автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Исследование и создание высокоэффективного конденсатора пара

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

никиточкин

Виктор Павлович

На правах рукописи

УДК 621.175

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО КОНДЕНСАТОРА

ПАРА

Специальность 05.08.05 — судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соисканне ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

!

/

/

Диссертационная работа выполнена на государственном предприятии «Калужский турбинный завод».

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

О. О. МИЛЬМАН,

кандидат технических наук, профессор

В. А. ЧИСТЯКОВ.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор О. П. ИВАНОВ,

кандидат технических наук, доцент Д. И. ВОЛКОВ.

Ведущее предприятие указано в решении специализированного совета.

• Защита диссертации состоится ««2"/» ^СК-О-О^Э-Я- ] 992 г. в часов в ауд. на заседании специализирован;

ного ученого совета Д053.23.02 по присуждению ученых степеней доктора технических наук при Государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., 3.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., 3, Ученый совет ГМТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного морского технического университета, г. Санкт-Петербург.

с~

Автореферат разослан <«20» НОХО^Э-К 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент В. Ф. ДИДЕНКО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Конденсатор пара-осин из наиболее крупногабаритных и металлоемких узлов паротурбинной установки (ПТУ). В связи с этйм проблема повышения эффективности конденсатора, улучшения его массогабаритных показателей играет большую роль в проектировании и создании ПТУ. повышении ее техникоэкономических характеристик.

Основной путь совершенствования конденсатора-повышение интенсивности тепло- и массообмена при конденсации пара в трубном пучке. отработанные в лабораторных условиях различные способы интенсификации позволяют получить высокие значения коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи. Однако, промышленное внедрение этих же cnoi/nr oB интенсификации нередко дает значительно меньший эффект. Причина падения эффективности - в уменьшении теплосьема отдельных зон и, за снижения скорости пара и скопления в них неконденсирующихся газов. Это связано с несовершенством компоновки трубного пучкз <г: за отсутствия надежных методик, позволяющих провести тепл' : идм1:.пич1гский расчет процесса конденсапии пара в пучке, компоновка тгубного пучка остается на данный момент самой трудоемкой опегмп^и р проектировании конденсатора и производится в основном на ocr.wF.y имеющегося аналога. Поэтому требуется проверка и доводка компоновки пучка с целью выравнивания нагрузки по поверхности теплообмена.

Такси подход, наряду с большой трудоемкостью, имеет ene один сусес!венный недостаток,- равномерное распределение нагрузки по пучку не гарантирует получение оптимального варианта, т. к. интенсивность теплоотдачи при конденсации пара в немалой степени зависит от значения скорости пара, которая, в свою очередь, 'зависит от выбранной компоновки.

Рациональная компоновка пучка, обеспечивавшая хорошую вентиляцию г:сеи поверхности конденсации и правильный выбор значения скорости пара в пучке позволит полностью использовать потенциальный резерв конденсатора и получить максимальный теплосъем при заданных параметрах теплоносителей, материала и размеров труб.

Разработка научно-обоснованной методики проектирования конденсаторов, позволяющей однозначно связать теплогидравлический расчет и компоновку трубного пучка в единое целое.' и получить минимальную для заданных параметров поверхность конденсации является безусловно актуальной.

Целью панной работы является создание высокоэффективного конденсатора пара на основе рациональной компоновки трубного пучка.

Основные задачи исследования, для решения этой задачи необходимо выполнить следующее:

1. Разработать теоретические основы и методику проектирования, объединяющую тепловые и компоновочные расчеты трубного пучка, обеспечивавшую рациональную компоновку труб, радикальное увеличение коэффициента теплопередачи.

г. лать теоретическое обоснование выбора оптимальной скорости пара и методику ее определения.

3. Провести экспериментальную проверку предложенной методики проектирования на модели трубного пучка и опытно-промышленном конденсаторе.

Научная новизна, в диссертационной Работе предложен новый подход к расчету и проектированию конденсатора пара отличавшийся от существующих методик следующим: - объединением теплового, гидравлического и компоновочного расчетов в единый, в результате которого получают не только тепловые характеристики конденсаторов, но и рациональную закономерность расположения труб в пучке; - опреде-■ ленностью в величине и направлении скорости пара в пучке, что преврашает расчет из пассивного поверочного в активный, рекомендующий рациональную компоновку труб в пучке; - введением понятия "оптимальная скорость пара" и приближением действительного значения скорости пара в пучке к оптимальному, определяемому из тег.ло-' гидравлического анализа движения конденсирующегося пара в пучке труб, что позволяет получить минимальную поверхность конденсации для заданных режимных параметрах.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на семинаре " интенсификация теплопередачи в конденсаторах пароиспользуюших Установок" ( Киев, 1965 г.), на научно-технической конференции " Проблемы проектирования, изготовления и эксплуатации судового теплообмонного оборудования" (Севастополь, 1969 г.), на всесоюзном семинаре "Теплообмен в двухфазных потоках" (Ленинград, 1990 г.), на VIII Всесоюзной конференции " Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах" (Ленинград, 1990 г. ).

публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 4 статьях.

Обьем работы, диссертационная работа изложена на 186 страницах машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 96 наименований и приложения, работа включает 36 страниц иллюстраций. 12 таблиц и приложения на 16 страницах.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, определяется направление и пель исследования,

В первой главе анализируются существующие методики проектирования трубного пучка конденсатора, принципы рационального проектирования. показаны их основные недостатки, а также рассмотрен вопрос выбора скорости пара в трубном пучке.

При конденсации движущегося пара в лабораторных пучках на гладких трубах достигаются средние коэффициенты теплоотдачи о(п равные 15. ..20 квт/(м!К>, тогда как в промышленных кондесаторах, при аналогичных условиях, из реально достижимого коэффициента теплопередачи К = г, е. .. з кВт/ (м1 К) получаем среднее значение коэффициента теплоотдачи от пара всего б... 7 кВт/(мгК).

Причина относительно низких значений коэффициентов теплоотдачи - плохая вентиляция отдельных зон трубного пучка из-за уменьшения скорости пара, накопление в них неконденсирующихся газов и, как следствие, неравномерное распределение плотности теплового потока по поверхности конденсатора. Это связано с нерациональной компоновкой трубного пучка.

Сложность процесса теплообмена в трубном пучке при конденсации пара не позволяет проводить тепловые и компоновочные раЬчеты одновременно. поэтому существующие методики проектирования разделены на два не связанных между собой этапа: - тепловой расчет - определение поверхности теплообмена по среднему коэффициенту теплопередачи; - компоновка трубного пучка - расположение полученной тепловым расчетом поверхности теплообмена в приемлемой Форме корпуса конденсатора.

Тепловые расчеты поверхностных конденсаторов базируются, как правило, на эмпирических зависимостях для среднего коэффициента теплопередачи л. Д. Бермана, Г. Г. Шкловера и др. , которые обобщают результаты испытаний промышленных кондесаторов. Зарубежные Фирмы имеют аналогичные методики расчета таких аппаратов. В этих зависимостях несовершенство компоновки учитывается эмпирическими ко-

эФФиииентами, определенными статистическим путем.

Методики расчета конденсатора по зависимостям для обшего коэффициента теплопередачи достоверны только в рекомендованном диапазоне параметров пара, охлаждавшей воды, материалов .и размеров труб, слабо отражают Физические процессы, происходящие при конденсации пара и не связаны с компоновкой трубного пучка.

Коэффициент теплопередачи, определяемый по сумме термических сопротивлений (Ш1л шп, • позволяет учитывать некоторые параметры конденсатора (материал и диаметры труб, скорость и температуру охлаждающей воды) и даже косвенно в некоторой степени компоновку трубного пучка через относительный периметр набегания пара на трубный пучок, но не позволяет провести анализ работы трубного пучка, не дает рекомендаций по компоновке трубного пучка вновь создаваемого конденсатора.

характерной чертой данных методик расчета является отсутствие однозначной, связи с компоновкой трубного пучка, определив поверхность конденсации ¥ по среднему коэффициенту теплопередачи К, конструктор, руководствуясь определенными правилами, традициями, технологией, пытается разместить полученную расчетом поверхность в конденсаторе. При этом неизбежна произвольность конструкторских решений, которая на стадии проектирования не находит отражения в расчетной методике, а на практике приводит к,различной тепловой эффективности конденсаторов. Точность такого расчета невысока, поэтому приходится закладывать определенный запас в поверхность конденсации.

По рациональной компоновке трубного пучка дано много достаточно обших рекомендаций, имеющих качественный характер, которые на практике очень трудно реализовать из-за сложности тепло-

гидравлических 'процессов, требуших надежных расчетных зависимостей и большого числа итераций.

Попытки связать тепловой расчет с компоновкой пучка привели к созданию методики позонного расчета по результатам гидравлической проливки принятой компоновки лучка. Этот метод является хорошим инструментом для доводки конденсатора, т. е. выравнивания нагрузки по сечению пучка. Определяемые гидравлическим моделированием линии тока и значения скоростей паровоздушной смеси позволяют рассчитать распределение- тепловой нагрузки по сечению пучка и выявить застойные зоны. Математическое моделирование позволяет заменить трудоемкий процесс гидравлического моделирования, по также как и предыду-

ший метод является поверочным, т. к. опирается на предварительно заданную компоновку труб в пучке.

Указанные выше методики пассивно отражают имеющиеся недостатки в компоновке трубного пучка и не позволяют напрямую получить рациональное расположение труб в пучке.

Изменяя компоновку трубного пучка, можно перераспределить нагрузку по поверхности конденсапии. постепенно добиваясь равномерного ее распределения, но этого еие не достаточно, чтобы получить минимальную для заданных параметров поверхность конденсапии. Получить равномерную нагрузку по сечению птчка можно при различных скоростях пара в меггрубнои пространстве, на при этом эффективность конденсатора будет различна, т. к. скорость оказывает существенное влияние на интенсивность тепломассообмена.

Рекомендуемые в литературе значения скоростей пара в пучке имеют очень широкий диапазон <30. ..во м/с), распространяющийся на конденсаторы различного назначения (стационарные и транспортные) с • различными типами труб и параметрами охлаждающей воды. Основные соображения при определении рекомендуемого диапазона скоростей -умеренные потери давления пара и отсутствие автоколебаний труб под действием парового потока, вопрос выбора значения скорости пара для конкретных параметров пучка остается открытым. Интенсификация теплоотдачи при конденсации и снижение температурного напора по глубине пучка предполагает наличие оптимального значения скорости пара, что позволит получить минимальную для заданных параметров поверхность конденсации.

Таким образом, основными недостатками существующих методик расчёта и проектирования конденсаторов являются:

- сложность, и трудоемкость разработки рациональной компоновки " трубного пучка:

- отсутствие однозначной связи между тепловым расчетом и компоновкой трубного пучка из-за неопределенности в величине и направлен™ скорости пара:

- нет рекомендаций по выбору скорости пара в пучке с пенью достижения максимального теплосьема и опенки влияния на нее. параметров конденсатора.

В связи с этим основной задачей исследования в данной . работе является разработка научно-обоснованного подхода к проектированию трубного цучка. объединяющего тепловые и компоновочные расчеты, обеспечивающего оптимальную скорость пара и рапональную компоновку.

б

Во второй главе паны основные принципы нового подхода к проектированию трубного пучка конденсатора пара, методика расчета и описание рациональной компоновки трубного пучка опытно-промышленного конденсатора пара.

Исключить застойные зоны в пучке, повысить точность расчета и получить минимальную поверхность конденсации можно, если при проектировании выдержать три основные принципа: - поддержание постоянной скорости пара по глубине пучка; - объединение теплового и компоновочного и расчета трубного пучка в единый взаимосвязанный расчет;

- выбор оптимального значения скорости пл-а в пучке с целью достижения максимального теплосъема.

Решение этой триединой задачи в комплексе позволит создать конденсатор с минимально возможной для заданных 'параметров, поверхностью конденсации.

По мере' конденсации пара расход его уменьшается и для поддержания скорости на прежнем уровне чм.-ч^сдимо уменьиать проходное сечение пучка в соответствии с уменьшением объемного расхода пара, см. рис 1. Это позволит исключить застойные зоны в пучке и получить равномерное распределение нагрузки по сечению.

Тогда в позонный расчет можно заложить наперед заданное значение скорости пара, и в результате получить форму канала, обеспечивавшую эту скорость и соответствующие этой скорости и Форме трубного пучка тепловые характеристики. Это превращает тепловой расчет из пассивного в активный, - рекомендующий рациональное расположение труб в .пучке. Тепловой расчет трубного пучка ведется последовательно по группам труб шириной в 1..'.Ч ряда. см. рис. 1. Параметры пара на входе в 1-тую группу определяются по условиям выхода из (1-1) группы.

Расчет заканчивается, когда концентрация воздуха (6) в паровоздушной смеси (ПВС) превышает заданное предельное значение [£), которое согласовывается с характеристикой эжектора.

В результате расчета конденсатора по данной методике получаем тепловые (К, Ув, д!в)., гидродинамические (¿Рп, д Рв) и геометрические ( У - { ( X )) характеристики трубного пучка.

Аля повышения точности расчет проводится по коэффициенту теплопередачи, определенному .суммой термических сопротивлений передаче тепла от' пара к воде. Для этого необходимо иметь надежные данные по расчету коэффициентов теплоотдачи от пара к стенке е

присутствии воздуха , от стенки к воде , а также теплопроводности материала трубок и отложений на стенках.

Так как нет хорошей согласованности в расчетных зависимостях для коэффициента теплоотдачи от движущегося пара, была проведена опенка влияния^а Форму пэроеого канала. Расчета проведены по различным зависимостям при изменении коэффициента теплоотдачи от пара к стенке в диапазоне 10... 30 кВт/(м'К>. Из которого следует, что конфигурация трубного пучка слабо зависит от коэффициента теплоотдачи, т. к. интенсивность теплопередачи в значительной степени определяется коэффициентом теплоотдачи от стенки к воде , который в данном случае имел значение ~8 кВт/(м'К>.

Полученная из расчета Форма трубного пучка нетехнологична в изготовлении и неудобна при монтаже, поэтому ее необходимо разделить на отдельные участки и разместить в конденсаторе с приемлемой Формой поперечного сечения. На данной стадии проектирования возможны различные исполнения трубного пучка. Важно только, чтобы проходные сечения для пара по глубине пучка соответствовали расчетным.

Один из вариантов компоновки трубного пучка показан на рис. г. Данный вариант выполнен для вертикального пучка, т. к. его сравнительно просто удается скомпоновать, исключив зоны с встречным движением пара и конденсата. Вертикальное исполнение трубного пучка позволяет избавиться eme от двух существенных недостатков конденсаторов: - отсутствуют зоны с встречным движением пара и конденсата; - нет наливания конденсатом последующих рядов труб приводящее к снижении о(„ и дополнительному переохлаждению конденсата. Трубный пучок набран из 1638 медно-никелевых труб диаметром 16x13 мм, длиной 0. 69 м. поверхность конденсации У( мг, диаметр трубной доски 1,1 м, коэффициент заполнения п = о. 7. Номинальный расход пара в конденсатор при Рк=зо кпа и температуре охлаждающей воды на входе го°с составляет 17 т/час.

Пар входит в свободный от труб нейтральный канал, поворачивается в горизонтальной плоскости на 80° и поступает в трубный пучок. в котором перегородки и обечайка корпуса образуют сужающийся канал, поддерживающий примерно постоянную скорость пара, эта часть канала соответствует зоне i на рис. i. в районе обечайки пар поворачивает на 180' и продолжает конденсироваться в сужающемся канале, закон изменения сечения в котором приближенно соответствует зоне II. Затем пар еше раз поворачивается на 150° и поступает в

Пар <

Паро6(цдушная смесь £<€]

Рис. 1. Канал трубного пучка конаенсатора с постоянной скоростью пара.

8

90

Ж

пас 7о>

ЛВС

Рис. 2. Компоновка вертикального трубного пучка

опытного конденсатора пара. I. II. XII-номера зон пучка соответствующие рис. 1.

узкии канал постоянного сечения соответствующей зоне Iii, рис. 1.

В третьей главе приводится приближенное теоретическое обоснование выбора оптимальном скорости пара в пучке и инженерная методика ее определения.

Широкий диапазон рекомендуемых значений скоростей неприемлем для конденсаторов, построенных по принципу поддержания постоянной скорости пара по глубине пучка, так как конкретному значению скорости пара однозначно соответствуют Форма и размеры (сечение, глубина) трубного пучка.

критерием оценки скорости пара принята минимальная поверхность конденсации. До настоящего времени оценка значения скорости пара(с учетом потерь давления по глубине пучка)с целью достижения максимального теплосъема для заданных параметров не проводилась.

при конденсации движущегося пара на поверхности существует тенденция увеличения интенсивности теплоотдачи с ростом скорости пара. Но если мы имеем дело с трубным пучком глубиной более одного ряда появляется влияние гидравлического сопротивления на теплосьем последующих рядов труб. Это выражается в снижении температуры насыщения и, следовательно, температурного напора по глубине пучка. На рис. 3 приведен качественный характер изменения среднего для пучка коэффициента теплопередачи и температурного напора при увеличении скорости пара в пучке, при этом по глубине пучка скорость пара сохраняется постоянной, из рисунка видно, что несмотря на постоянное увеличение коэффициента теплопередачи с ростом скорости пара, теплосъем (R-vfc ) пучка, достигнув максимума, снижается из-за значительного снижения температурного напора, скорость пара, при которой получен максимальный теплосьем. и, следовательно, минимальная поверхность теплообмена, будет оптимальной для данных параметров трубного пучка.

для определения оптимальной скорости пара разработана приближенная Физикоматематическая модель процесса движения пара в трубном пучке конденсатора. Схема трубного пучка конденсатора пара с указанием направлений движения теплоносителей показана на рис. 4.

Отработавший в турбине пар конденсируется на наружной поверхности труб, отдавая тепло через стенку трубки охлаждающей воде, протекающей внутри труб. Паровоздушная смесь омывает трубный пучок в поперечном направлении с постоянной скоростью вдоль оси X. При конденсации расход пара изменяется от go на входе в пучок до Gotc на выходе из него. Расход неконденсирующихся газов остается посто-

янным. При движении паровоздушной смеси по пучку давление ее снижается из-за гидравлического сопротивления от Ро до Роте.

Система уравнений, приближенно описывающих станпионарное двухмерное течение конденсирующегося пара в трубном пучке вдоль оси x. с учетом принятых допущений имеет следующий вид:

¿СРг,-^) 3 х

3( Рп • ьЛ) _ г. _ п .

Ь-ст -о.

! 1 )

а р<

арт

э Ри

<?Ртр„

эч

( 3 )

Эх' Эк ' д У

где: - проекции вектора скорости пара;Ост^Як,/1"- расход

сконденсированного пара в элементарном объеме с переменной координатой У, кг/(м5о; Рп - плотность пара; Г - удельная теплота парообразования; количество тепла, выделенное при конденсации пара в единице объема- кВт/м4; - суммарное количество тепла, рас-пологаемое паром на входр в пучок. кБт/м5. Приняты следующие граничные условия:

йри х = о ♦ в = й« , у -- у„. р -- Ро ;

при X = Н » С -- С0-с , У * 0 , Р = Ротс;

( 4 ) ( 5 ) ( б )

Рассмотренная система уравнений может быть замкнута при использовании эмпирических зависимостей для расчета гидравлических потерь и коэффициентов теплоотдачи теплоносителей.

• Из-за гидравлического сопротивления пучка снижается температура насышения и температурный напор на последующих рядах труб. Изменение температуры насыщения через потери давления приближение выражается линеаризованными уравнениями:

( 7 ) ( 0 )

где: - располагаемый температурный напор между темпе-

ратурами насышения пара и охлаждавшей вода на входе в конденсатор.

Аналитическое решение этой задачи позволило получить зависимости для определения рациональной Формы трубного пучка У - ЛХ) 1 поверхности конденсации Р с учетом гидравлического сопротивлени! пучка:

1.2 1,1 1,0

0,9

к П-

А, Л С _К_

1 1 ■

__ 1

I ^ 1 Мп

Ш

опт

Рис. 3. зависимость коэффициента теплопередачи

и температурного напора от скорости пара.

б* (боте, £<57 , Роте •.

Рис. 4. Схема трубного пучка конденсатора с постоянной скоростью пара.

12 С - G no • ^ ■ L , , _ О- от с \

г - fwW.-Kb-2N-ST/Z) G-n* ' ' ' 10 '

где: Уо - ширина канала на вхояе в пучок; X - текушее значение

глубины пучка; L - длина труб; 4'= - плотность поверхности наг-

v ,

рева (поверхность нагрева в единице объема пучка), м! /мл

для упрощения задачи в первом приближении зависимостью потерь давления от глубины пучка пренебрегаем с последующим уточнением в процессе итерационных расчетов.

для определения оптимальной скорости пара поверхность конденсации выражена через скорость пара и полученная зависимость исследована на экстремум.

В результате получено выражение:

Лт _ 1_; ч'- l у ,

йЦ- =(е ■ JV^LTc~ { = О

Р1 - безразмерный комплекс.

D- -¿Ir Р" ' ^ Wjl; _L_ J_ Pnf<b2. )

KL dP? 4 Д.Р»/ VJW. S, Ku

Аналитическое решение трансцендентного уравнения ( 11 ) невозможно. а численное его решение нецелесообразно, т. к. эта задача той же сложности, что и расчет конденсатора при нескольких значениях Уп с последующим определением оптимума, смысл полученного решения в другом - из этого уравнения, представленного в безразмерном виде, въшнлены безразмерные комплексы, определяющие значение (Уп)опт' и выявлена полная функциональная связь оптимальной скорости пара с определяющим™ ее параметрами теплоносителей и геометрическими характеристиками пучка.

Дальнейшее решение задачи проводилось численным методом, по результатам расчета,при изменении теплоФизических параметров теплоносителей ( Рк , , ) и геометрии трубного пучка ( !- . 8/с/и ), построена номограмма в виде взаимозависимости трех безразмерных комплексов, см. рис. 5. Обработка результатов расчета шп> проведена в следующем диапазоне: = о, з... о. б, яти - о... 10.

Разработана инженерная методика расчета ( Уп )опг с помошью номограммы безразмерных комплексов и аналитической зависимости <Уп)опг = :Г <Р1): _____•

рГ

(Vs/n)олт ~"\/dTY Рп1 ~ 7Г

Полученное решение подтверждено численным методом.

В четвертой главе приведено описание экспериментальных стен-

дов. методики проведения теплотехнического эксперимента, автомата-

зированной системы регистрации и обработки экспериментальных данных и опенка погрешности результатов измерений.

Экспериментальная проверка ипеи и методики расчета конденсатора выполнена на стендах ПО "Калужский турбинный завод" на модели вертикального трубного пучка и на опнтно-промкиленном конденсаторе пара.

По охлаждавшей воде конденсатор и модель теплообменника выполнены одноходовыми. Равномерность раздачи воды по сечению трубного пучка обеспечивается за счет установки выравнивавшей решетки с коэффициентом сопротивления | = г и диффузора с углом раскрытия 10°. Контроль равномерности осуществлялся насадками Пито-Прандтля в 11 сечениях, отклонения от среднего значения скорости в трубах не превышали 10 г. в качестве охлаждавшей воды использовалась техническая вода оборотного водоснабжения тэц.

Для измерения локальных тепловых нагрузок по отдельным зонам трубного пучка в выходной водяной камере установлено 98 термопар. Разработана методика измерения средней температуры охлаждавшей воды на выходе из труб, имевшей неравномерный профиль температур.

В связи с большим объемом информации (118 датчиков) регистрация и обработка данных выполнена с использованием измерительновы-числительнчго комплекса "Мера - 60 -. 45 К". В процессе наладки производилась тарироЕка-датчиков совместно со всем измерительным трактом.

Диапазоны изменения параметров при испытании конденсатора приведены в таблице 1.

Таблица 1.

1 1 11 Наименование величины |Обозн. Размерность 1 Значение |

1 1 Расход пара в конденсатор | в-п т / ч 4 17 |

1 2 Плотность теплового потока \ Чгт кВт / м! 50 - 220 |

1 з Скорость воды в трубках 1 м/с 1 • 3, 5 |

1 * Температура охлаждаюшей воды 1 "Ь е ■« 'С 21 - 34 |

1 5 Относительное содержание 1 1

1 воздуха в паре на входе 1 £ 1 о... . г^ю"'!

Модель вертикального теплообменника имела трубный пучок, состоящий из 52 мельхиоровых труб 0 Юх1 мм высотой Ь = о, 7 м глубиной 15 рядов.

Сохранение постоянной скорости пара в межтрубном пространстве модели трубного пучка обеспечивалось уменьшением поперечного шага разбивки трубной доски, так расстояние между центрами труб первого ряда равнялось Б, = 15 мм, а для пятнадцатого ряда э, = 13 мм. При :>гом проходное сечение для пара уменьшилось в 1,бб раза.

Погрешность измерения коэффициента теплопередачи в конденсаторе составила г, 1

в пятой главе приводятся результаты экспериментального исследования конденсации пара в трубных пучках модели вертикального теплообменника и опытно-промышленном конденсаторе, их анализ и обобщение.

На рис. б представлены тепловые характеристики модели вертикального теплообменника при изменении тепловой нагрузьи. Скорость пара по глубине пучка сохранялась постоянной и имела значение -70 м/с. Это значит, что основное положение о сохранении скорости пара выдержано с достаточной степенью точности, и процесс конденсации проходит в соответствии с заложенными принципами.

Сохранение постоянной скорости пара в пучке обеспечивает высокие значения коэффициента теплопередачи (5. .. 3 кВт/(м'Ю). коэффициента теплоотдачи от пара (18... 21 кВт.мм'Км и равномерное распределение нагрузки по поверхности конденсации. Опытные данные хорошо совпадают с аппроксимирующей зависимостью, полученной в Урал ПТИ, для расчета теплоотдачи при конденсации водяного пара на вертикальных трубах: с 55.

ос3/о<„ -О,7-ОЙ,)0' 1 Ч 1

И. хотя экспериментальные точки выходят за пределы исследованного автораки диапозона. они могут быть описаны данной зависимостью.

При испытании опытно - промышленного конденсатора определялись локальные и интегральные тепловые характеристики трубного пучка. Были определены зависимости коэффициента теплопередачи к от нагрузки. скорости охлаждавшей воды в трубах и от дополнительного расхода воздуха в конденсатор. Также проводилось измерение сопротивления трубного пучка по ходу пара и переохлаждение конденсата.

При изменении тепловой нагрузки от во... гго квт/м! коэффициент теплопередачи составил 5, г... 5. 3 кВт/(м!К). (рис. 7, линия 1). что хорошо совпадает с расчетным значением для данной температуры охлаждающей воды (точка 3).

Скорость охлаждаюшей воды в трубах существенно влияет на коэФ-

4

2

О

о 1 ¿1 6 д 10

Ркс. 5. Диаграмма для определения комплекса Р1 Г - с*с/о<п = 0, 32; 2 - 0,458; 3 - О, 81;

4 - ои.*/с<л = 0,448, двухходовой, сплав МНЖ-5-1-1;

5 - опытный вертикальный конденсатор, <хс*/о<п = О, 335;

Р1

г N о-а в- 5

\ 3

И 2

\ 1

0

ыти

кВт/^К) 6,0

&0

4,0

К&т/См1*)

25 20 15

кВт/м1

гоо

150-

к

;-> 2«

еХп *-2

-)1-

' - (

ь

—^) .—* —- к

п

/ 3 5 7 9 и 13 15

Номер ряда

Рис. б. Тепловые характеристики модели вертикального пучка: 1 - С[т= 152 квт/мг, г - с|т = 2! 2 кВт/мг.

Фиииент трп.г.с;.средачи. Увеличение ее от 1 до 3,3 м/с повысило значение к 3,5 до ">, ~ квт/(м'ю.

: .-.яние воздух-1 на ¡еплообмен определялось на нагрузках равных 120 и 221 кВт/мг. "¡начптельное повышение концентрации воздуха в паре на входе по 25-ю^массовнй расход 26 кг/час) слабо влияет на К, уменьшая его с 5,3 по 5,1 кВт/(мгК) при -- 221 кВт/мг. и с 5,1 до 4,9 кВт/ (м! к) при • 120 квт/м' .

При этом нормируемый расход воздуха на этих нагрузках составляет 1,65 и 1.36 кг/час.

Сравнение результатов расчета коэффициента теплопередачи по Формуле Л. Л. Бермана (рис.7, линия 2) с результатом эксперимента подтверждает высокую теплотехническую эффективность рассматриваемого способа проектирования трубного пучка. Реальный коэффициент теплопередачи превышает расчитанный по Формуле Бермана в 1.4 раза.

На рис. 8 показано изменение нагрузки по глубине пучка, линиями 1 и 2 представлены расчетные зависимости при средней паровой нагрузке £)Р =322 кг(/мг час) с дополнительным расходом воздуха на входе в конденсатор бс = 5,8 кг/час (£ = т■ 10~ч> -линия 1, и без него -линия 2. Результаты эксперимента при аналогичных параметрах представлены точками 3... 5. Изменение нагрузки от з^о кг/(м;час), (точки 3) до 250 кг/(м1 час), (точки 4) не отразилось на равномерности распределения плотности теплового потока, значительное содержание воздуха в паровоздушной смеси (9 кг/час) практически не сказывается на распределении нагрузки по поверхности теплообмена (точки 5).

Еле одним доказательством в пользу преимущества предлагаемой методики яеляются характеристики, представленные на рис 9, где дано сравнение конденсаторов в координатах Рк = { ( е п ). Из рисун-. ка видно, что на номинальном режиме ( Рк = зо кПа) экспериментальный трубный пучок принимает нагрузку в 1.6 раза больше, чем существующие промышленные конденсаторы, характеристики которых представлены огибавшей по результатам промышленных испытаний, (линия 3).

В процессе эксперимента было проведено подробное измерение сопротивления Трубного пучка при поперечном обтекании вертикальных труб конденсирующимся паром и сравнение результатов эксперимента с рядом имеющихся в литературе данных. Экспериментальные данные на 13 х расположены ниже расчетной линии, построенной по зависимости для однофазной среды, и удовлетворительно совпадают с расчетной . зависимостью, полученной при поперечном обтекании трубного пучка нисходящим потоком пара, полученной на Кировском заводе.

кВт м«к 50

4.0

3.0

к - ( ■ —-

\ 2 — ■■

50 100 150 ¿00 Л«г/м*

Удельная тепловая нагрузка

Рис. 7. Тепловая характеристика вертикального

конденсатора, 1в, = 32... 35°С: 1 - экспериментальные данные; г расчет по Формуле Берман,1 л. Д. ; 3 - расчет по предложенной методике;

О 0.5 10

поверхность конденсации

Рис. в. Распределение паровой нагрузки по

глубине пучка: 1,2 - расчет по предложенной методике; 3... 5 - характеристики экспериментальных режимов.

Таким образом, проведенные испытания подтвердили основные предпосылки, заложенные в идею создания конденсатора г постоянной, оптимальной для заданных параметров, скоростью пара.

ВЫВОДЫ

1. Предложены новый подход и методика проектирования высокоэффективных конденсаторов в которых тепловой расчет напрямую связан с компоновкой трубного пучка. Разработанная методика реализована в виде комплекса программ для ЭВМ.

2. Впервые введено понятие оптимальной скорости пара по критерию минимальной поверхности теплообмена. Разработана Физическая модель конденсации пара в трубном пучке и численный метод расчета (W)0nr . Выявлена функциональная зависимость (W)Q,ir от определявших ее теплогидравлических параметров теплоносителей и геометрических характеристик пучка. Выделены безразмерные комплексы и составлена номограмма, позволяющая определить (W)onr в инженерных расчетах.

3. Основные положения нового подхода к проектированию высокоэффективных конденсаторов подтверждены экспериментально на модели вертикального пучка и опытно-промышленном конденсаторе, полученные в эксперименте коэффициенты теплопередачи в 1,35. ..1,6 раза превосходят коэФипиенты теплопередачи промышленных конденсаторов.

4. Разработана методика и выданы рекомендации по измерение средней температуры воды на выходе из труб теплообменника. Установлено, что минимальная ошибка измерения будет при удалении датчика на расстоянии ю калибров от среза трубы.

5. даны рекомендации по выбору расчетных зависимостей для определения потерь давления при поперечном омывании труб паром и коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара в пучке гладких

ТРУб.

6. проведена экспериментальная проверка возможности интенсификации теплообмена в конденсаторе с рациональной компоновкой за счет интенсификации теплообмена с водяной стороны с помощью спиральной вставки из проволоки диаметром 1,2 мм. Коэффициент теплопередачи при неизменном расходе воды увеличился на и*.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мильман О. О. , Никиточкин В. п. принципы компоновки трубного

кг м Цас

300 2 00

100

о

W 20 30 „Па

Давление конденсации

Рис. 9. Эффективность трубного пучка 1 - предельная техническая; 2 - профилированный пучок; 3 - огибаюшая по характеристикам промышленных конденсаторов; 4 - непроФилированный пучок.

пучка высокоэффективного конденсатора пара. Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах, vi II всесоюзная конференция. Ленинград. 23-25 октября 1990 г. тез. докл. ч. III. Ленинград. 1990.

С. 2 30.

2. Мильман О. 0. , Никиточкин В. П. Оптимальная скорость пара в трубном пучке высокоэффективного конденсатора. Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах. VIII всесоюзная конференция. Ленинград. 23-25 октября 1990 г. Тез. докл. ч. III. Ленинград. 1990, с. 153.

3. высокоэффективный конденсатор пара с вертикальным трубным пучком. /Мильман о. о., Никиточкин в. п. / Расчет и конструирование энергоог-орудования с конденнсапией пара: Сб. науч. тр. / ЛКИ. Л. , 1990. с. 112-131.

4. Мильман о. о. , Никиточкин В. п. Компоновка трубного, пучка конденсатора пара. - Теплоэнергетика, 1991, N5, с, 56 - 60.

Зак.Р-54. Тир.80. Уч.-изд.л.I. 27.05.92. Бесплатно. ППО "Пегас", Лоцманская, 10.