ВОЗДУШНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ Российский патент 2006 года по МПК F28D1/04 

Изобретение относится к области энергетики, а именно к системам охлаждения воздухом теплоносителя, прокачиваемого через теплообменное оборудование, и может быть использовано для отвода тепла от второго контура ядерной установки.

Известно устройство для воздушного охлаждения теплоносителя, содержащее напорный коллектор с раздаточными патрубками, расположенный под ним собирающий коллектор с отводящими патрубками, вертикально установленные оребренные трубки, сообщенные с раздаточными и отводящими патрубками, шиберы, расположенные между напорным и собирающим коллекторами, и электровентилятор (см. Патент РФ №2075714 от 20.03.97. МКИ: F 28 D 1/04).

Недостатком этого устройства является невозможность повысить расход теплоносителя от 90 000 до 300 000 куб. м/час, необходимый для охлаждения отработанного в турбине пара, а также охлаждать теплоноситель, циркулирующий во втором контуре ядерной установки, в случае создания аварийной ситуации с появлением избыточного тепла охлаждать теплоноситель до номинала при температурных напорах 5-10°С и при температурах окружающего воздуха выше + 25°С.

Задачей данного изобретения является обеспечение необходимого отвода отработанного тепла турбин насыщенного пара мощностью 500, 1000 и 1500 МВт с помощью воздушных теплообменников, то есть без потери циркуляционного теплоносителя в основное время работы. Дополнительной задачей данного изобретения является обеспечение отвода тепла от ядерного реактора в аварийных ситуациях, например в системах пассивного отвода тепла.

Данная задача достигается тем, что в известной воздушной системе охлаждения теплоносителя, содержащей напорный коллектор с раздаточными патрубками, расположенный под ним собирающий коллектор с отводящими патрубками, вертикально установленные продольно оребренные трубки, сообщенные с раздаточными и отводящими патрубками, шиберы, расположенные между напорным и собирающими коллекторами, и электровентилятор. Новым является то, что напорный и отводящий коллекторы выполнены кольцеобразными, раздаточные и отводящие патрубки закреплены на коллекторах в шахматном порядке, радиально и наклонно: раздаточные патрубки вниз, а отводящие патрубки вверх, при этом каждый патрубок выполнен составным из труб переменного диаметра, который уменьшается к центру, причем на оребренные трубки вдоль раздаточных патрубков ступенчато установлены соединенные боковыми сторонами многогранные кожухи таким образом, что под ними образована воздушная полость, выполненная в форме цилиндра с расположенным внутри конусом с вершиной, направленной вниз.

Кроме этого, воздушная система может иметь форсунки, установленные в нижней части воздушной полости, радиально распылителями направленными вверх.

Кроме этого, воздушная система может иметь компенсационные изгибы, выполненные на участках оребренных труб над кожухом и под кожухом.

Кроме этого электровентилятор воздушной системы может быть установлен над напорным коллектором.

Выполнение напорных и собирающих коллекторов кольцеобразными обеспечивает возможность раздваивать поток теплоносителя и соответственно пропускать по коллекторам теплоноситель с повышенным расходом. С точки зрения технологии процесса кольцевая система более надежна, так как осуществляется двойной подвод теплоносителя. При отключении части теплообменной поверхности расход теплоносителя через оставшиеся секции теплообменника будет увеличен.

Подсоединение раздаточных и отводящих патрубков к кольцевым коллекторам в шахматном порядке предотвращает ослабление конструкции тела кольцевого коллектора по механическим напряжениям за счет вырезов и обеспечивает более полный съем тепла с патрубков.

Выполнение патрубков составными из труб переменного диаметра, которые уменьшаются к центру, вызвано необходимостью сохранить равными по длине патрубков скорости теплоносителя и равными перепады давлений на оребренных трубках и, следовательно, равные расходы теплоносителя через трубки, одновременно уменьшая металлоемкость конструкций.

Установка многогранных кожухов ступенчато на оребренных трубках с образованием под ними воздушной полости, выполненной в форме цилиндра с расположенным внутри конусом с вершиной, направленной вниз, уменьшает гидравлическое сопротивление воздушного потока на входе и выходе из воздушной системы.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1. показан общий вид теплообменника,

на фиг.2. показан разрез теплообменной поверхности,

на фиг.3. показано сечение группы трубок теплообменника,

на фиг.4. показан продольный разрез одной из трубок теплообменника,

на фиг.5. показано поперечное сечения трубки теплообменника.

Воздушная система охлаждения теплоносителя состоит из расположенной на основании 1 рамы 2 с закрепленным на ней воздушным коробом 3. На раму 2 оперт напорный кольцевой коллектор 4 и расположенный под ним собирающий кольцевой коллектор 5. На напорном 4 и собирающем 5 коллекторах радиально и в шахматном порядке установлены раздаточные 6 и отводящие 7 патрубки. Раздаточные 6 патрубки установлены наклонно вниз, а отводящие 7 патрубки установлены наклонно вверх. При этом раздаточные 6 и отводящие 7 патрубки выполнены составными из труб переменного диаметра, уменьшающегося к центру.

Между раздаточным 6 и отводящим 7 патрубками установлены вертикальные трубки 8 с продольным оребрением 9, имеющие компенсационные изгибы: изгиб 10 вверху и изгиб 11 внизу, которые сообщены посредством подающих трубок 12 и отводящих трубок 13 соответственно с раздаточным 6 и отводящими 7 патрубками.

Оребренные трубки 8 заключены в многогранные кожухи 14, каждый из которых имеет число граней, равное половине числа оребрений 9 трубки 8. Оребрение 9 трубок 8 установлено с возможностью свободного скольжения вдоль внутренней поверхности кожуха 14. По высоте длина оребренных трубок 8 приблизительно равна высоте кожуха 14. Кожухи 14 ступенчато расположены на оребренных трубках 8 вдоль радиальных патрубков 6, соединены между собой боковыми сторонами таким образом, что под ними образована воздушная полость 15, выполненная в форме цилиндра с расположенным внутри конусом с вершиной, направленной вниз. Это необходимо для равномерной, радиальной и объемной скорости воздуха при подводе к оребренным трубкам 8.

Внутри вертикально установленных оребренных трубок 8 размещены дроссели 16 с фиксирующими выступами 17. Это нужно для того, чтобы распределять теплоноситель равномерно по трубкам 8 и создавать одинаковые условия для теплообмена. Наружное оребрение 9 трубки 8 выполнено в виде продольных пластин, которые закреплены на внешней поверхности трубки 8 с возможностью свободного перемещения по отношению к внутренней поверхности многогранного кожуха 14.

Для повышения воздушной тяги в коробе 3 и эффективности воздушной системы отвода тепла от теплоносителя над напорным коллектором 4 может быть установлен воздушный вентилятор 18, состоящий из корпуса 19 вентилятора, рабочего колеса 20 и приводного электродвигателя 21. Между напорным 4 и собирающим 5 коллекторами установлены шиберы 22, а на радиальных патрубках 23, расположенных в нижней части воздушной полости 15, закреплены форсунки 24, подсоединенные к сети подачи воды.

Воздушная система охлаждения теплоносителя работает следующим образом: горячий оборотный теплоноситель подается в напорный кольцевой коллектор 4, далее в радиальные раздаточные патрубки 6, из которых теплоноситель распределяется по подающим трубам 12 в оребренные трубки 8. Теплоноситель проходит внутри трубок 8, посредством оребрения 9 отдает тепло воздуху, проходящему внутри многогранного кожуха 14 вдоль оребрений 9 и трубок 8, при этом шибер 22 находится в положении "регулирование" или полностью открыт. Из оребренных трубок 8 теплоноситель попадает в отводящие трубки 13, соединенные с радиальным отводящим патрубком 7, через который охлажденный теплоноситель поступает в кольцевой коллектор 5, и далее, подается в конденсатор.

При изменении температуры теплоносителя трубка 8 с оребрением 9 нагревается и увеличивается в размерах, при этом температура и размеры кожуха 14 остаются неизменными. За счет предусмотренного зазора между внутренней стенкой кожуха 14 и оребрением 9 они перемещаются относительно друг друга, тем самым компенсируя линейные изменения размеров в любой динамической ситуации.

Теплоноситель, поступив в трубку 8, встречает на своем пути цилиндрический дроссель 16, который расположен концентрично относительно трубки 8 при помощи выступов 17. В кольцевом канале трубки 8 увеличивается гидравлическое сопротивление теплоносителя и происходит его вытеснение дросселем 16, за счет этого обеспечивается равномерное распределение теплоносителя по всем параллельным трубкам 8.

Охлаждающий воздух, пройдя через шиберы 22, омывает вертикальные отводящие 13 трубки от периферии к центру, поворачивает вверх и проходит в зазоры между оребренными трубками 8 и кожухом 14, где снимает основное тепло, выходя из оребренных трубок 8, воздух омывает подающие трубки 12 и раздаточные 6 патрубки.

В связи с тем, что процесс подачи воздуха на вертикальные трубки 8 происходит непрерывно с отбором воздуха из полости 15, скорость от периферии к центру сохраняется, и оребренные трубки 8 охлаждаются равномерно как на периферии, так и в центре.

В случае аварийной ситуации, когда может быть недостаточна естественная циркуляция по воздуху, включается электрический вентилятор 18 принудительной циркуляции воздуха, который увеличивает тягу еще на 100%, а при температуре воздуха окружающей среды выше расчетной включаются орошающие водой форсунки 24, расположенные в нижней части воздушной полости 15. Факел форсунок 24 направлен вверх и последовательно смачивает и омывает поверхности отводящих труб 13, оребренные трубки 8, подводящие трубки 12 и радиальные раздаточные патрубки 6. В этом случае температура охлаждаемого теплоносителя может быть ниже температуры окружающего воздуха до 15-20%, и поэтому может быть увеличена мощность воздушной охлаждаемой системы.

С целью избежать переохлаждения теплоносителя используются шиберы 22, при закрытии которых уменьшается расход воздуха и температура теплоносителя на выходе остается проектной. Для временного увеличения отводимой мощности можно допустить (в разрешенных пределах) переохлаждение теплоносителя.

Повышение температуры окружающего воздуха выше проектной приведет к повышению температуры теплоносителя, что в свою очередь приведет к снижению вырабатываемой мощности, коэффициента полезного действия и перерасходу топлива при постоянной электрической нагрузке и к нарушению технологического режима. Для исключения нарушений технологического режима в нижней части воздушной полости 15 радиально размещены водяные форсунки 24, направленные факелом вверх, при включении водяных форсунок воздушная полость 15 под кожухами 14 насыщается водой в капельной фазе, которая с воздушным потоком последовательно омывает отводящие трубки 13, оребренные трубки 8, подводящие трубки 12 и радиальные раздаточные коллектора 6. На всех перечисленных участках вода испаряется, отводя тепловую энергию от конструкции, снижает температуру теплоносителя ниже температуры окружающего воздуха за счет разности влажности воздуха окружающей среды и у поверхности конструкционных элементов - оребренных трубок. Это явление подчиняется зависимости: чем меньше влагосодержание в окружающем воздухе, тем выше эффективность охлаждения орошением.

Технико-экономический эффект состоит в улучшении экологии промышленного объекта, а именно предотвращается образование над ним водяных паров, уменьшается интенсивность и частота кислых дождей и туманов, санитарно-техническая зона становится более чистой. Появляется возможность строить АЭС в маловодных районах.

Изобретение предназначено для применения в области энергетики, а именно к системе охлаждения воздухом теплоносителя, прокачиваемого через теплообменное оборудование, также может быть использовано для отвода тепла от второго контура ядерной установки. Воздушная система охлаждения теплоносителя большой мощности является рекуперативным теплообменником и выполнена из вертикальных пучков оребренных труб, заключенных в многогранные кожухи и собранных в секторы, из которых набирается полная теплообменная поверхность в виде перевернутого конуса с вершиной, направленной вниз. Сверху конуса предусмотрен напорный кольцевой коллектор с радиальными раздаточными патрубками, а снизу конуса предусмотрены: собирающий кольцевой коллектор с отводящими радиальными патрубками, в нижней части расположены трубопроводы с водяными форсунками орошения, направленные факелом вверх, между кольцевыми коллекторами установлены шиберы, регулирующие подачу воздуха в теплообменники. Изобретение позволяет улучшить внешний вид промышленного объекта, а именно предотвратить образование над ним водяных паров, уменьшить интенсивность и частоту кислых дождей и туманов, а также добиться снижения загрязнения санитарно-технической зоны. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Воздушная система охлаждения теплоносителя, содержащая напорный коллектор с раздаточными патрубками, расположенный под ним собирающий коллектор с отводящими патрубками, вертикально установленные оребренные трубки, сообщенные с раздаточными и отводящими патрубками, шиберы, расположенные между напорным и собирающим коллекторами, и электровентилятор, отличающаяся тем, что напорный и собирающий коллекторы выполнены кольцеобразными, раздаточные и отводящие патрубки закреплены на коллекторах в шахматном порядке радиально и наклонно: раздаточные патрубки вниз, а отводящие патрубки вверх, при этом каждый патрубок выполнен составным из труб переменного диаметра, который уменьшается к центру, причем на оребренные трубки вдоль раздаточных патрубков ступенчато установлены соединенные между собой боковыми сторонами многогранные кожухи таким образом, что под ними образована воздушная полость, выполненная в форме цилиндра с расположенным внутри конусом с вершиной, направленной вниз.2. Воздушная система по п.1, отличающаяся тем, что в нижней части воздушной полости радиально установлены форсунки.3. Воздушная система по п.1, отличающаяся тем, что участки труб, расположенных над кожухом и под ним, выполнены с компенсационным изгибом.4. Воздушная система по п.1, отличающаяся тем, что электровентилятор установлен над напорным коллектором.