ГРАДИРНЯ СУХАЯ ДЛЯ ЖАРКОГО КЛИМАТА

Полезная модель относится к теплоэнергетике. Более конкретно, она относится к градирням сухим для охлаждения тепловыделяющих установок, предназначенных для работы в жарком климате без потребления воды при температурах окружающего воздуха на уровне земли до 80°С, в том числе для охлаждения конденсатора паровой турбины АЭС и паровой части в составе газотурбинных установок АЭС (ГТУ-АЭС).
Уровень техники
Конструктивные решения градирен сухих были разработаны более 70-и лет назад и практически мало в чем изменились. Применительно для АЭС с паротурбинной установкой, впервые сухая градирня Чешского производства была применена на Билибинской АЭС (см. Сухая градирня Билибенской АЭС) в России в Якутии, поскольку обычные открытые водяные градирни при температурах воздуха до минус 70°С не работают. В качестве теплоносителя в замкнутом контуре охлаждения конденсатора паровой турбины применена незамерзающая жидкость.
В государствах с жарким климатом все наоборот. Температура поверхности оборудования под палящим солнцем может достигать 100°С, а воздуха на уровне земли до 80°С. Высокая температура теплоносителя для охлаждения конденсатора паровой турбины существенно снижает ее к.п.д. и мощность. Например, на АЭС Куданкулам в Индии, к.п.д. колеблется около 33% в зависимости от температуры воды из океана, охлаждающей конденсатор паровой турбины. Для охлаждения конденсатора паровой турбины АЭС, их вынуждены располагать на берегу океана, в то время как, например, в Африке, взаимовыгодные экономически и политически в сотрудничестве, имеющие месторождения полезных ископаемых и нуждающиеся в электроэнергии государства, расположены как раз в глубине материка, где нет большой воды. В этих районах наиболее выгодным источником электроэнергии является газотурбинная установка (ГТУ-АЭС), состоящая на одном валу из газовой части турбины и паровой части турбины, имеющая общий к.п.д. более 60%, что позволяет иметь обоснованный запас конкурентоспособности.
При жарких и сухих климатических условиях применение известных открытых градирен, в которых вода, например, для конденсатора паровой турбины АЭС, охлаждается в виде падающих капель восходящим потоком окружающего воздуха, неприемлемо из-за существенного испарения и уноса влаги в окружающую атмосферу, что создает вред экологии. Открытая градирня кроме того требует значительный расход воды для подпитки контура циркуляции охлаждения конденсатора и применение соответствующей дорогостоящей системы водоочистки.
По существу сухая градирня состоит из большого количества воздушных радиаторов, см. фото на фиг. 1, соединенных по направлению потока охлаждаемого теплоносителя в группы последовательно, а затем параллельно в общий поток на вход охлаждения конденсатора паровой турбины.
В качестве аналога взята конструкция сухой градирни, см. фиг. 2 (см. Сухая градирня Билибенской АЭС), в которой теплообменники из оребренных труб 6 соединены в точках 2 параллельно-последовательно в группы, в каждой из которых вентилятором 7 создан на входе горизонтальный поток 4 воздуха с температурой окружающей среды. На выходе 3 из теплообменников градирни теплоноситель для контура охлаждения конденсатора может охлаждаться до температуры на 20-30°C больше значения температуры окружающего воздуха.
Существенными недостатками сухих градирен является то, что даже при фильтрации воздуха от пыли перед вентилятором (или после), происходит засорение теплоотдающей поверхности радиаторов, приводящее к существенному снижению эффективности охлаждения теплоносителя. В условиях пылевых бурь, что характерно для жарких стран вдали от побережья океана, существующие конструкции сухих градирен вообще перестанут работать должным образом, что будет приводить к неизбежной остановке атомного реактора АЭС.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей полезной модели является создание градирни для охлаждения тепловыделяющих установок, предназначенных для работы в жарком климате без потребления воды при температурах окружающего воздуха на уровне земли до 80°C, в том числе для охлаждения конденсатора паровой турбины АЭС и паровой части турбины в составе газотурбинных установках АЭС «АТОМ-ГТУ».
Технический результат состоит в улучшении характеристик охлаждения теплоносителя в замкнутом контуре охлаждения конденсатора паровой турбины, что позволило решить задачу полезной модели.
Технический результат достигается особой конструкцией градирни сухой для жаркого климата, в которой ее размеры и параметры определены совместным
оптимизационным тепло-гидравлическим и экологическим расчетом и которая содержит воздушные радиаторы, соединенные по ходу охлаждаемого теплоносителя последовательно в группы и параллельно в общий внешний замкнутый контур охлаждения, поток воздуха для охлаждения в каждой группе радиаторов, в которых охлаждается теплоноситель, циркулирующий в замкнутом контуре охлаждения.  Согласно полезной модели, воздушные радиаторы состоят из сегментов в виде наклонных пучков из пластинчатых теплообменников, которые находятся внутри в воздухонепроницаемом корпусе градирни, имеющего форму колонны, размещены равномерно по высоте и по окружности относительно вертикальной оси корпуса от его стенки с зазором, в котором имеются две разделительных перегородки, первая от оси перегородка с распределенными по ее поверхности отверстиями напротив входа каждого сегмента наклонных пучков, и вторая от оси перегородка, с одной стороны создающая в зазоре между первой перегородкой первый канал для подачи в сегменты наклонных пучков свежего воздуха, забираемого первым воздухозаборником в верхней части градирни на входе первого канала, и с другой стороны, создающая параллельно со стенкой корпуса градирни второй канал для подачи на вход турбовентилятора потока свежего воздуха, забор которого производится вторым воздухозаборником на входе второго канала в верхней части корпуса градирни; по оси корпуса имеется центральный канал, образованный по окружности замкнутой вертикальной перегородкой, которая содержит, для выхода отработанного воздуха из сегментов наклонных пучков, отверстия с инжекторами, создающими за счет скоростного потока воздуха разряжение и забор отработанного воздуха из каждого сегмента наклонных пучков в центральный канал; по оси корпуса градирни на дне центрального канала, для создания скоростного потока воздуха и выброса его в стратосферу через сопловое устройство верхней части центрального канала, имеется турбовентилятор, обеспечивающий напор потока свежего воздуха, забираемого снаружи градирни через второй воздухозаборник.
На фиг. 3 изображена в вертикальном разрезе конструкция градирни сухой для жаркого климата (далее по тексту - градирня), как вариант, с корпусом 3 в виде шестигранной прямоугольной призмы (колонны), установленном на фундаменте 4. На фиг. 3 стрелками показано направление потоков воздуха в градирне.
В отличие от известных конструкций сухих градирен с воздушными радиаторами, внешний вид которых показан на фиг. 1, в градирне сухой для жаркого климата воздушный радиатор состоит из сегментов 1, см. фиг. 3, в виде наклонных пучков 2 из пластинчатых теплообменников, которые находятся внутри в воздухонепроницаемом корпусе 3 градирни, имеющего форму колонны, размещены равномерно по высоте и по окружности относительно вертикальной оси корпуса 3 от его стенки с зазором, в котором имеются две разделительных перегородки 7 и 8. Первая от оси перегородка 8 с распределенными по ее поверхности отверстиями 16 напротив входа каждого сегмента 2 наклонных пучков, и вторая от оси перегородка 7, с одной стороны создающая в зазоре между первой перегородкой 8 первый канал 9 для подачи в сегменты наклонных пучков свежего воздуха, забираемого первым воздухозаборником 14 в верхней части градирни на входе первого канала 9, и с другой стороны, создающая параллельно со стенкой корпуса градирни второй канал 6 для подачи на вход турбовентилятора 5 потока свежего воздуха, забор которого производится вторым воздухозаборником 15 на входе второго канала 6 в верхней части корпуса градирни.
По оси корпуса 3 имеется центральный канал 10, образованный по окружности замкнутой вертикальной перегородкой 11, которая содержит, для выхода отработанного воздуха из сегментов наклонных пучков, отверстия 12 с инжекторами 13, создающими за счет скоростного потока воздуха в центральном канале 10 разряжение и забор (всасывание) отработанного воздуха из каждого сегмента наклонных пучков 2 в центральный канал 10. По оси корпуса градирни на дне центрального канала 10 имеется турбовентилятор 5, для создания скоростного потока воздуха и выброса его в стратосферу через сопловое устройство 17 в верхней части центрального канала 10, Турбовентилятор 5 обеспечивает напор потока свежего воздуха на входе канала 10, забирая его снаружи градирни через второй воздухозаборник 15 в ее верхней части и проходящего по второму каналу 6.
Сегменты 1 поперечно-обтекаемых наклонных пучков 2 из пластинчатых теплообменников, имеют между собой воздухонепроницаемые перегородки и образуют для каждого сегмента на его входе свой поток свежего воздуха, расход которого через каждый сегмент задается степенью разряжения инжектором 13, соединенным с отверстием 12 выхода из сегмента, откуда отработанный горячий воздух засасывается в центральный канал, где происходит его смешение со скоростным потоком свежего воздуха.
Градирня в верхней части на выходе центрального канала 10 имеет сопловое устройство 17, которое для выброса в стратосферу потока отработанного воздуха в смеси со свежим воздухом обеспечивает его разгон до сверхзвуковой скорости.
Градирня имеет сопловое устройство 17, в котором по периметру выхода из него струи отработанного воздуха в смеси со свежим воздухом установлены разрядники 18, изменяющие вязкость пограничного слоя в струе для снижения звукового шума в окружающую среду.
Градирня имеет корпус 3, наружная поверхность которого содержит теплоизолирующее и светоотражающее покрытие.
Пластинчатые теплообменники и все трубопроводы градирни имеют разборно-паяные фланцы быстрой сборки, исключающие протечку теплоносителя.
Высота колонны корпуса 3 градирни определяется исходя из метеоусловий местности, т.е. высота колонны больше высоты пыльной бури над уровнем земли в точке ее установки.
Градирня имеет на воздухозаборниках 14 и 15 фильтры от пыли, а в нижней части корпуса 3 перед турбовентилятором на повороте потока свежего воздуха имеет инерционный сепаратор 19 пыли с накопительным отстойником.
Градирня содержит наклонные пучки 2 из пластинчатых теплообменников, которые соединены, по ходу охлаждаемого теплоносителя, последовательно в группы и параллельно в общий внешний контур охлаждения с помощью разборно-паяных фланцев (т.н. «автоматной быстрой сборки»), исключающих протечку теплоносителя.
Принцип работы градирни.
Исходное состояние - контур циркуляции для внешнего охлаждения правильно подготовлен и подключен. После включения турбовентилятора 5, см. фиг. 3, происходит разряжение в замкнутом объеме под ним, в который
засасывается свежий воздух по каналу 6 через воздухозаборники 15, расположенные по периметру в верхней части корпуса, и создается расход воздуха в центральном канале 10. По ходу на повороте потока с помощью инерционных сепараторов 19 производится удаление пыли в отстойник.
При достижении номинального расхода воздуха в центральном канале 10 возникает разряжение в инжекторах 13. Это разряжение передается через отверстия 12 в сегменты 1, в результате чего происходит засасывание свежего воздуха в наклонные пучки 2 через отверстия 16 в перегородке 8. Далее разряжение передается в канал 9, куда свежий воздух засасывается через воздухозаборники 14, расположенные по периметру в верхней части корпуса градирни на входе канала 9. В центральном канале 10 происходит смешение свежего воздуха и отработанного нагретого воздуха, прошедшего через пластинчатые теплообменники каждого сегмента. Далее смешанный поток поступает в сопловое устройство 17, в котором происходит его ускорение до сверхзвуковой скорости. После прохождения звукового барьера включаются разрядники 18, и происходит уменьшение звукового шума от выходящей из сопла сверхзвуковой струи.
Угол наклона коридорных пучков, состоящих из пластинчатых теплообменников, и все другие размеры определены совместным оптимизационным тепло-гидравлическим расчетом. Предельно допустимый расход выбрасываемого горячего воздуха в стратосферу определяется экологическим расчетом.
Для практической реализации градирни сухой для жаркого климата может быть выполнена полномасштабная CFD-модель, которая позволит с высокой точностью вычислить все необходимые оптимальные конструктивные ее размеры.
Промышленная применимость.
Градирня сухая для жаркого климата позволит строить АЭС и ТЭС с паровой турбиной в любой точке планеты, особенно в регионах с жарким климатом с температурой воздуха на уровне земли до 80°C без необходимости привязки к большой воде, океану, большим водоемам или речкам.