СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНДЕНСАЦИИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2016 года по МПК G21C15/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение в целом относится к способу и устройству для конденсации текучей среды, в частности к распылительной системе смешивающих конденсаторов.

Уровень техники

Из-за усиливающейся нехватки воды во всем мире все большее число новых электростанций высокой мощности оборудуется системами воздушного охлаждения.

Существуют два основных типа систем воздушного охлаждения, пригодных для охлаждения электростанции: системы прямого охлаждения с конденсацией пара в охлаждаемом воздухом конденсаторе и системы непрямого охлаждения в градирне. В системе прямого охлаждения с конденсацией пара в конденсаторе с воздушным охлаждением пар, выпускаемый из паровой турбины, подается в охлаждаемые воздухом паровоздушные теплообменники градирни с принудительно создаваемой тягой, в то время как в системах с непрямым охлаждением в градирне применяются охлаждаемые водой конденсаторы (относящиеся к поверхностному или смешивающему типам), и нагретая охлаждающая вода поступает в водовоздушные теплообменники градирни с принудительной или естественной тягой. Настоящее изобретение направлено на усовершенствование распылительной системы конденсаторов смешивающего типа для охлаждающих установок большой мощности с непрямым охлаждением в градирне.

Для работы установок с непрямым охлаждением в градирне, кроме первоначального заполнения системы циркуляции воды, не требуется пополнения запаса охлаждающей воды на протяжении всего срока эксплуатации электростанции, которую они обслуживают. Вода, применяемая для первоначальной заправки охлаждающей системы, может браться из установки обработки воды электростанции, поэтому ее качество может быть таким же, что и у воды, подаваемой в бойлерно-турбинный контур. Таким образом, охлаждающая вода и паровой конденсат могут смешиваться в конденсаторе, а это означает, что для установок с непрямым охлаждением в градирне могут применяться конденсаторы смешивающего типа.

В документе FR 2425258 А1 описано устройство для разделения жидкости и газа, в котором осуществляется конденсация текучей среды с использованием дефлекторов конической формы. Однако основным назначением этого устройства является разделение потока текучей среды на фракции, и использование его элементов в конденсаторах смешивающего типа для охлаждающих установок не эффективно.

В документе FR 2253997 В1 представлен смешивающий конденсатор, содержащий входную трубу для подачи охлаждаемого пара, распределительное устройство и входное отверстие для охлаждающей жидкости. При этом охлаждаемый пар проходит через отверстия, расположенные группами прямолинейно или по кривой, а ряды разделены перегородками.

В конденсаторах смешивающего типа отсутствуют трубки из дорогостоящего титана или нержавеющей стали, а тепло от конденсирующегося пара передается к распыляемой внутри охлаждающей воде через тонкие турбулентные водяные пленки, создаваемые распылительной системой конденсатора. Коэффициент теплопередачи между конденсирующимся паром и турбулентными пленками воды чрезвычайно высок и находится в диапазоне 60000-70000 Вт/м²К, причем в тех же условиях у конденсаторов поверхностного типа этот коэффициент составляет лишь 6000-7000 Вт/м²К.

Высокий коэффициент теплопередачи означает, что в конденсаторах смешивающего типа разница конечных температур мала. При помощи хорошо спроектированной распылительной системы в конденсаторах смешивающего типа может быть получена разница конечных температур 0,5-0,8°С, а в конденсаторах поверхностного типа, сконструированных с обеспечением хорошей экономичности, возможно достижение разницы 3-5°С. Снижение разницы конечных температур на 1°С означает экономию 3,3% инвестиционных затрат на всю охлаждающую установку, поэтому за счет применения конденсаторов смешивающего типа вместо конденсаторов поверхностного типа для вышеупомянутых примеров ожидается экономия инвестиционных затрат 8,2-13,8%.

Стоимость самого конденсатора смешивающего типа составляет около 0,1 от стоимости конденсаторов поверхностного типа. Вышеприведенные примеры хорошо иллюстрируют важность правильной конструкции распылительной системы смешивающих конденсаторов, соответственно, желательным является разработка эффективной и экономичной системы охлаждения.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение позволяет в значительной степени удовлетворить вышеуказанные требования, а устройство согласно этому изобретению в различных вариантах его выполнения обеспечивает создание эффективной системы охлаждения.

В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения разбрызгивающая система может включать в себя по существу плоский дефлектор с отверстиями для прохождения через них охлаждающей текучей среды и с плоскими отражательными пластинами, форма которых обеспечивает рассеивание охлаждающей текущей среды в виде тонких пленок, расположенных под близкими по значению острыми углами.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения разбрызгивающая система может включать в себя опорное средство, имеющее по существу плоскую поверхность и отверстия для прохождения охлаждающей текучей среды, и прикрепленные к опорному средству средства для рассеивания текучей среды, расположенные под острым углом по отношению к опорному средству и имеющие плоскую поверхность, при это их форма обеспечивает рассеивание охлаждающей текущей среды в виде тонких пленок под близкими по значению острыми углами.

Еще одним объектом изобретения является способ конденсации текучей среды, согласно которому определяют траекторию движения конденсируемой текучей среды, подают охлаждающую текучую среду на отражатель, обеспечивая создание на траектории движения конденсируемой текучей среды тонкой пленки охлаждающей текучей среды, расположенной под острым углом по отношению к траектории движения конденсируемой текучей среды; при этом одни отражатели ориентируют для создания пленки охлаждающей текучей среды в первом направлении, а другие отражатели ориентируют для создания пленки охлаждающей текучей среды во втором направлении, так чтобы траектория конденсируемой текучей среды обеспечивала протекание конденсируемой текучей среды по тонким пленкам, ориентированным в первом и втором направлениях.

Таким образом, в общих чертах представлены некоторые варианты осуществления изобретения для облегчения понимания его подробного описания и для облегчения понимания настоящего усовершенствования существующего уровня техники. Безусловно, существуют дополнительные варианты осуществления изобретения, которые будут описаны ниже и которые образуют предмет прилагаемой к данному описанию формулы изобретения.

Перед подробным описанием по меньшей мере одного варианта осуществления изобретения следует отметить, что варианты осуществления изобретения не ограничиваются деталями конструкции и компоновкой компонентов, приведенными в дальнейшем описании, или приведенными на чертежах. Возможны дополнительные к приведенным в описании вариантам осуществления изобретения, осуществленным на практике или выполненным различными способами. Кроме того, следует понимать, что терминология, применяемая в дальнейшем описании, а также в реферате, предназначена только для целей описания и не должна рассматриваться в качестве ограничения.

Как понятно специалистам в данной области техники, концепции, на которых базируется данное изобретение, как таковые могут быть легко использованы в качестве основы для разработки других конструкций, способов и систем для выполнения нескольких задач настоящего изобретения. Поэтому важно отметить, что подобные эквивалентные конструкции в той мере, в которой они находятся в рамках сущности и объема настоящего изобретения, считаются включенными в формулу настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана паровая турбина со смешивающими конденсаторами, вид сбоку;

на фиг.2 - смешивающий конденсатор, вид с частичным разрезом;

на фиг.3 - местный вид в сечении по линии 3-4 на фиг.2.

на фиг.4 - местный вид в сечении по линии 3-4 на фиг.2.

на фиг.5 - дефлектор в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, вид в перспективе;

на фиг.6 - боковая стенка водораспределительной камеры совместно с секцией разбрызгивающих сопел и дефлектором смешивающего конденсатора согласно изобретению, вид в разрезе;

на фиг.7 - компоновка и конструкция разбрызгивающих сопел и дефлектора в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;

на фиг.8 - сечение по линии 8-8 на фиг.7.

Осуществление изобретения

Далее изобретение описано со ссылками на чертежи, на которых для аналогичных деталей везде используются аналогичные цифровые обозначения. Один из вариантов осуществления настоящего изобретения относится к разбрызгивающей системе, которая обеспечивает создание конденсатора, более компактного и эффективного по сравнению с существующими в настоящее время конденсаторами, а также к конструкции разбрызгивающих сопел, которые, помимо выполнения теплотехнических требований, являются более дешевыми, чем известные в настоящее время форсунки и могут изготавливаться на современных высокопроизводительных автоматических станочных системах.

На фиг.1 показана паровая турбина 10, к которой присоединена пара конденсаторов 12. Конденсаторы 12 предназначены для конденсации пара путем обеспечения его движения по охлаждающей текучей среде и обмена теплом с данной средой. Хотя в дальнейшем в качестве конденсируемой текучей среды указан пар, изобретение не ограничивается применением пара. С использованием описанных в данном документе принципов также возможна конденсация и других текучих сред.

Также, хотя в качестве охлаждающей текучей среды указана вода, изобретение не ограничивается применением воды. С использованием описанных в данном документе принципов также возможно применение в качестве охлаждающей среды и других текучих сред.

Турбина 10 включает цилиндр турбины 14 высокого давления, цилиндр турбины 16 среднего давления и цилиндр турбины 18 низкого давления. Турбина 10 и электрогенератор 20 установлены на опорной раме 22. Турбина 10 связана с электрогенератором 20 для выработки электроэнергии. В охлаждающих устройствах, которые могут относиться или не относиться к турбине 10, могут использоваться другие варианты осуществления изобретения.

Турбина 18 низкого давления имеет двойную выпускную систему, поэтому с выпускными элементами турбины 10 через два диффузора или соединительных канала 24 соединены два аналогичных смешивающих конденсатора 12, изображенных на фиг.1 один справа и один слева. В некоторых вариантах осуществления изобретения два конденсатора 12 имеют очень близкую или одинаковую конструкцию, поэтому подробное описание приведено только для одного конденсатора 12.

Охлаждающая вода заходит в конденсатор 12 через холодный впускной патрубок 28, а нагретая охлаждающая вода выходит из корпуса 26 конденсатора через горячий выходной патрубок 30. Конденсаторы 12 опираются на башмаки 31, удерживаемые пружинами, которые допускают свободное перемещение при тепловом расширении как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.

Конструкция смешивающего конденсатора 12, оборудованного разбрызгивающей системой, в соответствии с настоящим изобретением упрощенно показана на фиг.2. Некоторые известные или не относящиеся к изобретению элементы конденсатора 12 на чертежах не показаны.

Как показано на фиг.2, корпус 26 конденсатора содержит, например, четыре камеры 32 распределения охлаждающей воды, однако их количество может быть большим или меньшим. Камеры 32 распределения охлаждающей воды и вертикальные паровые каналы 54 в правой части фиг.2 показаны без некоторых элементов для исключения излишнего загромождения чертежа. Камеры 32 распределения охлаждающей воды и вертикальные паровые каналы 54 между водяными пленками в левой части фиг.2 показаны более детально. Подлежащий конденсации пар поступает в конденсатор и проходит по каналам 59.

Пар конденсируется, проходя через пленки 52 охлаждающей жидкости. Пленки 52 имеют веерообразную форму, как показано на фиг.2. В результате контакта пара с водяными пленками часть пара или весь пар превращается в воду и собирается в сборнике 48 конденсата. Уровень воды в сборнике 48 конденсата обозначен линией 50. Вода может покидать сборник 48 конденсата через горячий выходной патрубок 30.

К нижней части каждой камеры 32 распределения охлаждающей воды присоединена секция 34 воздушного охлаждения. По вентиляционной трубе 36 оставшаяся паровоздушная смесь подается к вакуумному насосу (не показан) паровой турбины 10. Перфорированные поддоны 38 формируют каскадный встречный поток охлаждения воздушного теплообменника.

Разбрызгивающие сопла 42 в секции 34 воздушного охлаждения впрыскивают охлаждающую воду в паровоздушную смесь. Затем вода из охлаждающих водяных пленок падает на самый верхний из перфорированных поддонов 38 в секции 34 воздушного охлаждения и последовательно опускается на нижний поддон (поддоны) в противотоке по отношению к входящей паровоздушной смеси. Каналы 40 подачи воды обеспечивают поступление охлаждающей воды к разбрызгивающим соплам 42. Количество охлаждающей воды, разбрызгиваемой в секции 34 воздушного охлаждения, составляет около 4-5% от общего количества циркулирующей охлаждающей воды.

Разбрызгивающие сопла 44 в основной конденсаторной секции 45 расположены двойными рядами на боковых стенках 47 камер 32 распределения охлаждающей воды. Плоскости 49 отражательных пластин 62 (фиг.6) наклонены относительно боковых стенок 47 камер 32 распределения охлаждающей воды. В результате создаваемые водяные пленки 52 также являются наклонными. Основная часть от общего количества охлаждающей воды (около 95%) впрыскивается внутрь конденсатора 12 через разбрызгивающие сопла 44 основной секции 45. Поток воды из разбрызгивающих сопел 44 основного отделения 45 конденсатора 12 превосходит поток из сопел 42 секции 34 воздушного охлаждения.

За счет наклонного расположения может быть получена большая длина водяных пленок 52 на заданном расстоянии между боковой стенкой 47 камер 32 распределения охлаждающей воды и разделительными стенками 46 по сравнению с длиной водяных пленок 52, располагающихся перпендикулярно стенке 47 камер 32. Более длинные водяные пленки 52 обеспечивают большую площадь теплопереноса, что повышает эффективность смешивающего конденсатора 12.

На фиг.3 и 4 показаны местные разрезы камер 32 распределения охлаждающей воды по линии 3-4 на фиг.2. Охлаждающая вода проходит через впускное отверстие 28 для охлаждающей воды в коллектор 33, пересекает в поперечном направлении каналы 59 и поступает в камеру 32 распределения охлаждающей воды. Охлаждающая вода разбрызгивается из камеры 32 распределения охлаждающей воды через сопла 44. Потоки воды 51 ударяются в отражательную пластину 62 (фиг.6) и рассеиваются в виде тонких пленок 52 в вертикальных паровых каналах 54. Сопла 44, водяные пленки 52 и вертикальные паровые каналы 54 представлены на фиг.3 и 4 в виде диагональных линий штриховки.

Дефлекторы 60, как показано на фиг.5, могут изготавливаться безотходным способом. Например, отражательные пластины 62 могут вырезаться в листе 64 нержавеющей стали с оставлением одной не отрезанной стороны. Также могут применяться полимерные материалы. Отражательные пластины 62 отгибаются (подобно шарнирному перемещению) вдоль не отрезанной стороны и выступают из листа 64, как показано на фиг.5 и 6, образуя отверстия 66. В альтернативном варианте отражательные пластины 62 могут полностью вырезаться из листа 62, а затем крепиться к пластине 64 при помощи сварки или другого подходящего способа. Также могут применяться и другие способы изготовления дефлекторов 60. Дефлекторы 60 могут крепиться к боковым стенкам 47 камер 32 распределения охлаждающей воды точечной сваркой или при помощи другого подходящего способа.

На фиг.6 показаны сопла 42, 44, прикрепленные к боковым стенкам 47 посредством мелкой резьбы 69. Резьба имеют достаточно малый шаг, чтобы обеспечить герметичное закрепление сопел 42, 44 на стенке 47 без использования упругих элементов, таких как прокладки. Поток 51 воды разбрызгивается из сопел 42, 44 по существу под прямым углом к стенке 47, ударяется в отражательную пластину 62 и рассеивается в виде веерообразной пленки 52. Как показано на фиг.6, диаметр сопел 42, 44 на участке выхода из них потока 51 воды уменьшается.

Разбрызгивающие сопла 42, 44 в соответствии с настоящим изобретением показаны на фиг.6. Корпусы 42, 44 сопел могут иметь простую конструкцию, обеспечивающую их изготовление из подходящих шестигранных холодно тянутых прутков из нержавеющей стали. Возможно изготовление требуемого большого числа сопел 42, 44 путем вращения прутков на высокопроизводительных автоматизированных станочных линиях.

Отражательные пластины 62 вырезаются и выштамповываются из полос нержавеющей стали. Дефлектор 60 может содержать любое число отражательных пластин 62, необходимое для заданного размера камер 32 распределения охлаждающей воды.

В примере осуществления изобретения, показанном на фиг.7, горизонтальный шаг или расстояние между разбрызгивающими соплами 44 составляет 78,3 мм в каждом ряду из 80 сопел, а расстояние между получаемыми водяными пленками составляет 60 мм. В каждой паре рядов 82-84 нижние ряды 82 пары смещены на 39 мм относительно верхних рядов 84, за счет чего результирующее расстояние между водяными пленками 52 составляет 30 мм.

В другом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.7 и 8, плоскости 49 отражательных пластин 62 разбрызгивающего сопла 44 и водяных пленок 52 последовательных пар рядов 82-84 ориентированы с чередованием правого и левого наклонов. Таким образом, водяные пленки 52 последовательных пар рядов 82-84 пересекают друг друга. За счет такой компоновки водяные пленки 52 верхних пар рядов 82-84 не могут попадать по всей длине на водяные пленки 52 следующей расположенной ниже пары рядов 82-84. За счет такой компоновки повышается перенос тепла между конденсируемым паром и водяными пленками 52.

Гидростатическое давление в горизонтальных рядах 80 разбрызгивающих сопел повышается с уменьшением геодезической высоты рядов 80 сопел. В результате расход воды разбрызгивающих сопел 44 нижних рядов увеличивается. С функциональной точки зрения это не является необходимым, поскольку расход пара на нижних уровнях меньше, чем на верхних. Оптимальный расход в каждом ряду 80 сопел может быть получен за счет уменьшения выходных диаметров в нижних рядах 80 сопел.

На фиг.8 представлено сечение стенки 47 по линии 8-8 на фиг.7. Как показано на фиг.8, отражательные пластины наклонены как в правую сторону 72, так и в левую сторону 74, за счет чего происходит ориентация водяных пленок как в правую сторону 76, так и в левую сторону 78.

Из приведенного выше описания следует, что распылительная система и относящиеся к ней разбрызгивающие сопла 42, 44 согласно изобретению обеспечивают реализацию более эффективных и менее дорогостоящих смешивающих конденсаторов 12 по сравнению с известными в настоящее время. В ней отсутствует необходимость в применении дорогих получаемых точным литьем чугунных форсунок; наклонные плоские турбулентные водяные пленки обеспечивают повышенную теплопередачу и, следовательно, более высокие характеристики, а также высокую компактность и меньшую стоимость конструкции.

Многие особенности и преимущества изобретения очевидны из подробного описания, а формула изобретения охватывает все признаки и преимущества изобретения, которые находятся в пределах его объема, включая многочисленные модификации и варианты выполнения описанной выше системы, которые специалистам в данной области техники не составит труда создать.

Разработана установка для конденсации, которая может включать в себя по существу плоские дефлекторы с отверстиями для прохождения через них охлаждающей текучей среды и с прикрепленными к ним отражателями, установленными под острым углом относительно дефлекторов. Отражатели имеют плоскую поверхность, а их форма обеспечивает рассеивание охлаждающей текучей среды в виде тонкой турбулентной пленки под близкими по значению острыми углами. Предложен также способ конденсации текучей среды, включающий определение траектории движения конденсируемой текучей среды; подачу охлаждающей текучей среды на отражатель для создания турбулентной пленки охлаждающей текучей среды на траектории движения конденсируемой текучей среды. При этом одни отражатели ориентируют для создания пленки охлаждающей текучей среды в первом направлении, а другие отражатели ориентируют для создания пленки охлаждающей текучей среды во втором направлении, так чтобы траектория конденсируемой текучей среды обеспечивала протекание конденсируемой текучей среды по тонким пленкам, ориентированным как в первом, так и во втором направлениях. 3 н. и 17 з. п. ф-лы. 8 ил.

1. Установка для конденсации, содержащая по существу плоский дефлектор с отверстиями для прохождения через них охлаждающей текучей среды и с плоскими отражательными пластинами, форма которых обеспечивает рассеивание охлаждающей текущей среды в виде тонких пленок, расположенных под близкими по значению острыми углами.

2. Установка по п.1, в которой дефлектор выполнен из нержавеющей стали.

3. Установка по п.1, в которой отражательные пластины сформированы путем их вырезания из пластины с оставлением одной не прорезанной стороны и отгибания вырезанных отражателей вдоль этой стороны для формирования отверстия и отражателя, расположенного под острым углом.

4. Установка по п.1, в которой отражатели ориентированы рядами, причем некоторые ряды выполнены таким образом, что отражатели ориентированы в первом направлении, а другие ряды выполнены таким образом, что отражатели ориентированы во втором направлении, противоположном первому.

5. Установка по п.4, конфигурация которой выполнена так, чтобы обеспечивать впрыскивание охлаждающей текучей среды на отражатели таким образом, что одни возникающие тонкие пленки, наклонены в первом направлении, а другие тонкие пленки наклонены во втором направлении, а текучая среда, конденсируемая охлаждающей текучей средой, из которой состоят тонкие пленки, протекает через эти пленки, наклоненные как в первом направлении, так и во втором направлении.

6. Установка по п.1, в которой отражатели расположены парами продольных рядов, причем отражатели одного ряда сдвинуты на половину продольного шага между отражателями непосредственно примыкающего к ним другого ряда.

7. Установка по п.6, в которой пары рядов отражателей расположены в вертикальном направлении один над другим, причем в нижней паре рядов диаметр сопел меньше диаметра сопел в паре рядов, расположенных выше.

8. Установка по п.1, содержащая сопло, выполненное с возможностью выпуска охлаждающей текучей среды через одно из отверстий по существу перпендикулярно к по существу плоской поверхности дефлектора и под острым углом к отражателям, конфигурация которых обеспечивает отклонение охлаждающей текучей среды в виде плоской, турбулентной веерообразной пленки.

9. Установка по п.1, содержащая сопло, выполненное с возможностью выпуска охлаждающей текучей среды через одно из отверстий, при этом сопло изготовлено из коррозионно-стойкого материала и по существу герметично прикреплено к боковой стенке посредством мелкой резьбы.

10. Установка по п.9, в которой сопло в поперечном сечении имеет наружный контур в форме шестигранника, а канал сопла откалиброван так, чтобы выпускаемая охлаждающая текучая среда имела круглое поперечное сечение.

11. Установка по п.1, содержащая сопло для выпуска охлаждающей текучей среды, канал в котором имеет коническую форму с уменьшающимся к выходу диаметром.

12. Установка по п.1, содержащая паровую турбину и соединенный с ней электрогенератор и выполненная с возможностью конденсации отработанного пара, выходящего из турбины.

13. Способ конденсации текучей среды, включающий этапы, на которых определяют траекторию движения конденсируемой текучей среды; подают охлаждающую текучую среду на отражатель, обеспечивая создание на траектории движения конденсируемой текучей среды тонкой пленки охлаждающей текучей среды; при этом одни отражатели ориентируют для создания пленки охлаждающей текучей среды в первом направлении, а другие отражатели ориентируют для создания пленки охлаждающей текучей среды во втором направлении, так чтобы траектория конденсируемой текучей среды обеспечивала протекание конденсируемой текучей среды по тонким пленкам независимо от их направления.

14. Способ по п.13, дополнительно включающий впрыскивание охлаждающей текучей среды по существу под прямым углом относительно стенки, определяющей по меньшей мере частично траекторию конденсируемой текучей среды, на отражатель, расположенный под острым углом к этой стенке.

15. Способ по п.13, в котором охлаждающую среду впрыскивают через сопло с мелкой резьбой, посредством которой это сопло прикреплено к опорной конструкции с образованием водонепроницаемого соединения, не требующего использования упругой прокладки для уплотнения соединения.

16. Способ по п.13, в котором сопла и отражатели располагают рядами, расположенными один над другим.

17. Способ по п.16, в котором диаметр сопел в нижней паре рядов меньше диаметра сопел в паре рядов, расположенных выше.

18. Способ по п.17, в котором все отражатели в паре рядов ориентированы в одном направлении.

19. Способ по п.13, дополнительно включающий вырезание отражателей из пластины и их отгибание для обеспечения их выступания из пластины под острым углом.

20. Система охлаждения, содержащая опорное средство, имеющее по существу плоскую поверхность и отверстия для прохождения охлаждающей текучей среды; и прикрепленные к опорному средству средства для рассеивания текучей среды, расположенные под острым углом по отношению к опорному средству и имеющие плоскую поверхность, при это их форма обеспечивает рассеивание охлаждающей текущей среды в виде тонких турбулентных пленок под близкими по значению острыми углами.