Комбинированный конденсатор с воздушным охлаждением
Настоящее изобретение относится к системе с воздушным охлаждением, которая содержит паровоздушный теплообменник (3), состоящий из оребренных снаружи труб (2) для частичной непосредственной конденсации пара (1) наружным воздухом (4). В этот теплообменник (3) подается пар (1) из верхней распределительной камеры (24) и до нижней камеры (25), в которой собирается конденсат (8) и пар (22), который еще не сконденсировался. Пар (22), еще не сконденсированный в паровоздушном теплообменнике (3) конденсируется в паровоздушной секции конденсатора с воздушным охлаждением, в пространстве, выполняющем функцию смешивающего конденсатора (9), распылением воды из секции (7) водо-воздушного охлаждения конденсатора с воздушным охлаждением, откуда также отводятся неконденсирующиеся газы. Вода (13), нагретая в смешивающем конденсаторе (9), вторично охлаждается в водо-воздушном теплообменнике (7). Изобретение позволяет повысить безопасность эксплуатации, управляемость, снизить затраты на создание установки. 16 з.п. ф-лы, 17 ил.
1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе воздушного охлаждения энергетической установки или циклических промышленных процессов. Данная система обеспечивает конденсацию среды в парообразном состоянии (как правило, воды) таким образом, как определено формулой изобретения.
2. Обзор состояния техники
Для реализации множества промышленных процессов, главным образом, процессов на тепловых электростанциях, необходимо отводить тепло из процесса при температуре окружающей среды обычно посредством конденсации находящейся в парообразном состоянии рабочей среды, используемой в данных процессах. Традиционные решения требуют исключительно интенсивного использования воды (испарительное или прямоточное охлаждение), что по соображениям охраны окружающей среды или вследствие дефицита необходимого количества воды может создавать проблемы во многих случаях. Для преодоления упомянутого недостатка разработаны разнообразные широко известные и проверенные системы сухого охлаждения.
В самой распространенной системе воздушного охлаждения используется так называемое непосредственное сухое охлаждение. В соответствии с данным способом охлаждения, если его применяют в циклических процессах энергетических установок, водяной пар, расширенный в паровой турбине под вакуумом, выходит из турбины по паровой трубе большого диаметра, затем через верхнюю распределительную камеру пар проходит в так называемый паровоздушный теплообменник. Пар, проходящий в оребренных трубах теплообменника, постепенно конденсируется под действием охлаждающего воздуха, проходящего с наружной оребренной стороны теплообменника. Поскольку конденсация и отвод пара осуществляются непосредственно, без теплопередающей среды, данный способ назван непосредственным сухим охлаждением. Безопасное по природе и управляемое непосредственное воздушное охлаждение, которое можно осуществить технически, представляет собой процесс, намного сложнее упомянутого. Процесс сухого охлаждения протекает в определенно более широком температурном диапазоне по сравнению с обычным водяным охлаждением, что логически вытекает из значительных колебаний температуры окружающего воздуха в течение года. Это означает, что на стороне пара будут создаваться значительные изменения давления конденсатора, иначе говоря, противодавления турбины. Учитывая данные изменения температуры и режима давления с точки зрения экономичности, необходимо оптимально подбирать и эксплуатировать оборудование, а также обеспечивать его техническую надежность.
Наиболее известный и проверенный способ непосредственного воздушного охлаждения реализуется с учетом вышеприведенных требований разбиением процесса конденсации на две легко разделяемые фазы. В соответствии с этим паровоздушный теплообменник состоит из двух частей - так называемой конденсаторной секции и вторичного конденсатора, который в специальной литературе называется доохладителем или дефлегматором.
Пар выходит из парораспределительных труб, затем проходит через распределительные камеры конденсаторной части в оребренные трубы теплообменника. Охлаждающий воздух проходит с наружной оребренной стороны под прямыми углами к продольной оси труб, иначе говоря, перпендикулярно направлению потока пара. Конденсатор может состоять из множества труб по направлению потока воздуха, но и из одной широкой трубы. Вследствие эффекта охлаждения воздухом пар постепенно конденсируется в трубах. Конденсат проходит в том же направлении, что и пар, вниз самотеком, частично проходя по внутренней стенке трубы, частично с потоком пара в конденсатосборную и паропередаточную камеру, расположенную в нижнем конце труб. Отсюда конденсат проходит из отдельных трубных пучков теплообменников в конденсатную трубу. Оставшийся неконденсированный пар (30-15 процентов от исходного количества) и нежелательные неконденсирующиеся газы, присутствующие в паре, проходят в дополнительную теплообменную секцию - в часть так называемого доохладителя или дефлегматора.
В некоторых секциях труб имеются существенные различия степеней конденсации и в связи с этим концентрации неконденсирующихся газов во времени и пространстве. Изменения со временем могут быть обусловлены изменениями температуры наружного воздуха, изменением нагрузки на стороне пара и расхода воздуха. Изменения в пространстве обусловлены расположением труб теплообменника. Большие различия могут быть между отдельными трубами в плоскости, перпендикулярной направлению охлаждающего воздушного потока, из-за неравномерного распределения пара или воздуха. Дополнительная неравномерность отмечается в направлении воздушного потока, поскольку охлаждающий воздух постепенно нагревается и поэтому способен конденсировать все меньшее количество пара. Данный эффект имеет место не только в случае многотрубных конденсаторов в направлении потока, но также в случае с трубами однорядного конденсатора, которые проходят в направлении воздушного потока (хотя и в меньшей степени). Неконденсирующиеся газы могут концентрироваться в некоторых секциях теплообменника и возможно образование так называемых воздушных пробок, что прекращает поток пара и тем самым выводит трубную секцию данного теплообменника из режима эффективного охлаждения. Кроме снижения эффективности, температурные условия замерзания могут привести к замораживанию и серьезным нарушениям работы теплообменника. Данные проблемы непосредственного воздушного охлаждения описаны в соответствующих технических журналах (например, Kroger, D.G. "Теплообменники воздушного охлаждения и охлаждающие башни", раздел 8, часть 8.2., TECPRESS, 1998).
Проблема, обусловленная неравномерной конденсацией, менее выражена в наиболее широко используемой системе непосредственного воздушного охлаждения вводом секции теплообменника, называемой дефлегматором, который, по существу, выполняет функцию доохлаждения. По сравнению с тем, что объясняется конструкцией, обычно значительно большее количество пара из конденсаторной секции подается в дефлегматорную часть вследствие усилий по исправлению неравномерности. В дефлегматорной секции применяется теплообменник такого же типа, как в секции конденсации, с существенным отличием в том, что ввод пара осуществляется не сверху, а из нижней распределительной камеры, из которой пар проходит вверх в трубы теплообменника, тогда как конденсат движется самотеком в противоположном направлении в нижнюю парораспределительную и конденсатосборную камеру. Условия, вызывающие неравномерность в случае конденсационной секции, присутствуют и в данном случае. Одна характерная проблема данной секции может возникать из-за перегрузки на стороне пара, когда возможна задержка стекания конденсата вниз вследствие создания водяной пробки под действием силы тяжести, и потому выведения остальной секции трубы из работы теплообменника. В дополнение к такому падению эффективности данное явление может создавать другие эксплуатационные проблемы, в том числе проблемы замерзания в холодную погоду. В соответствии с этим размеры дефлегматорной секции должны быть существенно завышены. В работе Голдскэгга Х.Б. (Goldschagg, H.B.) выполнен анализ проблем одной из самых современных существующих систем непосредственного воздушного охлаждения (Lessons learnt from the world′s largest force draft direct cooling condenser, доклад на симпозиуме the EPRI Int. Symp. on Improved Technology for Fossil Power Plants, Washington, March 1993).
Нежелательные неконденсирующиеся газы, присутствующие в паре и представляющие собой в основном воздух, требуется откачивать из пространства под вакуумом. Трудоемкость откачивания уменьшается, если отсос производить в месте, где пропорциональное содержание газов в парогазовой смеси является максимальным. Пар, поступающий в верхнюю камеру дефлегматора, в этот момент содержит десять-пятнадцать процентов неконденсирующегося газа, поэтому данную парогазовую смесь удобно откачивать известными средствами с использованием эжекторов. Вследствие низкого расхода пара в дефлегматорной секции можно получить относительно низкий коэффициент теплоотдачи. Данный коэффициент существенно ухудшается при конвективном теплообмене, который все более заменяет конденсацию из-за возрастающего парциального давления неконденсирующихся газов. Кроме коэффициента теплоотдачи, дополнительное снижение эффективности вызывается снижением давления и температуры насыщенного пара вследствие возрастающего парциального давления неконденсирующихся газов и по данной причине уменьшающейся логарифмической разности температур. Все более усиливающееся "недоохлаждение" может быть дополнительной причиной возможного замерзания. Анализ соответствующего риска выполнен в январском выпуске от 1994 г. публикации POWER (Swanekamp, R: Profit from latest experience with air-cooled condensers).
Дополнительным явлением, возникающим при непосредственном воздушном охлаждении во время конденсации, является падение давления пара (или парогазовой смеси), проходящего в трубах теплообменника конденсатора и дефлегматора, что также естественным образом зависит от длины маршрута потока. Эта потеря давления из-за трения также уменьшает логарифмическую разность температур, которая вызывает теплопередачу между охлаждающей средой (воздухом) и охлаждаемой средой (паром). В то же время вследствие большого удельного объема в случае с конденсатором с непосредственным воздушным охлаждением заданного размера и снижающейся температуры наружного воздуха может создаться состояние, когда из-за нарастающего ослабления потока снижение температуры охлаждающего воздуха не приведет к дальнейшему повышению эффективности охлаждения (так называемое запирание). Длина трубы теплообменных секций конденсаторов и дефлегматоров в случае среднего или усиленного охлаждения энергетической установки равна 10 м в обоих случаях, иначе говоря, общая длина трубы удваивается при наличии дефлегматорной секции.
Отсутствие равномерности в конденсаторе и дефлегматоре, проблемы технической надежности и трудности управления возникают, по существу, из факта самой так называемой непосредственной конденсации. Конденсация, происходящая внутри труб во всей системе охлаждения, в протяженном пространстве определяет количество пара и смеси пара с неконденсирующимися газами и, наоборот, осложнения, ослабляющие или даже блокирующие поток, ослабляют или прекращают конденсацию. Отсутствие принудительной циркуляции на стороне конденсирующейся среды осложняет управление процессом и вмешательство возможно только на наружной стороне теплообменника, т.е. на стороне охлаждающего воздуха. Это объясняет, почему до сих пор конденсаторы с непосредственным воздушным охлаждением изготавливали только с воздуходувками. При этом принудительная циркуляция охлаждающего воздуха обеспечивает, по меньшей мере, возможность регулирования расхода воздуха. В случае конденсаторов с непосредственным охлаждением и естественной тягой поток на сторонах обеих сред является "естественным", иначе говоря, поток создается самим процессом и поэтому процесс является практически неуправляемым и это объясняет, почему прежде никогда не конструировали системы непосредственного воздушного охлаждения с естественной тягой.
Известны также другие системы с непосредственным воздушным охлаждением, в которых дефлегматорная секция не размещена в отдельном пучке труб теплообменников, а одна из труб, соответствующая направлению потока воздуха, функционирует в качестве дефлегматора или в так называемой "квазиоднотрубной" системе, отделенная стенкой часть в одной трубе функционирует как дефлегматор. В данных случаях несбалансированность отдельных труб еще более возрастает и становится еще сложнее управлять процессом в целом, чем в ранее упомянутых системах, в которых используются отдельные трубные пучки теплообменников конденсатора-дефлегматора. Все вышесказанное не может изменить того факта, что известные и работоспособные технические решения непосредственного воздушного охлаждения нуждаются в конденсационной части и следующей за ней так называемой дефлегматорной секции (которая представляет собой фактически аналогичный паровоздушный теплообменник непосредственного действия, в котором продолжается процесс конденсации).
Было установлено, что самой неэффективной, иначе говоря, в общем самой дорогой частью системы непосредственного воздушного охлаждения является дефлегматор, который в то же время необходим для обеспечения допустимой технической надежности и управляемости.
Следует отметить, что все еще сохраняется потребность в мерах по повышению эффективности воздушного охлаждения, главным образом, эффективность в пиковом режиме путем распыления воды на поверхность охлаждения оребренных труб воздушного охлаждения или путем создания на них постоянной водяной пленки. Данные решения представлены в ранее приведенной публикации Сванекампа (Swanekamp) (POWER, June 1994).
3. Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание системы воздушного охлаждения, которая по сравнению с известными решениями в области непосредственного воздушного охлаждения повышает их экономичность при одновременном существенном повышении их технической надежности, включая технологическую гибкость, и которая обеспечивает управление ими даже в экстремальных режимах эксплуатации и, кроме того, повышает стартовую надежность в начале эксплуатации.
Система воздушного охлаждения в соответствии с изобретением содержит паровоздушный теплообменник, состоящий из оребренных снаружи труб и пригодный для частичной непосредственной конденсации наружным воздухом среды, находящейся в парообразном состоянии, причем в теплообменник подается пар из верхней распределительной камеры и заканчивается в нижней камере, в которой собирается количество конденсата, соответствующее конденсированному пару, и пар, который еще не сконденсирован, при этом данная система содержит, по меньшей мере, один смешивающий конденсатор, в котором оставшийся пар, который еще не сконденсировался, выходящий из нижней сборной камеры паровоздушного теплообменника, конденсируется под действием охлаждающей воды, охлаждаемой в водовоздушном теплообменнике и распыляемой через форсунки; в то же время неконденсирующиеся газы отводятся из смешивающего конденсатора через соответственно сконструированный тарельчатый или насадочный доохладитель.
Охлаждение оребренных труб теплообменника осуществляется охлаждающим воздухом, подаваемым воздуходувками или градирнями, обеспечивающими естественную тягу. Трубные пучки теплообменника, находящиеся в охлаждающем воздухе, подаваемом обычной воздуходувкой, обычно называются отсеком, последовательность отсеков называется "боксом".
В данном случае так же, как в известных системах с непосредственным воздушным охлаждением, оребренные трубы соединены с нижней паро- и конденсатосборной камерой в конце трубного пучка. Конденсация оставшегося еще несконденсированного пара в паровоздушной секции системы воздушного охлаждения происходит, по меньшей мере, в одном смешивающем конденсаторе охлаждающей водой, охлажденной в водовоздушном теплообменнике; смешивающий конденсатор или смешивающие конденсаторы соединены последовательно с водовоздушным теплообменником или водовоздушными теплообменниками и соединены непосредственно друг с другом. Конденсат проходит в конденсатосборную трубу самотеком.
Пар, проходящий в смешивающий конденсатор, конденсируется охлаждающей водой, распыляемой внутрь через форсунки конденсатора и охлаждаемой в водовоздушном теплообменнике, и проходит в накопительную часть (конденсатный колодец) смешивающего конденсатора вместе с нагретой охлаждающей водой. Откачивание неконденсирующихся газов осуществляется также из пространства смешивающего конденсатора.
Таким образом, технический результат системы охлаждения согласно настоящему изобретению достигается исключением менее эффективной дефлегматорной части, используемой в известных решениях и подробно описанной выше, и заменой ее более эффективным, легче управляемым и более надежным решением - водовоздушной охлаждающей секцией системы воздушного охлаждения в соответствии с настоящим изобретением. Поэтому конденсация оставшегося пара осуществляется в пространстве, существенно меньшем пространства, занимаемого дефлегматором, в компактном смешивающем конденсаторе, который по сравнению с дефлегматором обеспечивает также почти идеальные условия для отвода неконденсирующихся газов. Отвод тепла при температуре на уровне температуры наружного воздуха осуществляется в вышеупомянутом водовоздушном теплообменнике с принудительной циркуляцией, в который проходит лишь незначительное количество неконденсирующегося газа по сравнению с потоком воды. Благодаря этому в теплообменнике частично вследствие принудительной циркуляции и частично вследствие отсутствия неконденсирующихся газов может осуществляться теплообмен, который значительно эффективнее теплообмена в дефлегматоре, более управляем и менее чувствителен к рабочему режиму. В то же время в системе охлаждения в соответствии с настоящим изобретением сохранена также более эффективная секция конденсации. Это, естественно, не означает механической замены дефлегматорной части, применявшейся прежде, но требует оптимизации соотношения между конденсационной частью и заменяющим дефлегматор решением в соответствии с данным применением. В зависимости от условий применения конденсационную секцию можно уменьшить до размеров, составляющих всего 30-40 процентов от ее исходных размеров, но в то же время в пропорциональном отношении данная секция может также превышать соответствующую секцию в составе решения типа "конденсатор-дефлегматор".
Решение, согласно которому в системе воздушного охлаждения в соответствии с настоящим изобретением пар, который не сконденсировался в конденсаторной секции, проходит непосредственно в компактное пространство для пара в смешивающем конденсаторе, позволяет исключить дополнительную парораспределительную систему, используемую в известных технических решениях. Аналогично, в данном случае не требуется, чтобы пар или пар, содержащий неконденсирующиеся газы в количестве, возрастающем вследствие конденсации, проходил через дополнительные длинные узкие трубы теплообменника. Все это значительно ослабляет эффект падения давления на стороне пара и связанное с этим снижение температуры. Вместо смеси пара и неконденсирующихся газов подлежащей охлаждению средой является вода в водовоздушном теплообменнике. Вышеизложенное вместе с принудительной циркуляцией обеспечивает абсолютно равномерное распределение среды внутри труб теплообменника. Кроме того, удается избежать усиления недоохлаждения, обусловленного возрастанием парциального давления воздуха в прежних решениях. Коэффициент теплоотдачи на внутренней стороне труб также станет значительно более высоким, чем в случае конденсации пара с высоким содержанием неконденсирующихся газов. Все это в целом обеспечивает создание более эффективного теплообменника, занимающего меньшее пространство, что также означает его удешевление. В результате ослабления недоохлаждения также намного возрастает эффективность цикла энергетической установки. Поскольку отвод неконденсирующихся газов осуществляется в намного более предпочтительном режиме в одном месте, из смешивающего конденсатора намного меньшее количество необходимо откачивать, что позволяет использовать эжекторы меньшего размера и меньшей вспомогательной мощности. Исключение дефлегматорной секции способствует также обеспечению более высокого вакуума благодаря устранению "запирания" системы охлаждения при низких температурах наружного воздуха, иначе говоря, достижению более высоких рабочих характеристик турбины. Очень высоким дополнительным результатом, обусловленным отказом от секции теплообменника поверхностного типа, конденсирующего смесь пара с неконденсирующимися газами, является устранение различных проблематичных рабочих состояний (газовых пробок различных размеров или даже образования водяных пробок вследствие "заторов"). Это позволяет избежать многочисленных неисправностей при эксплуатации и обеспечить более надежное и управляемое функционирование.
В более крупногабаритных системах воздушного охлаждения расширенный пар, поступающий из турбины, проходит в несколько параллельно соединенных паровоздушных теплообменников, а именно конденсаторов. В этом случае для конденсации оставшегося пара можно применить не один смешивающий конденсатор, а несколько смешивающих конденсаторов можно по одному непосредственно подсоединить к каждому из трубных пучков теплообменников паровоздушного конденсатора и затем подсоединить на стороне воды к укороченному паровому пути.
Трубные пучки паровоздушного и водовоздушного теплообменников, состоящие из оребренных труб теплообменников, можно устанавливать не только в разные отсеки, отделенные друг от друга, но можно также объединять в одном отсеке (так, чтобы они имели общую воздуходувку). В этом случае целесообразно, чтобы отдельные трубные пучки паровоздушного теплообменника были также непосредственно соединены с отдельными обособленными пространствами смешивающих конденсаторов.
Из двух последовательно соединенных секций системы воздушного охлаждения на стороне пара замена "задней" дефлегматорной секции более управляемым решением, предложенным в настоящем изобретении, способствует повышению управляемости процесса в целом. Следовательно, в решении в соответствии с настоящим изобретением вместо воздуходувок, обеспечивающих поток охлаждающего воздуха, можно применить градирни, создающие естественную тягу, без снижения технической надежности (что было невозможно в случае конденсаторов только с непосредственным воздушным охлаждением, как упоминалось в описании в отношении известных технических решений).
В дополнительном варианте настоящего изобретения в смешивающий конденсатор проходит не только несконденсированный оставшийся пар, но в данный конденсатор может также проходить пар непосредственно из снабженного клапаном отвода от основной трубы расширенного пара или из ее отвода, обходящего таким образом конденсатор. При этом управление системой и выбор наиболее эффективного рабочего режима в соответствии с эксплуатационными потребностями облегчается благодаря оптимальному распределению нагрузки между паровоздушным теплообменником и водовоздушным теплообменником. В случае низких наружных температур открывание обводной трубы и направление тем самым нагрузки к смешивающему конденсатору и водовоздушному теплообменнику сдвигает явление "запирания" в сторону еще более низких противодавлений турбины и тем самым обеспечивает дополнительное повышение эффективности энергетической установки.
В пиковые периоды можно добиться повышения эффективности системы воздушного охлаждения в соответствии с настоящим изобретением, если распылять воду на поверхность оребренных труб теплообменника водовоздушного теплообменника, обдуваемых потоком охлаждающего воздуха, или создавать водяную пленку на данной поверхности непрерывной подачей воды. При этом путем открывания клапана обводной трубы теплоотвод из секции паровоздушного теплообменника можно частично передавать в смачиваемую секцию водовоздушного теплообменника, что повышает общую эффективность системы охлаждения и тем самым эффективность энергетической установки.
Вероятно, было бы целесообразно увязать монтаж устройства отсечки пара с обводной трубой на стороне пара в секции основной паровой трубы позади обводного отвода от трубы. Известно, что при запуске энергетических установок, использующих системы с непосредственным воздушным охлаждением, при температурах ниже температуры замерзания поступление пара в конденсатор с непосредственным воздушным охлаждением допустимо только после достижения минимального количества пара (5-10%), чтобы исключить риск замерзания. Вплоть до достижения данного предельного количества пара пар приходится сбрасывать в атмосферу. Решение в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает возможность осуществлять процесс запуска даже при нулевом количестве пара. Посредством открывания клапана обводной паровой трубы и закрытия клапана основной паровой трубы создается возможность осуществления процесса запуска через "заднюю" секцию (смешивающий конденсатор и водовоздушный теплообменник) последовательно соединенной системы охлаждения. В то же время посредством открывания обводного клапана водяного цикла можно нагреть охлаждающую воду в смешивающем конденсаторе. При этом водовоздушный теплообменник не наполняется водой, поэтому насос, который осуществляет циркуляцию охлаждающей воды, вынуждает охлаждающую воду циркулировать по трубе, которая обходит теплообменник (когда открыт установленный в нем обводной клапан на стороне воды). Водовоздушные теплообменники заполняются водой, нагретой таким образом, и будут введены в действие только после этого. Паровоздушный теплообменник (конденсатор) вводится в действие только после открывания клапана в основной паровой трубе, если поток пара существенно превысит безопасное значение.
В дополнительном предпочтительном конструктивном варианте осуществления в соответствии с настоящим изобретением нижняя конденсато- и паросборная камера паровоздушного теплообменника (конденсатора) в первой секции системы воздушного охлаждения изменена таким образом, что оставшийся пар не подается из камеры в корпус отдельного смешивающего конденсатора. Вместо этого нижняя сборная камера сама выполняет функцию пространства смешивающего конденсатора посредством подачи воды, охлажденной в водовоздушном теплообменнике, в форсунки, расположенные в нижней камере (по всей ее длине или только на определенных участках). Вследствие этого конденсация оставшегося пара происходит в непосредственной близости от выхода из конденсаторных труб в нижней сборной камере. Отвод неконденсирующихся газов осуществляется соответственно с выполненной секцией камеры, предпочтительно содержащей тарелочный доохладитель. Чтобы ограничить размеры выполненной таким образом камеры, выполняющей вышеописанную комбинированную задачу (камеры для сбора конденсата и оставшегося пара, пространства смешивающего конденсатора и пространства, пригодного для отвода неконденсирующихся газов), по меньшей мере, в одном месте необходимо установить резервуары, которые выполняют функцию накопительной части (конденсатного колодца) смешивающего конденсатора для нагретой охлаждающей воды и конденсата пара. Такое решение существенно сокращает путь оставшегося пара до конденсации и тем самым уменьшает падение давления и, следовательно, температуры вследствие трения пара, а также явления несбалансированности, наблюдающиеся при этом. Кроме того, паровоздушный и водовоздушный теплообменники можно разместить в общих трубных пучках.
Дополнительное предпочтительное решение можно получить путем интеграции паровоздушного и водовоздушного теплообменников. То есть не только в одном трубном пучке теплообменника, а в каждой отдельной трубе теплообменника выполнена секция, обеспечивающая паровоздушный теплообмен, а также водовоздушный теплообмен. Для этого требуется труба теплообменника, которая имеет удлиненную форму в направлении воздушного потока, и многофункциональная нижняя камера, которая выполняет несколько задач. Нижняя камера собирает конденсат и оставшийся пар, поступающий из секции паровоздушного теплообменника, и выполняет функцию пространства смешивающего конденсатора для оставшегося пара. То же самое пространство содержит тарелочный или насадочный доохладитель, обеспечивающий отвод неконденсирующихся газов. Часть пространства в нижней камере выполняет также функцию водораспределительной камеры водовоздушного теплообменника и именно через эту камеру охлажденная вода подается в форсунки. Внутри трубы интегрированного теплообменника, начиная с нижней сборной камеры, часть, предпочтительно часть на стороне входа охлаждающего воздуха, отделена от остальной трубы боковой стенкой в плоскости, перпендикулярной направлению потока воздуха, таким образом, что эта часть является пригодной для образования трубной секции водо-воздушного теплообменника. Целесообразно также, чтобы эта секция заканчивалась в промежуточной точке длины трубы теплообменника, где она ограничена закрывающим элементом, расположенным в плоскости, перпендикулярной оси трубы. Выполненную таким образом трубную секцию водовоздушного теплообменника можно разделить на дополнительные каналы, по меньшей мере, одной внутренней перегородкой. При использовании всего одной внутренней перегородки, которая заканчивается до верхнего закрывающего элемента, двухпроходной поперечно-противоточный водовоздушный теплообменник может быть выполнен так, что при виде в направлении потока воздуха нагреваемая охлаждающая вода проходит вверх по внутреннему каналу, затем после поворота на 180 градусов в конце перегородки вода проходит вниз по внешнему каналу со стороны поступления воздуха и в это время охлаждается в результате охлаждающего действия, производимого оребренной поверхностью теплообменника. Пар, поступающий из турбины, входит в трубу паровоздушного теплообменника через верхнюю парораспределительную камеру по всей площади поперечного сечения трубы теплообменника. Пар частично конденсируется в секции для паровоздушного теплообмена, причем при этом уменьшается не только поток пара, но вследствие образования секции водовоздушного теплообменника с некоторой точки уменьшается также поперечное сечение, доступное для потока. Конденсат и оставшийся пар поступают в нижнюю камеру трубного пучка теплообменника, которая выполняет вышеописанную комбинированную задачу. Охлаждающая вода, охлажденная в секциях внешних каналов, распыляется через форсунки, расположенные в нижней камере, в пространство смешивающего конденсатора нижней камеры. В этом пространстве охлаждающая вода соприкасается с оставшимся паром, поступающим из каналов, выполняющих функцию паровоздушного теплообменника, по всей длине этих каналов и конденсирует большую часть пара. В нижней камере или в пространстве, граничащем с ней, целесообразно создать часть для противоточного тарельчатого или насадочного доохладителя-конденсатора, из которой неконденсирующиеся газы можно подавать в эжекторы в подходящем режиме.
В дополнительном функциональном варианте данного решения оребренная снаружи труба теплообменника, удлиненная в направлении воздушного потока, разделена на несколько каналов перегородками. Пар, поступающий из турбины, в этом случае также входит по всему поперечному сечению теплообменника, иначе говоря, пар поступает в трубу теплообменника через все каналы. Некоторые из пароконденсационных каналов проходят по всей длине от верхней распределительной камеры до нижней сборной камеры и заканчиваются в ней; остальные паровые каналы начинаются от верхней парораспределительной камеры и заканчиваются в промежуточной точке длины трубы теплообменника. Перед конечной точкой каналов в перегородке имеется отверстие канала, проходящего в смежный пароконденсационный канал. Согласно другому решению в перегородках выполнены частые отверстия или проходы между каналами, предназначенными для конденсации пара, при этом благодаря данным отверстиям конденсационная часть становится квазиодноканальной (как в описании WO 98/33028). Два канала или большее, но четное число каналов многоканальной трубы теплообменника (два из ее каналов при общем числе каналов, равном четырем) отделены от парового пространства, начиная с нижнего конца до определенной высоты (предпочтительно со стороны поступления охлаждающего воздуха) и служат для образования секции водовоздушного теплообменника.
Описанное здесь решение и его варианты благодаря объединению и интегрированию его функций, а также его конструктивным узлам способствуют обеспечению более экономичного по затратам и более эффективного процесса за счет сокращения длин прохода среды. В соответствии с вышеизложенным пар может входить по всему поперечному сечению трубы всех труб, образующих теплообменники. Естественно, паровоздушный теплообменник должен быть герметичным. Поэтому одинаковые водо-воздушные теплообменники, интегрированные в одном корпусе с паровоздушными секциями, также могут иметь такую конструкцию, чтобы быть герметичными. Это обеспечивает возможность рециркулировать нагретую охлаждающую воду и повышать давление, необходимое для распределения между трубами теплообменников, в такой степени, насколько требуется для преодоления только трения в цикле, что позволяет некоторым секциям водо-воздушного теплообменника находиться под атмосферным давлением. В выполненном таким образом теплообменнике конденсация осуществляется в четыре этапа, но в одном корпусе теплообменника, частично в секции паровоздушного теплообменника, в меньшей степени по стенкам, разделяющим потоки пара и воды в отдельных трубах теплообменника, впрыскиванием охлажденной воды охлаждения в нижнюю сборную камеру, выполняющую также функцию пространства смешивающего конденсатора, и, наконец, там же в секции тарельчатого доохладителя, ведущей к месту отвода воздуха.
Возможно создание дополнительного предпочтительного варианта осуществления при использовании интегрированного теплообменника, частично аналогичного предыдущему варианту, с формированием в отдельных трубах нечетного числа, вплоть до одного, каналов для работы в качестве водовоздушного теплообменника. Тогда из сборной камеры, которая также выполняет функцию смешивающего конденсатора, нагретая охлаждающая вода поступает в накопительное пространство, из которого насос перекачивает воду во внешнюю распределительную трубу охлаждающей воды. Целесообразно, чтобы распределительная труба охлаждающей воды проходила между трубными пучками теплообменников, установленными в форме буквы A, и из данной трубы вели отводы в каналы на стороне входа относительно направления воздушного потока в каждой одиночной трубе, в промежуточные секции труб, образующих трубный пучок теплообменника. Охлаждающая вода, проходящая в канальных секциях от ее ввода вниз по всей длине, снова охлаждается и впрыскивается в нижнюю сборную камеру, которая также выполняет функцию пространства смешивающего конденсатора, через форсунки, пригодные для формирования струй.
В дополнительном варианте осуществления интегрированного теплообменника распределение нагретой охлаждающей воды снова осуществляется в распределительной секции, выполненной в нижней сборной камере, и из данной камеры подлежащая охлаждению вода проходит вверх по одному каналу до промежуточной секции по всей длине канала. Охлажденная вода охлаждения впрыскивается через отверстия или форсунки, выполненные в верхней секции канала, в смежный канал, в котором эта вода обеспечивает конденсацию оставшегося пара, проходящего из каналов конденсатора через нижнюю сборную камеру в данное пространство смешения. Труба с поперечным сечением, значительно меньшим поперечного сечения канала, проходит в каждую секцию канала, выполняющую функцию пространства смешения, "смежного" каналу водоохладителя, до его конца. Через эти трубы осуществляется отсос и подача неконденсирующихся газов, концентрация которых становится выше в верхней части пространства смешения, в сборные трубы эжекторной системы. Описанное решение обеспечивает благоприятный результат, когда режим обуславливает необходимость преобладания теплообмена посредством паровоздушной конденсации над водовоздушным теплообменом.
4. Описание возможных вариантов осуществления изобретения на основе чертежей
Ниже приведено подробное описание некоторых предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на чертежи, на которых
Фиг.1 - система воздушного охлаждения с паровоздушным теплообменником, водо-воздушным теплообменником и смешивающим конденсатором.
Фиг.2 - система воздушного охлаждения с естественной тягой.
Фиг.3 - система воздушного охлаждения, в которой, помимо оставшегося пара из паровоздушного теплообменника, смешивающий конденсатор может также непосредственно конденсировать часть пара, расширенного в турбине.
Фиг.4 - система воздушного охлаждения, в которой нижняя сборная камера паровоздушного теплообменника выполняет также функцию смешивающего конденсатора.
Фиг.5a - система воздушного охлаждения с трубами каждого из интегрированных теплообменников, паровоздушного теплообменника и двухпроходного поперечно-противоточного водовоздушного теплообменника, который заканчивается в промежуточной точке длины трубы.
Фиг.5b - сечение по A-A на фиг.5a.
Фиг.5c - сечение по B-B на фиг.5b.
Фиг.6a - система воздушного охлаждения с трубами интегрированных теплообменников, которые содержат секцию паровоздушного теплообменника, разделенную на каналы перегородками, причем в каналах, заканчивающихся в промежуточной точке длины трубы, имеется проходное отверстие, и трубы содержат также трубную секцию двухпроходного поперечно-противоточного водовоздушного теплообменника.
Фиг.6b - сечение по A-A на фиг.6a.
Фиг.6c - сечение по A-A на фиг.6b.
Фиг.7a - система воздушного охлаждения с трубами интегрированных теплообменников, которые содержат трубную секцию паровоздушного теплообменника с перфорированными по всей длине перегородками и трубную секцию двухпроходного поперечно-противоточного водовоздушного теплообменника, которая заканчивается в промежуточной точке длины трубы.
Фиг.7b - сечение по A-A на фиг.7a.
Фиг.7c - сечение по B-B на фиг.7b.
Фиг.8a - система воздушного охлаждения с трубами интегрированных теплообменников, которые содержат трубную секцию паровоздушного теплообменника и трубную секцию одноходового перекрестно-точного водовоздушного теплообменника, водное питание которого осуществляется из внешней водораспределительной трубы, проходящей между трубными пучками теплообменников, установленными в форме буквы A.
Фиг.8b - сечение по B-B на фиг.8a.
Фиг.9a - система воздушного охлаждения с трубами интегрированных теплообменников, которые содержат трубную секцию паровоздушного теплообменника и трубную секцию одноходового перекрестно-точного водовоздушного теплообменника, водное питание которого осуществляется через нижнюю камеру, и трубную секцию, расположенную между двумя ранее упомянутыми секциями и выполняющую функцию пространства смешивающего конденсатора.
Фиг.9b - сечение по B-B на фиг.9a.
На фиг.1 показана система воздушного охлаждения, содержащая трубный пучок теплообменника подаваемого пара и воздуха и трубный пучок водовоздушного теплообменника, смешивающий конденсатор и соединение теплообменника и конденсатора друг с другом. Подлежащий конденсации пар 1, расширенный в турбине, поступает в трубный пучок 3 паровоздушного теплообменника через верхнюю парораспределительную камеру 24. Из верхней парораспределительной камеры 24 поток подлежащего конденсации пара 21 поступает в каждую оребренную трубу трубного пучка паровоздушного теплообменника, где оребренные трубы выполняют функцию конденсаторов 2 с воздушным охлаждением. При прохождении по оребренной трубе 2 паровоздушного теплообменника часть пара конденсируется в результате охлаждающего действия наружного охлаждающего воздуха 4, приводимого в движение воздуходувкой 5 (или любым другим агрегатом для приведения в движение воздуха). Конденсат 8 и поток 22 оставшегося пара поступают в нижнюю сборную камеру 25 из трубы 2 паровоздушного теплообменника. Аккумулированный оставшийся пар 23 поступает не в дополнительный паровоздушный теплообменник для конденсации в нем, а поступает в довольно компактный смешивающий конденсатор 9, соединенный с нижней сборной камерой 25. Струи охлаждающей воды, впрыскиваемые в смешивающий конденсатор через форсунки 10, выполняют функцию поверхности, выполняющей конденсацию аккумулированного оставшегося пара 23. Смесь охлаждающей воды, которая нагревается в процессе конденсации, и пара, конденсированного в смешивающем конденсаторе 9, аккумулируется в накопительной части 15 (конденсатном колодце). Тарельчатый или насадочный доохладитель 37, который обеспечивает удаление неконденсирующихся газов, расположен в соответствующей части смешивающего конденсатора 9. Неконденсирующиеся газы откачиваются из доохладителя 37 эжекторными насосами через воздухоотводную трубку 11. Из накопительной части 15 смешивающего конденсатора вода, количество которой пропорционально количеству конденсированного пара, и конденсат 8 из нижней сборной камеры 25 паровоздушного теплообменника 3 поступают в конденсатную трубу. Из накопительной части 15 смешивающего конденсатора 9 нагретая охлаждающая вода 13 передается в трубный пучок 7 водовоздушного теплообменника насосом 14 откачивания и циркуляции охлаждающей воды. Поток нагретой охлаждающей воды 13 снова охлаждается охлаждающим воздухом 4, подаваемым воздуходувкой 5 в оребренные трубы 6 водовоздушного теплообменника 7. Вторичное охлаждение происходит практически в двухпроходном поперечно-противоточном водовоздушном теплообменнике. Поток 12 охлаждающей воды, вторично охлажденной в водовоздушном теплообменнике 7, впрыскивается в пространство смешивающего конденсатора 9 через форсунки 10. Вследствие цикличности процесса, заканчивающегося описанным образом, дефлегматор, используемый в известных решениях, становится необязательным.
В случае задач, требующих более интенсивного теплоотвода, систему воздушного охлаждения, показанную на фиг.1, видоизменяют так, что расширенный пар 1, поступающий из турбины 20, распределяется по нескольким паровоздушным теплообменникам 3, т.е. конденсаторам, подсоединенным параллельно друг другу. В этих случаях можно не только применить один смешивающий конденсатор 9, но смешивающий конденсатор 9 можно подсоединить непосредственно к каждой из трубчатых теплообменников паровоздушного конденсатора 3 по отдельности, так что их можно соединить на стороне воды для сокращения длины паровых трактов.
На фиг.1 трубные пучки паровоздушного 3 и водовоздушного 7 теплообменников показаны отделенными друг от друга и в соответствии с этим каждый из них снабжен собственной воздуходувкой 5. В то же время трубные пучки паровоздушного 3 и водовоздушного 7 теплообменников можно расположить совместно друг с другом в одном отсеке и в данном случае они будут снабжены общей воздуходувкой 5.
На фиг.2 показан вариант, аналогичный варианту, показанному на фиг.1, но отличающийся тем, что воздуходувки 5, используемые для приведения в движение охлаждающего воздуха 4 на фиг.1, заменены конструкцией градирни 5a, создающей естественную тягу. Вместо принудительной циркуляции воздуха создана возможность использования естественной тяги, так что на стороне среды находится трубный пучок 7 водовоздушного теплообменника с принудительной циркуляцией и смешивающий конденсатор 9 в течение наиболее критичного этапа; конденсация оставшегося пара 23 и удаление неконденсирующихся газов осуществляются в пространстве или из пространства смешивающего конденсатора 9, который можно считать небольшим. В результате этого ослабляется влияние наружных условий (температура воздуха, скорость ветра и т.д.) и процесс остается управляемым.
Вариант, показанный на фиг.3, представляет собой конструкцию, в которой подлежащий конденсации пар 1 может проходить через трубный пучок 3 паровоздушного теплообменника в форме оставшегося пара 23, а также по обводной паровой трубе 26 и через паровой клапан 27, расположенный в ней, непосредственно в пространство смешивающего конденсатора 9. Такое решение значительно совершенствует управляемость системы охлаждения в целом и выбор оптимального рабочего режима. Если в основную парораспределительную трубу установлен также запорный клапан 28, то его закрывание будет обеспечивать выгодный режим даже в том случае, когда температура ниже нуля при запуске блока энергетической установки, и можно безопасно запускать систему охлаждения и экономить воду. В этих случаях запуск происходит в задней части последовательно соединенной системы охлаждения, а именно через смешивающий конденсатор 9 и водовоздушный теплообменник 7. Когда блок энергетической установки запускают, водовоздушные теплообменники не наполняются и поток охлаждающей воды проходит только по одной обводной трубе, пока она не нагреется до соответствующей температуры. Только после этого заполняются и вводятся в действие водовоздушные теплообменники 7. Паровоздушный теплообменник 3 вводится в действие открыванием запорного клапана 28 после того, как поток пара 1 значительно превысит безопасное значение, необходимое для работы без замерзания.
На фиг.4 показан еще один вариант предпочтительной конструкции, в котором нижняя камера 29 для сбора конденсата и оставшегося пара из трубного пучка 3 паровоздушного теплообменника обеспечивает также конденсационное пространство смешивающего конденсатора. В этом случае в отличие от вариантов конструкций, приведенных на фиг.1, 2 и 3, не требуется отдельной секции смешивающего конденсатора 9. Вместо этого поток охлажденной воды 12 впрыскивается через ряд форсунок 10, расположенных в нижней сборной камере 29. При таком решении конденсация потоков 22 оставшегося пара, отводимого из труб 2 паровоздушного теплообменника, и отвод неконденсирующихся газов 11 происходят не просто в отдельном, в ином случае, компактном смешивающем конденсаторе, но и без какого-либо перемещения в комбинированной нижней сборной камере 29, объединенной с пространством смешивающего конденсатора, что еще более уменьшает потери, обусловленные перемещениями. Чтобы ограничить размер камеры 29, необходимо предусмотреть резервуар, выполняющий функцию конденсатного колодца смешивающего конденсатора 15, для приема нагретой охлаждающей воды 13 конденсата 8a пара.
На фиг.5a,b,c, 6a,b,c и 7a,b,c показаны варианты с еще более высоким уровнем интеграции функций и реализации процесса. Наиболее важным отличительным признаком этих вариантов является такое интегрирование паровоздушного 3 и водовоздушного 7 теплообменников, что они интегрированы не только в одном трубном пучке теплообменника, но также внутри каждой оребренной трубы теплообменника трубных пучков теплообменников. Следовательно, каждая оребренная труба 39 интегрированного теплообменника в трубном пучке интегрированного теплообменника с воздушным охлаждением содержит трубную секцию 35a, обеспечивающую паровоздушный теплообмен, и трубную секцию 35b, обеспечивающую водовоздушный теплообмен.
Дополнительным важным элементом, повышающим степень интеграции и объединения секций паровоздушного и водовоздушного охлаждения, является функционально комбинированная нижняя камера 30, в которой собираются оставшийся пар 22, поступающий из паровоздушной секции 35a, и конденсат 8a; эта камера выполняет также функцию пространства смешивающего конденсатора в результате того, что охлажденная вода охлаждения впрыскивается через форсунки 10, расположенные в ней; в этой камере (или в пространстве, тесно соединенном с ней) расположен также доохладитель 37, способствующий отводу неконденсирующихся газов, а также пространство 36 распределения охлаждающей воды из трубной секции 35b водовоздушного теплообменника. На практике доохладитель 37 представляет собой тарельчатое или насадочное устройство, пригодное для противоточного тепло- и массообмена. Обе секции трубы 39 интегрированного теплообменника имеют поверхность теплообмена с геометрией одинакового типа и в соответствии с этим аналогично трубной секции 35a паровоздушного теплообменника секция 35b водовоздушного теплообменника также может быть выполнена вакуум-плотным способом. При этом насос 14a, используемый для циркуляции нагретой охлаждающей воды, может быть простым циркуляционным насосом вместо так называемого откачивающего и циркуляционного насоса.
Внутри трубы 39 интегрированного теплообменника трубная секция 35b водовоздушного теплообменника выполнена так, что, начиная с комбинированной нижней камеры 30, часть, на практике часть на стороне поступления охлаждающего воздуха 4, отделена боковой стенкой 32 от другой части трубы в плоскости, перпендикулярной направлению потока воздуха 4. Кроме того, на практике водовоздушная секция 35b заканчивается в промежуточной точке длины трубы 39 интегрированного теплообменника и отделена сверху закрывающим элементом, расположенным в плоскости, перпендикулярной оси трубы 39 интегрированного теплообменника. В результате этого поток пара 21 из верхней парораспределительной камеры 24 может поступать в трубную секцию паровоздушного теплообменника через полное поперечное сечение трубы 39 интегрированного теплообменника.
В предпочтительном варианте внутри оребренных труб теплообменника может быть выполнена отдельная, но интегрированная конструкция секции 39 паровоздушного теплообменника и секции 35b водовоздушного теплообменника посредством применения оребренных труб теплообменника, удлиненных в направлении потока охлаждающего воздуха, и создания каналов с перегородками внутри представленного сечения 39, при этом каналы разделяют трубу теплообменника на части и по каналам в соответствии с их функциональным назначением, установленным в примерах конструкций, пропускаются паровая среда паровоздушной охлаждающей секции и среда охлаждающей воды в водо-воздушной охлаждающей секции.
В примерах конструкций, показанных на фигурах 5a,b,c и на нижеописанных фиг., трубы теплообменника в соответствии с настоящим изобретением разделены на каналы.
Трубная секция 35b водовоздушного теплообменника вышеописанной конструкции может быть разделена на дополнительные каналы с перегородками. Если существует одна внутренняя перегородка 34 (причем данная перегородка 34 заканчивается прежде, чем доходит до закрывающего элемента 33), то двухпроходной поперечно-противоточный водовоздушный теплообменник можно выполнить так, что по отношению к направлению тока воздуха 4 нагретая охлаждающая вода 13 проходит вверх по внутреннему каналу, затем после поворота обратно в пространстве между концом перегородки 34 и закрывающим компонентом 33 она проходит вниз по внешнему каналу на стороне, с которой поступает воздух. В это время в результате охлаждающего действия поверхности оребренной трубы 39 интегрированного теплообменника охлаждающая вода охлаждается.
Установкой еще одной перегородки 34 секцию 35b водовоздушного теплообменника можно разделить даже на большее четное число путей.
В соответствии с вышеизложенным пример конструкции системы охлаждения, приведенный на фиг.5a,b,c, и труба 39 интегрированного теплообменника содержат секцию 35a паровоздушного теплообменника и секцию 35b водовоздушного теплообменника, разделенные закрывающим элементом 33 и боковой стенкой 32. Секция 35b водовоздушного теплообменника разделена на два пути перегородкой 34. Охлаждаемая вода проходит вверх по внутреннему каналу относительно направления течения охлаждающего воздуха и эта же вода проходит вниз по внешнему каналу (на фиг.5c водяная среда обозначена линиями, причем направление потока вверх относительно плоскости чертежа обозначено знаком "-", а направление потока вниз относительно плоскости чертежа обозначено знаком "+"). Остальная часть 35a пространства трубы 39 интегрированного теплообменника образует трубную секцию паровоздушного теплообменника, в котором подлежащий конденсации пар проходит вниз (На фиг.5c паровая среда в канале не обозначена линиями, причем направление потока вниз относительно плоскости чертежа обозначено знаком "+"). В соответствии с описанием, из верхней парораспределительной камеры 24 пар 21 поступает в секцию 35a паровоздушного теплообменника через полное поперечное сечение трубы 39 интегрированного теплообменника. При прохождении через полное сечение пар 21 постепенно конденсируется и в верхней точке секции 35b водовоздушного теплообменника (где находится закрывающий элемент 33) сечение секции 35a паровоздушного теплообменника, как показано, уменьшается, но в данном месте объемный расход пара значительно ниже. Оставшийся пар, выходящий из секции 35a паровоздушного охлаждения, дополнительно конденсируется охлажденной водой, отбираемой из водовоздушной секции 35b и впрыскиваемой в пар через форсунку 10, и смесь охлаждающей воды с конденсированной водой, выходящая из секции паровоздушного охлаждения и образующаяся в результате впрыскивания, поступает в комбинированную сборную камеру, выполняющую также функцию смешивающего конденсатора 30, и поступает в накопительное пространство 15. Неконденсирующиеся газы отводятся из вакуум-плотной камеры 30 через доохладитель 37. Количество, пропорциональное количеству охлаждающей воды, перекачивается из смеси охлаждающей воды с конденсатом, собранной в камере 30 и в ее накопительном пространстве 15, циркуляционным насосом в распределительное пространство 36, откуда такое же количество отбирается обратно в секцию 35b водовоздушного теплообменника.
В случае с вариантом осуществления, описанным в связи с фиг.5a,b,c и представленным на фигурах 6a,b,c, трубная секция 35a паровоздушного теплообменника разделена на параллельные каналы дополнительной перегородкой 31, расположенной в плоскости, перпендикулярной направлению потока охлаждающего воздуха. Определенные каналы трубной секции 35a паровоздушного теплообменника не проходят вдоль всей длины канала, но заканчиваются у верхнего закрывающего компонента 33 трубной секции 35b водовоздушного теплообменника. В конце перегородок 31 этих каналов имеются отверстия 41. Пар или конденсат, проходящий в этих каналах, может поступать в соседние каналы через указанные отверстия.
На фиг.7a,b,c показан вариант осуществления, описанный в связи с фиг.5a,b,c, в котором внутреннее пространство трубы 39 интегрированного теплообменника, содержащей паровоздушную и водовоздушную секцию, разделено на параллельные каналы в направлении потока охлаждающего воздуха перегородками 31a, расположенными в плоскости, перпендикулярной направлению потока, причем перегородки 31a, разделяющие определенные каналы трубной секции 35a паровоздушного теплообменника, по всей длине пробиты отверстиями и перфорированы для превращения конденсационного пространства в одноканальное пространство.
На фиг.8a,b показан вариант предпочтительной конструкции, в котором аналогично фиг.5a,b,c, 6a,b,c и 7a,b,c трубный пучок 40 теплообменника и каждая из его труб 39a теплообменника представляют собой элементы, реализующие интегрированные конденсацию пара и водяное охлаждение. В то же время подводимая нагретая вода 13 охлаждения передается в трубную секцию 35b водовоздушного теплообменника, расположенную во внешнем канале трубы 39a теплообменника, из распределительной трубы 42 охлаждающей воды, проведенной между трубными пучками 40 теплообменников, установленными в форме буквы A, параллельно плоскостям трубных пучков и осевой линии верхней парораспределительной камеры 24. Охлаждающая вода проходит вниз и вторично охлаждается в трубной секции 35b водовоздушного теплообменника, охлаждающая вода впрыскивается через форсунки 10 в комбинированную нижнюю сборную камеру и пространство 29a смешивающего конденсатора. В соответствии с этим с точки зрения соотношения между паровоздушным и водовоздушным теплообменом, такое решение является практически пригодным в случае большего отношения. Следует отметить, что трубную секцию 35b паровоздушного теплообменника можно разделить на дополнительные пути двумя или большим четным числом перегораживающих пластин таким образом, что на последнем пути охлаждающая вода проходит вниз, как описано выше, и в конце канала охлаждающая вода впрыскивается в комбинированную нижнюю сборную камеру 29a через форсунки 10.
На фиг.9a,b показан дополнительный вариант осуществления, в котором аналогично фиг.5a,b,c, 6a,b,c, 7a,b,c и 8a,b используется трубный пучок 40 интегрированных паровоздушного и водовоздушного теплообменников, который состоит из функционально интегрированных труб 39b теплообменника. Аналогично фиг.8a,b, внутри трубы 39b теплообменника в секции 35b водовоздушного теплообменника используется только один канал 35b охлаждающей воды. Этот канал является также внешним каналом трубы 39b теплообменника, расположенным на стороне, с которой поступает охлаждающий воздух. Кроме того, в данном случае секция 35b водовоздушного теплообменника проходит не по всей длине трубы теплообменника, но на промежуточной высоте эта секция отделена верхним закрывающим элементом 33 от секции 35a паровоздушного теплообменника. Однако нагретая вода 13 охлаждения поступает не через распределительную трубу снаружи трубного пучка теплообменника, а с помощью части 36a водораспределительного пространства, выполненной в нижней сборной камере 25a. В отличие от варианта, описанного в связи с фиг.8, в данном случае охлаждающая вода проходит вверх и процесс вторичного охлаждения заканчивается, когда вода достигает верхней части секции 35b водовоздушного теплообменника. Отсюда охлаждающая вода впрыскивается через форсунки 10 в трубную секцию теплообменника, образующую смежное комбинированное пространство 35c паровоздушного конденсатора и смешивающего конденсатора. Сверху секция, выполняющая функцию комбинированного пространства 35c конденсатора пара и смешивающего конденсатора, также ограничена верхним закрывающим элементом 33, при этом с одной стороны эта секция отделена от трубной секции 35b водовоздушного теплообменника перегородкой 32, а с другой стороны она отделена от трубной секции 35a паровоздушного теплообменника другой перегородкой 43. Оставшийся пар поступает в нижнюю сборную камеру 25a из каналов трубной секции 35a паровоздушного теплообменника (конденсаторная часть), проходит по всей длине этой секции, затем изменяет направление и проходит вверх через секцию, выполняющую функцию комбинированного пространства 35c конденсатора пара и смешивающего конденсатора, пока пар не конденсируется под действием охлаждающей воды, впрыскиваемой через форсунки из секции 35b водовоздушного теплообменника. Неконденсирующиеся газы концентрируются в верхней части трубной секции теплообменника, образующей пространство 35c конденсации. Эти газы отводятся по воздухоотводным трубкам 44 небольшого диаметра, проходящим вдоль секции, образующей пространство 35c конденсации. Воздухоотводные трубки соединены со сборной воздухоотводной трубкой 45, расположенной в функционально-комбинированной нижней камере 25a, и из нее данные трубки сообщаются с эжекторной системой через воздухоотвод 11.
5. Выводы
Система воздушного охлаждения в соответствии с настоящим изобретением, которая содержит секцию паровоздушного охлаждения, состоящую из оребренных труб теплообменника, и последовательно соединенную секцию водовоздушного охлаждения, состоящую из оребренных труб теплообменника, обладает значительными преимуществами по сравнению с системой с непосредственным воздушным охлаждением, содержащей только обычные паровоздушные теплообменники, в результате
- адаптации к наружным условиям,
- возможности исключения дефлегматоров,
- повышения гибкости и безопасности эксплуатации,
- улучшения управляемости,
- возможности снижения затрат на создание.
В системе воздушного охлаждения в соответствии с настоящим изобретением интеграция секции паровоздушного охлаждения и секции водовоздушного охлаждения в их оребренных трубах теплообменников приводит к дополнительному существенному усилению указанных преимуществ.
1. Система воздушного охлаждения, содержащая паровоздушный теплообменник, состоящий из оребренных снаружи труб, пригодный для частичной непосредственной конденсации среды в парообразном состоянии наружным воздухом, при этом в теплообменник проходит пар из верхней распределительной камеры и до нижней камеры, в которую собирается количество конденсата, соответствующее конденсированному пару, и пар, который еще не сконденсировался, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, один смешивающий конденсатор (9), в котором оставшийся пар (23), который еще не сконденсировался, выходящий из нижней сборной камеры (25) паровоздушного теплообменника (3), конденсируется под действием охлаждающей воды (12), охлаждаемой в водовоздушном теплообменнике (7) и распыляемой через форсунки (10), в то же время, неконденсирующиеся газы (11) отводятся из упомянутого конденсатора (9) через соответственно сконструированный тарельчатый или насадочный доохладитель(37).
2. Система воздушного охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что в, по меньшей мере, одном смешивающем конденсаторе (9) осуществляется конденсация оставшегося, еще не сконденсированного пара (23) под действием охлаждающей воды (12), охлаждаемой в водовоздушном теплообменнике (7), при этом смешивающий конденсатор или смешивающие конденсаторы (9) соединены последовательно с водовоздушным теплообменником или водовоздушными теплообменниками и соединены непосредственно друг с другом.
3. Система воздушного охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что паровоздушный теплообменник (3) и водовоздушный теплообменник (7) выполнены в виде трубных пучков (3, 7), состоящих из оребренных труб (2, 6) теплообменников, причем трубные пучки размещены в отсеках в системе с потоком охлаждающего воздуха (4).
4. Система воздушного охлаждения по п.3, отличающаяся тем, что трубный пучок (3) паровоздушного теплообменника и трубный пучок (7) водовоздушного теплообменника объединены между собой в одном отсеке, при этом трубные пучки непосредственно соединены с отдельными, разделенными пространствами смешивающих конденсаторов (9).
5. Система воздушного охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что содержит воздуходувку (5) или градирню (5а), создающую естественную тягу, которые обеспечивают поток охлаждающего воздуха (4) снаружи оребренных труб (2) теплообменников, образующих паровоздушный теплообменник (3) и водовоздушный теплообменник (7).
6. Система воздушного охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что смешивающий конденсатор или смешивающие конденсаторы (9) позади паровоздушного теплообменника (3), обеспечивают конденсацию части потока пара (1), расширяемого в турбине (20), помимо потока оставшегося пара (23), выходящего из нижней сборной камеры (25), непосредственно открыванием клапана (27) существующей обводной трубы (26).
7. Система воздушного охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что паровоздушный теплообменник (3) снабжен укрупненной нижней сборной камерой (29), выполняющей также функцию смешивающего конденсатора, которая имеет форсунки (10), пригодные для распыления охлаждающей воды (12), охлаждаемой в водовоздушном теплообменнике (7), и расположенные в секциях или непрерывно, для обеспечения конденсации оставшегося пара (22) непосредственно после его выхода из труб (2) теплообменника, а отвод неконденсирующихся газов (11) осуществляется из укрупненной и комбинированной нижней сборной камеры пространства (29) смешивающего конденсатора.
8. Система воздушного охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что для повышения эффективности системы воздушного охлаждения в пиковый период, поверхность водо-воздушного теплообменника (7), последовательно соединенного с паровоздушным теплообменником (3), смачивается водой, распыляемой в охлаждающий воздух (4), или непрерывной водяной пленкой, образованной на этой поверхности.
9. Система воздушного охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что она содержит теплообменник (40) с воздушным охлаждением с интегрированными оребренными трубами (39), которые имеют секцию (35а), определяющую паровоздушный теплообменник, и секцию (35b), определяющую водовоздушный теплообменник, причем каждая секция непосредственно соединена с пространством, выполняющим функцию смешивающего конденсатора (30).
10. Система воздушного охлаждения по п.9, отличающаяся тем, что трубы (39) теплообменника (40), образующие секцию паровоздушного теплообменника и секцию водо-воздушного теплообменника, состоят из оребренных труб, разделенных на канальные части, вытянутые в направлении потока охлаждающего воздуха.
11. Система воздушного охлаждения по п.9, отличающаяся тем, что, начиная с пространства комбинированной нижней сборной камеры (30), секция 35b, определяющая водовоздушный теплообменник, расположенный в оребренных трубах (39) теплообменника (40), продолжается только до промежуточной точки по длине в высоту трубы (39) теплообменника, часть которой разделена на каналы, при этом секция ограничена закрывающим элементом (33), расположенным в плоскости, перпендикулярной оси трубы теплообменника, и в направлении потока охлаждающего воздуха этот элемент закрывает только часть полной ширины оребренной трубы (39) теплообменника (в месте, где труба ограничена перегораживающей пластиной (32), установленной в плоскости, перпендикулярной направлению потока наружного воздуха), в результате чего подлежащий конденсации пар (21) поступает в секцию (35а), определяющую паровоздушный теплообменник, через полное поперечное сечение трубы (39) теплообменника, тогда как после промежуточной точки пар проходит только через часть поперечного сечения к комбинированной сборной камере - пространству смешивающего конденсатора (30).
12. Система воздушного охлаждения по п.9, отличающаяся тем, что секция (35b) водовоздушного теплообменника разделена на два прохода перегородкой (34) в оребренной трубе (39) теплообменника, так что охлаждающая вода, поступающая в секцию (35b) водовоздушного теплообменника, проходит вверх по внутреннему проходу и вниз по внешнему проходу, то есть, со стороны, с которой поступает охлаждающий воздух (4), при этом секция (35b) водовоздушного теплообменника снабжена дополнительной перегородкой (34), которая разделяет ее на большее четное число проходов.
13. Система воздушного охлаждения по п.9, отличающаяся тем, что она содержит функционально комбинированную нижнюю камеру (30), которая выполняет функцию смешивающего конденсатора, в котором конденсируется оставшийся пар (22), поступающий из паровоздушной секции (35а), под действием охлаждающей воды (12а), поступающей из водовоздушной секции (35b) и впрыскиваемой через форсунки (10), расположенные в нижней камере (30), и собирается конденсат 8а, при этом в этой нижней камере (30) расположены доохладитель (37), обеспечивающий отвод неконденсирующихся газов, и пространство (36) распределения охлаждающей воды из трубной секции (35b) водовоздушного теплообменника (30).
14. Система воздушного охлаждения по п.9, отличающаяся тем, что внутреннее пространство оребренной трубы (39) теплообменника (40) разделено в направлении потока охлаждающего воздуха на параллельные каналы перегородками (31), расположенными в плоскости, перпендикулярной направлению потока, и в конце каналов паровоздушной теплообменной секции (35а), заканчивающейся в промежуточной точке, имеется отверстие (41), через которое пар и конденсат свободно проходят в каналы, проходящие по всей длине трубы (39) указанного теплообменника.
15. Система воздушного охлаждения по п.9, отличающаяся тем, что внутреннее пространство трубы (39) теплообменника (40) разделено в направлении потока охлаждающего воздуха на параллельные каналы перегородками (31), расположенными в плоскости, перпендикулярной направлению потока, при этом перегородки (31), разделяющие определенные каналы трубной секции (35а) паровоздушного теплообменника, по всей длине пробиты отверстиями и перфорированы.
16. Система воздушного охлаждения по п.9, отличающаяся тем, что она содержит внешнюю распределительную трубу (42) охлаждающей воды, которая проходит между трубными пучками (40), образованными оребренными трубами (39а) теплообменников, установленными в форме буквы А, параллельно осевой линии парораспределительной камеры (24), и из которой охлаждающая вода, нагретая в пространстве, выполняющем функцию смешивающего конденсатора (29а), отбирается в верхнюю часть секции (35b) водовоздушного теплообменника, расположенной со стороны воздушного потока для прохода воды вниз, и охлаждается, охлаждающая вода распыляется через форсунки (10), расположенные в конце секции в комбинированную сборную камеру - пространство (29а) смешивающего конденсатора.
17. Система воздушного охлаждения по п.9, отличающаяся тем, что оребренная труба (39b) теплообменника (40) содержит три секции, разделенные перегородками: секцию (35а) паровоздушного теплообменника, секцию (35b) водовоздушного теплообменника, при этом охлаждающая вода, проходящая вверх из части (36а) водораспределительной камеры функционально комбинированной нижней сборно-распределительной камеры (25а), распыляется через форсунки (10), расположенные в конце трубной секции водовоздушного теплообменника, в третью смежную трубную секцию (35с) теплообменника, выполняющую функцию пространства смешивающего конденсатора, причем из верхней концевой точки секции, выполняющей функцию пространства (35с) смешивающего конденсатора, проложена тонкая отводная труба (44), проходящая по всей длине секции, в комбинированную нижнюю камеру (25а) для отвода неконденсирующихся газов.
