ПАРОВОДЯНОЙ СЕПАРАТОР
STEAM-WATER SEPARATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к пароводяному сепаратору, который разделяет двухфазный поток пара и жидкости на пар и жидкость.
Уровень техники
Например, реактор с водой под давлением (PWR: реактор с водой под давлением), использующий в качестве теплоносителя реактора и замедлителя нейтронов легкую воду, пропускает ее как некипящую, высокотемпературную воду высокого давления через активную зону реактора, направляет высокотемпературную воду высокого давления в парогенератор для генерации пара посредством теплообмена и направляет пар турбогенератору для генерирования электричества. Реактор с водой под давлением передает тепло высокотемпературной первичной охлаждающей воды вторичной охлаждающей воде посредством парогенератора, генерирующего пар из вторичной охлаждающей воды. В парогенераторе первичная охлаждающая вода протекает внутри большого количества узких теплопередающих трубок, и тепло первичной охлаждающей воды передается вторичной охлаждающей воде, протекающей вне теплопередающих трубок, тем самым генерируя пар, который заставляет турбину вращаться для генерирования электричества.
В парогенераторе в герметизированной полой емкости на заданном расстоянии от ее внутренней стенки расположен внешний цилиндр трубного пакета, внутри этого внешнего цилиндра трубного пакета расположено множество теплопередающих трубок, имеющих форму перевернутой буквы "U", при этом у каждой теплопередающей трубки ее конец поддерживается трубной доской, а ее средняя часть поддерживается множеством пластинок, поддерживающих трубки, которые поддерживаются распорными стержнями, выступающими из трубной доски, а в верхней части расположены пароводяной сепаратор и сепаратор влажности.
Поэтому, когда первичная охлаждающая вода подается во множество теплопередающих трубок через водяную камеру, предусмотренную в нижней части емкости, и вторичная охлаждающая вода подается в эту емкость из трубы подачи воды, предусмотренной в верхней части этой емкости, происходит теплообмен между первичной охлаждающей водой (горячей водой), протекающей внутри этого множества теплопередающих трубок, и вторичной охлаждающей водой (холодной водой), циркулирующей внутри емкости, так что вторичная охлаждающая вода поглощает тепло, и генерируется пар. Когда пар поступает вверх, вода отделяется от пара, и пар выпускается из верхнего конца емкости, в то время как вода падает вниз.
Традиционный пароводяной сепаратор состоит из: множества стояков, через которые пар поступает вверх; закручивающей крыльчатки, предусмотренной внутри стояка; сливной емкости, расположенной снаружи стояка, для формирования сливного пространства; и пластины-крышки, имеющей насадок и вентиляционный вывод, который расположен напротив верхнего конца стояка и сливной емкости на заданном расстоянии от них.
Следовательно, двухфазный поток пара и воды, сгенерированный парогенератором, вводится в каждый стояк в его нижнем конце, перемещаясь вверх, и поднимается вверх вращаемый закручивающей крыльчаткой, и вода осаждается на внутренней поверхности стенки стояка и перемещается вверх, становясь потоком жидкой пленки, и пар перемещается вверх, кружась в верхней части стояка. Пар подается выше пластины-крышки главным образом через насадок и вентиляционный вывод, и вода вытекает из стояка через отверстие между верхним концом стояка и пластиной-крышкой, втекая в сливную емкость, и затем течет вниз. Соответственно, над пластиной-крышкой вытекает только пар.
Этот тип пароводяного сепаратора описан в патентных документах 1 и 2, упомянутых ниже.
В обычном пароводяном сепараторе большая часть воды, вытекающей из стояка из его верхнего конца в сливную емкость, течет через эту сливную емкость вниз. Однако часть воды выходит из сливной емкости из ее верхней части, и получается, что она вытекает из вентиляционного вывода выше пластины-крышки в сопровождении пара, перемещающегося вверх вовне сливной емкости, что уменьшает эффективность разделения пара-воды.
Поэтому в пароводяном сепараторе, который описан в патентном документе 3, упомянутом ниже, в стояке предусмотрена закручивающая крыльчатка, которая закручивает и поднимает смесь воды и пара, и под верхним отверстием стояка и над закручивающей крыльчаткой выполнены прорези. Таким образом, закручиваемая и поднимаемая в стояке закручивающей крыльчаткой смесь разделяется на вторую смесь, основным элементом которой является вода, и третью смесь, основным элементом которой является пар. Когда вторая смесь будучи закручиваемая поднимается на высоту прорезей, эта вторая смесь выпускается через прорези в сливную емкость.
Патентный документ 1: выложенная японская патентная заявка номер S49-064972.
Патентный документ 2: выложенная японская патентная заявка номер Н05-346483.
Патентный документ 3: выложенная японская патентная заявка номер 2001-079323.
Раскрытие изобретения
В пароводяном сепараторе, который описан в патентном документе 3, упомянутом выше, явление "выноса снизу" воды, вытекающей из сливной емкости сверху, может быть до некоторой степени ограничено посредством выполнения прорезей в верхнем конце стояка и выпускания второй смеси, основной элемент которой является водой, через эти прорези в сливную емкость. Однако трудно полностью устранить явление "выноса внизу".
Настоящее изобретение предназначено для того, чтобы решить упомянутые выше проблемы, и задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить пароводяной сепаратор, нацеленный на повышение эффективности разделения пара -воды при надлежащем разделении пара и воды и надежном удалении отделенного пара вверх из насадка, притом, что отделенной воде предоставляется возможность гарантированно упасть вниз через сливное пространство.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения пароводяной сепаратор содержит трубу пароводяного стояка, которая включает в себя множество отверстий на поверхности стенки на верхнем ее конце и через которую поднимается двухфазный поток воды и пара; закручивающую крыльчатку, предусмотренную внутри трубы пароводяного стояка; сливную емкость, которая расположена вокруг трубы пароводяного стояка, образуя кольцевое сливное пространство; и пластину-крышку, которая расположена на верхних концах трубы пароводяного стояка и сливной емкости на заданном расстоянии от них таким образом, что пластина-крышка обращена к трубе пароводяного стояка и сливной емкости. Пластина-крышка включает в себя насадок, расположенный над трубой пароводяного стояка. Относительная площадь множественных отверстий, выполненных на трубе пароводяного стояка, установлена в диапазоне от 30% до 70%.
В этом пароводяном сепараторе множество отверстий, выполненных на трубе пароводяного стояка, может включать в себя множество горизонтальных прорезей, расположенных параллельно вдоль вертикального направления, и высота каждой из прорезей может быть установлена в диапазоне от половины до удвоенной толщины трубы пароводяного стояка.
В этом пароводяном сепараторе расстояние между множеством отверстий, выполненных на трубе пароводяного стояка, и закручивающей крыльчаткой может быть установлено в диапазоне от 1 до 2,5-кратного внутреннего диаметра трубы пароводяного стояка.
В этом пароводяном сепараторе на поверхности стенки на верхнем конце сливной емкости могут быть предусмотрены два направляющих элемента, которые выпускают кружащийся поток пара, причем направляющие элементы расположены на равном расстоянии друг от друга по окружности этой емкости, и на трубе пароводяного стояка могут быть предусмотрены четыре отверстия, которые расположены на равном расстоянии друг от друга по окружности трубы пароводяного стояка, и два из этих четырех отверстий расположены напротив направляющих элементов.
В этом пароводяном сепараторе на пластине-крышке сзади по ходу кружащегося потока пара, выпускаемого из направляющих элементов, могут быть предусмотрены вентиляционные выводы.
В этом пароводяном сепараторе угол загиба закручивающей крыльчатки может быть установлен в диапазоне от 15 градусов до 30 градусов.
В этом пароводяном сепараторе отношение внутреннего диаметра насадка к внутреннему диаметру трубы пароводяного стояка может быть установлено в диапазоне от 0,7 до 0,9.
В этом пароводяном сепараторе отношение высоты пространства от трубы пароводяного стояка до пластины-крышки к внутреннему диаметру трубы пароводяного стояка может быть установлено в диапазоне от 0,05 до 0,3.
В пароводяном сепараторе отношение между высотой части, выступающей вверх, и высотой части, выступающей вниз, насадка относительно пластины-крышки может быть установлено в диапазоне от 2:1 до 4:1, и отношение между высотой части, выступающей вверх, и внутренним диаметром насадка может быть установлено в диапазоне от 1:2 до 1:3.
Согласно пароводяному сепаратору по настоящему изобретению предусмотрена труба пароводяного стояка, которая на поверхности своей стенки имеет множество отверстий и через которую поднимается двухфазный поток воды и пара; предусмотрена закручивающая крыльчатка внутри трубы пароводяного стояка; предусмотрена сливная емкость, которая окружает трубу пароводяного стояка, образуя кольцевое сливное пространство; предусмотрена пластина-крышка, которая расположена напротив верхних концов трубы пароводяного стояка и сливной емкости на заданном расстоянии от них и которая включает в себя насадок, расположенный над трубой пароводяного стояка, и относительная площадь множественных отверстий, выполненных на трубе пароводяного стояка, установлена в диапазоне от 30% до 70%. Следовательно, двухфазный поток воды и пара, который вводится в трубу пароводяного стояка с ее нижнего конца, поступает вверх и затем поднимается будучи закручиваемый закручивающей крыльчаткой, и вода осаждается на внутренней поверхности трубы пароводяного стояка и поднимается, превращаясь в поток жидкой пленки. В этот момент, поскольку относительная площадь множественных отверстий, выполненных на поверхности стенки трубы пароводяного стояка на верхнем конце, установлена в диапазоне от 30% до 70%, то вода надлежащим образом втекает в сливное пространство сливной емкости и падает вниз, без того, чтобы быть вынесенной сверху из насадка или вынесенной снизу по направлению вовне сливной емкости. С другой стороны, пар течет вверх будучи закручиваемым в верхней части трубы пароводяного стояка и надлежащим образом выпускается выше пластины-крышки через насадок, не увлекая с собой воду. В результате эффективность разделения пара-воды повышается.
Согласно пароводяному сепаратору по настоящему изобретению отверстия, выполненные на трубе пароводяного стояка, представляют собой множественные горизонтальные прорези, расположенные параллельно вдоль вертикального направления, и высоты прорезей установлены в диапазоне от половины до удвоенной толщины трубы пароводяного стояка. Следовательно, имеется возможность воспрепятствовать втеканию пара в эти прорези 58а, 58b, 58с и 58d и обеспечить, чтобы только вода надлежащим образом втекала в сливное пространство через эти прорези.
Согласно пароводяному сепаратору по настоящему изобретению расстояние между множеством отверстий, выполненных на трубе пароводяного стояка, и закручивающей крыльчатка установлено в диапазоне от 1 до 2,5-кратного внутреннего диаметра трубы пароводяного стояка. Следовательно, двухфазный поток воды и пара поднимается будучи закручиваемым закручивающей крыльчаткой таким образом, чтобы разделиться на воду и пар, вода надлежащим образом втекает в сливное пространство, в то время как пар надлежащим образом выпускается через насадок, что повышает эффективность разделения пара-воды.
Согласно пароводяному сепаратору по настоящему изобретению на поверхности стенки на верхнем конце сливной емкости предусмотрены два направляющих элемента, которые выпускают кружащиеся потоки пара, будучи расположенными на равном расстоянии друг от друга по окружности, и на трубе пароводяного стояка предусмотрены четыре отверстия, расположенные на равном расстоянии друг от друга по окружности трубы пароводяного стояка, и два из этих четырех отверстий расположены напротив направляющих элементов. Следовательно, вода, отделенная, будучи поднятой и закрученной закручивающей крыльчаткой, проходит через прорези и течет по направлению вовне сливной емкости через направляющие элементы вместе с паром. Соответственно, вода и пар могут быть обработаны с надлежащим отделением друг от друга.
Согласно пароводяному сепаратору по настоящему изобретению на пластине -крышке сзади по ходу кружащихся потоков пара, выпускаемого из направляющих элементов, предусмотрены вентиляционные выводы. Следовательно, пар, выпускаемый наружу из сливной емкости через направляющие элементы, может быть надлежащим образом выпущен через вентиляционные выводы выше пластины-крышки.
Согласно пароводяному сепаратору по настоящему изобретению угол загиба закручивающей крыльчатки установлен в диапазоне от 15 градусов до 30 градусов. Следовательно, при приложении посредством закручивающей крыльчатки надлежащей закручивающей силы к двухфазному потоку вода и пар могут быть надежно разделены.
Согласно пароводяному сепаратору по настоящему изобретению отношение внутреннего диаметра насадка к внутреннему диаметру трубы пароводяного стояка установлено в диапазоне от 0,7 до 0,9. Следовательно, только пар может быть надлежащим образом выпущен через насадок выше пластины-крышки без того, чтобы отделенная вода была вынесена сверху из насадка.
Согласно пароводяному сепаратору по настоящему изобретению отношение высоты пространства от трубы пароводяного стояка до пластины-крышки к внутреннему диаметру трубы пароводяного стояка установлено в диапазоне от 0,05 до 0,3. Поэтому отделенная вода может надлежащим образом течь в сливное пространство без того, чтобы вода выносилась сверху из насадка и притом, что сдерживается выпуск пара из этого пространства.
Согласно пароводяному сепаратору по настоящему изобретению отношение между высотой части, выступающей вверх, и высотой части, выступающей вниз, насадка относительно пластины-крышки установлено в диапазоне от 2:1 до 4:1, и отношение между этой высотой части, выступающей вверх, и внутренним диаметром насадка установлено в диапазоне от 1:2 до 1:3. Следовательно, имеется возможность предотвратить "вынос сверху" отделенной воды из насадка и предотвратить "вынос снизу" воды по направлению вовне сливной емкости.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематический чертеж соответствующих частей пароводяного сепаратора согласно варианту реализации настоящего изобретения.
Фиг.2 представляет собой вид в перспективе с местным разрезом пароводяного сепаратора согласно варианту реализации изобретения.
Фиг.3 представляет собой вид сверху пароводяного сепаратора согласно варианту реализации изобретения.
Фиг.4 представляет собой схематический чертеж прорезей, выполненных на стояке.
Фиг.5 представляет собой схематический чертеж направляющих элементов, предусмотренных на стояке.
Фиг.6 представляет собой вид сверху направляющего элемента.
Фиг.7 представляет собой разрез верхней части пароводяного сепаратора варианта реализации изобретения.
Фиг.8А представляет собой схематический чертеж закручивающей крыльчатки.
Фиг.8В представляет собой схематический чертеж другой закручивающей крыльчатки.
Фиг.9 представляет собой график расхода "выноса сверху" в зависимости от относительной площади множественных отверстий.
Фиг.10 представляет собой график доли влаги и расхода "выноса сверху" в зависимости от отношения между высотой и толщиной прорезей.
Фиг.11 представляет собой график доли влаги в зависимости от расстояния между прорезями и закручивающей крыльчаткой.
Фиг.12 представляет собой график доли влаги и сопротивления в зависимости от угла закручивающей крыльчатки.
Фиг.13 представляет собой принципиальную схему электроэнергетических установок, имеющих реактор с водой под давлением, в котором применен парогенератор, имеющий пароводяной сепаратор согласно варианту реализации изобретения.
Фиг.14 представляет собой схематический чертеж парогенератора, имеющего пароводяной генератор согласно варианту реализации изобретения.
Пояснение позиций
13 парогенератор
31 емкость
32 внешний цилиндр трубного пакета
37 теплопередающая трубка
38 группа теплопередающих трубок
45 пароводяной сепаратор
46 влагоотделитель
47 труба подачи воды
51 стояк (труба пароводяного стояка)
52, 60 закручивающая крыльчатка
53 сливная емкость (сливная емкость для воды)
54 сливное пространство
55 пластина-крышка
56 насадок
57 вентиляционный вывод
58а, 58b, 58с и 58d прорезь (отверстие)
59 направляющий элемент
61 сдерживающая пластина
Осуществление изобретения
Ниже, со ссылкой на сопровождающие чертежи подробно разъясняются приводимые в качестве примера варианты реализации пароводяного сепаратора согласно настоящему изобретение. Настоящее изобретение не должно быть ограничено этими вариантами реализации.
Фиг.1 представляет собой схематический чертеж соответствующих частей пароводяного сепаратора согласно варианту реализации настоящего изобретения; фиг.2 представляет собой вид в перспективе с местным разрезом пароводяного сепаратора согласно варианту реализации изобретения; фиг.3 представляет собой вид сверху пароводяного сепаратора по варианту реализации изобретения; фиг.4 представляет собой схематический чертеж прорезей, выполненных на стояке; фиг.5 представляет собой схематический чертеж направляющих элементов, предусмотренных на стояке; фиг.6 представляет собой вид сверху направляющего элемента; фиг.7 представляет собой разрез верхней части пароводяного сепаратора варианта реализации изобретения; фигуры 8А и 8В представляют собой схематические чертежи закручивающей крыльчатки; фиг.9 представляет собой график расхода "выноса сверху" в зависимости от относительной площади множественных отверстий; фиг.10 представляет собой график доли влаги и расхода "выноса сверху" в зависимости от отношения между высотой и толщиной прорезей; фиг.11 представляет собой график доли влаги в зависимости от расстояния между прорезями и закручивающей крыльчаткой; фиг.12 представляет собой график доли влаги и сопротивления в зависимости от угла закручивающей крыльчатки; фиг.13 представляет собой принципиальную схему электроэнергетических установок, имеющих реактор с водой под давлением, в котором применен парогенератор, имеющий пароводяной сепаратор по варианту реализации изобретения; и фиг.14 представляет собой схематический чертеж парогенератора, имеющего пароводяной генератор по варианту реализации изобретения.
Реактор с водой под давлением (PWR: реактор с водой под давлением), который, используя в качестве теплоносителя реактора и замедлителя нейтронов легкую воду, пропускает ее как некипящую, высокотемпературную воду высокого давления через активную зону реактора, направляет высокотемпературную воду высокого давления в парогенератор для генерации пара посредством теплообмена и направляет пар турбогенератору для генерирования электричества.
В электроэнергетических установках, оснащенных реактором с водой под давлением, как показано на фиг.13, герметизирующая оболочка 11 вмещает в себя реактор 12 с водой под давлением и парогенератор 13, причем реактор 12 с водой под давлением и парогенератор 13 соединены посредством труб 14 и 15 охлаждающей воды, и труба 14 охлаждающей воды снабжена устройством 16 поддержания давления, а труба 15 охлаждающей воды снабжена насосом 17 охлаждающей воды. В этом случае, легкая вода используется в качестве замедлителя и первичной охлаждающей воды, и в первичной охлаждающей системе устройством 16 поддержания давления создают высокое давление порядка 150-160 атмосфер для того, чтобы сдержать кипение первичной охлаждающей воды в активной зоне реактора. Следовательно, в реакторе 12 с водой под давлением легкая вода, как первичная охлаждающая вода, нагревается посредством используемых как топливо малообогащенного урана или топлива с металлическим окислителем, и легкую воду, имеющую высокую температуру, направляют к парогенератору 13 через трубу 14 охлаждающей воды, поддерживая при этом в ней заданное высокое давление посредством устройства 16 поддержания давления. В парогенераторе 13 производится теплообмен между легкой водой с высоким давлением и высокой температурой и водой, выступающей в качестве вторичной охлаждающей воды, и охлажденная легкая вода направляется назад в реактор 12 с водой под давлением через трубу 15 охлаждающей воды.
Парогенератор 13 соединен с турбиной 18 и конденсатором 19, установленным снаружи герметизирующей оболочки 11, посредством труб 20 и 21 охлаждающей воды, и труба 21 охлаждающей воды снабжена питающим насосом 22. Турбина 18 соединена с электрическим генератором 23, а конденсатор 19 соединен с подающей трубой 24 и выпускной трубой 25, которые подают и отводят охлаждающую воду (например, морскую воду). Следовательно, пар, сгенерированный при теплообмене с высокотемпературной легкой водой высокого давления в парогенераторе 13, направляется через трубу 20 охлаждающей воды в турбину 18 и приводит турбину 18 в движение, так что электрический генератор 23 генерирует электрическую энергию. Пар, после приведения им в движение турбины 18, охлаждается конденсатором 19 и затем направляется назад в парогенератор 13 через трубу 21 охлаждающей воды.
В парогенераторе 13 в электроэнергетических установках, имеющих реактор с водой под давлением, как показано на фиг.10, емкость 31 герметизирована, имеет полую цилиндрическую форму и диаметр, который немного меньше в нижней части, чем в верхней части. Внутри емкости 31 на заданном расстоянии от внутренней стенки емкости 31 расположен внешний цилиндр 32 трубного пакета, имеющий цилиндрическую форму, и его нижний конец доходит до самой трубной доски 33. Внешний цилиндр 32 трубного пакета поддерживается множеством поддерживающих элементов 34 в положении на заданных расстояниях от емкости 31 в продольном направлении и направлении по окружности.
Во внешнем цилиндре 32 пакета труб расположено множество поддерживающих трубки пластин 35 на высотах, соответствующих высотам поддерживающих элементов 34, и оно поддерживается множеством распорных стержней 36, направленных вверх от трубной доски 33. Внутри внешнего цилиндра 32 трубного пакета расположено множество теплопередающих трубок 37, имеющих форму перевернутой буквы "U". У каждой теплопередающей трубки 37 ее конец расширяется и поддерживается трубной доской 33, а ее средняя часть поддержана множеством поддерживающих трубки пластин 35. В этом случае поддерживающая трубки пластина 35 имеет большое количество выполненных в ней сквозных отверстий (не показанных на чертеже), и каждая теплопередающая трубка 37 проходит через сквозное отверстие в состоянии отсутствия соприкосновения.
К нижнему концу емкости 31 прикреплена водяная камера 39. Водная камера 39 разделена внутри переборкой 40 на входную камеру 41 и выходную камеру 42 и включает в себя впускное сопло 43 и выпускное сопло 44. У каждой теплопередающей трубки 37 один конец соединен с входной камерой 41, а другой конец соединен с выходной камерой 42. Труба 14 охлаждающей воды присоединена к впускному соплу 43, в то время как труба 15 охлаждающей воды присоединена к выпускному соплу 44.
В верхней части емкости 31 предусмотрены пароводяной сепаратор 45, который разделяет подаваемую воду на пар и горячую воду, и влагоотделитель 46, который удаляет влагу из отделенного пара, чтобы привести его в состояние, близкое к сухому пару. В емкости 31 между группой 38 теплопередающих трубок и пароводяным сепаратором 45 вставлена труба 47 подачи воды для подачи вторичной охлаждающей воды в емкость 31, и в своде емкости 31 выполнено выпускное отверстие 48 для пара. Внутри емкости 31 предусмотрен канал 49 подачи воды, по которому вторичная охлаждающая вода, подаваемая из трубы 47 подачи воды в емкость 31, течет вниз между емкостью 31 и внешним цилиндром 32 трубного пакета, поворачивает вверх на трубной доске 33 и поступает наверх внутри группы 38 теплопередающих трубок, тем самым осуществляя теплообмен с горячей водой (первичной охлаждающей водой), протекающей внутри каждой теплопередающей трубки 37. Труба 21 охлаждающей воды соединена с трубой 47 подачи воды, в то время как труба 20 охлаждающей воды соединена с выпускным отверстием 48 для пара.
Следовательно, первичная охлаждающая вода, нагретая реактором 12 с водой под давлением, направляется во входную камеру 41 парогенератора 13 через трубу 14 охлаждающей воды, циркулирует через большое количество теплопередающих трубок 47 и течет в выходную камеру 42. С другой стороны, вторичная охлаждающая вода, охлажденная конденсатором 19, направляется в трубу 47 подачи воды парогенератора 13 через трубу 21 охлаждающей воды и проходит через канал 49 подачи, осуществляя теплообмен с горячей водой (первичной охлаждающей воды), протекающей в теплопередающих трубках 47. То есть внутри емкости 31 осуществляется теплообмен между имеющей высокое давление и высокую температуру первичной охлаждающей водой и вторичной охлаждающей водой, и охлажденная первичная охлаждающая вода направляется из входной палаты 42 назад в реактор 12 с водой под давлением через трубу 15 охлаждающей воды. С другой стороны, вторичная охлаждающая вода, осуществившая теплообмен с имеющей высокое давление и высокую температуру первичной охлаждающей водой, поступает наверх внутри емкости 31 и разделяется пароводяным сепаратором 45 на пар и горячую воду, и пар после того, как его влага удалена влагоотделителем 46, направляется в турбину 18 через трубу 20 охлаждающей воды.
В пароводяном сепараторе 45 парогенератора 13, сконфигурированном таким образом, как это показано на фигурах с 1 по 3, стояк 51, труба пароводяного стояка имеет цилиндрическую форму, позволяющую вводить двухфазный поток пара и горячей воды в ее нижнем конце. В стояке 51 предусмотрена закручивающая крыльчатка 52, способная прилагать закручивающую силу к этому двухфазному потоку. Благодаря тому, что сливная емкость 53 предусмотрена как сливная емкость для воды снаружи стояка 51 таким образом, чтобы она окружала стояк 51, между стояком 51 и сливной емкостью 53 образовано кольцевое сливное пространство 54.
Над стояком 51 и сливной емкостью 53 на заданном расстоянии от них предусмотрена пластина-крышка 55. На пластине-крышке 55 выше и напротив стояка 51 выполнены насадок 56 и два вентиляционных вывода 57 выполнены вблизи от внешней окружности насадка 56.
Как показано на фигурах с 1 по 4, множество прорезей 58а, 58b, 58 с и 58d выполнены как множественные отверстия на поверхности стенки стояка 51 на его верхнем конце выше закручивающей крыльчатки 52. Эти прорези 58а, 58b, 58 с и 58d выполнены каждая на области, имеющей заданный угол α, расположенными на равном расстоянии друг от друга по окружности, и каждая прорезь включает в себя множественные отверстия, расположенные параллельно в вертикальном направлении по стояку 51. Следовательно, когда жидкая пленка воды, отделенной от двухфазного потока, поднимается до верхнего конца стояка 51, вода начинает втекать в сливное пространство 54, образованное между стояком 51 и сливной емкостью 53, через прорези 58а, 58b, 58с и 58d.
На поверхности стенки сливной емкости 53 на верхнем конце предусмотрены два направляющих элемента 59, которые выпускают кружащиеся потоки пара, будучи расположенными на равном расстоянии друг от друга по окружности. Как показано на фигурах 3 и с 5 по 7, направляющий элемент 59 сформирован посредством выполнения выемки 59а на части поверхности стенки сливной емкости 53 на верхнем конце и прикрепления к этой выемке 59а поверхности 59b стенки вдоль направления тангенциальной линии сливной емкости 53 и нижней поверхности 59с. Направляющие элементы 59 устроены напротив двух прорезей 58а и 58с из числа четырех прорезей 58а, 58b, 58с и 58d. Сзади по ходу кружащихся потоков пара, выпускаемых из этих двух направляющих элементов 59, предусмотрены заборные элементы 57а вентиляционных выводов 57.
Следовательно, часть пара, отделенного от двухфазного потока, проходит через пространство между верхним концом стояка 51 и пластиной-крышкой 55, перемещается наружу из сливной емкости 53 направляемая этими двумя направляющими элементами 59 и выпускается через соответствующие вентиляционные выводы 57 выше пластины-крышки 55, которая препятствует тому, чтобы паром была поднята вода. Часть воды, отделенной от двухфазного потока, перемещается из сливной емкости 53 направляемая направляющими элементами 59 и падает вниз, что способствует разделению воды и пара.
Как показано на фиг.8А, закручивающая крыльчатка 52 имеет множество лопастей 52а (восемь лопастей в этом варианте реализации), расположенных в форме кольца. Внешние периферии лопастей 52а прикреплены к внутренней окружной поверхности стояка 51, соответственно, и не предусмотрено никакой ступицы. Соответственно, на двухфазный поток, поднимающийся вверх внутри стояка 51 от его нижнего конца, действует закручивающая сила. Как показано на фиг.8В, в качестве альтернативы может быть предусмотрена закручивающая крыльчатка 60, имеющая ступицу 60а, вокруг которой в форме кольца расположено множество лопастей 60b.
К нижней части стояка 51, как показано на фиг.1, прикреплена сдерживающая пластина 61, имеющая форму большой шайбы, горизонтально выступающей по направлению к сливной емкости 53 для того, чтобы сдерживать "вынос снизу". Соответственно, когда вода, отделенная от двухфазного потока, поднимается до верхнего конца стояка 51, вода вытекает из стояка 51 в сливное пространство 54, и в это время сдерживающая пластина 61 сдерживает "вынос снизу" в направлении наружу из сливной емкости 53.
Пароводяной сепаратор согласно варианту реализации изобретения оптимизирован по форме таким образом, чтобы надлежащим образом разделять двухфазный поток на воду и пар.
1
2
Во-первых, как показано на фиг.1, относительная площадь множественных отверстий 58а, 58b, 58с и 58d, выполненных на стояке 51, установлена в диапазоне от 30% до 70%, в предпочтительном варианте приблизительно 50%. Таким образом, относительная площадь множественных отверстий 58а, 58b, 58с и 58d относительно площадей h1 на стояке 51, в котором выполнены прорези 58а, 58b, 58с и 58d, составляет от 30% до 70%. В этом случае, если относительная площадь множественных отверстий 58а, 58b, 58с и 58d ниже чем 30%, то жидкая пленка, поднимающаяся вверх по внутренней окружной поверхности стояка 51, не может надлежащим образом втекать в сливное пространство 54 через прорези 58а, 58b, 58с и 58d. Если относительная площадь множественных отверстий 58а, 58b, 58с и 58d превышает 70%, то отделенный пар выпускается через прорези 58а, 58b, 58 с и 58d в сливное пространство 54. То есть, как показано на фиг.9, когда относительная площадь множественных отверстий 58а, 58b, 58с и 58d установлена в диапазоне от 30% до 70%, расход "выноса снизу" (в этом случае, расход для потока, опускающегося в сливное пространство 54) может удерживаться на подходящих значениях от Q до Q, при которых сдерживается "вынос сверху" в направлении вверх из насадка 56 и "вынос снизу" в направлении наружу из сливной емкости 53.
1
2
1
2
Во-вторых, высоты hg прорезей 58а, 58b, 58с и 58d, выполненных на стояке 51, установлены в диапазоне от половины до двукратной величины, в предпочтительном варианте приблизительно однократная толщина δ стояка 51. В этом случае, если высоты hg прорезей 58а, 58b, 58с и 58d меньше чем половина толщины δ стояка 51, то жидкая пленка, поднимающаяся вверх по внутренней окружной поверхности стояка 51, плохо выпускается через прорези 58а, 58b, 58с и 58d. Если высоты hg прорезей 58а, 58b, 58с и 58d больше чем двукратная толщина δ стояка 51, то отделенный пар выпускается через прорези 58а, 58b, 58с и 58d в сливную емкость 54. То есть, как показано на фиг.10, когда высоты hg прорезей 58а, 58b, 58с и 58d представляют собой установленные значения в диапазоне от половины до двукратной толщины δ стояка 51, доля влажности пара, выпускаемого из насадка 56, может быть удержана на подходящих значениях от d до d, и расход "выноса снизу" может быть удержан на подходящих значениях от Q до Q.
2
2
2
2
Расстояние h от прорезей 58а, 58b, 58с и 58d, выполненных на стояке 51, до закручивающей крыльчатки 52, установлено в диапазоне от однократного до 2,5-кратного, а в предпочтительном варианте приблизительно 1,6-кратный внутренний диаметр Dri стояка 51. В этом случае, если расстояние h прорезей 58а, 58b, 58с и 58d до закручивающей крыльчатки 52 короче, чем однократный внутренний диаметр Dri стояка 51, то пар не может быть в достаточной степени отделен от двухфазного потока в местах расположения прорезей 58а, 58b, 58с и 58d. Если расстояние h от прорезей 58а, 58b, 58с и 58d до закручивающей крыльчатки 52 длиннее чем 2,5-кратный внутренний диаметр Dri стояка 51, то отделенный пар выпускается через прорези 58а, 58b, 58с и 58d в сливное пространство 54. То есть, как показано на фиг.11, когда расстояние h от прорезей 58а, 58b, 58с и 58d до закручивающей крыльчатки 52 установлено в диапазоне от однократного до 2,5-кратного внутреннего диаметра Dri стояка 51, доля влаги пара, выпускаемого из насадка 56, может быть удержана на значениях, равных или ниже, чем подходящее значение d.
1
2
1
2
Кроме того, угол θ загиба закручивающей крыльчатки 52 установлен в диапазоне от 15 градусов до 30 градусов, а в предпочтительном варианте приблизительно 20 градусов. В этом случае, если угол θ загиба закручивающей крыльчатки 52 меньше чем 15 градусов, то никакое закручивание не производится, так что двухфазный поток не может быть надежно разделен на пар и воду. Если угол θ загиба закручивающей крыльчатки 52 больше чем 30 градусов, то закручивающая крыльчатка 52 становится сопротивлением двухфазному потоку, приводя к падению давления. В случае закручивающей крыльчатки 60, имеющей ступицы, угол θ загиба, установленный в диапазоне от 20 градусов до 30 градусов, а в предпочтительном варианте приблизительно 25 градусов. То есть, как показано на фиг.12, когда угол θ загиба закручивающей крыльчатки 52 установлен в диапазоне от 15 градусов до 30 градусов, доля влаги пара, выпускаемого из насадка 56, может быть удержана на подходящих значениях от d до d, и сопротивление двухфазному потоку, поднимающемуся вверх в стояке 51, может быть удержано на подходящих значениях от R до R.
Отношение внутреннего диаметра Doi насадка 56 к внутреннему диаметру Dri стояка 51 установлено в диапазоне от 0,7 до 0,9. В этом случае, если отношение внутреннего диаметра Doi насадка 56 к внутреннему диаметру Dri стояка 51 ниже чем 0,7, то сопротивление в насадке 56 становится слишком большим для того, чтобы надлежащим образом выпускать пар из насадка 56, что приводит к снижению эффективности разделения. Если отношение внутреннего диаметра Doi насадка 56 к внутреннему диаметру Dri стояка 51 выше чем 0,9, то в насадке 56 сопротивление отсутствует, порождая так называемое явление "выноса сверху", при котором жидкая пленка выпускается из насадка 56.
Отношение высоты hrg пространства от стояка 51 до пластины-крышки 55 к внутреннему диаметру Dri стояка 51 установлено в диапазоне от 0,05 до 0,3. В этом случае, если высота hrg пространства от стояка 51 до пластины-крышки 55 к внутреннему диаметру Dri стояка 51 ниже чем 0,05, то сопротивление в пространстве между стояком 51 и пластиной-крышкой 55 становится большим, что препятствует надлежащему отводу воды в сливное пространство 54, так что имеет место так называемое явление "выноса снизу", при котором вода вытекает из сливной емкости 53. Если отношение высоты hrg пространства от стояка 51 до пластины-крышки 55 к внутреннему диаметру Dri стояка 51 выше чем 0,3, то через пространство между стояком 51 и пластиной-крышкой 55 выпускается большое количество пара, что приводит к снижению эффективности разделения.
1
2
1
1
Отношение между высотой Hor части, выступающей вверх, и высотой Hor части, выступающей вниз, насадка 56 относительно пластины-крышки 55 установлено в диапазоне от 2:1 до 4:1, и отношение между высотой Hor части, выступающей вверх, и внутренним диаметром Doi насадка 56 установлено в диапазоне от 1:2 до 1:3. В этом случае, если высота Hor части, выступающей вверх, насадка 56 меньше или внутренний диаметр Doi насадка 56 меньше, то имеется предрасположенность к явлению "выноса сверху".
Объясним функционирование пароводяного сепаратора 45 по настоящему варианту реализации изобретения, выполненного, как это описано выше.
Двухфазный поток пара и горячей воды вводится в стояк 51 из его нижней части, течет вверх под действием закручивающей силы со стороны закручивающей крыльчатки 52 и разделяется на жидкость, основным элементом которой является горячая вода, и жидкость, основным элементом которой является пар, благодаря различию в радиусе кружения в зависимости от различия в массе. Жидкость низкой массы, основным элементом которой является пар, течет вверх в стояке 51, кружась с малым радиусом кружения, сосредоточенная около центральной оси стояка 51, и выпускается выше пластины-крышки 55 через насадок 56 и вентиляционные выводы 57. С другой стороны, жидкость высокой массы, основным элементом которой является горячая вода, течет вверх в стояке 51, кружась с радиусом кружения, большим чем радиус кружения жидкости, основным элементом которой является пар, и вводится в сливное пространство 54 сливной емкости 53 через отверстие между стояком 51 и пластиной-крышкой 60 и падает вниз по сливному пространству 54.
В этот момент двухфазный поток пара и горячей воды разделяется на пар и воду закручивающей силой закручивающей крыльчатки 52, и вода течет вверх в виде жидкой пленки по внутренней поверхности стояка 51. Однако поскольку в верхнем конце стояка 51 выполнены прорези 58а, 58b, 58с и 58d, то часть потока жидкой пленки выпускается наружу через прорези 58а, 58b, 58с и 58d. Следовательно, горячая вода надлежащим образом втекает в сливное пространство 54 сливной емкости 53 и течет в нем вниз, без того, чтобы быть вынесенной сверху из насадка 56. С другой стороны, пар течет вверх, кружась в верхней части стояка 51, и надлежащим образом выпускается выше пластины-крышки 55 через насадок 56, не увлекая с собой никакой воды, поскольку "вынос сверху" горячей воды отсутствует.
Выше стояка 51 часть пара, отделенного от двухфазного потока, проходит через пространство между верхним концом стояка 51 и пластиной-крышкой 55, перемещается в направлении наружу из сливной емкости 53, направляемая направляющими элементами 59, и выпускается выше пластины-крышки 55 через вентиляционные выводы 57. Таким образом, пар эффективно направляется в вентиляционные выводы 57 и изолируется от водной поверхности направляющими элементами 59, так что имеется возможность воспрепятствовать подъему пара, который повышает эффективность разделения пара-воды. Часть воды, отделенная от двухфазного потока, перемещается в направлении наружу из сливной емкости 53, направляемая направляющими элементами 59, и течет вниз, который способствует разделению воды от пара.
Как сказано выше, в пароводяном сепараторе согласно этому варианту реализации изобретения, закручивающая крыльчатка 52 предусмотрена внутри стояка 51, кольцевое сливное пространство 54 образовано устройством сливной емкости 53 снаружи стояка 51, пластина-крышки 55 расположена выше стояка 51 и сливной емкости 53 на заданном расстоянии от них, для образования насадка 56 и вентиляционных выводов 57, и относительная площадь множественных отверстий 58а, 58b, 58 с и 58d, выполненных на стояке 51, установлена в диапазоне от 30% до 70%.
Следовательно, двухфазный поток воды и пара, введенного в стояк 51 с его нижнего конца, перемещается вверх и поднимается закручиваемый закручивающей крыльчаткой 52, и вода течет вверх, размещаясь на внутренней поверхности стояка 51 таким образом, чтобы образовать поток жидкой пленки. Поскольку относительная площадь множественных отверстий (58 58а, 58b, 58с и 58d) установлена в диапазоне от 30% до 70%, то вода надлежащим образом втекает в сливное пространство 54 и падает вниз, без того, чтобы быть вынесенной сверху из насадка 56 или вынесенной снизу по направлению вовне из сливной емкости 53. С другой стороны, пар течет вверх, кружась в верхней части стояка 51, и надлежащим образом выпускается выше пластины-крышки 55 через насадок 56 без засасывания воды. Следовательно, эффективность разделения пара-воды повышается.
В настоящем варианте реализации изобретения каждая из множественных прорезей 58а, 58b, 58с и 58d, выполненных на стояке 51, включает в себя множественные горизонтальные прорези, которые расположены параллельно вдоль вертикального направления, и высоты hg этих прорезей установлены в диапазоне от половины до удвоенной толщины δ стояка 51. Соответственно, имеется возможность воспрепятствовать втеканию пара в 58а, 58b, 58с и 58d, и только вода может надлежащим образом втекать в сливное пространство 54 через прорези 58а, 58b, 58с и 58d.
2
Расстояние h от множественных прорезей 58а, 58b, 58с и 58d, выполненных на стояке 51, до закручивающей крыльчатки 52 установлено в диапазоне от однократного до 2,5-кратного внутреннего диаметра стояка 51. Соответственно, после того как двухфазный поток воды и пара поднимается закручиваемый закручивающей крыльчаткой 52, тем самым надлежащим образом разделенный на воду и пар, вода надлежащим образом втекает в сливное пространство 54, в то время как пар надлежащим образом выпускается через насадок 56, что приводит к повышению эффективности разделения пара-воды.
На поверхности стенки сливной емкости 53 на верхнем конце предусмотрены два направляющих элемента 59, которые выпускают кружащиеся потоки пара, будучи расположенными на равном расстоянии друг от друга по окружности. Напротив направляющих элементов 59 расположены две прореза 58а и 58с из числа четырех прорезей 58а, 58b, 58с и 58d, выполненных на стояке 51, и сзади по ходу кружащихся потоков пара, выпускаемых из направляющих элементов 59, предусмотрены вентиляционные выводы 57.
Следовательно, вода, поднятая и закрученная закручивающей крыльчаткой 52 и, таким образом, отделенная, проходит через прорези 58а, 58b, 58с и 58d и вытекает из сливной емкости 53 вместе с паром через направляющие элементы 59. Пар, выпускаемый из сливной емкости 53 через направляющие элементы 59, надлежащим образом выпускается из вентиляционных выводов 57 выше пластины-крышки 55. Таким образом, может быть достигнут процесс выпускания при надлежащем разделении воды и пара.
Угол θ загиба закручивающей крыльчатки 52 установлен в диапазоне от 15 градусов до 30 градусов. При приложении со стороны закручивающей крыльчатки 52 надлежащей закручивающей силы к двухфазному потоку двухфазный поток может быть надежно разделен на воду и пар.
Поскольку отношение внутреннего диаметра Doi насадка 56 к внутреннему диаметру Dri стояка 51 установлено в диапазоне от 0,7 до 0,9, то через насадок 56 выше пластины-крышки может быть выпущен надлежащим образом только пар без того, чтобы отделенная вода выносилась сверху из насадка 56.
Поскольку отношение высоты hrg пространства от стояка 51 до пластины-крышки 55 к внутреннему диаметру Dri стояка 51 установлено в диапазоне от 0,05 до 0,3, то отделенная вода не выносится сверху из насадка 56 и выпуск пара из этого пространства ограничен, так что вода может надлежащим образом втекать в сливное пространство 54.
Пароводяной сепаратор согласно настоящему изобретению повышает эффективность разделения пара-воды, надлежащим образом разделяя пар и воду таким образом, чтобы надежно выпускать отделенный пар вверх из насадка, при этом обеспечивая то, что отделенная вода падает вниз через сливное пространство. Соответственно, этот пароводяной сепаратор может быть применен к любому виду пароводяного сепаратора.