СМЕШИВАЮЩИЙ КОНДЕНСАТОР
MIXING CONDENSER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к смешивающим конденсаторам для использования в электростанции, в частности в геотермальной электростанции.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Геотермальные энергетические ресурсы в последние годы вызывают значительный интерес, в качестве альтернативы к обычным углеводородным топливным ресурсам. Текучие среды, полученные из подземных геотермальных резервуаров, можно обрабатывать в наземных объектах, чтобы обеспечивать полезную энергию различных форм. В частности, интерес вызывает генерация электричества с помощью прохождения геотермального пара или пара через паровую турбину, подсоединенную к электрическому генератору.
Известно несколько различных типов геотермальных электростанций. Они включают в себя, например, электростанции, работающие по прямому циклу, геотермальные электростанции на парогидротермах, электростанции с непрямым циклом, электростанции, работающие по бинарному циклу и комбинированные или гибридные электростанции. Электростанции, работающие по прямому циклу, которые представляют особый интерес в отношении данного изобретения, включают в себя паровую турбину, которая приводится в действие непосредственно паром из недр земли. Пар, будучи расширенным в турбине, конденсируется в конденсаторе и выпускается в атмосферу или повторно вводится в подземные формации.
Патент США № 5,925,291 описывает смешивающий конденсатор для геотермальных применений. Геотермальные текучие среды обычно содержат множество потенциальных загрязняющих веществ, включающих в себя неконденсирующиеся газы (НКГ), такие как аммиак, сероводород и метан. Из-за этих загрязняющих веществ, в частности сероводорода, выброс выхлопа геотермального пара в атмосферу обычно запрещается по экологическим причинам. Таким образом, обычный подход заключается в выпуске жидких промышленных отходов турбины в паровой конденсатор, чтобы уменьшить противодавление турбины и сконцентрировать неконденсирующиеся газы для дальнейшего отвода, очистки или устранения на последующих участках.
Патент США № 5,925,291 дополнительно предлагает, чтобы многие геотермальные электростанции использовали смешивающие конденсаторы, в которых охлаждающая жидкость и пар смешиваются в конденсационной камере, чтобы конденсировать пар, выходящий из турбины. Смешивающие конденсаторы обычно предпочтительнее поверхностных конденсаторов в случае конденсации пара с высоким содержанием неконденсирующихся газов с коррозионным потенциалом. В поверхностных конденсаторах пар освобождает свою теплоту конденсации в циркуляционную охлаждающую воду через разделительную перегородку. Этот тип конденсаторов является предпочтительной реализацией циклического приемника отводимого тепла из-за превосходного общего среднего коэффициента теплопередачи, получаемого для конденсирующегося чистого (или квазичистого) пара в поверхностных конденсаторах.
Однако для конденсации пара с высоким содержанием неконденсирующихся компонентов (например, более 0,5% мольной доли) рассматривают использование 1 менее эффективного смешивающего конденсатора из-за пограничного слоя газовой пленки, который значительно увеличивает тепловое сопротивление для теплопередачи. Чтобы реализовать оптимальную эффективность теплопередачи, используя смешивающие конденсаторы, охлаждающую жидкость необходимо вводить в конденсационную камеру на достаточно высокой скорости, чтобы диспергировать жидкость в мелкие капельки, то есть формировать дождь, таким образом увеличивая площадь поверхности для конденсации.
К сожалению, этот высокоскоростной выпуск снижает продолжительность контакта между охлаждающей жидкостью и паром, который в свою очередь снижает эффективность теплообмена. Следовательно, обычные смешивающие конденсаторы требуют относительно больших конденсационных камер для компенсации этой низкой эффективности теплоотдачи и обеспечения достаточного контакта между жидкостью и паром для эффективной конденсации.
Как формулировано в патенте США № 5,925,291, возможный способ увеличения эффективности конденсации, и таким образом, минимизации размера смешивающего конденсатора, состоит в том, чтобы вводить охлаждающую жидкость через множество отдельных сопел, которые диспергируют охлаждающую жидкость в форме капелек или пленок. Поскольку пленки или капельки обеспечивают большую площадь поверхности для конденсации, чем обычный впрыск жидкости, охлаждающую жидкость можно вводить в камеру на более низкой скорости, то есть не создавая дождь из мелких капелек. Хотя эти конденсаторы распылительной камеры обеспечивают обычно улучшенную эффективность конденсации и более компактный дизайн, чем предыдущее поколение конденсаторов, они требуют значительного количества охлаждающей жидкости для получения достаточной конденсации. Поэтому и из-за дополнительных энергетических потребностей, и из-за потерь, связанных с накачиванием избыточной охлаждающей жидкости в конденсационную камеру, действительная отдача этих конденсаторов остается все еще низкой.
Патент США № 3,814,398 раскрывает смешивающий конденсатор, имеющий множество расположенных на расстоянии друг от друга пластин дефлектора, расположенных под углом относительно впускного отверстия охлаждающей жидкости. Пластины дефлектора располагают, чтобы разделять охлаждающую жидкость на фрагменты жидкости, таким образом создавая пленку хладагента. Конденсатор включает в себя многоструйные распылительные камеры, в которых каждая камера имеет пластины дефлектора и трубопровод для жидкости. Явными недостатками этой конструкции являются ее сложность и высокая стоимость из-за большого количества отделений, пластин дефлектора и трубопроводов для жидкости, требуемых для создания пленки.
Конденсатор, описанный в патенте США № 5,925,291, имеет камеру нисходящего потока пара и камеру восходящего потока пара, в котором каждая из камер потока пара включает в себя множество подводящих трубопроводов охлаждающей жидкости и парожидкостной контактной среды, расположенной под ними для облегчения контактного и прямого теплообмена между паром и охлаждающей жидкостью. Контактная среда включает в себя множество листов, выполненных с возможностью формирования вертикальных чередующихся каналов или проходов для потоков пара и охлаждающей жидкости. Камера восходящего потока пара также включает в себя второй набор подводящих трубопроводов охлаждающей жидкости, расположенных ниже парожидкостной контактной среды, которые функционируют периодически в ответ на перепад давлений в камере восходящего потока пара. Конденсатор дополнительно включает в себя отдельные перегородки для сбора конденсата и охлаждающей жидкости от каждой из камер потока пара. В альтернативных вариантах осуществления конденсатор включает в себя камеру поперечного потока и камеру восходящего потока, множество камер восходящего потока или одну камеру восходящего потока.
При обеспечении эффективной системы охлаждения, конденсатор, описанный в патенте США № 5,925,291, часто может быть трудным для изготовления и эксплуатации, поскольку сложно формировать чередующиеся каналы из стали. Каналы в равной степени нелегко очищать для предотвращения засорения или образования накипи. Поэтому, как можно заметить, целью настоящего изобретения является обеспечение компактного и эффективного смешивающего конденсатора, который исключает недостатки известных способов охлаждения, в частности в применении к конденсированному пару из геотермальных источников.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с аспектом настоящего изобретения обеспечено устройство для конденсации пара, имеющее по меньшей мере две камеры, с первой камерой, действующей в качестве конденсационной камеры параллельного потока, и второй камерой, действующей в качестве конденсационной камеры встречного потока, с конденсационной камерой параллельного потока, включающей в себя секцию распределения охлаждающей жидкости, включающую в себя множество каналов, выполненных над множеством элементов носителей пленок, обеспечивающих, по существу, плоские поверхности для сплошной пленки, чтобы обеспечивать связь с потоком пара.
В предпочтительном варианте осуществления устройство дополнительно включает в себя камеру и выпускные отверстия для удаления неконденсирующихся газов (НКГ).
В другом предпочтительном варианте осуществления секция распределения охлаждающей жидкости диспергирует жидкость, чтобы сформировать однородную пленку на носителях при очень низком падении давления. Падение давления, при измерении в отверстиях каналов распределения в конденсационную камеру встречного потока, в лучшем исполнении составляет менее 300 мбар или даже менее 200 мбар.
В другом предпочтительном варианте осуществления секция распределения охлаждающей жидкости диспергирует жидкость так, что поток на носителе является по меньшей мере частично турбулентным, предпочтительно без пленки, поднятой с поверхности. Чтобы помочь в установлении турбулентного потока на носителе, носитель пленки может иметь структурированную поверхность.
Носители пленок являются предпочтительно, за исключением поверхностных структур, чрезвычайно гладкими пластинами из металла, металлического сплава или искусственных материалов, таких как стекло, полимерные или композиционные материалы, которые можно легко очищать, чтобы удалять отложения процесса конденсации.
Внутри камеры пластины можно устанавливать как вертикальные или почти вертикальные перегородки, то есть ориентировать под углом предпочтительно в пять градусов или меньше от вертикальной или прямой ориентации.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления пластины комбинируют в модули, при этом один или несколько модулей образуют конденсаторный блок для электростанции.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления изобретения секция распределения охлаждающей жидкости включает в себя каналы, через которые при работе охлаждающая жидкость течет во взаимно противоположных направлениях перед распределением на носители пленки. В разновидности варианта осуществления каналы разделяются на два набора каналов с хладагентом, текущим в первом направлении в одном наборе и в противоположном направлении в другом наборе каналов.
Если рассматривать эффективность, пластины можно также формировать в трубки, полутрубки и другие формы, все из которых способны обеспечивать поверхности для обеспечения возможности относительно беспрепятственного потока пленки охлаждающей жидкости от распределительной системы жидкости наверх для накопления хладагента в нижней части устройства.
Эти и дополнительные аспекты изобретения станут очевидными из следующего подробного описания и чертежей, как изложено ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь будут описаны примерные варианты осуществления изобретения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1A, B - схематичные виды в перспективе смешивающего конденсатора в соответствии с примером изобретения; и
фиг. 2A-2E показывают схематичный вертикальный разрез и дополнительные детали смешивающего конденсатора фиг. 1; и
фиг. 3 показывает модуль элементов носителей пленок в соответствии с примером изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Аспекты и детали примеров настоящего изобретения описаны более подробно в следующем описании с использованием примера конденсаторного блока, предназначенного для геотермальной электростанции. Пар, вытекающий из геотермального источника, как предполагается, несет большую фракцию неконденсирующихся газов.
Как показано, на видах в перспективе фиг. 1A и 1B показан смешивающий конденсатор в соответствии с примером настоящего изобретения, конденсатор 10 разделен по меньшей мере на два отсека 11, 12. Первый отсек 11 вмещает ступень конденсации параллельного потока, которая предназначен для выполнения главной части процесса конденсации. Второй отсек 12 вмещает ступень конденсации в компоновке встречного потока. Вторая ступень предназначена, главным образом, для очищения воды от неконденсирующихся газов.
Часть первого отсека 11 является впускным отверстием 111, направляющим пар от выхлопной трубы турбины в выхлопной патрубок или горловину 112 конденсатора. Дополнительные трубопроводы 114-1, 114-2 используют для впрыскивания воды в первый отсек 11 конденсатора 10 с противоположных направлений. Эти трубопроводы подают охлаждающую жидкость в систему распределения охлаждающей жидкости, описанной ниже. После прохождения через двухступенчатый конденсатор 10, неконденсирующиеся газы собираются во втором выхлопном патрубке 124 и извлекаются через отводную вытяжную трубу 125.
Схематичные разрезы фиг. 2 показывают дополнительные детали конденсатора, фиг. 1. Внизу выхлопного патрубка или горловины 112 конденсатора пар проходит через систему распределения жидкости или крышку 115 прежде, чем войти в секцию, включающую в себя множество вертикально выполненных пластин 113, которые составляют большую часть первого конденсаторного блока 11. Трубопроводы 114-1, 114-2 обеспечивают охлаждающую жидкость к системе 115 распределения охлаждающей жидкости, которая расположена над вертикально выполненными пластинами 113. Нижнюю часть 116 первого отсека по существу формируют как сборную камеру или колодец для горячего конденсата охлаждающей жидкости и части пара, конденсированного в него, и любого количества растворенных газов. Колодец 116 для горячего конденсата имеет перепускную трубу в колодец для горячего конденсата следующего отсека 12 и дополнительное выпускное отверстие 117, через которое в настоящем примере вода подается насосом 118, чтобы быть в состоянии управлять температурой охлаждающей жидкости на выходе ступеней конденсации.
Остаточный пар, после прохождения через первую ступень конденсации в компоновке равного потока или параллельного потока в первом отсеке 11, затем входит во второй отсек 12. Второй отсек 12 вмещает второй конденсаторный блок 121, действующий в компоновке встречного потока. Второй конденсаторный блок может быть обычным конденсатором со слоем насадки с охлаждающей жидкостью, распределенной через слой 122 насадки распылительными соплами 123, расположенными наверху конденсаторного блока 121. Слой насадки является только одним потенциальным дополнением газо-жидкостного контактора низкого падения давления. Перфорированные пластины, клапанные пластины, колпачковые тарелки являются возможными вариантами башен с насадками. Второй блок 121 предназначен для очищения пара от смеси для обогащения в неконденсирующихся газах, которые затем собираются выхлопным патрубком 124 и извлекаются через трубу 125.
Второй конденсаторный блок 121 дополнительно включает в себя другой колодец 126 для горячего конденсата для воды, очищенной от потока пара и газов. Колодец 126 для горячего конденсата соединяют с системой 127 насоса и трубопровода для подачи воды из колодца 126 для горячего конденсата в контур циркуляции для устройства наружного охлаждения (например, градирня, водяной водоохладитель и т.д.) для обработки, рециркуляции, размещения и т.д.
Дополнительные детали системы распределения жидкости показаны на фиг. 2B-2D. Система 115 подачи охлаждающей воды для конденсационных модулей, обеспеченных этими двумя трубопроводами 114-1, 114-2, расположенными наверху боковых стенок, распределяет охлаждающую воду во множество питающих трубопроводов 21. Как показано в дополнительных деталях на фиг. 2C, нижний ряд питающих трубопроводов 21 сдвинут относительно верхнего ряда вертикально приблизительно на один диаметр трубы и горизонтально на половину диаметра трубы, составляющего приблизительно 40 мм в описанном примере.
Эту или подобные компоновки выбирают для обеспечения мелкой сетки питающих трубопроводов 21 над пластинами 113, одновременно обеспечивая относительно беспрепятственное прохождение пара через сетку питающих трубопроводов и вдоль лицевых поверхностей пластин. Питающие трубопроводы 21 предназначены для распределения насколько возможно равномерной тонкой пленки охлаждающей жидкости вдоль верхней секции пластин 113. В примере этого достигают, обеспечивая возможность введения верхней части каждой пластины 113 носителя пленок в прорезь 22, прорезанную в нижней части питающего трубопровода 21, как показано на фиг. 2D. Ширина прорези находится в диапазоне 0,5 мм - 2 мм на каждой стороне верхней части пластины 113, чтобы обеспечивать, что поток охлаждающей жидкости пронизывает пластину и что падение давления в отверстиях или прорезях не превышает 200 мбар. Таким образом, охлаждающая жидкость, проходящая через питающий трубопровод 21, стекает равномерно вдоль и передней стороны, и задней стороны пластин 113.
В варианте осуществления фиг. 2E показан примерный способ прикрепления пластины 113 к питающим трубопроводам 21. Каждая пластина 113 удерживаетсяна своем месте внутри прорези 22 дополнительным металлическим листом 211. Этот прижимной лист 211 имеет зубчатые концевые секции и согнут в плотную U-образную форму. Верхнюю часть пластин 113 носителей пленок сваривают, сболчивают или сгибают в U-образное колено так, что зубчатые концевые секции обеспечивают множество коротких каналов 221 между нижней частью питающего трубопровода и прижимной пластиной 113. Пластины можно дополнительно упрочнять короткими листами жесткости или металлическими полосками 113-1, приваренными к пластинам 113 конденсатора под прямым углом.
Видно, как предпочтительно использовать трубопроводы 114-1, 114-2, чтобы направлять охлаждающую жидкость в питающие трубопроводы 21 от противоположных направлений. Например, трубопроводы 114-1, 114-2 можно использовать, чтобы питать попеременно каждый второй трубопровод 21. Этот режим подачи может балансировать любую неоднородность, вызванную направлением потока охлаждающей среды в систему 115 распределения жидкости. Его можно также использовать, чтобы переключать емкость конденсатора между полной и половинной нагрузкой, закрывая один из трубопроводов.
Также на фиг. 2A показаны пластины 113, установленные в форме модулей 23 с каждым модулем, объединяющим множество пластин 113, обычно 10-40. Пластины 113 модуля соединяют сваркой, используя полые трубчатые элементы 24, в качестве прокладок или стяжных прутьев, как показано более подробно на фиг. 2F. Модуль 23 прикрепляют к корпусу конденсаторного блока 11, пропуская, например, резьбовые стержни 25 через полые трубчатые элементы 24 и прикрепляя концы стержня 25 к корпусу или опоре внутри корпуса конденсаторного блока 11. Можно использовать другие способы механического или химического прикрепления, такие как гайки и болты, сварка или склеивание, чтобы удерживать модули и пластины в модулях на своем месте.
Как показано на фиг. 3, модули 23 предпочтительно конструируют в качестве цельных блоков, включающих в себя по меньшей мере часть компоновки 15 питающих трубопроводов 21 над пластинами 113, упомянутыми ранее. Каждый модуль 23 имеет обычно заданную емкость, выраженную, например, как максимальные коэффициенты массового расхода входящего пара. Тогда конденсатор можно приводить в соответствие с сокращенными конструкторскими работами, чтобы обеспечить (данный) тепловой поток через всю геотермальную электростанцию, монтируя соответствующее количество модулей 23 внутри одного или более корпусов, как показано выше. Впускные отверстия 114-1, 114-2 трубопровода можно использовать, чтобы питать попеременно каждые вторые модули 23 вместо каждого второго трубопровода 21, как в вышеописанном варианте.
Обращаясь снова к вышеупомянутым чертежам, отметим, что ниже описана обычная работа нового смешивающего конденсатора. Таким образом, в условиях эксплуатации охлаждающая жидкость, такая как вода, накачивается через систему 115 распределения и питающие трубопроводы 21. Поток охлаждающей жидкости от питающих трубопроводов 21 генерирует стекающую пленку охлаждающей жидкости на стенках пластин 113.
Полагают, что свойства теплопередачи и массообмена пленки на поверхности раздела между газом и жидкостью можно улучшить, выбирая гидравлическую нагрузку или поток пленки так, чтобы получить полностью турбулентную пленку на поверхностях пластин. Несмотря на турбулентность, пленку создают, чтобы она оставалась прилипшей к поверхности без значительного уноса жидкости в газовую фазу. Поверхность раздела пленки предполагают самой эффективной, когда она является напряженно волнообразной внутри рабочего диапазона нагрузки хладагента. Шероховатая или тонко структурированная поверхность носителя пленок, использующая, например, рисунок канавок, может улучшить требуемые свойства пленки.
Чтобы определить нагрузку от массы, которая, как полагают, заставляет пленку становиться турбулентной на поверхностях пластин 113 в противоположность поддерживанию ламинарного течения, используют число Re(F) Рейнольдса пленки. Число Re(F) Рейнольдса пленки определяется как пропорциональное отношению массового расхода или нагрузки Γ к вязкости жидкости η(l), то есть, Γ/η(l). Чтобы улучшить процесс конденсации и уменьшить вредное воздействие неконденсирующихся газов, видно, что предпочтительно сохранять нагрузку массового расхода хладагента на носителе 113 пленок, соответствующей диапазону числа Re(F) Рейнольдса пленки 1500-3000 или даже 1900-3000. Если воду используют в качестве хладагента, это число Рейнольдса пленки соответствует массовому расходу 1,5 литров - 3,0 литра и 1,9 литра - 3,0 литра, соответственно, в секунду на метр ширины пленки.
Используя, например, пластины 113 шириной 6 м и высотой пленки 2,5 м, нагрузку Γ пленки воды 2 кг/(м*с), число Re(F) Рейнольдса пленки примет значение приблизительно 2000. Если, предположим, уменьшить входящую смесь газа/пара от отводящего пара турбины приблизительно 40,37 кг/с при 0,115 бара с содержанием неконденсирующегося газа НКГ 0,6 процента содержимого 80-90 процентов его содержания пара, требуются вытяжная труба из девяти модулей 20 пластин, каждая с вышеупомянутыми размерами. Эту вытяжную трубу можно вместить в конденсаторный отсек шириной менее 9 м, поскольку каждый из модулей собран с шириной менее одного метра. Общий массовый расход охлаждающей воды, как предполагают, составит 1719 кг/с с температурой на входе 29,5 градусов по Цельсию и температурой на выходе 41,5 градусов по Цельсию.
Чтобы очистить газовую смесь, которая выходит из первого конденсаторного отсека 11 с удельным массовым расходом 9,7 кг/с и с массовой долей пара 0,75 от оставшегося содержания воды во втором конденсаторном отсеке 12, можно использовать уплотнительную прокладку типа (поли)пропилена Mellapak N125 или подобное изделие с нагрузкой холодной воды из распыляющих сопел 123 приблизительно 29 кг/(м*с) и коэффициентом заполнения газа для газовой смеси 1,5. Предполагаемый перепад давлений в слое насадки, вероятно, будет не боле 3 мбар. Предполагаемая высота слоя насадки составит 1,5 м, которая соответствует числу единиц переноса (энтальпия) NTU(h) 3,0 с NTU(h), являющейся 0,5 м.
Поток смеси НКГ/пара в выпускном отверстии 125 второго конденсаторного отсека можно вычислить как 4 кг/с с массовой долей пара 0,26. Дальнейшего снижения концентрации пара можно достигнуть, например, обеспечивая вторую меньшую установку для удаления резиста с более холодной водой.
Пластины можно легко устанавливать, обслуживать и очищать. Пластины можно очищать струями воды под высоким давлением или впрыскиванием, например воды с быстрой прокачкой через пластины, например изменяя направление насоса с горячей водой на обратное, или иным способом.
Настоящее изобретение было описано выше просто в качестве примера, и в объеме изобретения можно выполнять изменения. Изобретение также состоит из любых отдельных признаков, описанных, или подразумеваемых здесь, или показанных, или подразумеваемых на чертежах, или любой комбинации любых таких признаков, или любом обобщении любых таких признаков или комбинации, которая распространяется на их эквиваленты. Таким образом, объем настоящего изобретения не должен быть ограничен каким-либо из вышеописанных примерных вариантов осуществления.
Каждый признак, раскрытый в описании, включая чертежи, можно заменять альтернативными признаками, служащими тем же, эквивалентным или подобным целям, если явно не указано иное.
Если явно здесь не указано, любое обсуждение предшествующего уровня техники по всему описанию не является допущением, что этот предшествующий уровень техники широко известен или является частью общеизвестных знаний в области техники.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ И ЦИФР
конденсатор 10
первый отсек со ступенью 11 конденсации параллельного потока
второй отсек со ступенью 12 конденсации встречного потока
впускное отверстие 111
выхлопной патрубок 112
носитель пленок/пластины 113
лист 113-1 жесткости
трубопроводы 114-1, 114-2 холодильного агента
система 115 распределения охлаждающей жидкости
сборная камера или колодец 116 для горячего конденсата
выпускное отверстие 117
насос 118
второй конденсаторный блок 121 (встречного потока)
слой 122 насадки
распылительные сопла 123
второй выхлопной патрубок 124
отводная вытяжная труба 125
(второй) колодец 126 для горячего конденсата
система 127 дренажного насоса и трубопроводов
питающие трубопроводы или трубки 21
зажимной лист 211
прорезь 22
канал 221
модули 23
полые трубчатые элементы 24
резьбовые стержни 25