Calculation study of an efficient screw-type steam condenser

全文:

Термодинамический цикл паротурбинных установок (ПТУ) предполагает обязательное наличие холодного источника в конце процесса расширения водяного пара в турбине.

В качестве такого источника используется составная часть ПТУ, называемая конденсационной установкой. Главной частью конденсационной установки является конденсатор пара.

Конденсатор пара в энергетической установке ― крупногабаритный, металлоемкий, сложный теплообменный аппарат, выполняющий функцию необходимого «холодного» источника в термодинамическом цикле энергетических установок [1].

Традиционное техническое решение конструкции конденсатора пара, использующееся в настоящее время в судостроении, ― отработавший пар поступает на цилиндрический трубный пучок, состоящий из прямолинейных теплообменных трубок круглого сечения, внутри которых протекает охлаждающая вода. Пар двигается от периферии к центру трубного пучка, взаимодействует с охлаждающей средой и конденсируется.

Экспериментальные исследования существующих конструкций трубных пучков показали: по глубине пучка по ходу пара тепловые нагрузки уменьшаются в 5–8 раз, что объясняется снижением скорости пара из-за непропорционального уменьшения проходного сечения по пару по отношению к изменению расхода пара.

Сохранение высоких значений тепловых нагрузок по всей поверхности теплообмена и тем самым уменьшение габаритов и металлоемкости конденсаторов возможно, если формировать проходное сечение по пару определенным образом, чтобы обеспечить поддержание постоянной скорости пара на всем пути его движения.

Этому принципу оптимизации формирования проходного сечения по пару, обеспечивающего максимальную эффективность тепломассообмена, соответствует трубный пучок треугольной формы (рис. 1) [2]. Однако данное техническое решение не вписывается в общепринятые формы корпусов и водяных камер, что существенно затрудняет реализацию преимущества интенсификации процесса теплообмена для улучшения массогабаритных характеристик по сравнению с трубными пучками цилиндрической формы.

Рис. 1. Трубный пучок треугольной формы [2].

Fig. 1. Triangular tube bundle [2].

Повысить эффективность теплообмена и тем самым улучшить габаритные характеристики трубных пучков круглой формы можно, если, не изменяя шага разбивки трубного пучка, спрофилировать проходное сечение по пару таким образом, чтобы скорость движения пара на всем пути следования имела бы постоянное, оптимальное значение (рис. 2). Поддержание постоянной скорости пара в межтрубном пространстве при сохранении круглой формы и технологии заделки трубок в трубных досках достигается применением двух способов формирования геометрии теплообменных трубок:

• трубки закручены под углом по винтовой траектории;
• изменение овальности теплообменных трубок. При движении пара к центру трубного пучка ось овальности разворачивается от радиального положения до положения перпендикулярно движению пара.

Рис. 2. Изменение геометрии трубного пучка.

Fig. 2. Changing the shape of the tube bundle.

Новым техническим решением в вопросе повышения эффективности конденсатора пара круглой формы является конструкция трубного пучка конденсатора ― винтовой трубный пучок конденсатора пара [3, 4].

Для расчета винтового конденсатора пара разработана методика послойного теплового расчета по алгоритму расчета винтового трубного пучка конденсатора пара [5].

Алгоритм теплового расчета винтового конденсатора заключается в следующем:

• трубный пучок конденсатора в поперечном сечении разбивается на слои, каждый из которых является рядом охлаждающих трубок на одном расчетном радиусе по направлению движения пара от периферии к центру трубного пучка;
• для каждого слоя (ряда трубок) производится тепловой расчет по схеме «охлаждающая вода ― стенка трубки ― паровоздушная смесь» («вода ― стенка ― пар»);
• на каждом слое определяются оптимальная конструкция охлаждающих трубок ― овальность и угол закрутки, при которой обеспечивается отвод максимального количества тепла;
• после получения оптимальных параметров конструкции теплообменных трубок на слое производится переход на следующий (более нижний) слой, начальными параметрами расчета для которого являются значения, полученные на предыдущем слое (рис. 3).

Рис. 3. Послойный тепловой расчет конденсатора.

Fig. 3. Nodal thermal calculation of a condenser.

Для каждого слоя теплообменных трубок производится тепловой расчет, в основе которого анализ определения количества теплоты, отводимого конденсатором от пара в охлаждающую воду, которое определяется по формуле:

Q_конд. = K_t · F_t · Δt. (1)

Для исследования влияния угла закрутки и овальности на тепловые характеристики конденсатора выполнены следующие расчеты:

• расчет конденсатора пара с прямолинейными круглыми трубками;
• расчет отдельного слоя конденсатора с изменением овальности без изменения угла закрутки;
• расчет отдельного слоя конденсатора с изменением угла закрутки без изменения овальности;
• расчет конденсатора пара с закруткой трубок и постоянной овальностью;
• расчет конденсатора пара с закруткой трубок и переменной овальностью.

1. Расчет конденсатора пара с прямолинейными круглыми трубками.

Расчетная зона ― конденсатор в целом.

Овальность ― постоянная (16 мм, трубки круглые).

Угол закрутки ― отсутствует (конденсатор прямолинейный).

Результаты расчета приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты расчета конденсатора пара с прямолинейными круглыми трубками

Table 1. Calculation of a steam condenser with circular line tubes

Количество сконденсировавшегося тепла в зависимости от слоя указано на рис. 4.

Рис. 4. Количество отведенной теплоты, ккал.

Fig. 4. Rejected heat, kcal.

По результатам рассмотрения графика (рис. 4) можно сделать следующие выводы:

• количество сконденсировавшегося пара (количество отведенного тепла) падает при движении от периферии к центру.

2. Расчет отдельного слоя конденсатора с изменением овальности без изменения закрутки.

Расчетная зона ― первый слой.

Овальность ― переменная от 16 до 21 мм (больший диаметр).

Угол закрутки ― отсутствует.

Результаты расчета:

Количество сконденсировавшегося тепла в зависимости от овальности представлено на рис. 5.

Рис. 5. Относительное изменение количества отведенной теплоты, %.

Fig. 5. Fractional variation of rejected heat, %.

По результатам рассмотрения графика (рис. 5) можно сделать следующие выводы:

• количество сконденсировавшегося пара падает с увеличением овальности, что объясняется уменьшением парового сопротивления и, соответственно, падением скорости пара.

3. Расчет отдельного слоя конденсатора с изменением закрутки без изменения овальности.

Расчетная зона ― первый слой.

Овальность ― без изменения (16 мм, трубка круглая).

Угол закрутки ― от 9 до 35 градусов.

Результаты расчета представлены на рис. 6.

Рис. 6. Относительное изменение количества отведенной теплоты, %.

Fig. 6. Fractional variation of rejected heat, %.

По результатам рассмотрения графика (рис. 6) можно сделать следующие выводы:

• количество сконденсировавшегося пара растет;
• скорость пара растет (до недопустимых значений).

4. Расчет отдельного слоя конденсатора с изменением закрутки и овальности.

Расчетная зона ― первый слой.

Овальность ― переменная от 16 до 20 мм (больший диаметр).

Угол закрутки ― от 0 до 61 градуса (в зависимости от установленной максимальной скорости пара).

Установленная максимальная скорость пара ― 87, 100 и 200 м/с.

Результаты расчета представлены на рис. 7.

Рис. 7. Количество отведенной теплоты при разных скоростях пара, ккал.

Fig. 7. Rejected heat at different steam velocities, kcal.

По результатам рассмотрения графиков (рис. 7) можно сделать следующие выводы:

• максимальное количество сконденсировавшегося пара достигается на серединном значении овальности 18 мм;
• значение угла закрутки зависит от допустимой максимальной скорости пара;
• существует оптимальное значение угла закрутки и степени овальности, при которых достигается максимальное значение количества отводимой тепловой энергии.

5. Расчет конденсатора пара с изменением закрутки с постоянными круглыми трубками.

Расчетная зона ― конденсатор в целом.

Овальность ― постоянная (16 мм, трубки круглые).

Угол закрутки ― переменный от 9 до 39 градусов.

Результаты расчета приведены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты расчета конденсатора пара с изменением закрутки с постоянными круглыми трубками

Table 2. Calculation of a variable swirl steam condenser with constant circular tubes

По результатам рассмотрения графика (рис. 8) можно сделать следующие выводы:

• уменьшение общего количества трубок по сравнению с прямолинейным конденсатором на 6,6 %;
• увеличение площади теплообмена по сравнению с прямолинейным конденсатором на 3,8 % в тех же габаритах трубного пучка (длина и диаметр).

Рис. 8. Количество отведенной теплоты трубного пучка с винтовыми круглыми трубками, ккал.

Fig. 8. Heat rejected by a tube bundle with helical circular tubes, kcal.

6. Расчет конденсатора пара с изменением угла закрутки с постоянными овальными трубками.

Расчетная зона ― конденсатор в целом.

Овальность ― постоянная (18 мм, трубки овальные).

Угол закрутки ― переменный от 38,5 до 52,5 градусов.

Результаты расчета представлены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты расчета конденсатора пара с изменением угла закрутки с постоянными овальными трубками

Table 3. Calculation of a variable swirl steam condenser with constant oval tubes

По результатам рассмотрения графика (рис. 9) можно сделать следующие выводы:

• уменьшение общего количества трубок по сравнению с прямолинейным конденсатором на 13,2 %;
• увеличение площади теплообмена по сравнению с прямолинейным конденсатором на 20,4 % в тех же габаритах трубного пучка (длина и диаметр).

Рис. 9. Количество отведенной теплоты трубного пучка с винтовыми овальными трубками, ккал.

Fig. 9. Heat rejected by a tube bundle with helical oval tubes, kcal.

7. Расчет конденсатора пара с изменением угла закрутки и изменением овальности.

Расчетная зона ― конденсатор в целом.

Овальность ― переменная (от 19 мм на периферии до 17 мм в центре).

Угол закрутки ― переменный от 41 до 50,5 градусов.

Результаты расчета представлены в табл. 4.

Таблица 4. Результаты расчета конденсатора пара с изменением угла закрутки и изменением овальности

Table 4. Calculation of a variable swirl and out-of-roundness steam condenser

По результатам рассмотрения графика (рис. 10) можно сделать следующие выводы:

• уменьшение общего количества трубок по сравнению с прямолинейным конденсатором на 13,2 %;
• увеличение площади теплообмена по сравнению с прямолинейным конденсатором на 22,3 % в тех же габаритах трубного пучка (длина и диаметр).

Рис. 10. Количество отведенной теплоты трубного пучка с винтовыми трубками, ккал.

Fig. 10. Heat rejected by a tube bundle with helical circular tubes, kcal.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное расчетное исследование по эффективности винтового конденсатора позволяет отметить следующее:

Изменение теплообменных трубок от круглого сечения до овального позволяет в широком диапазоне изменять скорость пара.

Изменение формы сечения теплообменных трубок от круглого сечения до овального приводит к уменьшению проходного сечения по охлаждающей воде, что снижает эффективность теплообмена за счет снижения теплового напора.

Закручивание теплообменных трубок по винтовой траектории позволяет разместить большую поверхность теплообмена по сравнению с прямыми трубками и тем самым увеличить эффективность теплообмена.

Максимальный эффект позволяет достичь совместное использование (для формирования поверхности теплообмена) закручивания по винтовой траектории с изменением формы теплообменной трубки от круглого сечения до овального.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Источник финансирования. Автор заявляет об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

ADDITIONAL INFO

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The author declares that they have no competing interests.

作者简介

Oleg Lebedev

编辑信件的主要联系方式.
Email: oo-lebedev@mail.ru
SPIN 代码: 8549-3254
俄罗斯联邦, 18 Frunze st, Saint Petersburg, 196135

参考

补充文件

附件文件

动作

1. JATS XML

下载

2. Fig. 1. Triangular tube bundle [2].

下载 (93KB)

索引源数据

3. Fig. 2. Changing the shape of the tube bundle.

下载 (329KB)

索引源数据

4. Fig. 3. Nodal thermal calculation of a condenser.

下载 (101KB)

索引源数据

5. Fig. 4. Rejected heat, kcal.

下载 (127KB)

索引源数据

6. Fig. 5. Fractional variation of rejected heat, %.

下载 (70KB)

索引源数据

7. Fig. 6. Fractional variation of rejected heat, %.

下载 (65KB)

索引源数据

8. Fig. 7. Rejected heat at different steam velocities, kcal.

下载 (92KB)

索引源数据

9. Fig. 8. Heat rejected by a tube bundle with helical circular tubes, kcal.

下载 (114KB)

索引源数据

10. Fig. 9. Heat rejected by a tube bundle with helical oval tubes, kcal.

下载 (92KB)

索引源数据

11. Fig. 10. Heat rejected by a tube bundle with helical circular tubes, kcal.

下载 (114KB)

索引源数据