Условия теплопередачи в конденсаторе

Конденсация отработавшего в турбине пара, содержащего примесь неконденсирующихся газов, сопровождается как конвективной теплоотдачей, так и массоотдачей - переносом пара к поверхности трубок и выделением при этом теплоты фазового перехода. Отданная паром при его конденсации теплота передается через стенку трубок охлаждающей воде.

Условия тепло- и массообмена в конденсаторах определяются тем, что пар конденсируется из паровоздушной смеси при вакууме, причем степень конденсации пара превосходит 99,9 %. Вследствие того, что по мере конденсации пара скорость паровоздушной смеси уменьшается, а концентрация в ней воздуха растет, локальные значения поверхностной плотности теплового потока, а соответственно, и плотности поперечного потока массы (конденсирующегося пара) сильно изменяются по пути движения пара (паровоздушной смеси) в трубном пучке конденсатора. Неоднородность распределения плотностей теплового потока в трубном пучке увеличивается еще из-за неравномерности распределения поступающего пара по периметру трубного пучка или отдельных его модулей и влияния конденсата, стекающего в пучке с верхних рядов трубок на нижние.

Основное влияние на внешние показатели работы конденсатора (средний коэффициент теплопередачи, температурный напор, давление пара, паровое сопротивление и др.), а соответственно, и на характеристики работы конденсатора при переменных режимах оказывает то обстоятельство, что по пути движения пара в трубном пучке образуются две основные зоны, различающиеся между собой условиями теплообмена с паровой стороны:

- зона интенсивной конденсации пара, в которой его температура сохраняется практически неизменной, а локальные значения коэффициента теплопередачи и плотности теплового потока, наибольшие на стороне входа пара в трубный пучок, снижаются по пути движения пара из-за уменьшения коэффициента теплоотдачи с паровой стороны по мере уменьшения скорости пара и повышения концентрации воздуха;

- зона охлаждения паровоздушной смеси, характеризующаяся относительно низкими и слабо изменяющимися локальными значениями коэффициента теплопередачи и плотности теплового потока.

Положение границы между двумя зонами трубного пучка зависит от режима работы конденсатора - паровой нагрузки, температуры и расхода охлаждающей воды, расхода воздуха, содержащегося в поступающем паре, а также от его состояния, в особенности степени чистоты, количества включенных воздушных насосов, их характеристики и состояния. Изменение любого из перечисленных факторов вызывает изменение и перераспределение локальных параметров парового потока в трубном пучке. Доля поверхности охлаждения, приходящаяся на зону охлаждения паровоздушной смеси, может при некотором сочетания этих факторов (например, при большой паровой нагрузке и высокой температуре охлаждающей воды) не выходить за пределы выделяемой в трубном пучке конденсатора воздухоохладительной секции и даже приближаться к нулю, а при другом их сочетании (например, при пониженной паровой нагрузке, низкой температуре охлаждающей воды, повышенном присосе воздуха) - возрастать за счет соответствующего уменьшения доли поверхности, приходящейся на зону интенсивной конденсации пара.

Уменьшение зоны интенсивной конденсации пара и соответствующее увеличение зоны охлаждения смеси влечет за собой, как правило, уменьшение среднего коэффициента теплопередачи, отнесенного к полной поверхности конденсатора. Лишь при уменьшении расхода (скорости) охлаждающей воды размеры зоны интенсивной конденсации увеличиваются, а значение среднего коэффициента теплопередачи уменьшается вследствие снижения коэффициента теплоотдачи с водяной стороны.

При уменьшении зоны интенсивной конденсации пара уменьшается обычно и падение давления пара в трубном пучке (паровое сопротивление конденсатора). Так, в случае понижения температуры охлаждающей воды давление пара в конденсаторе становится меньшим, а его удельный объем и скорости растут, но из-за уменьшения размеров зоны интенсивной конденсации пара падение давления в трубном пучке обычно не увеличивается, а даже становится меньшим. Увеличение при этом размеров зоны охлаждения паровоздушной смеси способствует повышению содержания кислорода в конденсаторе

Между работой конденсатора и воздушного насоса существует тесная взаимная связь, проявляющаяся при всех режимах работы конденсационной установки. Любое изменение режима работы конденсатора вызывает изменение температуры отсасываемой из него паровоздушной смеси t_см и, как следствие этого, изменение давления на стороне всасывания воздушного насоса и давления в конденсаторе.

Указанные выше особенности условий теплопередачи в конденсаторе определяют рациональную компоновку трубного пучка, при которой обеспечивается эффективное использование его поверхности охлаждения. Трубный пучок должен иметь достаточно большое живое сечение на стороне входа в него отработавшего пара и по пути движения потока пара в зоне интенсивной его конденсации, чтобы уменьшить падение давленая пара в этой зоне при больших локальных значениях коэффициента теплопередачи, определяющихся здесь преимущественно интенсивностью теплоотдачи с водяной стороны. В отличие от этого скорости потока в зоне охлаждения паровоздушной смеси должны быть несколько повышены по сравнению с их значениями на выходе из зоны интенсивной конденсации для повышения локальных значений коэффициента теплоотдачи от смеси к трубкам и уменьшения содержания пара в смеси, удаляемой из конденсатора, а соответственно, и давления этой смеси р_н перед воздушным насосом.

Из того, что давление отработавшего пара в конденсаторе можно определить как

р₂ = р_н + Dр_к,

где Dр_к - падение давления пара в конденсаторе и на тракте «конденсатор - воздушный насос», видно, что чем меньше при данной поверхности охлаждения конденсатора значения р_н и Dр_к, тем глубже обеспечиваемый вакуум.

Пленка конденсата, отекающего в конденсаторе по трубкам, имеет со стороны стенки трубки температуру, сравнительно не на много превосходящую температуру охлаждающей воды, а со стороны ее свободной поверхности равную или приближающуюся к температуре насыщения омывающего ее пара. Поэтому средняя температура конденсата, стекающего с трубок, в том числе и с нижних рядов трубок пучка на днище конденсатора, ниже температуры пара. Для устранения переохлаждения конденсата, поступающего в конденсатные насосы, по отношению к температуре отработавшего пара t₂ в трубном пучке предусматривается один или несколько сквозных проходов, через которые часть отработавшего пара поступает непосредственно под трубный пучок, где этот пар, конденсируясь на поверхности стекающих из пучка струй и капель переохлажденного конденсата, догревает его до температуры t₂ («регенерирует» конденсат). Образование проходов в трубном пучке способствует также увеличению свободного периметра трубного пучка, доступного для поступающего пара, а благодаря этому и уменьшению скорости пара на входе в трубный пучок.

Требования, предъявляемые к выполнению трубного пучка конденсатора, могут быть наиболее полно удовлетворены при двухзонных ленточной и модульно-ленточной его компоновках, примеры которых представлены на рис.2 и 3. При таких компоновках основная часть трубного пучка (или модуля) имеет в поперечном разрезе форму ленты, толщина которой определяет длину пути пара в этой части, а воздухоохладительная секция - форму трапеции, суживающейся в направлении движения паровоздушной смеси.

Содержание кислорода в конденсате, поступающем из конденсатора в питательный тракт, не должно превосходить допустимого по ПТЭ значения.

Рис.2 Компоновка трубного пучка конденсатора турбины К-750-65/3000 ПОАТ ХТЗ (один из четырех корпусов)

Рис.3 Компоновка трубного пучка конденсатора с боковым подводом пара:

1 - основной трубный пучок; 2 - воздухоохладитель; 3 - короб отвода паровоздушной смеси; 4 - сбросный короб паровоздушной смеси

В конденсаторе кислород поступает в конденсат главным образом двумя путями: он абсорбируется (растворяется) в конденсате при контакте последнего с паровоздушной смесью и попадает в конденсат вместе с механически захватываемым им при стекании в трубном пучке воздухом.

Часть этого воздуха, содержащегося в конденсате, при отекании его в виде струй и капель из трубного пучка и тонким слоем по днищу конденсатора и конденсатосборнику выделяется из жидкости и удаляется воздушным насосом.