СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ
COOLING SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системам сухого воздушного охлаждения и системам влажно-сухого охлаждения процессов на промышленных объектах и электростанциях. Настоящее изобретение может использоваться главным образом для охлаждения устройств высокой мощности, особенно в градирнях (или стояках водяного охлаждения) с естественной тягой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В системах воздушного охлаждения отвод технологического тепла осуществляется путем конвективного теплопереноса окружающим воздухом через блоки поверхностных теплообменников. Для этого требуется очень большая поверхность воздушного охлаждения даже в случае средних размеров технологического блока или блока электростанции.
Такая методика используется давно для уменьшения основания (площади опоры) воздушных охладителей и сухих градирен (башен), чтобы не располагать блоки воздушных охладителей возле друг друга в одной плоскости, т.е. перпендикулярно первоначальному направлению воздушного потока, но установить их под углами по отношению друг к другу, значительно меньшими 180° (напр., 60°). Таким образом, передняя сторона блоков (колонн) воздушного охлаждения устанавливается под углом, меньшим 90°, относительно первоначального направления потока охлаждающего воздуха. Поэтому площадь передней стороны и поверхности воздушных охладителей на определенном основании или по окружности определенного диаметра может быть успешно увеличена в определенных пределах.
До настоящего времени были разработаны различные устройства, однако в случае воздушных охладителей высокой или даже средней мощности почти исключительно применяется устройство воздушного охлаждения, которое позволяет получить описанный выше «петлеобразный» поток воздуха независимо от способа установки охладителей (горизонтально или вертикально) и типа воздушного охлаждения (прямое или непрямое).
В результате применения устройства «петлеобразного» потока воздушные охладители имеют несколько V-образных или А-образных поверхностей (т.е. треугольные поперечные сечения), которые значительно увеличивают площадь передней стороны воздушных охладителей, установленных на определенном основании, т.е. охлаждающую способность градирни.
Известное эффективное устройство воздушного охлаждения применяется в так называемой Heller (Хеллер)-системе. Конструктивные компоненты воздушных охладителей с точки зрения их соответствующего поперечного сечения, перпендикулярного продольному направлению, состоят из двух охлаждающих колонн, расположенных под углом α=40°-60° по отношению друг к другу как стороны равнобедренного треугольника, в котором третья сторона открыта (по желанию оснащается затворами) для поступающего охлаждающего воздуха. Эти так называемые охлаждающие дельты используются с 1950-х годов (см., например, в литературе: Balogh, Α., Szabo, Ζ., Advanced Heller System to Improve Economics of Power Generation, EPRI Conference on Advanced Cooling Strategies/Technologies, June 2005, Sacramento, CA), и это известное устройство показано на фиг. 1-3. Охлаждающие дельты 11, как показано на виде сверху на фиг. 1 и 2 и в объемном изображении на фиг. 3, в системах известного уровня техники располагаются вертикально вдоль траектории 10 в форме круга (или многоугольника, приближающегося к кругу). Траектория 10, как правило, повторяет контур основания градирни. Согласно изобретению эта траектория представляет собой след, заданный соответствующими точками в одинаковых положениях охлаждающих дельт, образованных практически одинаково. Вся поверхность воздушного охлаждения состоит из охлаждающих дельт 11. Охлаждающий воздух описывает траекторию однопетлевого потока, которая показана стрелками на чертеже с видом сверху, и повторяет очертания отдельных охлаждающих дельт. Поток охлаждающего воздуха движется под действием градирни с естественной тягой, расположенной над устройством, или под действием вентиляторов, расположенных в вертикальной плоскости на внутренней или наружной стороне.
Постоянно растущий спрос на охлаждающую способность блоков электростанций, что является результатом спроса на увеличение размера блоков и на достижение еще меньшей температуры конденсации или температуры охлаждающей воды при определенной температуре окружающей среды, ставит перед производителями систем воздушного охлаждения все более сложные задачи. Такие задачи могут быть решены за счет уменьшения угла охлаждающих дельт и за счет увеличения их соответствующей длины (в одной из типичных конфигураций отдельные воздушные охладители ярусно располагаются друг над другом, как, например, описано в патенте США №3,434,529) только до определенного предела, что позволяет избежать дополнительных расходов и предотвратить снижение эффективности в результате ухудшения теплотехнических свойств и конструктивных проблем. Что касается современных высокомощных атомных электростанций, на один блок электростанции требуется до трех-четырех градирен с естественной тягой, что обеспечивает конкурентоспособность системы сухого или влажно-сухого охлаждения в части эффективности по сравнению с системой влажного охлаждения, которая, кстати, имеет значительно больший расход воды, т.е. уступает по экологическим параметрам. Такое количество градирен может обусловить, особенно в случае многосекционного помещения атомной электростанции, серьезные проблемы в части размещения; более того, интерференция между градирнями также негативно скажется на эффективности.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения - разработать компактное устройство воздушного охлаждения (т.е. теплообменник для охлаждения носителя окружающим воздухом), которое является энергосберегающим и высокорентабельным и в то же время позволяет использовать потенциал инновационного устройства.
Было установлено, что используемые в настоящее время охлаждающие дельты с V-образным или А-образным поперечным сечением, образующие группы с прямыми траекториями, примыкающие друг к другу в форме зигзага, которые затем устанавливаются другу к другу под углом, позволяют получить большую охлаждающую дельту. Вся поверхность воздушного охлаждения образуется за счет дальнейшего увеличения количества данных участков воздушного охлаждения, в дальнейшем именуемых «комплексными дельта-компонентами». В связи с этим первоначально «однопетлевой» поток охлаждающего воздуха становится «двухпетлевым» потоком воздуха.
Данная задача была решена благодаря системе охлаждения согласно п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны ниже на примере со ссылкой на следующие чертежи, где
фиг. 1 - вид сверху устройства воздушного охлаждения, состоящего из охлаждающих дельт известного уровня техники, расположенных вдоль круговой траектории,
фиг. 2 - частичный вид сверху охлаждающих дельт в соответствии с фиг. 1, образованных колоннами воздушного охлаждения, расположенных под углом друг к другу,
фиг. 3 - аксонометрическое изображение элемента устройства охлаждающей дельты в соответствии с фиг. 1,
фиг. 4 - вид сверху охлаждающей системы в соответствии с предпочтительным вариантом;
фиг. 5 - элемент устройства воздушного охлаждения в соответствии с фиг. 4,
фиг. 6 - аксонометрическое изображение комплексных дельта-компонентов в соответствии с фиг. 4, генерирующих двухпетлевой поток воздуха и образованных охлаждающими дельтами,
фиг. 7 - вид сверху еще одного предпочтительного варианта, включающего в себя горизонтально расположенные охлаждающие дельты,
фиг. 8 - элемент устройства в соответствии с фиг. 7, вид сверху образующих его групп горизонтально расположенных охлаждающих дельт и вертикальных комплексных дельта-компонентов,
фиг. 9 - вид сбоку элемента группы в устройстве в соответствии с фиг. 7,
фиг. 10 - аксонометрическое изображение комплексных дельта-компонентов устройства в соответствии с фиг. 7,
фиг. 11 - схематический вид сверху вспомогательного затвора, расположенного на стороне впуска воздуха охлаждающих дельт,
фиг. 12 - схематический вид сверху затвора, расположенного на стороне впуска воздуха комплексных дельта-компонентов,
фиг. 13 - схематический вид сверху затвора, расположенного на стороне впуска воздуха комплексных дельта-компонентов и дополненного вспомогательным затвором,
фиг. 14 - возможная схема устройства пиковых охладителей, мокрых элементов и/или элементов пикового охладителя/подогревателя,
фиг. 15 - вид сверху устройства в соответствии с настоящим изобретением, дополненного ветронепроницаемыми стенками,
фиг. 16 - вид сверху устройства в соответствии с настоящим изобретением, дополненного ветронепроницаемыми элементами.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Системы сухого или влажно-сухого охлаждения, в которых реализуется отвод технологического тепла (путем охлаждения носителя или путем конденсации), обычно включают в себя воздушные охладители с ребристыми трубками, систему трубопроводов, которая распределяет/собирает охлаждаемую (или конденсируемую) рабочую среду, а также воздуходувки с естественной или механической тягой. Воздушные охладители состоят из компонентов, которые называются охлаждающими колоннами, каждая из которых оснащена собственной впускной/выпускной камерой, при этом две такие расположенные под углом охлаждающие колонны образуют охлаждающую дельту, генерирующую кратный поток охлаждающего воздуха.
На Фиг. 4 показано устройство воздушного охлаждения в соответствии с настоящим изобретением, в котором реализуется двухпетлевой поток воздуха, а на фиг. 5 показан его элемент на виде сверху, при этом стрелками указан поток воздуха. В системе охлаждения в соответствии с настоящим изобретением смежные вертикальные охлаждающие дельты 21, которые охлаждаются охлаждающим воздухом, располагаются группами 22. Охлаждающие дельты 21 одной группы 22 располагаются преимущественно в одном направлении и определяют преимущественно прямой (максимум - слегка наклонный) участок 24 траектории. Соответствующие участки 24 траектории смежных групп 22 образуют зигзагообразную траекторию, включающую в себя чередующиеся углы вдоль траектории. В данном предпочтительном варианте зигзагообразная траектория образует замкнутую звездообразную конфигурацию.
В двухпетлевом охлаждающем потоке воздуха, как показано на фиг. 5, оба петлевых потока находятся в одной плоскости в соответствии с вертикальным устройством охлаждающих дельт и комплексных дельта-компонентов 23. Предпочтительно, по горизонтальным распределительным трубопроводам у поверхности земли к отдельным комплексным дельта-компонентам 23 подается охлаждаемая или конденсируемая рабочая среда. Коллекторные трубопроводы также являются горизонтальными, что зависит от стороны контакта теплообменника воздушного охлаждения с рабочей средой, и располагаются параллельно распределительным трубам у поверхности земли или у верхних концов вертикально расположенных охлаждающих дельт 21.
Как показано на фиг. 5, пары смежных групп 22 образуют комплексные дельта-компоненты 23, открытые со стороны впуска охлаждающего воздуха. Участки траектории 24 групп 22, образующих комплексные дельта-компоненты 23, расположены друг к другу под углом β.
Увеличение количества комплексных дельта-компонентов, как показано на фиг. 6, может быть выполнено в одной плоскости - горизонтально или, что более предпочтительно, в устройстве в соответствии с изображенным предпочтительным вариантом - вертикально вдоль дуги, овала или какого-либо их сочетания с прямыми участками, которые образуют звездообразную форму на виде сверху.
Вертикально расположенные комплексные дельта-компоненты могут иметь различные формы. В случае в соответствии с фиг. 4-6 трубки охлаждающих дельт, содержащие охлаждаемую рабочую среду, направлены вертикально. Соответственно, распределительные и коллекторные трубопроводы комплексных дельта-компонентов должны быть обязательно горизонтальными.
В другом случае, как показано на фиг. 7-10, охлаждающие дельты, образующие комплексные дельта-компоненты, располагаются практически горизонтально, т.е. направленность трубок с носителем, охлаждаемым в охлаждающих дельтах, отклоняется от горизонтали лишь на несколько градусов, необходимых для спуска. В данном случае распределительные и коллекторные трубопроводы 35 с охлаждаемой рабочей средой комплексных дельта-компонентов являются вертикальными.
Зигзагообразная траектория 30, как показано на фиг. 7, характеризует устройство групп 32, т.е. панелей, образованных горизонтально расположенными охлаждающими дельтами 31 (фиг. 9) с углом открытия β. Охлаждающие дельты 31 располагаются группами 32, которые попарно образуют вертикально-направленные комплексные дельта-компоненты 33, как показано на фиг. 8. Участки 34 траектории, характерные для групп 32 в комплексных дельта-компонентах 33, закрывают угол γ относительно друг друга в горизонтальной проекции. На фиг. 10 устройство показано с аксонометрической проекцией вертикальных комплексных дельта-компонентов 33, которые влияют на двухпетлевой поток воздуха и образованы горизонтально расположенными охлаждающими дельтами 31.
Двухпетлевой поток охлаждающего воздуха также генерируется в данном варианте, при этом, поскольку охлаждающие дельты 31 расположены горизонтально, а комплексные дельта-компоненты 33 направлены вертикально, двухпетлевые потоки воздуха генерируются в перпендикулярных друг другу плоскостях.
Устройства воздушного охлаждения, образованные так, как описано выше, значительно (на 20-40%) увеличивают площадь теплообменника, который может быть сооружен на определенном основании, а следовательно, и величину охлаждающей способности, тем самым снижая количество градирен, требуемых для отвода тепла от больших установок и, соответственно, степень любой возможной вредной интерференции между градирнями. Более того, данное устройство уменьшает сопротивление потоку со стороны охлаждаемой рабочей среды в результате снижения скорости рабочей среды за счет увеличения количества охлаждающих колонн. Данное благоприятное воздействие наблюдается, главным образом, в случае вертикальных комплексных дельта-компонентов, образованных горизонтальными охлаждающими дельтами.
Использование устройства сложных дельта-компонентов дает возможность применять решения, которые могут снизить расходы на определенное оборудование (например, распределительные трубы с охлаждаемым носителем, строительство градирен и закладка фундамента, затворы), уменьшить ветровую нагрузку и повысить морозоустойчивость градирни.
В случае охлаждающих систем, температура эксплуатации которых значительно ниже точки замерзания, может понадобиться установка затворов, регулирующих (или полностью блокирующих) впуск охлаждающего воздуха. Устройство в соответствии с настоящим изобретением также позволяет сконструировать исключительно эффективные выходные регулируемые затворы. На фиг. 11 показана конструкция, известная сама по себе, в которой створки установлены на отдельные охлаждающие дельты 11 на стороне входа воздуха. Такие обычные створки могут использоваться в дополнение к новым возможностям, доступным благодаря устройству в соответствии с настоящим изобретением, поэтому данные створки упоминаются как отдельные створки 40.
В предпочтительном варианте в соответствии с фиг. 12 затвор 41, приспособленный для регулировки потока охлаждающего воздуха, располагается на входной стороне комплексных дельта-компонентов 23. Благодаря наличию комплексных дельта-компонентов 23 затворы 41 располагаются только на комплексных дельта-компонентах 23 вместо того, чтобы располагаться на каждой отдельной охлаждающей дельте 21, что позволяет значительно уменьшить площадь закрываемой поверхности, а также количество приводов затворов, а следовательно, снизить соответствующие затраты.
Благодаря увеличению расстояния между поверхностями теплообменника и затвором 41, регулирующим поток воздуха, к поверхностям теплообменника в образованном таким образом более широком зазоре прикладывается более равномерная воздушная нагрузка, что позволяет снизить риск любого возможного локального замерзания в условиях чрезвычайно низкой температуры.
Створки затвора комплексных дельта-компонентов 23 могут быть направлены горизонтально или вертикально. Зоны затворов, соответствующие каждой отдельной комплексной дельта-компоненте 23, могут быть разделены на подзоны по высоте или ширине во избежание чрезмерно больших размеров. Разделение по высоте обеспечивает раздельную работу подзон, например полное закрытие на нижних высотах, при этом верхние зоны будут частично открыты, что особо важно для снижения риска замерзания в чрезвычайно холодных помещениях.
Устройство с функцией затворов, также пригодных для снижения неблагоприятной ветровой нагрузки, может быть образовано способом, показанным на фиг. 13, согласно которому затвор 41 находится на таком расстоянии от наружных концов комплексных дельта-компонентов 23, при котором вспомогательный затвор 42 располагается между затвором 41 и наружным концом соответствующих комплексных дельта-компонентов 23. Располагать такой закрываемый и управляемый вспомогательный затвор 42 на каждой комплексной дельта-компоненте 23 не требуется, достаточно установить вспомогательный затвор 42 после каждой второй, третьей или даже четвертой комплексной дельта-компоненты 23. Вместо вспомогательных затворов 42, расположенных на промежуточных комплексных дельта-компонентах 23, могут быть также установлены пористые, т.е. частично проницаемые, элементы. За счет регулировки степени открытия вспомогательного затвора 42 может быть еще больше снижена ветровая нагрузка. Увеличение зазора, образованного комплексными дельта-компонентами 23 и соответствующим затвором 41, обеспечивает более равномерную нагрузку на поверхности воздушного охлаждения.
В более холодных помещениях предпочтительнее использовать решения со створками и затворами, как показано на фиг. 11 и 12 (или на фиг. 11 и 13), совместно. Устройство створки в соответствии с фиг. 11 может быть объединено с зоной затвора, расположенной среди внутренних пиков комплексных дельта-компонентов 23. Данное устройство облегчает предварительный подогрев поверхностей воздушного охлаждения при повторном пуске в чрезвычайно холодных помещениях.
Установка пиковых охладителей, подогревателей или мокрых элементов в градирнях с естественной тягой является частью известной технологии, одно из таких решений описано в патентной заявке ЕР 0220607 А1. Следует подчеркнуть, что звездообразные устройства в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивающие двухпетлевой поток, как показано на фиг. 4-6 и фиг. 7-10, как правило, также обеспечивают чрезвычайно благоприятную возможность установки повышающих производительность пиковых охладителей, мокрых элементов и/или элементов пикового охладителя/подогревателя. В данных случаях для подачи к ним охлаждающего воздуха требуется воздушный канал, не зависимый от главных охладителей и закрываемый отдельным входным затвором.
Элементы 50′ предпочтительно располагаются, например, в угловых пространствах сегментов треугольной формы, определяемых смежными комплексными дельта-компонетами 23, 33. Немного большие элементы 50 могут предпочтительно соединяться через надлежащим образом сформированные воздушные каналы с двумя соответствующими комплексными дельта-единицами 23, 30, как показано на фиг. 14.
Устройства элементов могут быть выгодными, главным образом, в случае дополнительного умеренного влажного теплообмена для увеличения производительности в летнее время. Если требуется более сильное дополнительное влажное охлаждение, элементы влажного охлаждения могут располагаться в непрерывной полной окружности или в средней части градирни в форме прямоугольника или круга, охватывающего большую площадь. Дополнительные, полностью мокрые элементы также могут располагаться снаружи сухой градирни.
Надлежащим образом образованные и отрегулированные затворы могут способствовать уменьшению неблагоприятного воздействия ветра. Затвор 41 может быть образован створками затвора, расположенными горизонтально или вертикально. В предпочтительном решении с вертикальными створками затвора, снижающими ветровую нагрузку и используемыми в комплексных дельта-компонентах 23, 33, открытые створки затвора поворачиваются от средней линии зоны затвора, если смотреть снаружи, в направлении закрытия, напротив друг друга в сторону противоположной краевой линии комплексной дельта-компоненты (створки затвора с правой стороны поворачиваются по часовой стрелке, а створки затвора с левой стороны вращаются против часовой стрелки). В данном случае затвор включает в себя створки затвора, направленные перпендикулярно траектории и вращающиеся в направлении закрытия, направляя охлаждающий воздух в сторону ближайшей группы охлаждающих дельт. Частичное смещение зон затвора под действием силы всасывания ветра в направлении закрытия обеспечивает более равномерную воздушную нагрузку на участки, расположенные напротив ветра или позади ветра.
С помощью комплексных дельта-компонентов, включающих в себя охлаждающие дельты и реализующих двухпетлевой поток воздуха, достигается благоприятное действие на глобальные поля давления и скорости вблизи градирни в определенных диапазонах скорости ветра. Боковой поток воздуха, оказывающий действие на градирню, приводит к возникновению локальной силы всасывания, снижая производительность градирни. Звездообразная конфигурация вызывает турбулентность, которая мешает данному боковому потоку и тем самым уменьшает силу всасывания.
Для способствования и стабилизации благоприятного распределения давления и поля скорости вблизи градирни, преимущественно в помещениях с высокой ветровой нагрузкой, предпочтительно использовать ветронепроницаемые стенки. Звездообразные устройства воздушного охлаждения, в которых реализуется двухпетлевой поток воздуха, обеспечивают предпочтительную возможность включения средств, снижающих ветровую нагрузку. Существуют различные способы установки радиальных ветронепроницаемых элементов. В качестве примера, они могут находиться на выступающих концах теплообменников, расположенных в звездообразной конфигурации, в зависимости от радиального размера они необязательно устанавливаются на каждом пике, но равномерно распределяются по периметру. Зигзагообразная траектория, как показано на фиг. 15, также образует замкнутую звездообразную конфигурацию и имеет, по меньшей мере у некоторых пиков, вертикально расположенные ветронепроницаемые стенки 51, выступающие наружу в радиальном направлении, с предпочтительно частично перфорированными поверхностями. Ветронепроницаемые стенки 51 могут также представлять собой сплошные пластины, однако более благоприятное действие оказывают пористые, т.е. частично воздухопроницаемые, перфорированные стенки. В наиболее эффективном решении ветронепроницаемые стенки 51 имеют постепенно повышающуюся воздухопроницаемость, начиная с их соответствующих участков, радиально наиболее удаленных от градирни по направлению к теплообменникам. В зависимости от соответствующего размера в радиальном направлении использование ветронепроницаемой стенки 51 на каждые две или три комплексные дельта-единицы может быть достаточным.
Ветронепроницаемые элементы 52, расположенные в радиально направленной вертикальной плоскости в соответствии с фиг. 16, также могут быть включены в промежуток между комплексными дельта-компонентами 23. При этом в некоторых внутренних углах звездообразной конфигурации располагаются ветронепроницаемые элементы 52, выступающие наружу в радиальном направлении, с предпочтительно частично перфорированными поверхностями. В данном случае ветронепроницаемые элементы 52 не должны проходить до внутренних углов комплексных дельта-компонентов 23; они могут начинаться с зазора. Вместе с этим они могут выгодно проходить над линией или дугой, обозначенной смежными наружными пиками комплексных дельта-компонентов 23, на несколько метров. В зависимости от величины выступа может быть целесообразно установить такие ветронепроницаемые элементы 52 только на некоторых комплексных дельта-компонентах. И в данном случае в наиболее благоприятном решении воздухопроницаемость постепенно повышается снаружи радиально внутрь.
С помощью системы охлаждения в соответствии с настоящим изобретением может быть получена компактная и одновременно энергосберегающая и высокорентабельная система сухого или влажно-сухого охлаждения. Данное устройство позволяет эффективно уменьшить ветровую нагрузку и обеспечить благоприятную возможность для установки повышающих производительность пиковых охлаждающих элементов или элементов предварительного подогрева с защитой от замерзания.
Настоящее изобретение, безусловно, не ограничивается предпочтительными вариантами, подробно описанными выше, но предусматривает другие модификации, варианты и разработки в объеме правовой охраны, определенной формулой изобретения.