3 Характеристики пароводяных теплообменников

К пароводяным теплообменникам относятся конденсаторы паровых турбин, сетевые подогреватели теплофикационных турбоустановок, регенеративные подогреватели паротурбинных установок.

На рис. 6 приведена схема конденсатора паровой турбины. Отработавший пар из турбины с расходом D_п, кг/с, при давлении р_к конденсируется на наружной поверхности трубок, внутри которых протекает охлаждающая вода с расходом G_в, кг/с. Температура конденсации (насыщения) t_н пара определяется давлением в конденсаторе р_к, которое в нормальных условиях его работы составляет р_к = 3,55 кПа (при этом t_н =2733 С). Вода нагревается в трубках конденсатора от температуры t_в1 до t_в2, при этом в нормальных условиях t_в1 =1020 С, а нагрев воды t_в =t_в2  t_в1 составляет 812 С.

Рис. 6. Схема конденсатора: 1 – патрубок для выхода воды; 2 – крышка водяных камер; 3 – водяные камеры; 4 – трубные решетки; 5 – корпус конденсатора; 6 – пароприемная горловина; 7 – трубки; 8 –сборник конденсата; 9 – патрубок для подвода воды; 10 – патрубок для удаления воздуха

При загрязнении внутренней поверхности трубок конденсатора или при увеличении присосов воздуха в конденсатор, снижается коэффициент теплопередачи от пара к охлаждающей воде k, что при неизменных D_п, G_в и t_в1 приводит к увеличению давления в конденсаторе р_к и температуры конденсации пара t_н. Давление в конденсаторе возрастает также в том случае, если увеличивается температура охлаждающей воды t_в1 и (или) уменьшается расход охлаждающей воды G_в. При увеличении давления в конденсаторе уменьшается теплопадение пара в турбине, в результате снижается выработка электрической мощности турбоустановкой.

На рис. 7 показано изменение температур греющего теплоносителя (пара) и нагреваемого теплоносителя (воды) вдоль поверхности нагрева пароводяного теплообменника (в частности, конденсатора).

Рис. 7. Схема изменения температур теплоносителей в конденсаторе.

Тепловая нагрузка конденсатора, кВт, определяется выражением

(17)

где D_п – расход конденсирующегося пара, кг/с; q_к  2150 кДж/кг – теплота, выделяемая при конденсации 1 кг пара; G_в – расход охлаждающей воды, кг/с; с_в = 4,19 кДж/(кгК) – теплоемкость воды; расход охлаждающей воды, кг/с; t_в = t_в2  t_в1 – нагрев воды в конденсаторе.

Уравнение теплопередачи в конденсаторе:

(18)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К); F – площадь поверхности теплообмена, м²;  среднелогарифмический температурный напор; t_max = t_н  t_в1 – температурный напор на входе в конденсатор;  = t_н  t_в2 – температурный напор на выходе в конденсатора (недогрев воды до температуры конденсации).

Вместо уравнения (18) удобно использовать уравнение (10)

где W_м = с_вG_в – водяной эквивалент охлаждающей воды (водяной эквивалент конденсирующегося пара равен бесконечности: W_б = );  – коэффициент эффективности теплообменника, который для пароводяных теплообменников определяется формулой:

(19)

где Ф – параметр, который при неизменной чистоте поверхности теплообмена остается постоянным, и уменьшается при загрязнении поверхности теплообмена или увеличении присосов воздуха; величина Ф для пароводяного теплообменника определяется так:

(20)

Величина  связана с температурным напором t_max выражением:

(21)

Задача 8. Конденсатор турбины Т-100-130 имеет площадь поверхности теплообмена F = 3110 м²; общее число трубок – n = 5680; внутренний диаметр трубок d = 24 мм; число ходов воды в конденсаторе z = 2 (как на рис. 6).

При номинальном режиме работы конденсатора расход пара в конденсатор составляет D_п = 130 т/ч; скорость воды в трубках конденсатора w = 1,5 м/с; температура охлаждающей воды на входе в конденсатор t_в1 = 20 С; давление в конденсаторе р_к = 5 кПа.

Требуется определить тепловую нагрузку конденсатора Q, расход охлаждающей воды G_в, нагрев воды в конденсаторе t_в, средний температурный напор , недогрев воды в конденсаторе , коэффициент теплопередачи k, Вт/(м²К), и параметр Ф конденсатора при данных условиях работы.

Ответ: Q = 77639 кВт; G_в = 1926 кг/с; t_в = 9,6 С; = 8,2 С;  = 4,3 С; k = 3035 Вт/(м²К); Ф = 3323 (Вт/К)^0,5.

Методика решения. По выражению (17) определяется тепловая нагрузка конденсатора, кВт: Q = D_пq_к, где D_п – расход конденсирующегося пара, кг/с; q_к  2150 кДж/кг.

Находят расход охлаждающей воды через конденсатор, кг/с:

где _в – плотность воды, кг/м³; d – внутренний диаметр трубок, м.

Из выражения (17) определяется нагрев воды в конденсаторе, К:

(22)

где с_в = 4,19 кДж/(кгК).

Определяется температура воды на выходе из конденсатора:

t_в2 = t_в1 + t_в, С. (23)

По давлению в конденсаторе p_к по таблицам для насыщенного пара определяется температура насыщения пара t_н, С.

Температурные напоры на входе и выходе из конденсатора:

t_max = t_н  t_в1;  = t_н  t_в2. (24)

По формуле (18) определяется средний температурный напор, К:

Из формулы (18) выражается коэффициент теплопередачи:

где Q – тепловая нагрузка, Вт.

По формуле (20) определяется параметр Ф.

Задача 9. Приняв значение параметра Ф = 3500 (Вт/К)^0,5 исследовать тепловую работу конденсатора при переменном режиме работы, когда изменяется расход охлаждающей воды: G_в = 1000; 1500; 2000; 2500; 3000 кг/с. Параметры D_п = 130 т/ч; t_в1 = 20 С. Определить давление в конденсаторе p_к, кПа, температуру воды на выходе из конденсатора t_в2, С, и недогрев , К.

Методика решения: Рассчитывается переменная величина W_м = с_вG_в, где c_в = 4910 Дж/(кгК). По формуле (19) для разных W_м определятся коэффициент эффективности . Так как тепловая нагрузка конденсатора Q, Вт, не изменяется (D_п = const), то из формулы (10) определяем температурный напор t_max:

(25)

Определяем температуру конденсации (насыщения) пара:

t_н = t_в1 + t_max. (26)

По температуре t_н по таблицам определяем давление в конденсаторе р_к.

По формуле (22) определяем нагрев воды в конденсаторе t_в. По формуле (23) определяется температура воды на выходе из конденсатора t_в2. По формуле (24) определяется недогрев воды в конденсаторе .

Задача 10. Приняв значение параметра Ф = 3500 (Вт/К)^0,5 исследовать тепловую работу конденсатора при переменном режиме работы, когда изменяется расход конденсирующегося пара: D_п = 10; 20; 50; 100; 130 т/ч. Параметры G_в = 2000 кг/с; t_в1 = 20 С. Определить тепловую нагрузку конденсатора Q, Вт, давление в конденсаторе p_к, кПа, температуру воды на выходе из конденсатора t_в2, С, и недогрев , К.

Методика решения: По выражению (17) определятся переменная тепловая нагрузка конденсатора Q, кВт. Рассчитывается постоянная величина W_м = с_вG_в, где c_в = 4910 Дж/(кгК). По формуле (19) для данного W_м определятся коэффициент эффективности теплообменника . По формуле (25) определяем температурный напор t_max. По формуле (26) Определяем температуру конденсации (насыщения) пара t_н. По температуре t_н по таблицам определяем давление в конденсаторе р_к.

По формуле (22) определяем нагрев воды в конденсаторе t_в. По формуле (23) определяется температура воды на выходе из конденсатора t_в2. По формуле (24) определяется недогрев воды в конденсаторе .

Задача 11. Приняв значение параметра Ф = 3500 (Вт/К)^0,5, исследовать тепловую работу конденсатора при переменном режиме работы, когда изменяется температура охлаждающей воды: t_в1 = 5; 10; 20; 25; 30 C. Параметры D_п = 130 т/ч. G_в = 2000 кг/с. Определить давление в конденсаторе p_к, кПа, температуру воды на выходе из конденсатора t_в2, С, и недогрев , К.