Патент на изобретение №2208750

(54) КОНДЕНСАТОР С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к конденсатору с воздушным охлаждением. Конденсатор с воздушным охлаждением, содержащий верхнее основание для распределения газообразной среды, подлежащей конденсации, нижнее основание для сбора конденсата, пространственно разделенные оребренные трубы с внешними ребрами, причем оребренные трубы соединены параллельно между верхним основанием и нижним основанием и охлаждаются потоком охлаждающего воздуха, средства для стока конденсата из нижнего основания и отводящие средства для удаления неконденсируемых газов из конденсатора, нижнее основание также использовано для распределения газообразной среды к оребренным трубам, так что газообразная среда подается в оребренные трубы как через верхнее, так и через нижнее основания, а отводящие средства присоединены к каждой из оребренных труб на ее участке, обращенном к потоку охлаждающего воздуха. Каждая из труб имеет две, по существу, плоские боковые стенки, расположенные, в сущности, параллельно потоку охлаждающего воздуха, первую закрывающую поверхность, обращенную к потоку охлаждающего воздуха, и вторую противоположную закрывающую поверхность, при этом боковые стенки соединяются первой и второй закрывающими поверхностями. Изобретение позволяет повысить эффективность, обеспечить надежный сток конденсата, достичь простоту в изготовлении. 19 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к конденсатору с воздушным охлаждением, предназначенному для конденсации газообразной среды, предпочтительно пара, при этом конденсатор содержит верхнее основание для распределения газообразной среды, нижнее основание для сбора конденсата, охлаждаемые потоком охлаждающего воздуха разделенные в пространстве оребренные трубы, снабженные наружными ребрами и соединенные параллельно друг другу между верхним и нижним основаниями, средства для стока конденсата из нижнего основания и отводящие средства для удаления неконденсируемых газов из конденсатора.

Уровень техники
Конденсаторы широко применяют в промышленной, химической и энергетической промышленности. К специальному типу конденсаторов относится конденсатор с системой непосредственного воздушного охлаждения, который обычно работает в условиях разрежения и без охлаждающей жидкости, т.е. газообразная среда конденсируется непосредственно с помощью потока охлаждающего воздуха.

Конденсаторы с воздушным охлаждением обычно состоят из нескольких оребренных труб, соединенных параллельно между верхним и нижним основаниями. Внутри оребренных труб в направлении нижнего основания протекает газообразная среда, предпочтительно пар, а охлаждающий воздух протекает вне оребренных труб приблизительно перпендикулярно к ним. С внешней стороны оребренных труб для компенсации низкого коэффициента теплообмена воздуха формируют ребра, чтобы увеличить поверхность со стороны воздуха. Пар в оребренных трубах конденсируется потоком охлаждающего воздуха, конденсат собирается в нижнем основании за счет силы тяжести, стекает и возвращается в рабочий контур обычно с помощью насоса. Так как конденсаторы с воздушным охлаждением работают в условиях разрежения, перед началом процесса из конденсатора должен быть удален воздух.

Хорошо известно, что в оребренные трубы поступает не только чистый пар, но также и весьма небольшое количество неконденсируемых газов, главным образом воздуха. Часть таких газов привносится самим паром, но главным образом они попадают в пар в результате негерметичности рабочего контура. Примером возможной негерметичности является разделительная плоскость паровой турбины. Поскольку воздух является неконденсируемым газом, это количество воздуха концентрируется в оребренных трубах конденсатора и ухудшает эффективность теплообмена, т.е. при данном перепаде температур переносится меньшее количество тепла. Поэтому воздух необходимо удалять непрерывно, что обычно производится постоянно действующим вакуумным насосом.

Известно также, что количество сконденсированного пара, непрерывно перемещаемого в оребренных трубах, постепенно уменьшается, и в них существует по меньшей мере одна точка, в которой скорость пара равна нулю. Такая по меньшей мере одна точка называется точкой застоя. Она характеризуется тем, что пар притекает к ней со всех направлений, но не уходит от нее ни по какому направлению. Положение такой точки застоя зависит от многих факторов, в первую очередь, от геометрии теплообменника, от скорости и распределения температуры потока, охлаждающего воздухом и т.п.

Если пар включает в себя очень маленькое количество неконденсируемых газов, в первую очередь воздуха, например 0,01% относительно количества пара, воздух будет перемещаться строго в направлении к описанной выше точке застоя. Чтобы была уверенность в том, что воздух не концентрируется в этой точке, т.е. чтобы избежать формирования так называемого воздушного кармана, необходимо непрерывное удаление воздуха, т.е. точка застоя должна быть перемещена в пространство вне оребренной трубы. Если этого не сделать, придется столкнуться со следующими последствиями:
– воздушный карман постепенно расширяется, понижая таким образом коэффициент теплопередачи со стороны пара;
– блокируя внутреннюю поверхность от конденсируемого пара, он уменьшает эффективную внутреннюю поверхность оребренной трубы;
– в холодную погоду он может привести к переохлаждению поверхности оребренной трубы, что может вызвать ее замораживание;
– и наконец в случае увеличения парциального давления воздуха воздушный карман может понизить температуру конденсации и, таким образом, перепад температуры между двумя сторонами теплообменника, т.е. движущую силу теплообмена.

Наиболее подходящее место для удаления воздуха из оребренных труб точно совпадает с описанной выше точкой застоя. Эта операция проста в том случае, когда место точки застоя в оребренных трубах постоянно. К сожалению, это нетипично, т.к. такое место при изменении рабочих условий может изменяться. Кроме того, на неопределенность положения точки застоя влияет также не только изменение рабочих условий, но и неизбежная асимметрия потока. Уверенность в том, что при любых рабочих условиях и во всех оребренных трубах точка застоя занимает определенное место вне оребренных труб, дает применение конфигурации, в которой в зоне удаления воздуха скорость и направление потока пара имеют определенный характер, а указанная скорость достаточно высока. Общего решения найти нельзя, и для каждой геометрии теплообменника применяют свое, отличное от других приближение.

Из вышеприведенного рассмотрения очевидно, что в процессе удаления воздуха приходится удалять не только воздух, но и пар, т.к. только таким путем можно везде обеспечить соответствующую скорость пара, т.е. застраховаться от образования воздушного кармана в любой точке. Одно из известных решений проблемы заключается во введении большой части из общего количества пара в процесс удаления воздуха. В этом случае недостатком является тот факт, что из смеси пар-газ приходится удалять значительное количество тепла. Вместо этого обычно выбирают другое известное решение проблемы, при котором после так называемого главного конденсатора присоединяют доохладитель (дефлегматор).

Доохладитель конденсирует относительно большую часть пара, обычно от 15 до 25%, обеспечивая таким образом при удалении воздуха соответствующую скорость и определенные направления потока. Уверенность в том, что переохлаждение конденсата не будет чрезмерным, чего следует избегать с точки зрения эффективности и риска замораживания, обычно обеспечивается присоединением доохладителя в контур потока, т.е. конденсат стекает вниз на стенку доохладителя в направлении, противоположном направлению пара, перетекающего вверх с постепенно увеличивающейся концентрацией воздуха. В конце доохладителя, где уже сконденсировалось наибольшее количество пара, сконцентрированная смесь воздух-пар обычно удаляется вакуумным насосом.

В случае, когда имеется несколько рядов оребренных труб, или в случае, когда имеется только один такой ряд, но трубы в нем разделены разделительными стенками на отдельные внутренние каналы, первый ряд оребренная труба/канал получает более холодный охлаждающий воздух по сравнению со следующими рядами в направлении потока охлаждающего воздуха, поэтому этот ряд конденсирует входящий пар вдоль более короткого отрезка пути, чем другие оребренные трубы/каналы. Как следствие, в обсуждаемом ряду точка застоя будет формироваться именно в этом ряду, в направлении которого будет вытекать пар из других оребренных труб/каналов вверх через нижнее основание. Та же ситуация может быть в случае двух и т.д. рядов оребренных труб/каналов, в которых расстояние между точками застоя и верхним основанием в следующих один за другим рядах оребренных труб/каналов постепенно увеличивается. В случае, когда в паре присутствует воздух, он течет в направлении точки (точек) застоя, указанной (указанных) выше, после чего он заполняет секцию (секции) ниже точки (точек) застоя. Как указывалось выше, в холодную погоду эти воздушные карманы могут привести к промерзанию оребренных труб.

Чтобы исключить образование этих воздушных карманов, согласно известному решению проблемы точки застоя сдвигают таким образом, чтобы количество пара, достаточное для смещения точек застоя в первой оребренной трубе/канале к нижнему основанию, удалялось через выводную трубку, присоединенную к нижнему основанию. Это можно представить себе как разрезание теплообменника в точке застоя в первой оребренной трубе/канале, при этом находящееся выше количество пара переносится к доохладителю. Такой конденсатор с воздушным охлаждением описывается в патентном документе DE GM 7812373, согласно которому предлагается отдельный доохладитель, последовательно присоединенный к конденсатору. Такое решение имеет несколько недостатков. Прежде всего, нужно спроектировать отдельный доохладитель. Во-вторых, по двум причинам увеличатся потери на трение в охлаждающей системе. Первой причиной является удлинение пути, проходимого паром. Протекающий с большой скоростью пар подвержен более высоким потерям давления в оребренных трубах, и, как следствие этого, температура пара по длине оребренных труб будет понижена, равно как и перепад температур между паром и охлаждающим воздухом, причем этот перепад пропорционален коэффициенту полезного действия теплообменника. Второй причиной является то обстоятельство, что за счет поверхности теплообменника, служащей резервом для доохладителя, последовательно соединенного с конденсатором, уменьшается поверхность теплообменника конденсатора, понижая тем самым входное поперечное сечение газа.

Последнего недостатка можно избежать с помощью известного решения проблемы, описанного в патентном документе WO 98/33028. Согласно этому наиболее близкому решению создается конденсатор с воздушным охлаждением, имеющий объединенные в одно целое так называемые многоканальные оребренные трубы, которые можно изготовить, например, экструзией. Ребра на внешней стороне указанных труб можно сделать непосредственно из труб обработкой на станке или зафиксировать их на экструдированных трубах сваркой или припаиванием. Доохладитель соединяют в одно целое с многоканальными трубами или отделяют от них таким образом, чтобы в соответствующих каналах в окрестности каждой точки застоя, уже описанной выше, располагался закрывающий элемент. По соседству с закрывающими элементами находятся проходы, сформированные в разделительных стенках каналов, направляющих пар в соседние каналы. Проходы обеспечивают также сток конденсата, образованного выше воздушных карманов, в нижнее основание. Разделительные стенки, отделяющие доохладитель от секции конденсатора, не имеют каких-либо проходов, и этим гарантируется заданное направление потока смеси пар-воздух в направлении удаления воздуха. В разделительных стенках доохладителя и конденсатора имеются дополнительные проходы, позволяющие пару свободно перетекать между соседними каналами. Преимущество такой структуры заключается в том, что объединенный доохладитель не уменьшает для поступающего пара входное поперечное сечение оребренных труб, поэтому уменьшается падение давления со стороны пара. С другой стороны, путь, который должен пройти пар, относительно велик, и это отрицательно влияет на эффективность теплопередачи.

Сущность изобретения
Главной задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конденсатора с воздушным охлаждением, имеющего максимально возможное впускное поперечное сечение для газообразной среды, причем из указанного конденсатора надежно удаляются неконденсируемые газы и даже при ограниченном общем поперечном сечении оребренных труб падение давления со стороны пара относительно невелико, что обеспечивает максимально возможные перепад температур и эффективность конденсатора с воздушным охлаждением.

Другой задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конденсатора с воздушным охлаждением, который достаточно прост и экономически эффективен и из которого обеспечивается надежный сток конденсата.

Таким образом, изобретение представляет собой конденсатор с воздушным охлаждением, содержащий верхнее основание для распределения газообразной среды, подлежащей конденсации, нижнее основание для сбора конденсата, пространственно разделенные оребренные трубы с внешними ребрами, при этом указанные трубы соединены параллельно между верхним и нижним основаниями и охлаждаются потоком охлаждающего воздуха, средства для стока конденсата из нижнего основания и отводящие средства для удаления неконденсируемых газов из конденсатора. Согласно изобретению нижнее основание также использовано для распределения газообразной среды к оребренным трубам, так что она подается в указанные трубы как через верхнее, так и через нижнее основание, а отводящие средства присоединены к каждой из оребренных труб на ее участке, обращенном к потоку охлаждающего воздуха.

Увеличение входного поперечного сечения, применяемого для газообразной среды, и укорочение проходимого ею пути уменьшают падение давления в оребренных трубах, поэтому перепад температур и, следовательно, эффективность теплообменника будут максимально возможными. Высокая эффективность позволяет сконструировать конденсатор с уменьшенной поверхностью теплообмена. Так создается конденсатор с воздушным охлаждением, который прост и экономически эффективен по сравнению с существующими конденсаторами такого типа.

Конденсатор с воздушным охлаждением согласно изобретению обеспечивает также идентичность температуры конденсата, собранного в нижнем основании, и температуры насыщения, связанной с давлением впускаемой газообразной среды, т. е. переохлаждение не имеет места. Это является преимуществом, поскольку в случае конденсата, предварительно нагретого до более высоких температур, из паровой турбины должно отводиться меньшее количество пара, что выражается в улучшении эффективности рабочего контура.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения содержит оребренные трубы, каждая из которых имеет две, по существу, плоские боковые стенки, расположенные, по существу, параллельно потоку охлаждающего воздуха, первую закрывающую поверхность, обращенную к потоку охлаждающего воздуха, и вторую, противоположную закрывающую поверхность, при этом боковые стенки соединяются первой и второй закрывающими поверхностями, а указанные отводящие средства содержат по меньшей мере одну отводную трубку для каждой оребренной трубы, присоединенную к ней у первой закрывающей поверхности. Для закрывающих поверхностей оребренных труб предпочтительна дугообразная форма. При использовании в конденсаторе с воздушным охлаждением согласно изобретению такой тип оребренных труб может иметь преимущества.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения каждая оребренная труба имеет по меньшей мере одну продольную разделительную стенку, присоединенную к боковым стенкам и делящую внутреннее пространство оребренной трубы на продольные параллельные каналы, а в указанной по меньшей мере одной разделительной стенке имеются проходы, позволяющие среде перетекать между соседними каналами. Разделительные стенки повышают способность оребренных труб выдерживать перепад давлений между их внешней и внутренней сторонами и поддерживать ребра. Проходы в по меньшей мере одной указанной стенке формируют, по существу, на равных расстояниях друг от друга.

Предпочтительно, чтобы конденсатор с воздушным охлаждением содержал оребреные трубы, каждая из которых установлена, по существу, симметрично относительно средней плоскости, разделяющей указанные трубы перпендикулярно боковым стенкам, причем одна отводная трубка присоединяется к каждой оребренной трубе, по существу, у средней плоскости. Это обеспечивает создание простых и экономически эффективных оребренных труб.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения каждая оребренная труба имеет отдельный доохладитель, сформированный в первом канале в направлении потока охлаждающего воздуха, при этом доохладитель отделяется от остальных частей оребренной трубы закрывающим элементом, расположенным у конца первого канала, и примыкающим непрерывным участком разделительной стенки первого канала, а к каждому первому каналу в окрестности указанного закрывающего элемента присоединена одна отводная трубка. Закрывающий элемент расположен предпочтительно у верхнего конца первого канала или у нижнего конца первого канала, и в этом случае между отводной трубкой и закрывающим элементом находится сточная трубка для стока конденсата из доохладителя.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения конденсатор с воздушным охлаждением имеет первую часть, снабженную оребренными трубами, каждая из которых установлена, по существу, симметрично относительно средней плоскости, разделяющей указанные трубы перпендикулярно боковым стенкам, и вторую часть, снабженную оребренными трубами, каждая из которых имеет отдельный доохладитель, сформированный в первом канале в направлении потока воздуха, при этом доохладитель отделяется от остальных частей оребренной трубы закрывающим элементом, расположенным у конца первого канала, и примыкающим непрерывным участком разделительной стенки первого канала, а в первой части к каждой из оребренных труб, по существу, в средней плоскости присоединена одна отводная трубка, во второй части к каждому из первых каналов в окрестности указанного закрывающего элемента присоединена одна отводная трубка, и отводные трубки в первой части присоединены через общую переносящую трубку к каждому первому каналу оребренных труб во второй части, по существу, у средних участков первых каналов. Посредством такой комбинации оребренных труб можно получить очень высокую эффективность отвода воздуха.

В следующем предпочтительном варианте осуществления изобретения каждая оребренная труба имеет множество разделительных стенок, причем каждая такая труба разделена закрывающими элементами, сформированными в каналах, и дополнительно проходами, сформированными в разделительных стенках, примыкающих к закрывающим элементам, на главный конденсатор и по меньшей мере один доохладитель, проводящий среду из главного конденсатора к по меньшей мере одной отводной трубке.

Предпочтительно, чтобы в каждой оребренной трубе был один доохладитель и одна отводная трубка, причем каждый из закрывающих элементов располагается на расстоянии от верхнего основания таким образом, что указанное расстояние последовательно увеличивается, начиная от первого канала в направлении потока охлаждающего воздуха в сторону внутреннего объема оребренной трубы, проходы, смежные с закрывающими элементами, выполнены с возможностью направления среды в соседний канал, а отводная трубка присоединена к секции первого канала между его закрывающим элементом и нижним основанием в окрестности указанного закрывающего элемента. Предпочтительно, чтобы, начиная от первого канала, указанными закрывающими элементами обеспечивалась приблизительно половина каналов.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения в каждой оребренной трубе находится пара симметрично расположенных доохладителей и две соответствующие отводные трубки, пары закрывающих элементов расположены симметрично относительно средней плоскости оребренной трубы и на расстоянии от нее таким образом, что указанное расстояние последовательно уменьшается, начиная от первого канала в направлении потока охлаждающего воздуха в сторону внутреннего объема оребренной трубы, проходы, примыкающие к закрывающим элементам, выполнены с возможностью направления среды в соседний канал, отводные трубки присоединены к секциям первого канала между соответствующим закрывающим элементом и средней плоскостью в окрестности соответствующего закрывающего элемента, а между нижней отводной трубкой и соответствующим закрывающим элементом находится сточная трубка для стока конденсата из нижнего доохладителя.

В следующем предпочтительном варианте осуществления изобретения каждая оребренная труба разделена на главный конденсатор и по меньшей мере один доохладитель с помощью по меньшей мере одной разделительной стенки, присоединенной к боковым стенкам, при этом по меньшей мере одна разделительная стенка проходит от первой закрывающей поверхности в сторону центра оребренной трубы под острым углом к первой закрывающей поверхности, а присоединение по меньшей мере одной отводной трубки к по меньшей мере одному доохладителю происходит в окрестности соединения между по меньшей мере одной разделительной стенкой и первой закрывающей поверхностью. Предпочтительно, чтобы в каждой оребренной трубе был один доохладитель, сформированный одной разделительной стенкой, проходящей к нижнему основанию, или пара симметрично расположенных доохладителей с парой разделительных стенок, расположенных симметрично относительно средней плоскости, разделяющей оребренные трубы перпендикулярно боковым стенкам, причем в этом случае между нижней отводной трубкой и соответствующим соединением находится сточная трубка для стока конденсата из нижнего доохладителя.

В следующем предпочтительном варианте осуществления изобретения каждая оребренная труба имеет множество разделительных стенок, причем в направлении потока охлаждающего воздуха первая разделительная стенка сформирована без проходов, а остальные разделительные стенки – с проходами, за счет чего каждая оребренная труба разделена на первый канал и на остальную часть, и имеются первая отводная трубка, присоединенная к первому каналу, по существу, у среднего участка первой закрывающей поверхности, и вторая отводная трубка, присоединенная к остальной части, по существу, у среднего участка первой разделительной стенки.

Конденсатор согласно изобретению предпочтительно имеет первый и второй клапаны для регулирования потока газообразной среды соответственно в нижнее и верхнее основания. Кроме того, конденсатор предпочтительно содержит также средства для подачи потока охлаждающего воздуха к оребренным трубам и жалюзи для регулирования потока охлаждающего воздуха, расположенные между переносящими средствами и оребренными трубами.

Далее изобретение будет описано на основании предпочтительных вариантов осуществления, изображенных на чертежах, на которых:
фиг. 1 представляет собой поперечное сечение фрагмента предпочтительного варианта осуществления изобретения, который снабжен оребренными трубами, имеющими внутренние разделительные стенки, внутренние каналы и проходы на разделительных стенках;
фиг. 2 представляет собой поперечное сечение представленной на фиг.1 оребренной трубы по плоскости А-А;
фиг. 3 представляет собой поперечное сечение другого предпочтительного варианта конденсатора согласно изобретению;
фиг.4 представляет собой поперечное сечение следующего предпочтительного варианта конденсатора согласно изобретению;
фиг. 5 представляет собой поперечное сечение другого предпочтительного варианта конденсатора согласно изобретению, который имеет оребренные трубы с двумя доохладителями;
фиг.6 представляет собой увеличенное перспективное изображение одного из закрывающих элементов варианта осуществления изобретения, представленного на фиг.5;
фиг. 7 представляет собой поперечное сечение другого предпочтительного варианта осуществления изобретения, который имеет оребренные трубы без внутренних продольных каналов;
фиг.8 представляет собой поперечное сечение следующего предпочтительного варианта осуществления изобретения, который имеет оребренные трубы с двумя доохладителями;
фиг.9 представляет собой вид сбоку конденсатора с воздушным охлаждением, снабженного оребренными трубами, согласно фиг.3;
фиг.10 представляет собой увеличенное изображение конденсатора с воздушным охлаждением, представленного на фиг.9, частично в виде поперечного сечения по плоскости А-А;
фиг. 11 представляет собой другой вариант осуществления отвода воздуха в конденсаторе с воздушным охлаждением, представленном на фиг.9;
фиг. 12 представляет собой вид сбоку конденсатора с воздушным охлаждением, который имеет отличающиеся друг от друга оребренные трубы;
фиг. 13 представляет собой поперечное сечение следующего предпочтительного варианта осуществления изобретения, который имеет две трубки для отвода воздуха;
фиг. 14 представляет собой поперечное сечение другого предпочтительного варианта осуществления изобретения;
фиг. 15 представляет собой поперечное сечение следующего предпочтительного варианта осуществления изобретения.

На фиг.1 показан конденсатор с воздушным охлаждением, содержащий верхнее основание 11, нижнее основание 13 и пространственно разделенные оребренные трубы 1, соединенные параллельно между верхним основанием 11 и нижним основанием 13 и охлаждаемые потоком 3 охлаждающего воздуха. Конденсат стекает из нижнего основания 13 через средства для стока конденсата из нижнего основания (такие, как сточная трубка 6, связанная с насосом 10).

На фиг.1 показана в продольном разрезе одна из оребренных труб 1. Соответствующее поперечное сечение по плоскости А-А представлено на фиг.2. Видно, что оребренная труба имеет две, по существу, параллельные плоские боковые стенки, расположенные параллельно потоку 3 охлаждающего воздуха, и соединяющие их закрывающие поверхности, выгнутые в противоположные стороны. Оребренная труба 1 имеет также продольные разделительные стенки 14, присоединенные к боковым стенкам и разделяющие внутреннее пространство оребренных труб 1 на продольные параллельные каналы 25. В разделительных стенках 14 имеются проходы 16, позволяющие среде перетекать между соседними каналами 25. В представленном варианте осуществления изобретения проходы 16 формируются в разделительных стенках 14 на, по существу, одинаковых расстояниях друг от друга. Оребренная труба 1 на фиг.1 и 2 сконструирована, по существу, симметрично относительно средней плоскости, разделяющей указанную трубу 1 перпендикулярно боковым стенкам. На боковых стенках оребренной трубы 1 расположены внешние ребра 4.

Наиболее важное отличие от описанных ранее известных решений проблемы заключается в том, что нижнее основание 13 также использовано для распределения пара по оребренным трубам 1, так что пар подается в указанные трубы как через верхнее, так и через нижнее основания 11, 13. Поток пара обозначен стрелками 2. К оребренной трубе 1 присоединены отводящие средства для удаления неконденсируемых газов, главным образом воздуха, из конденсатора (выполненные, например, в виде отводной трубки 8). Как следствие геометрической симметрии и симметрии потока, такое решение проблемы обеспечивает развитие так называемой площади застоя у средней плоскости оребренной трубы 1, в частности, около закрывающей поверхности, обращенной к потоку 3 охлаждающего воздуха, т. е. в первом канале (в первых каналах) 25. Поэтому отводную трубку 8 помещают у средней плоскости на закрывающей поверхности, обращенной к потоку 3 охлаждающего воздуха.

Чтобы исключить несбалансированный поток и обеспечить свободное удаление воздуха, второй, третий и т.д. каналы 25 соединены проходами 16. Первый канал получает наиболее холодный охлаждающий воздух, поэтому в первом канале 25 конденсируется наибольшее количество пара, и, как следствие этого, в этом канале имеет место наибольшее падение давления. Так как поток 3 охлаждающего воздуха нагревается, охлаждение последующих каналов 25 в направлении внутреннего объема трубы постепенно уменьшается, уменьшая падение давления в этих каналах. Перепад давлений между каналами 25 переводит через проходы 16 в первый канал 25 часть пара, который в свою очередь переносит воздух. Таким образом, в окрестности отводной трубки 8 концентрируется смесь 7 пар-воздух с высокой концентрацией воздуха, и практически здесь образуется общий доохладитель 12.

Преимущества вышеописанного конденсатора с воздушным охлаждением, снабженного оребренными трубами, питаемыми от обоих оснований, сводятся к следующему:
– впускное поперечное сечение для пара удваивается, и в то же самое время проходимый паром путь уменьшается наполовину. Так как падение давления в оребренных трубах квадратично пропорционально скорости пара и обратно пропорционально длине проходимого пути, падение давления в оребренных трубах уменьшается в восемь раз. Поэтому перепад температур и, следовательно, коэффициент полезного действия конденсатора достигнут макситмально возможной величины;
– температура конденсата, собранного в нижнем основании 13, идентична температуре насыщения, связанной с давлением поступающего пара, т.е. переохлаждения не происходит. Это является преимуществом, т.к. в случае конденсата, предварительно нагретого до более высокой температуры, от паровой турбины должно быть отведено меньшее количество пара, что приводит к улучшению коэффициента полезного действия;
– из-за низкой скорости поступления пара феномен конденсата, удерживаемого на внутренней поверхности оребренных труб, не имеет места, т.е. уменьшается риск замораживания;
– в результате симметрии потока предотвращается рециркуляция, вызванная асимметрией, поэтому смещение точки застоя также предотвращается.

Другой возможный вариант осуществления изобретения показан на фиг.3, где работающий на противотоке объединенный доохладитель 12 отделен от главного конденсатора 19 оребренной трубы 1 в верхней секции первого канала 25 в направлении потока 3 воздуха. Доохладитель 12 отделен закрывающим элементом 15, расположенным у верхнего конца первого канала, и примыкающим непрерывным участком разделительной стенки 14А первого канала 25. Отводная трубка 8 присоединена к первому каналу 25 в окрестности закрывающего элемента 15.

Преимущество этого варианта осуществления изобретения заключается в том, что он удаляет из главного конденсатора 19 весьма значительную часть пара, обеспечивая таким образом поток определенного направления и скорости в направлении отвода воздуха, показанном стрелками. Конденсат 5 стекает вниз в противотоке в доохладителе 12 в направлении, противоположном течению смеси 7 пар-воздух.

В условиях холодного климата, когда это оправдано опасностью замораживания, доохладитель 12 и отводную трубку 8 можно смонтировать в оребренных трубах 1 на нижнем основании 13. Этот вариант показан на фиг.14 и 15. Хотя в этом случае теряется преимущество доохладителя, работающего на противотоке, а именно предварительный нагрев конденсата с его помощью, опасности замораживания, вызванного возможной задержкой конденсата, можно избежать. На дне доохладителя 12 полученный таким образом конденсат будет переохлажден, но это не представляет опасности замораживания, т.к. разделительная стенка 14А нагревает конденсат из второго канала оребренной трубы 1, предотвращая его замораживание. В этом случае имеет смысл создать проход (проходы) 16 в разделительной стенке 14А у середины оребренной трубы 1. В этих вариантах осуществления изобретения между отводной трубкой 8 и закрывающим элементом 15 расположена дополнительно сточная трубка 6А для стока конденсата 5 из доохладителя 12.

Схожий вариант осуществления изобретения показан на фиг.4, где доохладитель 12 имеет ступенчатое устройство. В оребренной трубе 1 находится множество разделительных стенок 14, 14А, кроме того, она разделена закрывающими элементами 15, сформированными в каналах 25, и дополнительно проходами 17, 18, сформированными в разделительных стенках 14, примыкающих к закрывающим элементам 15 в главном конденсаторе 19 и доохладителе 12, и проводящими среду из главного конденсатора 19 к отводной трубке 8. В разделительных стенках 14А проходов нет. Закрывающие элементы 15 располагаются на расстоянии от верхнего основания 11, причем указанное расстояние последовательно увеличивается, начиная от первого канала 25 в направлении потока 3 охлаждающего воздуха в сторону внутреннего объема оребренной трубы 1. Отводная трубка 8 присоединена к секции первого канала 25 между его закрывающим элементом 15 и нижним основанием 13 в окрестности указанного элемента.

Число ступеней доохладителя 12 можно выбирать, поэтому возможен вариант с только одной ступенью, и в этом случае в первый канал 25 устанавливается только один закрывающий элемент 15. Возможно также сконструировать доохладитель 12 таким образом, что его роль играет второй канал 25, а отводная трубка 8 присоединена к этому каналу.

Вариант осуществления изобретения на фиг.5 включает в себя пару ступенчатых доохладителей 12, 12А и две соответствующие отводные трубки 8, 8А, расположенные симметрично относительно средней плоскости оребренной трубы 1. В этой трубе две пары закрывающих элементов 15 расположены симметрично относительно средней плоскости и на расстоянии от нее, причем указанное расстояние последовательно уменьшается, начиная от первого канала 25 в направлении потока 3 охлаждающего воздуха в сторону внутреннего объема оребренной трубы 1. Отводные трубки 8, 8А присоединены к секциям первого канала 25 между соответствующим закрывающим элементом 15 и средней плоскостью в окрестности соответствующего закрывающего элемента 15, а между нижней отводной трубкой 8А и соответствующим закрывающим элементом 15 находится дополнительно сточная трубка 6А для стока конденсата 5 из нижнего доохладителя 12А.

На фиг.6 представлен один из закрывающих элементов 15, использованных в варианте осуществления изобретения на фиг.5. Он состоит из двух боковых пластин 15, 15В и наклонной средней пластины 15С, соединяющей боковые пластины 15А, 15В.

На фиг. 7 показан пример конденсатора с воздушным охлаждением, имеющего так называемые моноканальные оребренные трубы 1. В этом варианте осуществления изобретения вход доохладителя 12 локализован вокруг середины оребренной трубы 1 таким образом, чтобы обеспечить достаточное пространство для конденсации пара, поступающего из нижнего основания 13. Оребренная труба разделена на главный конденсатор 19 и доохладитель 12 одной разделительной стенкой 14А, присоединенной к боковым стенкам. Указанная стенка проходит от закрывающей поверхности, обращенной к потоку 3 охлаждающего воздуха, в сторону нижнего основания 13 под острым углом к закрывающей поверхности.

На фиг. 8 снова показан конденсатор с воздушным охлаждением, имеющий моноканальные оребренные трубы 1, с симметричным доохладительным устройством, подобным устройству на фиг.5. Преимущество такого решения проблемы заключается в том, что оба главных конденсатора 19 и оба доохладителя 12, 12А обеспечивают узкое поперечное сечение в направлении потока пара и в результате определенную скорость потока для смеси 7 пар-воздух.

На фиг.9 и 10 показаны соответственно вид сбоку и поперечное сечение для конденсатора с воздушным охлаждением, при этом указанный конденсатор имеет оребренные трубы 1 согласно фиг.3, из которых показаны только некоторые в правой части. На фиг.10 поперечное сечение имеет разрывы и изображенные части увеличены. Конденсатор с воздушным охлаждением содержит две связки 27, состоящие из большого числа оребренных труб 1, соединенных параллельно. Эти связки расположены под углом друг к другу и каждая из них соединяет общее верхнее основание 11 с соответствующим нижним основанием 13. На фиг.11 показан вариант осуществления изобретения, в котором трубопровод 9 для отвода воздуха, присоединенный к доохладителю 12, локализован в верхнем основании 11.

Так как в оребренных трубах 1 имеется шесть каналов 25, а в верхней половине первого канала расположен доохладитель 12, в верхней половине оребренных труб сосредоточена 1/6 часть доохладителя и 5/6 часть главного конденсатора. В нижней половине 100% оребренных труб 1 представляют собой главный конденсатор 19. На фиг.9 толстые стрелки указывают направление потока пара, а поток 7 смеси пар-воздух в доохладителе 12 и трубопроводе 9 для отвода воздуха показан тонкими стрелками. Конденсат собирается на дне нижнего основания 13 и стекает через сточную трубку 6 с помощью насоса 10 к непоказанному оборудованию, вырабатывающему пар.

Весьма благоприятные возможности для устранения опасности замораживания зимой обеспечиваются клапанами 22 и 23, показанными на фиг.9, для которых предпочтителен тип бабочки. В холодную погоду запуск конденсатора с воздушным охлаждением можно надежно произвести, если вводить пар только из нижних оснований 13, которые постепенно нагревают холодную теплообменную поверхность потоком, противоточным относительно конденсата, стекающего вниз, в то время как конденсат всегда подвергается нагреву со стороны поверхности оребренных труб. С этого конца при зимнем запуске клапан 22 держат открытым, а клапан 23 – закрытым. В этом рабочем состоянии неконденсируемый воздух удаляется через трубку 8В для отвода воздуха.

За счет удерживания клапанов-бабочек 22 и 23 соответственно закрытыми и открытыми эта система обеспечивает также предотвращение задерживания конденсата в экстремально холодную погоду, когда несмотря на большие впускные поперечные сечения скорость пара, поступающего из нижнего основания 13, могла бы быть выше требуемой. При установке этих двух клапанов 22, 23 за счет ограниченного перекрывания одного из них можно предотвратить также смещение точки застоя, описанной выше, или обеспечить уменьшение этого эффекта.

Комбинация показанных на фиг.1 и 3 вариантов осуществления изобретения представлена на фиг.12, представляющей собой вид сбоку на конденсатор с воздушным охлаждением согласно изобретению. Преимущество этого устройства заключается в том, что связка 28 оребренных труб, локализованная в средней зоне, включающей в себя оребренные трубы с доохладителями согласно фиг.3, уменьшает до минимума содержание пара в смеси 7 пар-воздух, отводящейся из других связок 27 оребренных труб согласно фиг.1. Смесь пар-воздух, отводящаяся из связок 27, переносится через общую переносящую трубку 26 к каждому первому каналу 25 оребренных труб 1 в связке 28, по существу, у средних участков первых каналов 25. Связка 28 оребренных труб в средней зоне может быть отделена разделительными стенками 20 от других связок 27. Таким образом, оба типа связок 27, 28 могут иметь раздельные устройства, регулирующие поток охлаждающего воздуха, например средства для подачи потока охлаждающего воздуха к оребренным трубам 1 (вентилятор 21) и/или жалюзи 24, что является преимуществом в зимних рабочих условиях.

На фиг. 13 показано поперечное сечение конденсатора с воздушным охлаждением, имеющего оребренные трубы 1 с множеством разделительных стенок 14, 14В. Этот вариант осуществления изобретения подобен варианту фиг.1, но в направлении потока 3 охлаждающего воздуха первая разделительная стенка 14В сформирована без проходов, а остальные разделительные стенки 14 – с проходами 16, и посредством этого каждая оребренная труба 1 разделяется на первый канал 25 и остальную часть. Первая отводная трубка 8 присоединена к первому каналу 25, по существу, у ее среднего участка, а вторая отводная трубка 8А – к остальной части, по существу, у среднего участка первой разделительной стенки 14В. При работе зимой, регулируя перекрывание в отводной трубке 8А, можно создать воздушный карман во втором и следующих каналах 25, и таким образом можно уменьшить и произвольно регулировать эффективную поверхность теплообмена и, соответственно, эффективность. Через отводную трубку 8 из первого канала 25 можно удалить весь воздух. В результате несмотря на воздушный карман, накопленный во втором и следующих каналах 25, опасность замораживания будет отсутствовать, т.к. ко второму каналу 25 переносится нагретый поток 3 охлаждающего воздуха. Форма образованного воздушного кармана показана маленькими точками. Этот вариант осуществления изобретения, когда он востребован крайне холодными климатическими условиями, может быть выполнен совместным присоединением первых двух разделенных каналов 25 к отводной трубке 8, а других, обладающих разделительными стенками с проходами, – к отводной трубке 8А. Такое решение проблемы имеет особое преимущество в случае башен с охлаждением за счет естественной тяги, т. к. оно позволяет очень просто осуществлять регулирование без необходимости использования дорогих жалюзей.

Описание физических процессов и предыдущих разработок в этой области применимо к конденсаторам мощных паровых установок и к конденсирующему пару, но конечно изобретение не ограничивается этим типом конденсаторов: они могут быть также использованы для применения в других местах и для другой газообразной среды в тех случаях, когда требуются конденсаторы с воздушным охлаждением.

Для специалистов в этой области должно быть очевидно, что вышеприведенное описание охватывает только отдельные примеры, и в границах настоящего изобретения, определенных нижеследующей формулой изобретения, возможны другие различные альтернативы, адаптации и модификации.

Формула изобретения

1. Конденсатор с воздушным охлаждением, содержащий верхнее основание для распределения газообразной среды, подлежащей конденсации, нижнее основание для сбора конденсата, пространственно разделенные оребренные трубы с внешними ребрами, причем указанные оребренные трубы соединены параллельно между верхним основанием и нижним основанием и охлаждаются потоком охлаждающего воздуха, средства для стока конденсата из нижнего основания и отводящие средства для удаления неконденсируемых газов из конденсатора, отличающийся тем, что нижнее основание (13) также использовано для распределения газообразной среды к оребренным трубам (1), так что газообразная среда подается в оребренные трубы (1) как через верхнее, так и через нижнее основания (11, 13), а отводящие средства присоединены к каждой из оребренных труб (1)на ее участке, обращенном к потоку (3) охлаждающего воздуха.

2. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит оребренные трубы (1), каждая из которых имеет две, по существу, плоские боковые стенки, расположенные, в сущности, параллельно потоку (3) охлаждающего воздуха, первую закрывающую поверхность, обращенную к потоку (3) охлаждающего воздуха, и вторую противоположную закрывающую поверхность, при этом боковые стенки соединяются первой и второй закрывающими поверхностями, а указанные отводящие средства содержат по меньшей мере одну отводную трубку (8, 8А) для каждой оребренной трубы (1) у первой закрывающей поверхности.

3. Конденсатор по п.2, отличающийся тем, что закрывающие поверхности оребренных труб (1) дугообразны.

4. Конденсатор по п.2, отличающийся тем, что он содержит оребренные трубы (1), каждая из которых имеет по меньшей мере одну продольную разделительную стенку (14, 14А), присоединенную к боковым стенкам и разделяющую внутреннее пространство оребренной трубы (1) на продольные параллельные каналы (25), а в указанной по меньшей мере одной разделительной стенке (14, 14А) имеются проходы (16) для обеспечения перетекания среды между соседними каналами (25).

5. Конденсатор по п.4, отличающийся тем, что в указанной по меньшей мере одной разделительной стенке (14) проходы (16) сформированы, по существу, на равных расстояниях друг от друга.

6. Конденсатор по п.4, отличающийся тем, что он содержит оребренные трубы (1), каждая из которых установлена, по существу, симметрично относительно средней плоскости, разделяющей оребренные трубы (1) перпендикулярно боковым стенкам, и к каждой из оребренных труб (1), по существу, у средней плоскости присоединена одна отводная трубка (8).

7. Конденсатор по п.4, отличающийся тем, что он содержит оребренные трубы (1), каждая из которых имеет отдельный доохладитель (12), сформированный в первом канале (25) в направлении потока (3) охлаждающего воздуха, при этом доохладитель (12) от остальных частей оребренной трубы (1) отделяется закрывающим элементом (15), расположенным у конца первого канала (25), и примыкающим непрерывным участком разделительной стенки (14А) первого канала (25), а к каждому первому каналу (25) в окрестности указанного закрывающего элемента (15) присоединена одна отводная трубка (8).

8. Конденсатор по п.7, отличающийся тем, что закрывающий элемент (15) расположен у верхнего конца первого канала (25).

9. Конденсатор по п.7, отличающийся тем, что закрывающий элемент (15) расположен у нижнего конца первого канала (25), а между отводной трубкой (8) и закрывающим элементом (15) находится сточная трубка (6А) для стока конденсата (5) из доохладителя (12).

10. Конденсатор по п.4, отличающийся тем, что он содержит первую часть, снабженную оребренными трубами (1), каждая из которых установлена, по существу, симметрично относительно средней плоскости, разделяющей оребренные трубы (1) перпендикулярно боковым стенкам, и вторую часть, снабженную оребренными трубами (1), каждая из которых имеет отдельный доохладитель (12), сформированный в первом канале (25) в направлении потока (3) воздуха, при этом доохладитель (12) отделен от остальных частей оребренной трубы (1) закрывающим элементом (15), расположенным у конца первого канала (25), и примыкающим непрерывным участком разделительной стенки (14А) первого канала (25), а в первой части к каждой из оребренных труб (1), по существу, в средней плоскости присоединена одна отводная трубка (8), во второй части к каждому из первых каналов (25) в окрестности указанного закрывающего элемента (15) присоединена одна отводная трубка (8), и отводные трубки (8) в первой части присоединены через общую переносящую трубку (26) к каждому из первых каналов (25) оребренных труб (1) во второй части, по существу, у средних участков первых каналов (25).

11. Конденсатор по п. 4, отличающийся тем, что он содержит оребренные трубы (1), каждая из которых имеет множество разделительных стенок (14, 14А), и каждая из оребренных труб разделена закрывающими элементами (15), сформированными в каналах (25), и дополнительно, проходами (17, 18), сформированными в разделительных стенках (14), примыкающих к закрывающим элементам (15), на главный конденсатор (19), и по меньшей мере один доохладитель (12, 12А), проводящий среду из главного конденсатора (19) к по меньшей мере одной отводной трубке (8, 8А).

12. Конденсатор по п.11, отличающийся тем, что в каждой из оребренных труб (1) находится один доохладитель (12) и одна отводная трубка (8), каждый из закрывающих элементов (15) помещен на расстоянии от верхнего основания (11) таким образом, что указанное расстояние последовательно увеличивается, начиная от первого канала (25) в направлении потока (3) охлаждающего воздуха в сторону внутреннего объема оребренной трубы (1), проходы (17, 18), смежные с закрывающими элементами (15), выполнены с возможностью направления среды в соседний канал (25), а отводная трубка (8) присоединена к секции первого канала (25) между его закрывающим элементом (15) и нижним основанием (13) в окрестности указанного закрывающего элемента (15).

13. Конденсатор по п.12, отличающийся тем, что, начиная от первого канала (25), приблизительно половина каналов 25 снабжена указанными закрывающими элементами (15).

14. Конденсатор по п.11, отличающийся тем, что в каждой из оребренных труб (1) находится пара симметрично расположенных доохладителей (12, 12А) и две соответствующих отводных трубки (8, 8А), пары запирающих элементов (15) расположены симметрично относительно средней плоскости оребренной трубы (1) и на расстоянии от нее таким образом, что указанное расстояние последовательно уменьшается, начиная от первого канала (25) в направлении потока (3) охлаждающего воздуха в сторону внутреннего объема оребренной трубы (1), проходы (17, 18), примыкающие к закрывающим элементам (15), выполнены с возможностью направления среды в соседний канал (25), к секциям первого канала (25) между соответствующим закрывающим элементом (15) и средней плоскостью в окрестности соответствующего закрывающего элемента (15) присоединены отводные трубки (8, 8А), а между нижней отводной трубкой (8А) и соответствующим закрывающим элементом (15) находится сточная трубка (6А) для стока конденсата (5) из нижнего доохладителя (12А).

15. Конденсатор по п. 2, отличающийся тем, что он содержит оребренные трубы (1), каждая из которых разделена на главный конденсатор (19) и по меньшей мере один доохладитель (12, 12А) по меньшей мере одной разделительной стенкой (14А), присоединенной к боковым стенкам, при этом по меньшей мере одна разделительная стенка (14А) проходит от первой закрывающей поверхности в сторону центра оребренной трубы (1) под острым углом к первой закрывающей поверхности, а к по меньшей мере одному доохладителю (12, 12А) в окрестности соединения между по меньшей мере одной разделительной стенкой (14А) и первой закрывающей поверхностью присоединена по меньшей мере одна отводная трубка (8, 8А).

16. Конденсатор по п.15, отличающийся тем, что в каждой из оребренных труб (1) находится один доохладитель (12), сформированный одной разделительной стенкой (14А), проходящей к нижнему основанию (13).

17. Конденсатор по п.15, отличающийся тем, что в каждой из оребренных труб (1) находится пара симметрично расположенных доохладителей (12, 12А) с парой разделительных стенок (14А), расположенных симметрично относительно средней плоскости, разделяющей оребренные трубы (1) перпендикулярно боковым стенкам, а между нижней отводной трубкой (8А) и соответствующим соединением находится сточная трубка (6А) для стока конденсата (5) из нижнего доохладителя (12А).

18. Конденсатор по п. 4, отличающийся тем, что он содержит оребренные трубы (1), каждая из которых имеет множество разделительных стенок (14, 14В), в направлении потока (3) охлаждающего воздуха первая разделительная стенка (14В) сформирована без проходов, а остальные разделительные стенки (14) сформированы с проходами (16), за счет чего каждая оребренная труба (1) разделена на первый канал (25) и на остальную часть, и имеются первая отводная трубка (8), присоединенная к первому каналу (25), по существу, у среднего участка первой закрывающей поверхности, и вторая отводная трубка (8А), присоединенная к остальной части, по существу, у среднего участка первой разделительной стенки (14В).

19. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что он имеет первый клапан (22) для регулирования потока газообразной среды в нижнее основание (13) и второй клапан (23) для регулирования потока газообразной среды в верхнее основание (11).

20. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит средства для подачи потока (3) охлаждающего воздуха к оребренным трубам (1) и жалюзи (24), расположенные между переносящими средствами и оребренными трубами (1), для регулирования потока (3) охлаждающего воздуха.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 15.10.2008

Извещение опубликовано: 20.11.2010 БИ: 32/2010