КОНФИГУРАЦИЯ ВЛАГООТДЕЛИТЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК F22B37/26 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к конфигурации влагоотделителя повышенной эффективности, в частности для использования на электростанциях.

Предпосылки

Влагоотделитель, также известный как каплеотделитель, это устройство для отделения капель воды от пара. Влагоотделители широко используются в нефтегазовой отрасли для удаления капель жидкости из газа или пара. По существу удалять капли тумана необходимо по нескольким причинам, как описано ниже.

Одной из причин является увеличение кпд цикла электростанции. Обычно, на тепловых электростанциях пар, генерируемый котлом, несколько раз расширяется в так называемых турбинах высокого, промежуточного и низкого давления. На ядерных электростанциях во время первого расширения в турбине высокого давления перегретого или насыщенного пара, приходящего из котла, в цилиндре турбины высокого давления возникает явление образования активных центров, в результате чего рабочей средой на выходе турбины высокого давления является влажный пар с определенным качеством пара. Перед подогревом влажного пара из соображений эффективности перед турбиной промежуточного давления и турбиной низкого давления с помощью влагоотделителей выполняют механическое отделение влаги из насыщенного пара: полученная рабочая среда, направляемая на пакеты подогревателей, является влажным паром с низким содержанием влаги. Поскольку величина скрытой теплоты парообразования воды достаточно высока, предпочтительно удалить воду из влажного пара и направить собранную воду обратно в термодинамический цикл, вместо того, чтобы использовать большое количество энергии на испарение влаги, заодно ограничивая тепловые нагрузки на пакеты, вызванные процессом испарения.

Другим полезным эффектом удаления влаги является защита расположенного ниже по потоку оборудования от коррозии. В нефтегазовой отрасли и в отрасли производства электроэнергии для удаления капель жидкости из газовой или паровой фазы широко применяются влагоотделители в форме так называемых волновых пластинчатых брызгоуловителей. Большинство сепараторов основаны на принципе инерции, согласно которому более крупные капли стремятся продолжить движение по прямой, когда направление потока воздуха/пара, который несет эти капли, изменяется. Такие волновые пластинчатые брызгоуловители состоят из множества расположенных рядом друг с другом волнистых металлических листов, ориентированных по пути потока воздуха/пара. Двухфазный поток (смесь пара и водяных капель) принудительно пропускают через деформированные каналы, где поток многократно меняет направление. Капли воды, которые из-за своей инерции, не могут повторять эти изменения направления, отклоняются от основного потока и попадают на стенки канала, к которым они прилипают и сливаются. Когда количество жидкости становится достаточно большим, формируются пленка и ручейки, которые постоянно сливаются из волнового пластинчатого брызгоуловителя под действием силы тяжести. Движение капель по каналам регулируют инерция капель и сопротивление пара.

Настоящее изобретение направлено на создание влагоотделителя, имеющего повышенную эффективность по сравнению с прототипом.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение относится к конфигурации влагоотделителя, в частности, применяемого на электростанциях. Конфигурация влагоотделителя содержит множество пластин, предпочтительно, множество металлических листов, которым придана волнистая форма, при том пластины ориентированы по направлению потока, который содержит газ/пар и капли воды и движется через эту конфигурацию влагоотделителя так, что капли воды эффективно отделяются от пара после того, как поток пройдет сквозь конфигурацию влагоотделителя. Капли воды, сепарированные из пара, собираются на стенках пластин так, чтобы когда количество этих капель воды станет достаточно большим, сформировалась пленка или ручейки воды, которые затем сливаются с пластин под действием силы тяжести.

Конфигурация влагоотделителя по настоящему изобретению имеет следующие отличительные признаки:

- каждая пластина содержит сторону без соударения и сторону соударения: сторона без соударения имеет гладкую поверхность, а сторона соударения имеет множество продольных канавок, образующих множество сточных каналов, способствующих уменьшению толщины имеющейся пленки, тем самым снижая риск захвата при критической скорости газа/пара, и сливу пленки жидкости, накопившейся на стенках пластин;

- соединение каждой пары пластин образует канал Вентури для предотвращения эффектов повторного захвата из-за того, что пар способствует сепарации/отделению от стенок пластин;

- соединение каждой пары пластин образует первую вогнутую полость для улавливания накопленных капель жидкости, предотвращая прямое воздействие на них высокоскоростного потока воздуха/пара;

- на конце пластин в конфигурации влагоотделителя сформирована вторая вогнутая полость для улавливания капель воды, не захваченных первой вогнутой полостью, и отделения этих капель от пара;

- когда две пластины соединяются друг с другом, на концевой части конфигурации влагоотделителя формируется ступень стенки для защиты пленки воды от действия срезающего усилия, создаваемого паром в области, где сформирована ступень;

- сконфигурирована промежуточная область, имеющая увеличенную турбулентную дисперсию (в которой более широко распространяется турбулентность), чтобы увеличить сепарацию все еще остающихся и не уловленных мелких капель воды, отделяя эти мелкие капли воды от пара;

- в пластинах выполнено множество окон, образующих проход для пара и в то же время действующих как структурное устройство, предотвращающее вибрации конфигурации влагоотделителя.

Конфигурация влагоотделителя по настоящему изобретению, таким образом, позволяет создать систему удержания, обладающую высокой эффективностью и в которой осуществляется последовательный сбор капель воды.

Краткое описание чертежей

Вышеописанные цели и многие из сопутствующих преимуществ настоящего изобретения станут более понятны из нижеследующего подробного описания со ссылками на приложенные чертежи, где:

Фиг. 1 - вид сверху конфигурации влагоотделителя повышенной эффективности по настоящему изобретению.

Фиг. 2 - вид сбоку конфигурации влагоотделителя повышенной эффективности по настоящему изобретению.

Фиг. 3 - вид снизу конфигурации влагоотделителя повышенной эффективности по настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к конфигурации 10 влагоотделителя, содержащей множество пластин 11, предпочтительно множество металлических пластин, которым придана волнистая форма, как показано на фиг. 1, 2 или 3. Множество пластин 11 образует каналы 30, по которым проходит поток 20: пластины 11 ориентированы по линии потока 20, который движется сквозь этот влагоотделитель 10, при этом поток 20 содержит смесь пара и капель воды. Капли воды сепарируются от пара, когда поток 20 движется сквозь конфигурацию 10 влагоотделителя. Когда количество водяных капель, собранных на стенках пластин 11 будет достаточно велико, формируется пленка жидкости, которая затем стекает с пластин 11 под действием силы тяжести. Каждая из пластин 11 в конфигурации 10 влагоотделителя содержит сторону 12 стенки без соударения и соударную сторону 13 стенки, при этом сторона 12 без соударения имеет гладкую поверхность, а соударная сторона 13 содержит множество продольных канавок 14, образующих множество сливных каналов 60, способствующих стеканию капель воды, собранных на стенках пластин и уменьшающих общую толщину пленки на стенке, тем самым отсоединяя пар от водяной пленки, уменьшая эффект сдвигающей силы и, следовательно захват воды на уровне интерфейса пар/водяная пленка. Соединение каждой пары пластин 11 и 11′ (см. фиг. 2) образует канал 40 Вентури, который препятствует возникновению эффекта повторного захвата, вызванного сепарацией/отделением потока пара от профиля стенок, вызванной противоположными перепадами давления. Кроме того, соединение каждой пары пластин 11 и 11′ образует первую вогнутую полость 104 для улавливания капель воды и для предотвращения транспортировки водяной пленки на тыльную сторону 12 стенки.

Каждая из пластин 11 содержит сторону 12 стенки без соударения, которая выполнена гладкой, тогда как другая соударная сторона 13 содержит продольные канавки 14. Эти продольные канавки 14 способствуют сливу капель воды, отобранных из потока 20, предотвращая/ограничивая затягивание водяной пленки. Соударная сторона 13 стенки каждой из пластин 11, содержащая сливные каналы 60, отклоняет капли воды при изменении направления несущего пара в потоке 20 во время прохождения по каналам 30, и капли имеют тенденцию в основном попадать на соударную сторону 13 стенки пластины 11.

Сливные каналы 60 выполняют три функции:

а) снижать сдвигающее усилие, действующее на поверхность пленки воды на интерфейсе (между потоком 20, который является несущей средой, и пленкой воды), когда пленка воды попадает в канал 60, избегая в максимально возможной степени транспортировки пленки воды к выпуску конфигурации 10 влагоотделителя; и

b) увеличивать силу тяжести, действующую на воду, благодаря накоплению самой воды в каналах 60, способствуя сливу; и

c) снижать общую толщину пленки.

Соединение двух пластин 11 и 11′ приводит к образованию своего рода канала 4 0 Вентури и в первой вогнутой полости 104 направлено на улавливание воды, собравшейся на тыльной стороне 12 стенки. Канал 40 Вентури предназначен для всасывания пленки воды в канал (чтобы избежать закупоривания непосредственно перед каналом Вентури) и, одновременно, для предотвращения отсоединения пленки воды от соударной стороны 13 стенки пластины 11 из-за турбулентной сепарации несущей среды (поток 20), возникающей сразу после изгиба пластины 11 в соответствии с впуском канала 40 Вентури; эффекта известного в литературе, посвященной волновым пластинчатым водоотделителям, как повторное захватывание. На противоположной стороне канала 40 Вентури начальная ширина каналов 30 уменьшена из-за пространства, занимаемого самим каналом Вентури и, благодаря уменьшению сечения остальной части каналов 30 из-за окон и изгиба каналов 30, оставшиеся в потоке 20 капли воды ускоряются и, поскольку они не могут повторять резкое изменение направление потока 20 (несущей среды), они попадают на тыльную сторону 12 пластин 11, образуя пленку воды, которая собирается и стекает, благодаря первым вогнутым полостям 104.

Конфигурация 10 влагоотделителя по настоящему изобретению содержит по меньшей мере одну вторую вогнутую полость 103, сконфигурированную на конце пластины 11 для стока пленки воды, транспортируемой из канала 40 Вентури, которая еще не стекла, а также для улавливания капель воды, еще не уловленных первой вогнутой полостью 104, отделяя эти капли воды от пара (см. фиг. 2). Кроме того, на концевой части конфигурации 10 влагоотделителя формируется ступень 102 стенки, когда две пластины (11, 11′) соединены, чтобы прекратить воздействие сдвигающей силы, создаваемой паром в области ступени 102 на пленку воды.

На фиг. 2 показана промежуточная область 101 с увеличенной турбулентной дисперсией (с более широко распространенной турбулентностью), которая сконфигурирована для увеличения сбора мелких капель воды, которые остаются в потоке и еще не были уловлены до этого, отделяя эти мелкие капли воды от пара в потоке 20.

Конфигурация влагоотделителя 10 по настоящему изобретению содержит множество окон 70 (фиг. 3), образующих проход для протока 20 и, в то же время, действующих как структурное устройство, формируя каналы 30 и предотвращая вибрации в конфигурации 10 влагоотделителя.

По существу влагоотделители применяются в судовых газовых турбинах и в промышленности. На электростанциях удалять влагу необходимо по нескольким причинам.

Одной из причин является необходимость повышения эффективности цикла на электростанции: в тепловом цикле, в котором пар несколько раз расширяется в турбинах высокого, промежуточного и низкого давления, пар подвергается процессу подогрева для повышения его энтальпии после расширения и перед подачей на следующую турбину. Поскольку скрытая теплота парообразования достаточно высока, влагу, содержащуюся во влажном паре, удаляют механически, а не процессом испарения.

Другим преимуществом удаления влаги является защита расположенного ниже по потоку оборудования от коррозии.

Основными преимуществами конфигурации 10 влагоотделителя по настоящему изобретению по сравнению с известными конфигурациями по предшествующему уровню техники являются следующие:

- более высокое динамическое давление, при котором возникает эффект повторного захвата;

- более высокие пластины и, следовательно, меньшее количество компонентов, необходимых для сбора воды на дне пластины сепаратора (в желобах);

- более короткие пластины относительно направления потока пара;

- модульность.

Хотя настоящее изобретение было описано на примере предпочтительных вариантов, очевидно, что в них могут быть внесены различные изменения, не выходящие за пределы объема изобретения, и это варианты не являются ограничивающими.

Список ссылочных позиций

10 - конфигурация влагоотделителя

11, 11′ - пластины

20 - поток (пара и водяных капель)

30 - каналы

12 - сторона стенки без соударения пластины

13 - соударная сторона стенки пластины

14 - продольные канавки

40 - каналы Вентури

101 - промежуточная область с увеличенной турбулентной дисперсией (с более широким распространением турбулентности)

102 - ступень стенки

103 - первые вогнутые полости

104 - вторые вогнутые полости

60 - сливные каналы

70 - оконные отверстия

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в устройствах для отделения капель воды от пара. Конфигурация (10) водоотделителя для отделения капель воды от пара в потоке (20), содержащего смесь пара и капель воды и движущегося сквозь конфигурацию (10) водоотделителя для выполнения такого отделения, содержащая множество пластин (11), ориентированных по потоку (20), причем множество пластин (11) образуют каналы (30), по которым движется поток (20), при этом сечение каналов (30) постепенно изменяется вдоль потока (20) для постепенного сбора капель воды, отделенных от пара в потоке (20). Технический результат - повышение эффективности работы. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Конфигурация (10) водоотделителя для отделения капель воды от пара в потоке (20), содержащего смесь пара и капель воды и движущегося через конфигурацию (10) водоотделителя для достижения такого отделения, содержащая множество пластин (11, 11′), ориентированных по линии потока (20), отличающаяся тем, что множество пластин (11, 11′) образуют каналы (30), по которым движется поток (20), при этом каналы (30) имеют постепенно изменяющееся сечение вдоль направления потока (20) для постепенного сбора капель воды, отделенных от пара в потоке (20), причем каждая из пластин (11) содержит сторону (12) стенки без соударения, которая является гладкой, тогда как другая соударная сторона 13 стенки содержит множество продольных канавок 14, и причем каждая из пластин (11′) содержит множество оконных отверстий (70), образующих проход для потока (20) и предотвращающих вибрации в конфигурации (10) влагоотделителя.

2. Конфигурация по п. 1, отличающаяся тем, что множество пластин (11) содержит множество листов, которым придана волнистая форма.

3. Конфигурация по п. 2, отличающаяся тем, что каналы (30) сконфигурированы так, чтобы образовать промежуточную область (101), в которой поток (20) подвергается увеличенной турбулентной дисперсии для увеличения сбора мелких капель воды из пара.

4. Конфигурация по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что каждая из множества пластин (11) с множеством продольных канавок (14) на одной стороне (13) стенки образует множество каналов (60) для стока для предотвращения транспортировки пленки воды, вызванной эффектами сдвигающего напряжения на интерфейсе пар/пленка воды.

5. Конфигурация по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что соединение каждой пары пластин (11, 11′) формирует канал (40) Вентури, который помогает потокам пара не отсоединяться от принимающей стенки и, следовательно, предотвращает эффект повторного захвата на этой стороне стенки.

6. Конфигурация по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что соединение каждой пары пластин (11, 11′) образует первую вогнутую полость (104) для улавливания мелких капель воды, отделяя их от пара в потоке (20) и предотвращая перенос пленки воды, собранной на этой стороне канала.

7. Конфигурация по п. 6, отличающаяся тем, что вторая вогнутая полость (103) сконфигурирована на конце пластин (11) для улавливания капель воды, не уловленных первой вогнутой полостью (104), и для предотвращения переноса пленки воды, собранной на этой стороне канала.

8. Конфигурация по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что ступень (102) на стенке сконфигурирована там, где две пластины (11, 11′) сходятся вместе в концевой части конфигурации (10) влагоотделителя для предотвращения воздействия сдвигающей силы, прилагаемой паром к пленке воды в области, в которой сформирована ступень (102).

9. Теплообменник, содержащий конфигурацию (10) влагоотделителя по любому из пп. 1-8.