Устройство деаэратора Российский патент 2020 года по МПК G21F9/00 

Предпосылки создания изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится, в целом, к устройствам дегазации, а более конкретно - к устройству деаэратора.

Краткое описание существующего уровня техники

Деаэраторы обычно применяют в процессах физического разделения, в которых один или более компонентов удаляют из потока жидкости потоком пара, протекающим в режиме противотока. Например, на атомных электростанциях такие деаэраторы можно, как правило, применять для очистки теплоносителей первого контура реактора, которые циркулируют в ядерных реакторах для охлаждения. Обычно теплоносители первого контура циркулируют по ядерным реакторам для непрерывного охлаждения реакторов, однако, в процессе охлаждения теплоноситель загрязняется и, следовательно, его необходимо постоянно очищать, чтобы избежать утечки вредных веществ в окружающую среду.

Для указанной цели были разработаны и применялись различные традиционные типы деаэраторов, однако наиболее важный и определяющий фактор, то есть контакт между потоками жидкости и пара, всегда оставляли на усмотрение производственников для достижения равновесия или максимального контакта между ними, чтобы можно было повысить общую эффективность деаэраторов.

Соответственно, существует необходимость в деаэраторе усовершенствованной конструкции для повышения эффективности системы в целом.

Краткое описание изобретения

Настоящее описание раскрывает усовершенствованное устройство деаэратора, которое будет представлено далее в упрощенном кратком описании для обеспечения основополагающего понимания одного или более аспектов настоящего изобретения, которые предназначены преодолеть обсуждаемые недостатки, но включает все преимущества (существующего уровня техники), одновременно с обеспечением некоторых дополнительных преимуществ. Это краткое описание не является подробным обзором настоящего изобретения. Оно не предполагает ни идентификации ключевых или существенных элементов настоящего изобретения, ни определения объема настоящего изобретения. Напротив, единственной целью настоящего краткого описания является представить в упрощенной форме некоторые концепции настоящего изобретения, его аспекты и преимущества, в качестве введения в упрощенной форме к более подробному описанию, приведенному далее.

Общей задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства деаэратора с усовершенствованной конструкцией, которое можно использовать, не ограничиваясь этим, на электростанциях, например, на атомных электростанциях.

В одном из аспектов настоящего изобретения предлагается устройство деаэратора для очистки теплоносителя первого контура, загрязненного в процессе охлаждения ядерного реактора. Устройство деаэратора может включать деаэраторную колонну и систему конденсаторов. Деаэраторная колонна может быть выполнена с возможностью принимать жидкофазный загрязненный теплоноситель первого контура. В деаэраторной колонне выделяют верхнюю, нижнюю и среднюю секции; она включает распределительный элемент, нагревательный элемент (ребойлер) и разделительный элемент, расположенный вдоль длины колонны. В одном из примеров воплощения распределительный элемент расположен в верхней части деаэраторной колонны и предназначен для равномерного распределения жидкофазного загрязненного теплоносителя первого контура по мере его протекания из верхней части колонны в нижнюю. Кроме того, нагревательный элемент расположен в нижней части деаэраторной колонны и предназначен для нагревания теплоносителя первого контура до газообразного состояния. Газофазный теплоноситель поднимается противотоком по отношению к жидкофазному загрязненному теплоносителю первого контура из нижней части колонны в ее верхнюю часть. Разделительный элемент расположен в средней секции колонны между распределительным и нагревательным элементами. Разделительный элемент содержит структурированную насадку для обеспечения максимального контакта жидкофазного теплоносителя первого контура с газофазным теплоносителем первого контура, поднимающимся противотоком по отношению к жидкофазному загрязненному теплоносителю первого контура, подлежащему растворению, для получения его паровой фазы. Система конденсаторов выполнена в деаэраторной колонне для приема и конденсации парофазного теплоносителя первого контура для выпуска неконденсирующихся газов и возврата конденсата в деаэраторную колонну.

В одном из примеров воплощения разделительный элемент может включать структурированную насадку. Кроме того, в одном из примеров воплощения распределительный элемент выполнен таким образом, что он включает различные трубопроводы, имеющие выпускные отверстия и расположенные так, чтобы равномерно распределять теплоноситель первого контура по структурированной насадке. Помимо этого, нагревательный элемент может состоять из структуры трубных секций, расположенной в колонне, или может представлять собой электрический нагреватель, расположенный вне колонны, для перевода теплоносителя в парообразное состояние. Подобным образом, система конденсаторов также может быть встроена в колонну или расположена отдельно от нее.

В одном из примеров воплощения разделительный элемент имеет структурированную насадку, приспособленную для обеспечения жидкофазного теплоносителя первого контура вдоль ее поверхности с получением тонкого слоя теплоносителя, для обеспечения максимального контакта жидкофазного теплоносителя первого контура с газофазным теплоносителем первого контура.

Распределительный, нагревательный и разделительный элементы выполнены для уравновешивания жидкофазного теплоносителя первого контура и конверсии газофазного теплоносителя первого контура таким образом, чтобы можно было обеспечить максимальный контакт между ними по разделительному элементу. Кроме того, система конденсаторов позволяет осуществить эффективное отделение от теплоносителя неконденсирующихся газов, включая радиоактивные газы ксенон и криптон, что делает эффективной систему в целом.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения совместно с различными отличительными, обеспечивающими новизну, признаками, которые характеризуют данное изобретение, конкретно указаны в описании настоящего изобретения. Для лучшего понимания настоящего описания, его эксплуатационных преимуществ и его применений, следует сослаться на прилагаемые графические материалы и описательный материал, в котором проиллюстрированы примеры воплощения настоящего изобретения.

Краткое описание графических материалов

Преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения можно будет лучше понять, обратившись к следующему далее подробному описанию и формуле изобретения, которые следует рассматривать в сочетании с прилагаемыми графическими материалами, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми символами, и в которых:

на Фиг. 1 изображено устройство деаэратора согласно одному из примеров воплощения настоящего изобретения;

на Фиг. 2 показан вид сверху распределительного элемента согласно одному из примеров воплощения настоящего изобретения;

на Фиг. 3A-3D представлены различные виды нагревательного элемента, согласно различным примерам воплощения настоящего изобретения;

на Фиг. 4А и 4В показаны вид сверху в сечении разделительного элемента и отдельный элемент, при том, что множество таких элементов в сборке образуют разделительный элемент со структурированной насадкой согласно одному из примеров воплощения настоящего изобретения;

на Фиг. 5А и 5В, соответственно, изображены система конденсаторов и ее сечение согласно одному из примеров воплощения настоящего изобретения; и

на Фиг. 6 изображено устройство деаэратора согласно другому примеру воплощения настоящего изобретения.

Одинаковые номера позиций относятся к одинаковым деталям в контексте описания нескольких видов на графических материалах.

Подробное описание примеров воплощения настоящего изобретения

Для полного понимания описания настоящего изобретения следует сослаться на нижеследующее подробное описание, включая прилагаемую формулу изобретения, в сочетании с вышеописанными графическими материалами. В последующем описании с целью разъяснения приведены многочисленные конкретные подробности для обеспечения полного понимания настоящего изобретения. Однако для специалиста очевидно, что данное изобретение можно осуществить без этих конкретных подробностей. В других случаях структуры и устройства приведены лишь в форме блок-схемы во избежание затруднений в понимании настоящего изобретения. Сделанная в настоящем описании ссылка на «один пример воплощения», «один из примеров воплощения», «другой пример воплощения», «различные примеры воплощения» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с указанным примером воплощения, включены по меньшей мере в один из примеров воплощения настоящего изобретения. Появление фразы «в одном примере воплощения» в различных местах описания необязательно во всех случаях относится к одному и тому же примеру воплощения, в то же время отдельные или альтернативные примеры воплощения не являются не совестимыми с другими примерами воплощения. Более того, описаны различные признаки, которые могут проявляться в некоторых примерах воплощения и не проявляться в других. Подобным образом, описаны различные требования, которые могут быть требованиями для некоторых примеров воплощения, но могут не быть таковыми для других примеров воплощения.

Хотя последующее описание содержит много особенностей, приведенных для целей иллюстрации, любой специалист понимает, что в объем настоящего изобретения входят многие вариации и/или изменения в сравнении с этими подробностями. Подобным образом, хотя многие признаки настоящего изобретения описаны в одинаковых терминах или в сочетании друг с другом, специалист может понять, что многие из этих признаков можно обеспечить независимо от других отличительных особенностей. Соответственно, данное описание настоящего изобретения приведено без каких-либо потерь для общих принципов настоящего изобретения и без наложения на него ограничений. Кроме того, использованные здесь относительные термины не означают какой-либо градации в отношении последовательности, расположения по иерархии или важности, но их применяют только чтобы отличить один элемент от другого. Кроме того, термины «какой-то», «какой-либо» или «множество» не означают в тексте настоящего описания ограничения по количеству, но, напротив, означают наличие по меньшей мере одного из указанных объектов.

На Фиг. 1 показано устройство 100 деаэратора в соответствии с одним из примеров воплощения настоящего изобретения. Устройство 100 деаэратора будет описано в настоящем документе в сочетании с Фиг. 1-6. Коль скоро конструкции и приспособления устройства 100, различные связанные с ним элементы хорошо известны специалистам, для целей достижения понимания настоящего изобретения нет необходимости приводить в данном тексте все конструктивные подробности и разъяснения к ним. Напротив, полагают достаточным просто отметить, что, как показано на Фиг. 1-6, в устройстве 100 изображены только те компоненты, которые имеют значение для описания одного или различных примеров воплощения настоящего изобретения.

Как показано на Фиг. 1, устройство 100 можно применять для очистки теплоносителя первого контура, загрязненного при охлаждении ядерного реактора 300. Устройство 100 деаэратора включает деаэраторную колонну 110 и систему 120 конденсаторов. Деаэраторная колонна 110 выполнена с возможностью принимать жидкофазный загрязненный теплоноситель первого контура. В деаэраторной колонне 110 различают верхнюю 111, нижнюю 112 и среднюю 113 секции, и она включает распределительный элемент 114, нагревательный элемент 116 и один или более разделительных элементов 118, расположенных вдоль длины колонны.

В одном из примеров воплощения распределительный элемент 114 выполнен в верхней части 111 деаэраторной колонны 110 и предназначен для равномерного распределения жидкофазного загрязненного теплоносителя первого контура при протекании его из верхней части 111 к нижней части 112 колонны 110. Как показано на Фиг. 2, приведен пример распределительного элемента 114. Такой распределительный элемент 114 может включать множество трубопроводов 115, расположенных параллельно и пересекающимся образом. Каждый трубопровод 115 может иметь выпускные отверстия 115а, выполненные вдоль него, для равномерного выпуска жидкофазного загрязненного теплоносителя первого контура на разделительный элемент 118. Распределительный элемент 114, как показано на Фиг. 2, представляет собой приведенное в качестве примера изображение, которое нельзя считать ограничивающим конструкцию исключительно таким устройством; фактически могут быть различные другие конструкции распределительного элемента 114, способные равномерно распределять жидкофазный загрязненный теплоноситель первого контура.

Кроме того, в нижней части 112 деаэраторной колонны 110 расположен нагревательный элемент 116, способный нагревать теплоноситель первого контура до перехода в газообразно состояние. Газофазный теплоноситель способен подниматься из нижней части 112 в верхнюю часть 111 колонны 110 противотоком по отношению к жидкофазному загрязненному теплоносителю первого контура. В одном из примеров воплощения, показанных на Фиг. 3А-3D, нагревательный элемент 116 может включать множество трубок 117, собранных в прямоугольный пучок, как показано на Фиг. 3А и 3В, или в круглый пучок, как показано на Фиг. 3С и 3D, для циркуляции нагретого теплоносителя или пара для нагревания теплоносителя первого контура в нижней части колонны 110 для перевода его в газообразное состояние. Одним из вариантов формы трубок 117 может быть U-образная форма. Однако, не выходя за пределы объема настоящего изобретения, трубки 117 могут быть любой другой формы и конструкции, в соответствии с производственными потребностями.

В другом примере воплощения, показанном на Фиг. 6, нагревательный элемент 116 может представлять собой электрический нагреватель 200, расположенный за пределами колонны 110 для испарения теплоносителя; это описано ниже.

Кроме того, как показано на Фиг. 4А и 4В, разделительный элемент 118 размещен вдоль средней секции 113 колонны 110 между распределительным элементом 114 и нагревательным элементом 116. Разделительный элемент 118 может включать структурированную насадку 118а для обеспечения максимального контакта жидкофазного теплоносителя первого контура с газофазным теплоносителем первого контура, поднимающимся противотоком по отношению к жидкофазному загрязненному теплоносителю первого контура, для осуществления растворения с получением парофазного теплоносителя. В одном из примеров воплощения настоящего изобретения, показанном на Фиг. 4А и 4В, разделительный элемент 118 со структурированной насадкой 118а может быть выполнен с использованием гофрированных металлических листов 119, как показано на Фиг. 4В. Различные такие листы 119 можно уложить один над другим с получением структуры разделительного элемента 118, как показано в разрезе вида сверху разделительного элемента 118 на Фиг. 4А. Разделительный элемент 118, показанный на Фиг. 4А-4В, представляет собой пример изображения и не должен рассматриваться в качестве ограниченного только таким устройством; фактически, разделительный элемент 118 можно выполнить различными другими способами, если это даст возможность обеспечить максимальный контакт жидкофазного теплоносителя первого контура с газообразным теплоносителем первого контура. Разделительный элемент 118 с такой структурированной насадкой 118а позволяет более равномерно распределять жидкофазный теплоноситель первого контура по всей площади входа, что дает тонкий слой жидкофазного теплоносителя первого контура, создавая, таким образом, максимальный контакт его с газофазным теплоносителем первого контура и снижая сопротивление массопереносу со стороны жидкости для повышения эффективности дегазации.

Кроме того, как показано в примере Фиг. 5А и 5В, в устройстве 100 деаэраторная колонна 110 оснащена системой 120 конденсаторов для приема и конденсации парофазного теплоносителя первого контура для выпуска неконденсирующихся газов и возврата конденсата теплоносителя первого контура в деаэраторную колонну 110. Система 120 конденсаторов включает трубки 121 (как показано на Фиг. 5В, вид в разрезе системы 120 конденсаторов, показанной на Фиг. 5А), что позволяет впускать внутрь паро/газовую смесь теплоносителя первого контура. В трубках 121 эта смесь конденсируется, а неконденсирующиеся/радиоактивные газы выпускают в систему 123 обработки газов. С наружной стороны трубки 121 охлаждающая вода отводит тепло конденсации.

При работе устройства 100, приведенного в примере Фиг. 1, существует возможность направлять теплоноситель первого контура после охлаждения ядерного реактора 300, то есть теплоноситель первого контура, загрязненный растворенными газами, такими как ксенон, криптон и т.д., из емкости 320 в деаэраторную колонну 110 через теплообменник 310 рекуперации тепла, отводя от него тепло. Загрязненный теплоноситель первого контура в жидкой фазе поступает в распределитель 114 в верхней части 111 колонны 110 для распределения его по разделительному элементу 118 и стекает в нижнюю часть 112 колонны 110. Часть теплоносителя первого контура нагревают и испаряют с помощью нагревательного элемента 116. Испарившийся или газофазный теплоноситель поднимается противотоком по отношению к жидкофазному загрязненному теплоносителю первого контура из нижней части 112 к верхней части 111 колонны 110. Разделительный элемент 118 со структурированной насадкой 118а обеспечивает максимальный контакт жидкофазного теплоносителя первого контура с газофазным теплоносителем первого контура для осуществления растворения с получением парофазного теплоносителя первого контура. Испарившийся теплоноситель поступает в систему 120 конденсаторов, где он конденсируется, что позволяет выпускать неконденсирующиеся газы и возвращать конденсат теплоносителя первого контура в деаэраторную колонну 110. Кроме того, не содержащий примесей теплоноситель первого контура можно выпускать из возвратной линии 124 в нижней части 112 колонны 110 и с помощью насоса 330 рециркулировать его, пропуская через теплообменник 310 и охладитель 340 для отдачи тепла и последующего выпуска через трехходовой клапан 350 на хранение. Используемым теплоносителем первого контура может быть борная кислота.

При работе другого устройства 100, изображенного на Фиг. 6, компоненты, за исключением электрического нагревателя 200 и внутреннего конденсатора 230, являются более или менее сходными с описанными выше на Фиг. 1. В устройстве Фиг. 6 электрический нагреватель 200 расположен вне колонны 110, однако функция электрического нагревателя 200 сходна с функцией нагревательного элемента 116. В устройстве 200 электрического нагревателя рециркуляционный насос 210 и электрический нагреватель 220, используемые, соответственно, для циркуляции и нагревания теплоносителя первого контура в колонне 110, расположены в нижней секции 112. Кроме того, в таком устройстве 100 конденсатор 230 можно интегрировать в колонну 110 в верхней секции 111, однако функция конденсатора 230 сходна с функцией конденсатора 120. Другие действия являются такими же, как описанные выше.

Устройство 100 по настоящему изобретению обладает преимуществами в различных областях, как это описано выше. Объединение распределительного элемента, нагревательного элемента и разделительного элемента с элементом конденсатора выполнено таким образом, что устройство в целом уравновешивает распределение жидкофазного теплоносителя первого контура и степень конверсии газофазного теплоносителя первого контура таким образом, чтобы обеспечить максимальный контакт между ними по разделительному элементу. В частности, структурированная насадка разделительного элемента позволяет создать максимальный поверхностный контакт между газом и жидкостью с минимально возможным сопротивлением массопереносу, поскольку в разделительном элементе образуется тонкая пленка жидкости, которая обеспечивает достижение этим оборудованием необходимого коэффициента дегазации. Более того, это устройство является экономичным и сравнительно простым в изготовлении.

Вышеприведенные описания конкретных примеров воплощения настоящего изобретения представлены для целей иллюстрации и описания. Не предполагают, что они являются исчерпывающими или ограничивают данное изобретение конкретными раскрытыми формами; очевидно, что в свете вышеприведенной концепции возможны многие модификации и вариации. Примеры воплощения были выбраны и описаны для того, чтобы наилучшим образом разъяснить принципы настоящего изобретения и его применения на практике, чтобы тем самым дать возможность другим специалистам в данной области наилучшим образом использовать данное изобретение и различные примеры его воплощения, с различными модификациями, в зависимости от конкретного предполагаемого применения. Следует понимать, что, в зависимости от обстоятельств и имеющихся средств для достижения цели, предполагают различные опущения и эквивалентные замены; но, как полагают, эти опущения и замены входят в область патентной заявки или ее реализации, не удаляясь от сущности или объема Формулы настоящего изобретения.

Группа изобретений относится к устройствам дезактивации. Устройство деаэратора для очистки теплоносителя первого контура включает: колонну, приспособленную для приема жидкофазного загрязненного теплоносителя первого контура. Колонна включает: секции, распределительный элемент, расположенный в верхней секции колонны и нагревательный элемент, расположенный в нижней секции колонны. Разделительный элемент содержит структурированную насадку, конденсатор, выполненный с возможностью приема газофазного загрязненного теплоносителя первого контура, конденсации газофазного загрязненного теплоносителя первого контура и насос, теплообменник, холодильник и трехходовой клапан вдоль указанной возвратной линии. Трехходовой клапан выполнен с возможностью обеспечения выпуска, не содержащего примесей теплоносителя первого контура из возвратной линии. Имеется также колонна для устройства деаэратора для очистки теплоносителя первого контура. Группа изобретений позволяет уравновесить распределение жидкофазного теплоносителя первого контура и степень конверсии газофазного теплоносителя первого контура. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Устройство деаэратора для очистки теплоносителя первого контура, загрязненного в процессе охлаждения ядерного реактора, включающее: колонну, приспособленную для приема жидкофазного загрязненного теплоносителя первого контура, причем указанная колонна включает:

по меньшей мере верхнюю секцию,

нижнюю секцию,

среднюю секцию,

распределительный элемент, расположенный в верхней секции колонны и приспособленный для равномерного распределения жидкофазного загрязненного теплоносителя первого контура по мере его стекания из верхней секции колонны к нижней секции,

нагревательный элемент, расположенный в нижней секции колонны и предназначенный для нагревания жидкофазного загрязненного теплоносителя первого контура до газообразного состояния,

разделительный элемент, расположенный в средней секции колонны, при этом

разделительный элемент содержит структурированную насадку,

конденсатор, выполненный с возможностью приема газофазного загрязненного теплоносителя первого контура, конденсации газофазного загрязненного теплоносителя первого контура, обеспечения выпуска неконденсирующихся газов и возврата конденсата в колонну; и

возвратную линию, предусмотренную между нижней секцией колонны и распределительным элементом, и насос, теплообменник, холодильник и трехходовой клапан вдоль указанной возвратной линии; где трехходовой клапан выполнен с возможностью обеспечения выпуска не

содержащего примесей теплоносителя первого контура из возвратной линии.

2. Устройство деаэратора по п. 1, в котором распределительный элемент включает множество трубопроводов, расположенных параллельно и пересекающимся образом, при этом каждый из трубопроводов имеет выпускное отверстие, выполненное с возможностью выпуска жидкофазного загрязненного теплоносителя первого контура на разделительный элемент.

3. Устройство деаэратора по п. 1, в котором нагревательный элемент включает множество трубок, собранных в круглый или прямоугольный пучок, для циркуляции нагретой текучей среды для нагревания жидкофазного загрязненного теплоносителя первого контура в нижней секции колонны и конверсии жидкофазного загрязненного теплоносителя первого контура в газовую фазу.

4. Устройство деаэратора по п. 3, в котором каждая из трубок имеет U-образную форму.

5. Устройство деаэратора по п. 1, в котором конденсатор включает множество трубок, что позволяет паро/газовой смеси газофазного загрязненного теплоносителя первого контура входить в нее, при этом часть паро/газовой смеси конденсируют в трубках, а неконденсирующиеся/радиоактивные газы выпускают.

6. Колонна для устройства деаэратора для очистки теплоносителя первого контура, загрязненного в процессе охлаждения ядерного реактора, включающая:

верхнюю секцию,

нижнюю секцию,

среднюю секцию,

распределительный элемент, расположенный в верхней секции и приспособленный для равномерного распределения жидкофазного загрязненного теплоносителя первого контура по мере его стекания из верхней секции к нижней секции,

нагревательный элемент, расположенный в нижней секции и предназначенный для нагревания жидкофазного загрязненного теплоносителя первого контура до газообразного состояния, и

разделительный элемент, расположенный в средней секции и содержащий гофрированные металлические листы и структурированную насадку, и

возвратную линию, предусмотренную между нижней секцией колонны и распределительным элементом, и насос, теплообменник, холодильник и трехходовой клапан вдоль указанной возвратной линии;

где трехходовой клапан выполнен с возможностью обеспечения выпуска не содержащего примесей теплоносителя первого контура из возвратной линии.