Патент на изобретение №2342973

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПАРА ИЛИ ГАЗА ОТ ИНОРОДНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано для очистки пара или газа от твердых или жидких частиц. Устройство включает трубопровод и накопитель инородных включений. Внутри трубопровода установлено нормализованное сопло Вентури с конфузорным, цилиндрическим и расширяющимся участками, а снаружи него – корпус, образующий с трубопроводом и соплом Вентури кольцевую камеру сепарации. Передний участок камеры сепарации сообщен с трубопроводом кольцевым входным диффузором, образованным внутренней поверхностью трубопровода и наружной поверхностью конфузорного участка сопла Вентури, а средний участок камеры сепарации сообщен конфузорным кольцевым каналом с входным участком расширяющейся части сопла Вентури. В первом варианте выполнения устройства за входным диффузором в пространстве между стенкой корпуса и наружной поверхностью стенки цилиндрического участка и стенки расширяющегося участка расположен дефлектор, а между ним и входным диффузором – лопаточный аппарат, центрирующий цилиндрический участок внутри корпуса. Во втором варианте – между входным диффузором и конфузорным кольцевым каналом установлен сепарирующий элемент в виде жалюзийного пакета. Технический результат: высокая степень очистки пара или газа при минимальных энергетических затратах. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при проектировании и модернизации узлов и элементов котельного и турбинного оборудования, работающего на двухфазных потоках высокого и среднего давления (перегретый пар – твердые частицы), а также низкого давления (влажный пар с каплями или пленочными структурами жидкости).

Обычно удаление инородных включений (твердых или жидких частиц) осуществляют на участках тракта двухфазного потока с изменением направления движения (повороты, колена), когда в результате инерционного механизма основная масса крупных частиц осаждается на стенке канала, что создает благоприятные условия для их эффективного удаления путем отвода из парового или газового потока пристенного слоя с высокой концентрацией частиц, последующего их удаления из отведенной доли несущей среды и возврата ее в основной тракт.

Известно устройство прямоточного сепаратора, содержащего корпус в виде трубы с соплом и разделительный патрубок, размещенный ниже по потоку сопла и коаксиально ему, причем сопло выполнено с горловиной длиной от одного до трех диаметров сопла, а разделительный патрубок – в виде цилиндра с плавно изогнутым входным участком (RU 2079342, МПК В01D 45/04, опубликовано 20.05.1997 г.).

Недостатком известного технического решения являются большие газодинамические потери, неприемлемые для большинства видов энергетического оборудования и обусловленные, во-первых, сильным пережатием двухфазного потока, а во-вторых, загромождением потока за соплом разделительным патрубком в области высоких скоростей.

Известно устройство для очистки газа или пара от инородных включений, содержащее присоединенный к горизонтальному участку после поворота (колена) трубопровода патрубок отбора включений с козырьком над ним и отбойником, расположенным на противоположной стороне перед коленом (RU 2213607, МПК 7 В01D 45/08, 45/16, опубликовано 10.10.2003).

По совокупности признаков это известное техническое решение является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.

Недостатком устройства, принятого за прототип, а также причиной, препятствующей достижению желаемого технического результата при использовании упомянутого известного устройства, являются следующие факторы: отбойник на стенке перед поворотом потока и козырек перед входом в патрубок отбора включений создают значительное гидравлическое сопротивление и ухудшают аэродинамические качества устройства; патрубок отбора включений отводит пристенный слой с частицами только с нижней стенки периметра трубопровода, тогда как под воздействием парных вихрей в зоне поворота потока частицы перемещаются по боковым стенкам в верхнюю зону потока; в связи с тем, что циркуляционная труба, предназначенная для увлечения потока с частицами в патрубок отбора, подключена к области трубопровода с повышенным локальным давлением, эффективность устройства существенно снижается.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными или эквивалентными предлагаемым.

Определение из выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков, позволило сформулировать в заявленном устройстве совокупность существенных отличительных признаков по отношению к рассматриваемому заявителем техническому результату, изложенному в нижеприведенной формуле изобретения.

Заявляемое техническое решение позволяет добиться высокой степени очистки пара или газа при минимальных энергетических затратах за счет размещения в трубопроводе нормализованного сопла Вентури с образованием с его внешней стороны камеры сепарации, передняя часть которой сообщена входным кольцевым каналом с пристенной областью трубопровода, а средняя часть – кольцевым конфузорным каналом с началом расширяющейся части сопла Вентури. Интенсификация процессов отделения жидких или твердых частиц от пара или газа достигается установкой в камере сепарации дефлектора, лопаточного аппарата или жалюзийного пакета и размещением накопителя внутри или рядом с камерой сепарации.

Предложено устройство для очистки пара или газа от инородных включений (вариант 1), включающее трубопровод и накопитель инородных включений, при этом внутри трубопровода установлено нормализованное сопло Вентури с конфузорным, цилиндрическим и расширяющимся участками, а снаружи него – корпус, образующий с трубопроводом и соплом Вентури кольцевую камеру сепарации, причем передний участок камеры сепарации сообщен с трубопроводом кольцевым входным диффузором, образованным внутренней поверхностью трубопровода и наружной поверхностью конфузорного участка сопла Вентури, а средний участок камеры сепарации сообщен конфузорным кольцевым каналом с входным участком расширяющейся части сопла Вентури, кроме того, за входным диффузором в пространстве между стенкой корпуса и наружной поверхностью стенки цилиндрического участка и стенки расширяющегося участка расположен дефлектор, а между ним и входным диффузором – лопаточный аппарат, центрирующий цилиндрический участок внутри корпуса.

Предложено устройство для очистки пара или газа от инородных включений (вариант 2), включающее трубопровод и накопитель инородных включений, при этом внутри трубопровода установлено нормализованное сопло Вентури с конфузорным, цилиндрическим и расширяющимся участками, а снаружи него – корпус, образующий с трубопроводом и соплом Вентури кольцевую камеру сепарации, причем передний участок камеры сепарации сообщен с трубопроводом кольцевым входным диффузором, образованным внутренней поверхностью трубопровода и наружной поверхностью конфузорного участка сопла Вентури, а средний участок камеры сепарации сообщен конфузорным кольцевым каналом с входным участком расширяющейся части сопла Вентури, кроме того, между входным диффузором и конфузорным кольцевым каналом установлен сепарирующий элемент в виде жалюзийного пакета.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 – общий вид устройства для установки на вертикальном участке трубопровода (вариант 1);

на фиг.2 – общий вид устройства для установки на горизонтальном участке трубопровода (вариант 2);

на фиг.3 – вид А-А по фиг.2;

на фиг.4 – вид Б-Б по фиг.3.

Устройство для очистки пара или газа от инородных включений для установки на вертикальном трубопроводе включает корпус 1, размещенный снаружи трубопровода 2, внутри трубопровода 2 установлено нормализованное сопло Вентури с конфузорным участком 3, цилиндрическим участком 4 и расширяющимся участком 5 таким образом, что между наружной поверхностью конфузорного участка 3 и внутренней стенкой трубопровода 2 образована кольцевая щель 6, переходящая в кольцевой входной диффузор 7. Корпус 1 образует с трубопроводом 2 и соплом Вентури кольцевую камеру сепарации, передний участок которой сообщен с трубопроводом 2 кольцевым входным диффузором 7, образованным внутренней поверхностью трубопровода 2 и наружной поверхностью конфузорного участка 3 сопла Вентури. Средний участок камеры сепарации сообщен конфузорным кольцевым каналом 8 с входным участком расширяющейся части 5 сопла Вентури. За кольцевым входным диффузором 7 в пространстве между стенкой корпуса 1 и наружной поверхностью стенки 9 цилиндрического участка 4 и стенки 10 расширяющегося участка 5 расположен дефлектор 11. Между дефлектором 11 и входным диффузором 7 установлен лопаточный аппарат 12, центрирующий цилиндрический участок 4 внутри корпуса 1. В нижней части корпуса 1 размещен накопитель 13 с люками 14 для его очистки от твердых частиц. При использовании заявляемого устройства для отделения от пара жидкостных структур (капель, пленок) накопитель 13 через гидрозатвор соединяется с дренажной линией (на фиг.1 не показано). Снаружи устройство защищено тепловой изоляцией 15.

Устройство для очистки пара или газа от инородных включений для установки на горизонтальном трубопроводе включает корпус 1, размещенный снаружи трубопровода 2, внутри трубопровода 2 установлено нормализованное сопло Вентури с конфузорным участком 3, цилиндрическим участком 4 и расширяющимся участком 5 таким образом, что между наружной поверхностью конфузорного участка 3 и внутренней стенкой трубопровода 2 образована кольцевая щель 6, переходящая в кольцевой входной диффузор 7. Корпус 1 образует с трубопроводом 2 и соплом Вентури кольцевую камеру сепарации, передний участок которой сообщен с трубопроводом 2 кольцевым входным диффузором 7, образованным внутренней поверхностью трубопровода 2 и наружной поверхностью конфузорного участка 3 сопла Вентури. Средний участок камеры сепарации сообщен конфузорным кольцевым каналом 8 с входным участком расширяющейся части 5 сопла Вентури. Внутри корпуса 1 между входным диффузором 7 и конфузорным кольцевым каналом 8 установлен сепарирующий элемент 16 в виде жалюзийного пакета, а на входных кромках конфузорного канала 8 – отбойники 17 и 18. К нижней стенке корпуса 1 прикреплен накопитель 19 цилиндрической формы, сообщающийся с камерой сепарации внутри корпуса 1 отводными отверстиями или щелями 20 и имеющий на торцевых стенках люки 21. Накопитель 19 дополнительно прикреплен к корпусу 1 ребрами 22, одновременно образующими радиатор для передачи теплового потока от корпуса 1 к накопителю 19. При использовании устройства по фиг.2 для отделения от пара жидкостных структур накопитель 19 через гидрозатвор соединяется с дренажной линией (на фиг.2 не показано). Сепарирующий элемент 16 жалюзийного типа состоит из радиальных пакетов 23, расположенных в верхнем и нижнем сегментах, образованных в камере сепарации силовыми ребрами 24 вместе с корпусом 1 и стенкой 9 цилиндрического участка 4, и дуговых пакетов 25, размещенных в боковых сегментах.

Сопло Вентури и корпус 1 устройства образуют два параллельных контура – внутренний и внешний. Внутренний контур представляет собой проточную часть самого сопла Вентури, а внешний контур – пространство между соплом Вентури и корпусом 1.

Назначение внутреннего контура – создание перепада давления, необходимого для гидродинамических процессов во внешнем контуре. Поскольку эффективность заявляемого устройства определяется, с одной стороны, степенью очистки (разделением фаз), а с другой стороны, энергетическими затратами на этот процесс, экономичность очистителей с длительным циклом эксплуатации, использующих сужающие устройства, имеет первостепенное значение.

Согласно Правилам 28-64 [Измерение расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. – М.: Издательство Госкомитета стандартов, мер и измерительных приборов СССР, 1965. – 147 с.] во всем классе сужающих устройств наименьшими гидравлическими потерями обладает сопло Вентури с углом раскрытия расширяющейся части 5-7 градусов. Оно является основным компонентом в заявляемом устройстве и содержит входную конфузорную часть 3 длиной h₁, цилиндрическую часть 4 длиной h₄ и расширяющуюся часть 5 длиной h₅ (фиг.1).

Максимальный перепад давления, создаваемый нормализованным соплом Вентури как разность статических давлений в трубопроводе 2 и в цилиндрической части 4 сопла, при прочих равных условиях, пропорционален расходу пара или газа во второй степени и обратно пропорционален диаметру d цилиндрической части сопла в четвертой степени. Однако с уменьшением диаметра цилиндрической части 4 возрастают и необратимые гидродинамические потери. Поэтому задача заключается в оптимизации гидродинамических характеристик внешнего контура, обеспечивающей в нем минимальные потери энергии. Потери во внешнем контуре складываются из потерь во входную кольцевую щель 6 длиной h₂ и шириной ₁, потерь во входном диффузоре 7 длиной h₃, потерь на отделение инородных включений от несущей среды в камере сепарации и потерь на возврат очищенной среды через кольцевой конфузорный канал 8 шириной ₂ в зону соединения цилиндрической и расширяющейся частей сопла Вентури.

При создании изокинетических условий входа двухфазного потока в кольцевую щель 6, когда направление и скоростные характеристики фаз не изменяются, потери на входе будут отсутствовать. Выбор ширины ₁ входной щели 6 определяется структурными характеристиками пристенного слоя: чем больше ₁, тем больше доля поступивших во внешний контур инородных включений, но тем больше и расход в ней несущей среды, следовательно, размеры внешнего контура и потери в нем. Для условий энергетического оборудования при установке устройства за поворотом (коленом) трубопровода, когда значительная часть частиц концентрируется в пристенном слое, величина ₁ обычно не превышает нескольких процентов от внутреннего диаметра трубопровода D₀.

Наличие входного диффузора 7 обусловлено необходимостью снижения скорости двухфазного потока в камере сепарации, где происходит разделение фаз, что, с одной стороны, обеспечивает высокую степень очистки, а с другой стороны, снижение гидравлических потерь, пропорциональных скорости потока во второй степени. Скорость в камере сепарации определяется геометрическими характеристиками входного диффузора 7, внутренним диаметром D_в корпуса 1 и наружным диаметром сопла Вентури.

Потери на возврат очищенного пара или газа во внутренний контур в зоне его максимальной скорости, где статическое давление среды минимальное, включают потери в конфузорном канале 8 с шириной узкого участка ₂ и собственные потери на слияние потоков. При равенстве динамических напоров обоих потоков в зоне слияния потери смешения будут приближаться к нулевому значению. При этом угол наклона конфузорного канала 8 в пределах 30 градусов не будет оказывать заметного влияния на гидродинамические характеристики процесса смешения.

Таким образом, условия изокинетического входа двухфазного потока в щель 6 и минимальных потерь при слиянии потоков на выходе конфузорного канала 8 будут определяться выражением ₂=₁dk/D₀, где коэффициент k – соотношение средней скорости пара или газа в кольцевой щели 6 и в трубопроводе 2; для большинства режимов k=0,75-0,80.

Дефлектор 11, образующий наружную шириной ₃ и внутреннюю шириной ₄ кольцевые камеры, предназначен для интенсификации процессов сепарации частиц и предотвращения их поступления после выхода из входного диффузора 7 непосредственно в конфузорный канал 8.

Расположенный между входным диффузором 7 и дефлектором 11 лопаточный аппарат 12 предназначен для дополнительного усиления сепарационных процессов мелкодисперсной части спектра частиц или капель.

Работа устройства согласно фиг.1 в случае установки его на вертикальном трубопроводе осуществляется следующим образом. При движении двухфазной среды в трубопроводе 2 в результате увеличения скорости в цилиндрической части 4 сопла Вентури в камере сепарации снижается давление, что создает благоприятные условия поступления из пристенного слоя двухфазного потока в кольцевую щель 6 на входе диффузора 7. В диффузоре 7 скорость потока снижается и поступает в наружную кольцевую камеру шириной ₃ между наружной стенкой дефлектора 11 и внутренней стенкой корпуса 1. Далее двухфазный поток совершает резкий поворот на 180° вокруг нижней кромки дефлектора 11. При этом происходит разделение фаз: частицы или капли продолжают двигаться по инерции и поступают в накопитель 13, расположенный в нижней части камеры сепарации, а несущая среда (пар, газ) направляется во внутреннюю кольцевую камеру шириной ₄, откуда – в кольцевой конфузорный канал 8 и далее в расширяющуюся часть 5 сопла Вентури. Если при очистке пара или газа необходимо увеличить отделение от несущей среды мелкодисперсной части спектра инородных включений, используется лопаточный аппарат 12, который, придавая двухфазному потоку вращательное движение, усиливает осаждение на внутреннюю поверхность корпуса 1 капель или твердых частиц. Исходя из изложенной динамики процесса отделения инородных включений, скорость потока снаружи дефлектора 11 должна быть в несколько раз больше, чем внутри него. Это достигается выбором соответствующих значений величин ₃ и ₄.

Работа устройства при установке его согласно фиг.2, 3, 4 на горизонтальном участке трубопровода осуществляется следующим образом. Двухфазный поток из пристенной области трубопровода 2, насыщенный инородными включениями, поступает через кольцевую щель 6 во входной диффузор 7, а из него – в жалюзийный пакет 16. В жалюзийном пакете 16 под действием инерционного механизма происходит отделение от несущего потока инородных включений и транспортирование их из верхней половины камеры сепарации по наружной поверхности стенки 9 цилиндрического участка 4 сопла Вентури и ребрам 24 в нижнюю часть к каналам 20, а оттуда – в накопитель 19. Аналогичным образом происходит отделение инородных включений и в нижней половине камеры сепарации и движение их по нижней стенке корпуса 1 к каналам 20 и в накопитель 19.

Очищенный в жалюзийном пакете 16 пар или газ поступает в среднюю зону камеры сепарации, а оттуда – в кольцевой конфузорный канал 8. Для уменьшения выноса очищенной средой мелкодисперсных включений в канал 8 предусмотрены отбойники 17, 18, сбрасывающие мелкодисперсные фракции в нижнюю зону камеры сепарации к каналам 20 и через них – в накопитель 19.

Характер режимов двухфазного потока и материал инородных включений обусловливают требования к конструкции и эксплуатации заявляемого устройства, оптимальным образом адаптирующих элементы проточной части внешнего контура к структуре дискретной – жидкой или твердой – фазы. При отделении жидкой фазы накопитель 13 на фиг.1 и 19 на фиг.2, 3 должен быть соединен с дренажной линией через гидрозатвор или иное устройство. Для предотвращения поступления в трубопровод вместе с паром твердых частиц, например, продуктов разрушения оксидной пленки в промперегревателе котла емкость накопителя выполняется такой, чтобы его было достаточно на период эксплуатации энергоблока между капитальными ремонтами, во время которых производится очистка накопителей. Поскольку в таких трубопроводах температура пара достигает 540-550°С, конструкция накопителей 13 и 19 имеет такое положение и форму, при которой тепловой поток от трубопровода к накопителям достигает максимальной величины, что исключает конденсацию пара в накопителях, ухудшающую работу устройства. Этому же процессу способствует тепловой радиатор, состоящий из ребер 22, и тепловая изоляция 15.

Формула изобретения

1. Устройство для очистки пара или газа от инородных включений, включающее трубопровод и накопитель инородных включений, отличающееся тем, что внутри трубопровода установлено нормализованное сопло Вентури с конфузорным, цилиндрическим и расширяющимся участками, а снаружи него – корпус, образующий с трубопроводом и соплом Вентури кольцевую камеру сепарации, при этом передний участок камеры сепарации сообщен с трубопроводом кольцевым входным диффузором, образованным внутренней поверхностью трубопровода и наружной поверхностью конфузорного участка сопла Вентури, а средний участок камеры сепарации сообщен конфузорным кольцевым каналом с входным участком расширяющейся части сопла Вентури, кроме того, за входным диффузором в пространстве между стенкой корпуса и наружной поверхностью стенки цилиндрического участка и стенки расширяющегося участка расположен дефлектор, а между ним и входным диффузором – лопаточный аппарат, центрирующий цилиндрический участок внутри корпуса.

2. Устройство для очистки пара или газа от инородных включений, включающее трубопровод и накопитель инородных включений, отличающееся тем, что внутри трубопровода установлено нормализованное сопло Вентури с конфузорным, цилиндрическим и расширяющимся участками, а снаружи него – корпус, образующий с трубопроводом и соплом Вентури кольцевую камеру сепарации, при этом передний участок камеры сепарации сообщен с трубопроводом кольцевым входным диффузором, образованным внутренней поверхностью трубопровода и наружной поверхностью конфузорного участка сопла Вентури, а средний участок камеры сепарации сообщен конфузорным кольцевым каналом с входным участком расширяющейся части сопла Вентури, кроме того, между входным диффузором и конфузорным кольцевым каналом установлен сепарирующий элемент в виде жалюзийного пакета.

РИСУНКИ