.

Пример 2
Устройство для изменения температуры и давления, реализующее предлагаемый способ, установлено в помещении разгрузочных устройств АЭС с ВВЭР-440.

Габаритные размеры: диаметр 9 м, высота - 9 м, диаметр камеры смешения - 6 м, постоянный запас охлаждающей воды не менее 200 т. Устройство предназначено для снижения энергии парогазовой смеси при прорыве горячей нитки первого контура реакторной установки. Таким образом, предлагаемый способ изменения температуры и давления жидких, газообразных и мелкодисперсных сред обеспечивает снижение размера устройства для его осуществления в 1,5-1,8 раз и повышение надежности его работы.

Способ изменения температуры и давления жидких, газообразных и мелкодисперсных сред и устройство для его осуществления относятся к области энергетики, в частности к обеспечению безопасности атомных электростанций при разрыве первого контура реакторной установки. Частям газообразных и мелкодисперсных сред в зоне их контакта сообщают знакопеременные ускорения, а части жидкой среды делят на множество струй. Для осуществления этого узел подвода жидкой среды в камеру смешения сред выполнен в виде полых стержней с криволинейными и/или прямыми перфорированными, и/или пористыми стенками, служащими каналами для прохода газообразных и мелкодисперсных сред, при этом оси каналов развернуты относительно радиусов камеры смешения сред на углы не менее 30°. Такой способ и такое выполнение устройства позволяет обеспечить повышение эффективности процессов тепло- и массообмена в зоне контакта. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ изменения температуры и давления жидких, газообразных и мелкодисперсных сред, заключающийся в делении сред на части, сообщении каждой части заданного направления и величины скорости, подачи их в зону контакта, смешения, разделения и вывода, отличающийся тем, что частям газообразных и мелкодисперсных сред, движущихся в зоне контакта, сообщают знакопеременные ускорения, а части жидкой среды в зоне контакта делят на множество струй. 2. Устройство для изменения температуры и давления жидких, газообразных и мелкодисперсных сред, включающее камеру смешения, узлы подвода жидких, газообразных и мелкодисперсных сред и узлы их вывода, отличающееся тем, что узел подвода жидкой среды в камеру смешения выполнен в виде полых стержней с криволинейными, и/или прямыми перфорированными, и/или пористыми стенками, установленными по окружности камеры смешения с интервалами, служащими каналами для прохода газообразных и мелкодисперсных сред в камеру смешения. 3. Устройство для изменения температуры и давления жидких, газообразных и мелкодисперсных сред по п. 2, отличающееся тем, что оси каналов между перфорированными и/или пористыми стенками полых стержней развернуты относительно радиусов камеры смешения на углы не менее 30^o.