СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ОРОШАЕМЫХ ВОДОЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВОЗДУШНО-ВОДЯНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
METHOD AND DEVICE FOR CLEANING WATER-SPRINKLED SURFACES OF AIR-TO-WATER HEAT EXCHANGER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для очистки орошаемых водой поверхностей воздушно-водяного теплообменника, например поверхностей, имеющихся в поперечной или горизонтальной насадке охладительной башни (градирни) или в каплеуловителях.
Уровень техники
В градирнях охлаждают воду вторичного контура конденсации, например, за счет, главным образом, испарения некоторой части охлаждаемой воды. Эта вода орошает поверхности, служащие для этой цели, и увлекается потоком воздуха, протекающим в направлении, противоположном направлению орошения водой, и она охлаждается в меньшей степени за счет конвекции, которая имеет место на теплообменной поверхности самой воды.
Носителем орошаемых поверхностей является теплообменник (тело, на поверхности которого происходит теплообмен между водой и воздухом), в данном случае обычно называемый насадкой и образованный листами, изготовленными, в частности, из ПВХ, при этом упомянутые листы в сборе образуют ячеистую конструкцию. Каждая ячейка такой конструкции выполнена в виде трубы длиной приблизительно 1,5 м, при этом средний размер ее сечения составляет порядка нескольких сантиметров. Стенки ячеек выполнены тонкими (несколько десятых миллиметра) и перфорированы с образованием многочисленных отверстий.
Теплообменники подвешены в градирне между оборудованием для разбрызгивания охлаждаемой воды (водораспределительной системой) и расположенным внизу водосборным бассейном, служащим для отвода охлажденной воды, при этом выше, вверху градирни, кроме того, размещен каплеуловитель или средство захвата капель, предназначенное для удерживания по возможности капель воды, которые уносятся охлаждающим воздухом. Важно не выбрасывать эту воду в атмосферу, поскольку она может быть носителем бактерий, которые быстро размножаются в градирне, т.к. она работает при температуре, которая способствует такому размножению.
В процессе эксплуатации теплообменник и каплеуловители покрываются отложениями минеральных солей, образованными в результате испарения, происходящего на орошаемых поверхностях. Эти отложения со временем нарастают, и в теплообменнике они могут достигнуть такого веса, который в определенных установках в десятки раз превышает вес самого теплообменника. Отложения являются причиной проявления ряда недостатков, т.к. они образуют препятствия орошению и снижают тем самым эффективность процесса теплообмена; они образуют основу для удерживания находящихся в воде различных бактерий в условиях, которые способствуют их размножению; они создают весьма значительные дополнительные нагрузки на конструкцию, поддерживающую теплообменник, поскольку обычно он подвешивается внутри градирни.
Существуют, по меньшей мере, теоретически, различные пути устранения этих недостатков. Один из путей заключается в химической обработке охлаждающей воды с тем, чтобы удалить из воды соли, за счет чего на поверхностях теплообменника предотвращается образование твердого осадка. Это не представляется возможным осуществить в градирнях тепловых электростанций в случае использования ядерного или ископаемого топлива.
Кроме того, можно растворить осадок химическим путем, используя соответствующие растворы. Эта технология создает проблемы очистки отводимого потока и, следовательно, увеличивает эксплуатационные расходы.
Наконец, можно предусмотреть возможность создания вибрации теплообменника с помощью соответствующих механических средств. При проведении испытаний указанный метод привел к столь значительному повреждению теплообменника, что делает этот метод практически неприемлемым для последующего использования.
3
3
3
Наконец, можно производить механическую очистку теплообменника, после его демонтажа, но эта операция является весьма дорогостоящей, что обусловлено большим объемом указанного теплообменника (от 10 кубических метров (м) до 12000 м при использовании отдельных блоков с объемом приблизительно 2 м).
Задача изобретения
В связи с изложенным предложено техническое решение, которое позволило бы устранить недостатки существующих или возможных решений и в то же время обеспечило бы очистку теплообменников, используемых в градирнях тепловых электростанций, в частности атомных электростанций.
Сущность изобретения
В этой связи в соответствии с первым аспектом изобретение реализует способ удаления отложений «по месту» из теплообменника, находящегося в «мокрой» градирне (теплообменник представляет собой горизонтальную или поперечную насадку), или удаления отложений из каплеуловителя (при безусловном образовании осадка на его пластинах), при этом заявленный способ заключается в генерировании, по меньшей мере, одной сильной воздушной струи с большим количеством воздуха и низким давлением (например, порядка от 2 бар до 12 бар) с помощью генератора, служащего для увеличения объема сжатого газа в направлении зоны размещения теплообменника или в направлении пластин каплеуловителя с целью создания в указанном теплообменнике или указанном каплеуловителе потока, который направлен по существу параллельно поверхностям стенок, образующих очищаемый элемент, при этом генератор имеет выходное отверстие на некотором расстоянии от указанной зоны; кроме того, способ включает повторение указанной операции после перемещения генератора вдоль теплообменника или каплеотделителя через шаг определенной величины.
Сильная воздушная струя, сформированная генератором, распространяется внутри ячеек или каналов указанного теплообменника. При этом по мере ее прохождения происходит, в некоторой степени, расширение внутренних каналов, подлежащих очистке от отложений, и, как результат, имеют место локальные упругие деформации стенок указанных каналов, причем деформация имеет амплитуду, достаточную для того, чтобы отложение, которое является твердым и ломким, отделялось от стенок. В процессе испытаний было обнаружено, что вблизи стенки образуется облако пыли, как если бы частицы отложений внезапно отделялись от поверхности стенки в направлении, перпендикулярном к ней. Прохождение потока воздуха внутри очищаемого элемента сопровождается значительными потерями давления, так что струя воздуха распространяется по теплообменнику на глубину, которая соответствует по существу половине всей толщи указанного теплообменника. Данное обстоятельство является благоприятным, поскольку именно в этой половине теплообменника накапливается наибольшая масса отложений. Генератор обращен к боковой поверхности теплообменника, соответствующей выходу орошающей воды. В случае использования генератора для очистки каплеуловителей каналы, образованные между листами, короткие. Поэтому потери давления при прохождении потока связаны, главным образом, с профилем поверхности этих каналов, имеющим форму отражающих перегородок, изменяющих направление потока, что обеспечивает образование этими листами препятствий, которые являются эффективными для захвата капель, уносимых охлаждающим воздухом. Поток газа стремится увлекать с собой, по меньшей мере, некоторые из частиц, оторвавшихся от поверхности внутри канала, и они, как было установлено, оказывают абразивное действие, которое повышает очистительную способность заявленного способа. В зависимости от интенсивности «очищающего залпа» и от расстояния между генераторами, размещенными вдоль очищаемых элементов, для указанных оторвавшихся от поверхности частиц можно организовать некоторый вид цикла, включающего создание ряда последовательных потоков.
Принимая, что сечение подобного теплообменника может составлять до нескольких тысяч квадратных метров, становится понятным, что невозможно обеспечить генератор сильной струи воздуха, способной охватить всю эту поверхность. Поэтому способ согласно настоящему изобретению предусматривает позонную очистку рассматриваемых теплообменников, с последовательной очисткой зон. Так, например, способ включает непрерывное перемещение генератора под теплообменником и генерирование непрерывной последовательности сильных струй воздуха по мере указанного перемещения генератора.
Для повышения эффективности обработки можно осуществить стадию нагревания рассматриваемой зоны с помощью средства для подачи нагретого воздуха. Поскольку стенки каналов, образующих очищаемые элементы, выполнены из термопластичного материала (как правило, из ПВХ), нагревание приводит к тому, что эти стенки становятся более гибкими и, следовательно, увеличивается различие по жесткости между стенкой и отложением. Следует понимать, что, когда сильная струя воздуха протекает при таких условиях, отложение отделяется от стенок легче.
Согласно второму аспекту изобретение реализует устройство для осуществления описанного выше способа, в котором вышеупомянутый генератор содержит:
источник сжатого газа;
по меньшей мере, один резервуар, имеющий вход, сообщающийся с источником газа через регулировочный кран, выполненный с регулируемым открытием и закрытием, и выход, сообщающийся с внешней атмосферой через седло рабочего органа клапана, выполненного с регулируемым открытием и закрытием; и средства регулирования указанных регулировочного крана и рабочего органа клапана для изолирования резервуара от внешней атмосферы, в то время как он сообщается с источником сжатого газа, и для его изолирования от указанного источника, когда указанный резервуар сообщается с внешней атмосферой.
В воплощении, специально приспособленном для очистки отложения в насадке (горизонтальной или вертикальной), в которой поверхности теплообмена образуют каналы небольшого сечения, выпускное седло продолжается от газового резервуара соплом, т.е. устройство имеет выход в окружающую атмосферу через сопло, служащее для направления и расширения потока воздуха за седлом указанного рабочего органа клапана.
Конструкция устройства позволяет быстро устанавливать сообщение резервуара с внешней атмосферой и таким образом позволяет обеспечить такое расширение газа, которое приводит к созданию сильной струи воздуха, но с низким давлением (от 2 до 12 бар), которая распространяется от выхода резервуара или из сопла, если оно имеется, в направлении торца очищаемого теплообменника, к которому обращен указанный выход (или сопло). Как было установлено, устройство не должно находиться непосредственно под теплообменником, а должно быть от него на некотором расстоянии с тем, чтобы материал, из которого изготовлены каналы теплообменника, не мог быть поврежден давлением потока газа, которое является слишком высоким и слишком локализованным. Необходимо, чтобы это расстояние составляло порядка нескольких десятков сантиметров (например, от 15 см до 50 см).
Кроме того, было установлено, что при наличии в устройстве сопла выгодно, чтобы открытый конец сопла был размещен внутри цилиндрической гильзы, которая расположена в радиальном направлении на некотором расстоянии от указанного свободного конца. Газ, выходящий из сопла, создает всасывание воздуха в зазор между стенкой сопла и гильзой, и за счет этого формируется некоторый вид цилиндрической оболочки из текучей среды, которая включает поток газа, вытекающий в направлении, по существу проходящем вдоль оси каналов. Эта оболочка предотвращает расширение вытекающего потока газа и достижение им каналов под углом. Такое расширение могло бы привести к воздействию на указанные стенки давления, соответствующего кинетической энергии потока, и их деформации с достижением разрушающего механического напряжения. Предотвращение расширения потока указанным образом желательно, в частности, при очистке насадки градирни.
В частном случае воплощения этого устройства рабочий орган клапана установлен с возможностью скольжения по неподвижному стержню, размещенному внутри резервуара, и взаимодействия с указанным стержнем с образованием камеры переменного объема, подходящей для ее избирательного подключения к источнику сжатого газа и соединения с атмосферой в целях закрытия и открывания соответственно выхода из резервуара. Кроме того, стержень выполнен внутри полым. Он постоянно сообщается с источником газа под давлением и имеет отверстия, сообщающие внутренний объем стержня с резервуаром, в то время как рабочий орган клапана выполнен в виде внешнего цилиндрического элемента, стенка которого охватывает снаружи указанные отверстия в стержне, когда рабочий орган клапана находится на некотором расстоянии от седла клапана так, чтобы в этом положении рабочего органа резервуар был изолирован от источника газа. Эти средства легко позволяют достигнуть быстрого открытия выхода из резервуара посредством быстрого увеличения проходного сечения для потока. Кроме того, с помощью этих средств может быть простым путем механически синхронизировано перемещение различных подвижных элементов устройства таким образом, чтобы подавать и отводить газ с относительно высокой частотой, необходимой для проведения очистки теплообменника, например, в отрезок времени, сравнимый с требованиями промышленной эксплуатации градирни.
В устройстве, в котором для избирательного сообщения с камерой переменного объема предусмотрен поворотный кран, ось последнего совпадает с осью (X) стержня.
Устройство может содержать множество резервуаров, смонтированных на общей раме, на которой установлено одно приводное устройство для всех используемых поворотных клапанов, при этом каждая пробка поворотного клапана смещена на некоторый угол поворота относительно других пробок клапана крана так, что генерирование последовательности ударных волн обеспечивает один привод для всех пробок.
Выгодно, чтобы устройство согласно изобретению включало в своем составе источник для дутья нагретого воздуха в направлении очищаемого элемента. Такой источник может быть образован просто с помощью воздуходувки, служащей для нагревания полимерного материала, из которого выполнен очищаемый от отложений теплообменник, перед «акцией» ударного воздействия потока, которым он подвергается, например, продолжительно.
Наконец, устройство согласно настоящему изобретению может быть снабжено бункером для сбора твердых частиц отложений, отделенных посредством очистки и падающих вниз за счет действия гравитации, в частности, при работе в условиях горизонтального расположения насадки. Следует отметить, что вместе с устройством, соответствующим изобретению, могут быть использованы и другие средства сбора частиц, например средства их всасывания.
Вместо поворотного крана в описываемом устройстве может использоваться электромагнитный клапан.
Краткое описание чертежей
Описание приводится со ссылками на сопровождающие чертежи.
Фиг.1 - схематическое изображение генератора ударных волн.
Фиг.2 - воплощение способа в соответствии с изобретением при очистке горизонтально расположенной насадки.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан резервуар 1 с выпускным отверстием, образующим седло 2 клапана, предназначенного для открытия и закрытия отверстия с помощью рабочего органа 3 клапана. Резервуар имеет практически цилиндрическую форму с продольной осью X, относительно которой центрировано седло клапана. На этой оси в резервуаре размещен неподвижный внутренний стержень 4, выполненный в виде трубы, один конец которой, находящийся внутри резервуара, выполнен закрытым, и которая проходит через стенку резервуара с противоположной стороны от места расположения седла 2. Рабочий орган 3 клапана образован цилиндрическим элементом 3b с головной частью 3а в верхней части цилиндрического элемента. Головная часть 3а имеет профиль, предназначенный для герметичного закрытия седла, при этом седло снабжено кольцевой поверхностью, на которую действует давление, существующее внутри резервуара.
Рабочий орган 3 клапана установлен на стержне 4 с возможностью скольжения и взаимодействует с его закрытым концом с образованием камеры 5 переменного объема, в которую имеет выход канал 6, расположенный внутри стержня 4 и изолированный от его внутреннего объема.
В боковой стенке стержня 4 выполнено несколько отверстий 7, расположенных на таком уровне, что они не закрыты цилиндрическим элементом 3b тогда, когда рабочий орган клапана прижат к седлу клапана, и закрыты цилиндрическим элементом, когда рабочий орган 3 клапана перемещен в направлении от седла.
Вне пределов резервуара 1 внутренний объем стержня 4 соединен каналом 8 с источником 9 давления, которым может служить коллектор, питающийся от компрессора или от одного или более баллонов со сжатым газом (воздухом). Внутренний канал 6 соединен с тем же источником 9 сжатого газа посредством канала 10 и поворотного газового крана 11, снабженного приводным валом, обозначенным позицией 12. В показанной на фиг.1 позиции указанный поворотный кран обеспечивает сообщение источника 9 с внутренним каналом 6, и тем самым с камерой 5. В противоположной позиции после того, как пробка крана 11 повернута на половину оборота, кран изолирует камеру 5 от источника давления и сообщает его с атмосферой посредством выходного отверстия 13, расположенного напротив канала 10. Пробка крана соединена приводным валом 12 с зубчатым колесом 14, образующим часть системы передачи вращения от двигателя, которая на фигуре не показана и которая включает, например, клиновидный ремень 15 для привода во вращение зубчатого колеса 14. В примере, который не отображен, поворотный пробковый кран может быть замен соответствующим электромагнитным клапаном.
Наконец, на этой фигуре можно видеть сопло 16, которое расширяется в направлении от выходного отверстия резервуара 1. Снаружи сопла устройство содержит цилиндрическую гильзу 17, которая окружает сопло снаружи и продолжает его выход в атмосферу.
Описанное выше устройство функционирует следующим образом.
Предполагается, что первое положение устройства такое, как показано на фиг.1. В этом положении камера 5 заполнена газом под давлением, за счет чего рабочий орган 3 клапана оказывается прижатым к седлу 2, окружающему выходное отверстие из резервуара 1. В этом положении цилиндрический элемент 3b рабочего органа клапана располагается выше отверстий 7, и внутренняя камера в резервуаре 1 сообщена с источником 9 газа под давлением.
Пробка 11 крана поворачивается, например, с помощью привода ее непрерывного вращения. Во время первой фазы этого вращения камеру изолируют от источника 9, и канал посредством указанной пробки сообщается с выходным отверстием 13. Затем из камеры 5 выпускают воздух, и давлению, существующему внутри резервуара 1 и действующему на кольцевую поверхность рабочего органа клапана вокруг седла 2, больше не противодействует давление, действующее внутри камеры 5. В результате рабочий орган клапана отходит от седла 2. Объем внутри резервуара 1 сообщается таким образом с атмосферным давлением через выпускное отверстие, окруженное седлом 2, в то время как цилиндрический элемент 3b рабочего органа 3 клапана перекрывает отверстия (имеющиеся в стержне 4). Расширение газа в сопле 16, которое образует выпускное отверстие, приводит к формированию сильной струи воздуха, которая распространяется в направлении выхода из сопла 16 вдоль оси Х устройства.
Внутри сопла течение газа приводит к падению давления, и после выхода из сопла 16 поток направляется по каналу, образованному гильзой 17, создавая в ней тем самым, за счет эффекта Вентури, периферийный трубчатый поток, который ограничивает дальнейшее расширение потока, покидающего сопло. В результате поток газа внутри сопла сохраняет направление, по существу параллельное оси Х устройства.
Дальнейшее вращение пробки приводит устройство в позицию, показанную на фиг.1. В этот момент времени камера 5 больше не сообщается с атмосферой, а вновь сообщается с источником 9 газа. При этом рабочий орган 3 клапана прижимается к седлу 2 и служит тем самым, во-первых, для изолирования внутренней камеры резервуара 1 от атмосферы. Во-вторых, как только отверстия 7 оказываются не перекрытыми, камера 5 сообщается с источником газа под давлением. Следовательно, вновь начинается рабочий цикл при вращении зубчатого колеса 14.
На фиг.2 представлена схема, иллюстрирующая батарею устройств описанного выше типа, используемых при проведении очистки теплообменника 20, подвешенного в градирне, используемой, например, в тепловой электростанции. На раме 21 установлено множество генераторов 22, сопла которых направлены вверх и расположены под указанным теплообменником 20. Расстояние Н между выходами сопел и нижним торцом подвешенного теплообменника составляет от 15 см до 30 см. Кроме того, на раме смонтирован источник газа (воздуха) под давлением, образованный в этом примере компрессором 23 и коллектором 24. Каждый генератор 22 снабжен вращающимся пробковым краном, соединенным с передачей 25, приводимой в действие электродвигателем 26. Указанная передача снабжена ремнем, приводящим синхронно во вращение все управляемые зубчатые колеса, соединенные с указанными пробковыми кранами. Кран каждого из генераторов смещен на некоторый угол поворота относительно всех других, что позволяет производить «ударные» воздействия потока последовательно во времени. Например, если на раме установлено шесть генераторов, угловое смещение между кранами, равное 60°, позволяет получить шесть последовательных «ударов» в течение интервала времени, необходимого для совершения краном одного оборота. В случае использования электромагнитных клапанов они приводятся в действие так, чтобы осуществлять указанную последовательность с помощью контроллера.
Рама 21, показанная на фиг.2, смонтирована на платформе 27 и оборудована механизмом подъема (или подъемным приспособлением). Платформа может быть самодвижущейся и обеспечивающей изменение расстояния Н между теплообменником 20 и соплами. Скорость перемещения платформы под теплообменником регулируется и составляет, например, примерно несколько сантиметров в секунду.
При работе устройства истечение газа под давлением создает в каждом отверстии рабочего органа клапана сильную струю воздуха, которая входит в каналы, образованные в теплообменнике тонкими листами из ПВХ, деформирует при этом каналы теплообменника и отрывает от поверхностей указанных каналов образовавшиеся на них отложения. Отложения, равномерно осажденные на листах ПВХ, твердые и хрупкие, в то время как их носитель, образованный тонкими листами из ПВХ, является очень гибким. Поэтому отложения разрываются на куски, когда их основа деформируется под действием ударной волны. Как только отложения растрескиваются или разрываются, они становится более податливым для отделения от несущей поверхности.
Кроме того, одновременно по мере прохождения потока воздуха сквозь каналы он интенсивно счищает все находящиеся в каналах летучие элементы. Куски отложения, которые первоначально отделены от листов ПВХ действием ударной волны, затем уносятся потоком воздуха и способствуют очистке каналов за счет абразивного действия.
Устройство, показанное на фиг.2, включает средство для нагревания теплообменника 20, которое схематически изображено в виде вентиляторного воздухонагревателя 28. Кроме того, в устройстве предусмотрена верхняя конструкция с накопителем отделенных от поверхностей отложений, выполненным, например, в виде бункера, окружающего раму 21, который не показан с тем, чтобы чертеж был более понятным. Нижнее разгрузочное отверстие бункера может быть соединено с источником, создающим всасывание.
Способ согласно изобретению и устройство, используемое для его осуществления, в модифицированном воплощении, отличающемся от иллюстрируемых на фигурах, может быть использовано для очистки других покрытых отложением элементов, таких как поперечные насадки в определенного типа градирнях или каплеуловители, которые также используются в таких градирнях для минимизации количества капель, уносимых в атмосферу выходящим из градирни воздухом. Такие каплеуловители не являются теплообменниками и скорее образуют физические препятствия (отражательные перегородки) для капель, содержащихся в потоке воздуха, причем указанные отражательные перегородки неизбежно подвержены образованию отложений, который менее значительны, но, тем не менее, являются достаточными для возникновения необходимости их очистки в течение более или менее длительного периода времени с целью восстановления начальных эксплуатационных характеристик.