ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О КОНДЕНСАЦИОННЫХ УСТАНОВКАХ

Процесс передачи тепла от конденсирующего пара к охлаждающей воде осуществляется в поверхностном теплообменом аппарате – конденсаторе. Пар в нем конденсируется на на­ружной поверхности труб, внутри которых проходит забортная охлаждающая вода.

Конденсационные установки (КУ), обслуживающие паровые двигатели, предназна­чены:

1. для конденсации отработанного пара с целью получения конденсата, при­годного для питания парогенераторов;

2. для создания и поддержания разрежения (т.е. P<Ратм: 0,004…0,006 МПа);

3. для частичной деаэрации конденсата.

Судовые КУ подразделяются на:

· главные, обслуживающие главные паровые двига­тели;

· вспомогательные, предназначенные для обслуживания вспомогательных па­ровых двигателей (например, турбогенераторов).

К вспомогательным относятся КУ, являющиеся неотъемлемой частью водооп­реснительных установок и ХМ.

Во время работы КУ в конденсатор через неплотности соединений и арматуры, находящихся под разрежением, а также вместе с паром поступает воздух.

Для поддержания заданного разрежения в конденсаторе из него необходимо не­прерывно удалять воздух.

Содержание воздуха в паровоздушной смеси при входе в конденсатор обычно составляет от нескольких тысячных до нескольких десятых долей.

Разрежение в конденсаторе h, называемое вакуумом, можно измерить U манометром.

При атмосферном (барометрическом) давлении b, абсолютное давление p в конденсаторе: p=b-h, мм.рт.ст.

Давление 1 кПа соответствует 7,5 мм.рт.ст. 735,6 мм.рт.ст.

, кПа ,

При b=Var одному и тому же h соответствует различные p и наоборот.

Всегда надо измерять и h и b.

Иногда h выражают процентах от b.

Давление в конденсаторе существенно влияет на мощность N и КПД η паровой турбины

При уменьшением p, повышается.

По опытным данным при и р_o, t_o=idem повышение (понижение) р на 1кПа вызывает понижение (повышение) N турбины транспортного судна на 1-1,5%.

Переохлаждением конденсата tк, ^оС, называется разность между температурой насыщенного пара tн при давлении, равном давлению паровоздушной смеси р при входе в конденсатор, и действительной температурой конденсации tк.

tк= tн – tк

Переохлаждение – следствие понижения парциального давления и температуры насыщенного пара из-за наличия воздуха и парового сопротивления конденсатора.

tк=3…5 С

Переохлаждение приводит к потере тепла, затрачиваемого на нагрев конденсата, а главное – сопровождается возрастанием количества растворенного в конденсате кислорода.

Для судовых ГК ПТУ имеется опытная зависимость для определения количе­ства воздуха: Gв=Gп/5 +1, кг/ч , где Gп – расход пара, т/ч

Для поддержания разрежения конденсатор должен обслуживаться следующими системами, входящими в состав КУ:

- циркуляционной системой с циркуляционным насосом для прокачивания забортной воды через трубки конденсатора;

- конденсатной системой с конденсатным насосом для удаления конденсата;

- воздушной системой с вакуумным насосом для удаления воздуха.

Рисунок 2 - Схема воздушной системы КУ с двухступенчатым эжектором:

1 – подвод паровоздушной смеси; 2 и 4 – эжекторы I и II ступеней; 3, 5 – конденсаторы эжекторов; 6 – воздушный клапан; 7 – конденсатоотводчик; 8 – V- образная трубка

В установках с безвакуумным конденсатором конденсат и воздух могут уда­ляться самотеком.

Иногда применяется самопроточная циркуляция. На судах в качестве циркуляционных насосов главных кон­денсаторов паротурбинных установок обычно при­меняют осевые насосы (см. рис.3).

Рисунок 3 - Варианты установки осевых насосов в циркуляционных системах конденсатора:

а- последовательное включение; б – параллельное включение

В установках с совместным удалением конденсата и воздуха один и тот же на­сос удаляет из конденсатора воздух и конденсат.

Рисунок 4 - Схема совместного удаления конденсата и воздуха:

1 – водяные камеры; 2 – трубные доски; 3 – приемный патрубок; 4 – конденсатор; 5 – конденсатно – воздушный насос; 6 – теплый ящик; 7 – воздух в атмосферу; 8 – циркуляционный насос; 9 - конденсат

В конденсаторах, обслуживающих паровые турбины, применяют раздельное удаление конденсата и паровоздушной смеси.

Рисунок 5 - Схема КУ с раздельным удалением конденсата и воздуха:

1 – водяные камеры; 2 – трубные доски; 3 – приемный патрубок; 4 – конденсатор; 5 – воздушный (вакуумный) насос; 6 – воздухоохладитель; 7 – конденсатный насос; 8 – циркуляционный насос

Пар поступает через приемный патрубок 3. Образующийся на наружной поверхности труб конденсат стекает вниз и удаляется конденсатным насосом 7. Воздух с небольшим содержанием пара удаляется электровакуумным насосом 5. Для ох­лаждения этого воздуха в конденсаторе перегородкой выделен пучок труб 6, называ­ется воздухоохладителем. Паровое пространство – в объеме конденсатора между трубами. Водяное – в трубах и камерах.

Для удаления воздуха в ГК ПТУ и в конденсаторах турбогенераторов часто применяют пароструйные воздушные эжекторы, а в конденсаторах опреснительных установок – водоструйные эжекторы.

Одноступенчатые пароструйные эжекторы устойчиво и экономично работают при степени повышения давления паровоздушной смеси до 6…8. При давлении в конденсаторе 3…6 кПа степень повышения давления смеси в эжекторе должна составлять 18…36. Поэтому обычно применяют двухступенчатые пароструйные воздуш­ные эжекторы (см. рис.6), состоящие из двух последовательно вклю­ченных первой 3 и второй 4 ступеней. Паровоздушная смесь отса­сывается из воздухоохладителей 2конденсатора эжектором 3 пер­вой ступени. Сжатая в эжекторе 3 паровоздушная смесь вместе с рабочим паром поступает в охладитель 7 первой ступени, в котором большая часть пара конденсируется и происходит охлаждение воз­духа. Из охладителя паровоздушная смесь отсасывается эжекто­ром второй ступени 4 и при давлении выше атмосферного посту­пает в охладитель 6 второй ступени, где почти весь пар конденсируется.

Рисунок 6 - Схема КУ с раздельным удалением конденсата и воздуха с использованием двухступенчатого эжектора:

1 – конденсатор; 2 – воздухоохладители; 3 и 4 - воздуш­ные эжекторы первой и второй ступеней; 5 – дренажный конденсат; 6 и 7 - охладители второй и первой ступеней; 8 - конденсатный насос

Воздух с небольшим содержанием пара удаляется из этого охладителя 6 в атмосферу. В качестве охлаждающей воды в охладителях используется конденсат, удаляемый из обслуживаемого эжек­торами конденсатора 1 конденсатным насосом 8. По трубопрово­дам 5 удаляется дренажный конденсат.

1 ТИПЫ КОНДЕНСАТОРОВ И ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА

В современных ПТУ в качестве главных, а в некоторых случаях и в качестве вспомогательных (например, обслуживающих турбогенераторы), применяются регенера­тивные конденсаторы.

Рисунок 7 – Схемы регенеративных конденсаторов:

1 – пучки труб первого хода; 2 - пучки труб второго хода; 3 – отсос паровоздушной смеси;

4 - перегородки

В этой конструкции (а) наиболее полно осуществ­ляется принцип регенеративного конденсатора. Весь поступающий пар сначала движется вниз к району конденсатосборника по широкому каналу между пучками труб. Затем пар поступает на сим­метрично расположенные пучки труб и движется вверх к патрубкам 3 отсоса паровоздушной смеси. Конденсация пара и охлаждение паровоздушной смеси заканчиваются на верхних рядах труб, охлаждающая вода в которой имеет наиболее низкую температуру. Образующиеся при этом капельки конденсата оказываются заметно переохлажденными. Но, стекая вниз и соприкасаясь с движущимся навстречу паром, имеющим более высокую температуру, они нагреваются до той же температуры, что и основная масса конденсата. Общее давление и относительное содержание воздуха в паровоздушной смеси в районе над поверхностью конденсата в сборнике мало отличается от давления
и относительного содержания при входе в конденсатор. Поэтому переохлаждение конденсата составляет лишь десятые доли градусов, а количество растворенного в конденсате кислорода невелико.

Однако такие конденсаторы не получили распространения, т.к. наличие канала между пучками труб, по которым должен пройти конденсируемый пар вызывает:

- увеличение габаритов и массы конденсатора;

- удлинение пути пара, что является причиной повышенного парового сопротивления.

Наиболее широко применяются регенеративные конденсаторы (на рис. б) с центральным каналом между трубами, по которому в район сборника конденсата поступает около 10% конденсируемого пара.

При номинальном режиме в регенеративных конденсаторах переохлаждение конденсата составляет 0,3 – 0,6 ^оС и не превышает 1^оС. Количество растворимого в конденсаторе кислорода 0,02 … 0,03 мг/л.

I Конденсаторы подразделяют по току охлаждающей воды:

- двухходовые	- в водяной камере таких конденсаторов имеется горизонтальная или наклонная, или дугообразная перегородка (см.рис.4);
- одноходовые	- менее распространены;
- четырехходовые	(реже шестиходовые) конденсаторы применяют в качестве вспомогательных конденсаторов;
- двухпоточные	- их часто применяют на современных судах с ПТУ. Это ГК с раздельным подводом воды к симметрично расположенным пучкам труб. Рисунок 8 – Схема двухпоточного конденсатора

II По току пара конденсаторы могут быть выполнены:

– с нисходящим потоком пара. К ним относятся вспомогательные конденсаторы;

– с восходящим потоком пара;

– с боковым и центральными потоками.

На судах с ПТУ обычно применят конденсаторы с нисходяще-боковым потоком пара.

III По давлению в конденсаторе:

– вакуумные;

– атмосферные.

На судах распространены вакуумные конденсаторы.

IV По степени регенерации тепла конденсируемого пара:

– нерегенеративные;

– регенеративные.

На судах получили распространение регенеративные конденсаторы.

В конденсаторах транспортных судов с ПТУ удельная паровая нагрузка поверхности охлаждения конденсатора - среднее количество пара, конденсируемого в час на 1 м² поверхности теплообмена составляет 30 – 40 ; при низкой tз.в. и рк = 10-15 кПа , qп=60 – 80 .

Соответствующая удельная тепловая нагрузка - среднее количество тепла, передаваемого в час на 1 м² поверхности теплообмена составляет (65…100)*10³ ,

F – поверхность охлаждения, теплообмена – суммарная наружная поверхность всех труб.

Кратность охлаждения или кратность циркуляции представляет собой отношение количества охлаждаемой воды к количеству конденсируемого пара ,

где W, м³/ч.

Обычно составляет 90 – 120 (160). В высоконапряженных конденсаторах m=50-90.

Различают два вида конденсации пара: капельную и пленочную.

Капельная конденсация пара возникает на несмачиваемых поверхностях охлаждения, когда образующийся конденсат выпадает в виде отдельных капель.

Под действием сил тяжести и трения со стороны потока пара капли скатываются с поверхности охлаждения.

Пленочная конденсация пара возникает на смачиваемых поверхностях охлаждения, когда конденсат сразу же растекается по всей поверхности охлаждения, образуя сплошную пленку.

При капельной конденсации пар имеет свободный доступ к поверхности охлаждения. Коэффициент теплоотдачи в 5-10 раз больше, чем при пленочной.

Как правило, в конденсаторах пленочная конденсация.

Режим течения пленки конденсата может быть ламинарным или турбулентным.

2 ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ КОНДЕНСАЦИЮ ПАРА

Работа элементов КУ тесно взаимосвязана. В ГК поддерживаются параметры насыщения, поэтому величина температуры определяет величину давления (вакуума).

Из уравнений теплового баланса ГК можно получить аналитическую связь между температурой насыщения tнп и другими параметрами, характеризующими режим работы ГК.

Представим, что разность температур пара и охлаждающей воды ( ) изменяются по среднеарифметическому закону:

отсюда .

Уравнение теплового баланса ГК:

Следовательно ,

где и - температура охлаждающей воды на входе и выходе из ГК ( =8…16 ^оС);

Q – количество тепла, отводимого из ГК, Вт;

k – коэффициент теплопередачи для ГК, ;

F – поверхность теплообмена ГК, м²;

W,с_в, ρ_в - количество ( ), теплоемкость ( ) и плотность (кг/м³) охлаждающей воды.

Состав материалов, применяемых для трубок, а также трубных досок конденсаторовразличен.

При охлаждение конденсаторов пресной водой применяют трубки из латуни Л- 68 с содержанием - 70% Cu, 30% Zn.

Более стойким материалом для трубок конденсаторов при охлаждении их морской водой является, так называемый адмиралтейский сплав (70%Cu, 29%Zn, 1%Sn)

Широкое распространение получила алюминиевая латунь ЛА–77-2 с содержанием 1,75 – 2,5% Al.

Высокой коррозионной стойкостью обладают медно-никелевые сплавы - мельхиор (70% Cu, 30% Ni), прочность которого повышается при небольших присадках Fe и Mn.

Мельхиор марки МНЖМц 30-0,8-1 содержит от 0,6 до 1% Fe и от 0,8 до 1,3% Mn.

Весьма стойким является монель-металл – медно-никелевый сплав с содержанием никеля до 70% (Cu – 27-28%, Ni – 67-70%, Fe – 2-3%, Mn – 1.2-1.8%)

В настоящее время в конденсаторах широкое применение имеют трубки из алюминиевой латуни, а также из мельхиора с наружным диаметром 19 мм и толщиной от 1 до 1,25 мм, а для наиболее нагруженных трубок – 1,5 мм.

Трубные доски изготавливают из катаной морской латуни (оловянистая, 40% Zn) или мунц-металла (свинцовистая) – Cu=57-60%; Zn=38-42%;Pb=1.9%.

Стальные трубные доски применяются у конденсаторов, охлаждаемых только пресной водой.

Толщина трубных досок 25-30 мм (до 35).

Скорость охлаждающей воды в трубках главных конденсаторов 1,6-2,2 м/с.

Дисциплина «Основы проектирования теплообменных аппаратов систем судовых энергетических установок»

МОДУЛЬ 8 РАСЧЕТ ПОВЕРХНОСТНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

Основные вопросы.

1. ОЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ.

2. КОМПОНОВКА ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ВОЗДУХООХЛАДИТЕЛЯ.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КОНДЕНСАТОРА.

1 ОЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ

Тепловой расчет поверхностного конденсатора основан на зависимости:

,(м²) (*)

где F – поверхность охлаждения, определяемая по наружной стороне труб, м²;

Q – тепловой поток, т.е. количество тепла, переданного в единицу времени охлаждающей воде, кДж/с (кВт);

- средняя разность температур: конденсации пара (насыщения при данном парциальном давлении) и охлаждающей воды ;

k – коэффициент теплопередачи, ,( ).

Величины k и различны для различных участков поверхности охлаждения. Поэтому строго подходя, уравнение справедливо лишь для бесконечно малого элемента поверхности охлаждения, т.е. в виде , где и - локальные значения коэффициента теплопередачи и температурной разности.

Наиболее точный расчет конденсатора предлагает зонный расчет, при котором выделяются зоны трубного пучка с примерно одинаковым коэффициентом теплопередачи и температурой насыщения.

В первом приближении принимают среднее значение . Оценку производят на основании опытных данных. Широко используется номограмма института теплообмена в США. По ней определяют k_o (см. рис.1).

Рисунок 1 – Номограмма для определения k_o.

Поправочные коэффициенты:

– учитывает начальную температуру охлаждающей воды;

– учитывает удельную паровую нагрузку;

– учитывает материал и толщину трубок (по специальным таблицам) 0,54-1,0;

– учитывает загрязнение труб; принимают 0,85.

Окончательное значение коэффициента теплопередачи определяют из выражения:

Разность температур конденсирующегося пара и охлаждающей воды определяют по формуле для среднелогарифмической разности температур:

где и - начальная и конечная температура охлаждающей воды.

Среднелогарифмическая разность температур всегда меньше среднеарифметической .

2 КОМПОНОВКА ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА.

Причиной существенного снижения показателей теплообмена может быть неправильно выбранная скорость охлаждающей воды.

Практика показала, что оптимальными оказываются следующие скорости охлаждающей воды:

- главные конденсаторы рк= 4-6,5 кПа, w=1,6-2,2 м/с;

- конденсаторы турбогенераторов рк= 6-9 кПа, w =1,3-1,8 м/с;

- конденсаторы утилизационных опреснительных установок рк= 6-10 кПа, w =1,0-1,5 м/с;

По уравнению сплошности для обеспечения w число труб n в одном ходе воды:

,

W – количество охлаждающей воды,

dв – внутренний диаметр трубы, м.

Активная длина l труб между трубными досками: ,

F – поверхность охлаждения конденсатора, м²

d – наружный диаметр труб, м

z – число ходов охлаждающей воды

У судовых конденсаторов:

l/D=1,3-2,3 ,

где D – эквивалентный диаметр – диаметр круга, равновеликого площади трубной доски.

Эквивалентный диаметр D можно определить по формуле:

,

где – коэффициент заполнения трубной доски (отношение действительного количества труб к числу труб N, которое можно разместить при полном использовании всей площади трубной доски)

=0,55-0,7 – в двух ходовых регенеративных конденсаторах.

=0,65-0,8 – в одноходовых регенеративных и двухходовых нерегенеративных конденсаторах.

N – определяют, исходя из разбивки по треугольнику:

Минимальный шаг при развальцовке: s=1.3d.

Эквивалентный диаметр: .

Примечание: В зависимости от W, w, t₁, z, d, l, расположения труб компоновка конденсатора имеет множество вариантных решений.

Приведенные формулы могут быть использованы при расчете и компоновке иных кожухотрубных теплообменных аппаратов.

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ВОЗДУХООХЛАДИТЕЛЯ

Конденсация пара завершается в воздухоохладителе. Здесь же охлаждается удаляемая паровоздушная смесь. При уменьшении температуры и объема смеси, уменьшается количество несконденсировавшегося пара, удаляемого из конденсатора. При этом падает производительность и расход энергии на воздухоотсасывающее устройство.

Общее количество смеси, удаляемой из ГК: G_см=G_в+G_п

Из характеристических уравнений: p_вV_в=G_вR_вT_в , при Vв=Vп

p_пV_п=G_пR_пT_п T_в= T_п

G_см =(1+0,622p_п/p_в) G_в

Объем удаляемой смеси:

Вывод: с уменьшением температуры смеси и с повышением парциального давления падает объем удаляемой смеси .

Для достижения возможно низкой температуры смеси пучок труб воздухоохладителя размещают всегда в первом ходе охлаждающей воды. При этом температуру смеси можно снизить:

t_см=t₁+(3…8),

где t₁ – температура охлаждающей воды на выходе.

Давление смеси, удаляемой из ГК: ,

где - абсолютное давление на входе в ГК;

- паровое сопротивление ГК.

Парциальное давление пара в смеси p_п и v_п – из таблиц насыщенного пара по температуре смеси t_см.

Парциальное давление воздуха

Относительное содержание воздуха в смеси

0 – обычно

Количество смеси в 2,2-4 раза больше, а несконденсировавшегося пара в 1,2-3 раза больше количества воздуха, поступающего в конденсатор.

Поверхность воздухоохладителя:

,

где Q_см - количество тепла, передаваемого в воздухоохладителе от смеси к воде.

, кВт

где r – теплота парообразования, кДж/кг;

, - количество пара в смеси при входе в воздухоохладитель и при выходе из него, кг/ч.

, - температура смеси при входе в воздухоохладитель и при выходе из него.

с_в – теплоемкость воздуха, с_в 1,0 кДж/кг*К;

- тепло, отдаваемое конденсируемым паром;

- этот член мал.

При скорости >1,5 м/с преобладающим в ВО является термическое сопротивление от смеси к стенке. Коэффициент теплопередачи от смеси к охлаждающей воде определяется по графику

Скорость смеси можно назначать до 30-40 м/с. Средняя разность температур смеси и воды

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента теплопередачи от среднего относительного содержания воздуха в смеси

Количество пара , несконденсировавшееся при поступлении смеси в ВО может составлять 1-3% от общего количества пара, поступающего в ГК.

Поверхность Fв составляет 5-15 % общей поверхности охлаждения ГК, поэтому паровым сопротивлением ВО пренебрегают.

.

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КОНДЕНСАТОРА

Ориентировочно паровое сопротивлении ,

где – коэффициент парового сопротивления ГК; зависит от системы разбивки и компоновки трубного пучка;

– эквивалентная скорость пара, , м/с;

– удельный объем пара на входе в ГК.

В судовых ГК 3 мм. рт. ст. (0,4 кПа)

В высоконапряженных ГК при плотном трубном пучке больше.

Компоновку трубных пучков регенеративных конденсаторов осуществляют так, чтобы обеспечить:

1. Эффективное использование всей поверхности охлаждения с оптимальными значениями от пара к стенке;

2. min ;

3. min температуру и следовательно, объем и количество смеси, удаляемой из ГК;

4. min переохлаждение конденсата.