Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования путем применения технологии горизонтально

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования путем применения технологии горизонтально-трубных пленочных аппаратов

К.т.н., с.н.с. Ю.В. Путилин (Институт теплофизики УрО РАН),

К.т.н., с.н.с. В.Л. Подберезный (НПП Машпром),

К.т.н., доц. В.А. Никулин (УГТУ-УПИ)

Обеспечение эффективной работы тепло- и массообменного оборудования (испарителей, парогенераторов, конденсаторов, деаэраторов, подогревателей, охладителей) тепловых и атомных электростанций, котельных, теплопунктов промышленных предприятий и жилищно-коммунального хозяйства, особенно входящего в состав систем водоподготовки, тепло- и водоснабжения и непосредственно влияющего на качество приготовляемой воды, остается важной задачей и сегодня. Актуальность ее решения возрастает в настоящий период, характеризующийся постоянным ростом стоимости энергоносителей, аппаратуры, а также повышенным вниманием к вопросам энерго- и ресурсосбережения. Существенное повышение эффективности оборудования, обеспечивающее значительное снижение металлоемкости и энергопотребления на производство продукции, возможно в первую очередь за счет интенсификации процессов теплообмена.

Весьма перспективным в этом отношении может быть применение в теплоэнергетике технологии горизонтально-трубных пленочных аппаратов (ГТПА). Характерной особенностью их является гравитационное течение пленки жидкости по наружной поверхности горизонтальных теплообменных труб. В классическом исполнении ГТПА создавались как паро-водяные теплообменники, внутри трубных пучков которых происходит конденсация греющего пара.

Наибольшее распространение эти аппараты получили в технике термического опреснения воды. Благодаря преимуществам ГТПА, заключающимся в высокой интенсивности теплопередачи, низкой потребности в энергоресурсах, компактности, малой металлоемкости, простоте конструкции и надежности, оснащаемые ими дистиляционные опреснительные установки признаны соответствующими международными организациями наиболее перспективными в настоящее время [1]. Причем ГТПА используются не только в качестве испарителей - основного оборудования таких установок, но и как конденсаторы и деаэраторы.

Накопленный в этой отрасли опыт, в том числе и российский, показывает, что применение технологии ГТПА в различном теплоэнергетическом оборудовании позволит повысить тепловую эффективность аппаратов, использующих в качестве теплоносителя водяной пар, примерно в 2 раза по сравнению с традиционными конструкциями. В последних, как правило, реализуется конденсация пара на наружной поверхности длиннотрубных горизонтальных или вертикальных пучков и принудительное течение жидкости внутри труб.

Физической основой происходящей в ГТПА интенсификации теплопередачи является перенос процесса из области стабилизированного теплообмена в начальный участок формирования пограничного слоя, что обеспечивается малой протяженностью поверхности (половина периметра горизонтальной трубы) в направлении движения рабочих сред. Эта модель реализуется также и при поперечном обтекании горизонтальных труб сплошным потоком жидкости, хотя интенсивность процесса теплообмена несколько ниже, чем при пленочном течении среды. Поэтому в тех случаях, когда обеспечение разрыва потока теплоносителя для организации пленочного режима течения жидкости оказывается проблематичным (например, при реконструкции действующего оборудования), целесообразно использование схемы поперечного обтекания труб потоком жидкости.

Заметим, что в ГТПА фактором интенсификации теплоотдачи со стороны конденсации является также сокращение общего термического сопротивления ламинарной пленки конденсата из-за уменьшения ее средней толщины по сравнению с таковой на длинных вертикальных трубах или на горизонтальных пучках труб (когда толщина пленки возрастает от верхнего ряда труб к нижнему). При этом величина коэффициента теплоотдачи для водяного пара может достигать значений 20-25 кВт/(м2·К), что намного превышает таковые в конденсаторах, сетевых и регенеративных (низкого давления) подогревателях паротурбинных установок, где, согласно [2], именно конденсационная стадия процесса теплопереноса является в большинстве случаев лимитирующей.

В качестве примера целесообразности применения предлагаемой технологии может служить выполненная в УГТУ-УПИ проработка варианта модернизации регенеративного тракта турбоустановки К-200/130 энергоблока с реактором БН-600. За счет повышения интенсивности теплопередачи в 1,4 - 2,1 раза обеспечивается:

сокращение недогревов питательной воды в 1,7 раза;

увеличение электрической мощности на одну турбоустановку на 612 кВт;

дополнительная выработка электроэнергии энергоблоком на 11000МВт·ч/год;

сокращение расхода ядерного топлива на 11,5 кг/год (0,3%).

При этом модернизированный подогреватель имеет гидравлическое сопротивление по воде в 10 раз меньше, чем установленный, а также меньшую поверхность теплообмена (300м2 против 350м2), металлоемкость (в 1,4 раза) и габаритные размеры.

Особенно перспективно использование ГТПА в качестве испарителей и конденсаторов тепловых насосов (ТН), находящих сегодня все большее применение в системах теплоснабжения России. Как в отечественных, так и в зарубежных ТН применяются недостаточно эффективные схемы проведения процессов теплопереноса -- кипение хладагента (как правило, фреона) на поверхности затопленных трубных пучков испарителя (в большем объеме) и конденсация его паров на наружной поверхности труб конденсатора. При этом в испарителе необходимо обеспечивать значительный перегрев жидкости у стенки для создания режима пузырькового кипения хладагента. Для интенсификации парообразования применяются трубы с металлическим пористым покрытием, технология изготовления которых сложна и дорогостоящая. Это во многом определяет высокую стоимость ТН в целом и ограничивает их распространение.

Применение технологии ГТПА в оборудовании ТН позволит улучшить массогабаритные и ценовые характеристики оборудования, повысить его компактность. Кроме того, данная технология обеспечит работу испарителей с высокой интенсивностью теплообмена даже при малых температурных напорах, то есть в режиме испарения с поверхности пленки хладагента без развития пузырькового кипения. Величина коэффициента теплоотдачи при этом в 2-4 раза выше, чем при кипении в большем объеме на гладких трубах и соизмерима с интенсивностью теплоотдачи при кипении на трубах с металлической капиллярно-пористой структурой. Существенным положительным фактором является сокращение общего количества хладагента, находящегося в ТН, по сравнению с аппаратами с затопленными трубными пучками. тепловой атомный подогреватель

Технология ГТПА обладает преимуществом и для однофазных теплообменников "жидкость-жидкость", поскольку сохраняются принципы организации движения среды в межтрубном пространстве, обеспечивающие реализацию модели теплообмена на начальном участке. Такие аппараты с успехом могут быть применены, например, в схемах отопления и горячего водоснабжения (ГВС) вместо секционных "скоростных" подогревателей или недостаточно надежных в эксплуатации пластинчатых теплообменников, а также в системах водяного охлаждении электротехнического оборудования (в частности, тиристорных преобразователей) и в других случаях.

Наиболее широко применяемые в этих схемах теплообменники типовой конструкции представляют собой кожухотрубные аппараты с 1-2 ходами по трубному пространству и продольным омыванием, которое, как известно, уступает по эффективности поперечному, длинного трубного пучка в межтрубном пространстве. Интенсивность теплообмена в них невысока -- значения коэффициента теплопередачи в водо-водяных аппаратах составляет около 1000 Вт/(м2·К). Хотя такие теплообменники разработаны достаточно давно, например, секционные одноходовые подогреватели типа ПВ по ГОСТ 27590-88 для систем теплоснабжения - более 40 лет тому назад (Госстроем СССР), подобные аппараты производятся и сейчас.

Модернизация этих теплообменников, предлагаемая некоторыми предприятиями на основе разработанных НПО ЦКТИ (г.С-Петербург) подогревателей ПВРУ и ПВМР заключается в организации нескольких (от 2 до 6) ходов по трубному пространству и установке по длине аппарата поперечных перегородок в межтрубном пространстве, обеспечивающих обтекание пучка, приближающееся в определенной мере к поперечному. Однако при этом не удается обеспечить согласования направлений движения теплоносителей для реализации принципа противотока, что приводит к снижению температурного напора процесса теплообмена, и, как следствие, к необходимости увеличения теплообменной поверхности.

Известны также предложения по использованию в таких подогревателях профилированных теплообменных труб (накатанных и оребренных проволокой), например разработка "Промэнерго" (г.Москва). Пока сколь-либо широкого практического внедрения это направление не получило, так как не затрагивает принципиальных изменений в конструктивно-технологической схеме теплообменника, которая соответствует принятой в аппаратах по ГОСТ 27590-88.

Применение же в типовых условиях эксплуатации российских систем теплоснабжения широко рекламируемых в последние годы пластинчатых теплообменников является, по нашему мнению, не вполне обоснованным, несмотря на то, что по тепловым показателям (величина коэффициентов теплопередачи достигает 2000-3000 Вт/(м2·К)) и массогабаритным характеристикам они имеют значительные преимущества перед секционными "ГОСТовскими" подогревателями. Главную проблему создают предъявляемые аппаратами данного типа повышенные требования к чистоте теплоносителей, что обусловлено малыми проходными сечениями каналов между пластинами. Поэтому необходима качественная постоянная фильтрация загрязненных (как правило) рабочих сред систем отопления и ГВС, а также проведение периодической очистки теплообменных поверхностей пластин от отложений взвесей, неулавливаемых фильтрами, и от накипи, образующейся в процессе эксплуатации. Очистка пластин сопряжена с многократными в течение срока службы разборками и сборками аппаратов - достаточно трудоемкими операциями из-за большого количества разъемных соединений, особенно в теплообменниках с клеевыми прокладками.

Кроме того, следует отметить, что для профилированных теплообменных поверхностей пластин высокая интенсивность теплопередачи при приемлемом уровне гидравлического сопротивления достигается в достаточно узком диапазоне изменения расходов (скоростей) рабочих сред, для которого и оптимизирована конкретная форма профиля. А поскольку для условий работы систем теплоснабжения характерна значительная неравномерность тепловых нагрузок и расходов теплоносителей (в течение суток, сезона), могут возникнуть проблемы с обеспечением номинальных теплотехнических показателей подогревателей.

Вывод о нецелесообразности применения аппаратов пластинчатого типа даже в системах индивидуального теплоснабжения подтверждают приведенные в [3] технико-экономические оценки ряда отечественных и зарубежных организаций, показывающие, что как их стоимость, так и эксплуатационные затраты значительно превышают аналогичные статьи расходов для кожухотрубных подогревателей той же тепловой мощности. Согласно этим оценкам такие теплообменники могут успешно использоваться только в системах со стабильными режимами и чистыми средами.

Данное состояние вопроса выдвигает задачу разработки водо-водяных аппаратов, не уступающих по тепловой эффективности пластинчатым теплообменникам, но не имеющих присущих последним недостатков. Предлагаются новые теплообменники кожухотрубного типа, с тем отличием, что в трубном пространстве, разделенном на несколько (4-12) ходов, движется греющая или нагреваемая вода. В межтрубном пространстве так же, как и в паро-водяных аппаратах, осуществляется чисто поперечное обтекание горизонтального трубного пучка пленкой или сплошным потоком жидкости. Такая конструкция, наряду с ее простотой, позволяет получить достаточные для достижения высокой тепловой эффективности значения скорости движения теплоносителей.

Компоновка ходов обеспечивает согласование направлений движения рабочих сред по трубному и межтрубному пространствам для реализации принципа противотока, при котором, как известно, достигается максимальное значение температурного напора по всей поверхности теплообмена.

На основании накопленного опыта создания теплообменного оборудования на базе ГТПА для системы теплоснабжения разработаны принципиальные технологические схемы и основные конструктивные решения подогревателей обоих описанных выше типов (пленочных и "поточных") различной тепловой мощности (0,1 -1,0 Гкал/ч) и исполнения.

В таких теплообменниках по сравнению с типовыми достигается:

улучшение теплотехнических, массогабаритных и стоимостных характеристик оборудования;

существенное (не менее, чем в 10 раз) уменьшение гидравлического сопротивления по межтрубному пространству в "поточных" аппаратах, либо полное отсутствие такового в пленочных теплообменниках;

снижение энерго- и ресурсопотребления;

повышение эксплуатационной надежности из-за меньшей склонности к образованию отложений и накипи;

упрощение изготовления, обслуживания и ремонта.

Так, предлагаемые аппараты по отношению к кожухотрубным секционным подогревателям по ГОСТ 27590-88 имеют значительное преимущество как по требуемой площади поверхности теплообмена (в 1,5 - 2 раза), так и по массе (в 2 - 4 раза). Они в целом соответствуют пластинчатым теплообменникам по интенсивности теплопередачи, но имеют при этом лучшие гидравлические и массогабаритные показатели и более высокую эксплуатационную надежность.

Причем пленочные теплообменники по всем основным характеристикам обладают преимуществом перед "поточными" (в среднем в 1,4-1,5 раза). В этих аппаратах достигается также упрощение конструкции и снижение металлоемкости ввиду отсутствия необходимости укрепления корпуса по межтрубному пространству, поскольку в нем нет избыточного давления. Их и рекомендуется использовать во всех случаях, когда возможна организация пленочного режима течения теплоносителя.

Кроме того, наличие в подогревателях данного типа развитой свободной поверхности стекающей пленки жидкости обеспечивает возможность высокоэффективной деаэрации, что недостижимо в теплообменниках других типов (включая пластинчатые) и особенно актуально для оборудования систем ГВС, работающего на сырой водопроводной воде в условиях ускоренной коррозии всех элементов этих систем.

Такие однофазные теплообменники могут применяться не только в качестве водо-водяных аппаратов, но и для других теплоносителей. Особенно перспективно их использование в качестве маслоохладителей, широко применяемых в системах маслоснабжения паровых турбин, трансформаторных и компрессорных установках, технологических системах охлаждения различного оборудования и т.д. Стандартная конструкция серийных маслоохладителей отличается большой сложностью и трудоемкостью изготовления из-за значительного количества перегородок типа "диск-кольцо" или сегментных в межтрубном пространстве аппарата и жестких требований к обеспечению определенной величины зазоров между перегородками и поверхностью корпуса. Холостые протечки масла через зазоры существенно снижают тепловую эффективность этих охладителей, которая и так невысока - номинальные значения коэффициента теплопередачи для большинства гладкотрубных модификаций не превышают величины 200 Вт/(м2·К) [4].

Выполненное сопоставление основных расчетных характеристик маслоохладителей предлагаемых типов (для двух вариантов поперечного обтекания трубного пучка - пленкой или сплошным потоком масла) и серийного маслоохладителя МО-10 производства Калужского турбинного завода показало существенные преимущества новых аппаратов. Так, достигаемая в них интенсивность теплопередачи не менее, чем вдвое превышает ее уровень в МО-10 (для пленочного охладителя расчетное значение коэффициента теплопередачи составляет 500 Вт/(м2·К), для "поточного" - 450 Вт/(м2·К), а металлоемкость их меньше в 2-2,5 раза.

Маслоохладители пленочного типа, кроме того, характеризуются простотой включения их в схему маслоснабжения путем монтажа над сборным масляным баком, либо непосредственно в нем, а также повышенной экологической безопасностью ввиду невозможности протечек масла в тракт охлаждающей воды (трубное пространство аппарата, находящееся при работе оборудования под избыточным давлением), а следовательно, в природные источники водоснабжения. В серийных же маслоохладителях проблема герметизации масляного тракта экономически оправданными методами не решена до сих пор и на современном этапе привлекает особое внимание [5].

Следует также обратить внимание на отработанную концепцию конструирования горизонтально-трубных аппаратов (различного назначения) в виде плоскостенных теплообменников, что обеспечивает рациональную организацию движения рабочих сред, отсутствие "мертвых" зон в межтрубном пространстве, компактность и возможность простой компоновки в блоки необходимой тепловой мощности из отдельных модулей определенного типоразмера.

Целесообразность использования технологии ГТПА при создании нового оборудования и реконструкции действующего еще более увеличивается благодаря недавно разработанному методу интенсификации теплообмена при течении пленки жидкости по горизонтальным орошаемым трубам. Применительно к таким аппаратам он не имеет аналогов и основан на использовании определенного типа профилирования наружной поверхности труб, параметры которого обеспечивают интенсификацию теплоотдачи от стенки к пленке жидкости в 1,4-1,9 раза [6].

Испытания головных образцов пленочных маслоохладителей и подогревателей-деаэраторов, разработанных и изготовленных НПП Машпром, полностью подтвердили верность изложенных в данной статье положений.

Литература

1. Technical and economical evaluation of potable water production through desalinaton of seawater by using nuclear energy and other means // IAEA - TECDOC - 666, Vienna. 1992.

2. Ю.М. Бродов, А.Ю. Рябчиков, К.Э. Арансон. Перспективные разработки по интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах // Труды Второй Российской конференции по теплообмену. М., МЭИ, 1998. Т.6. С.54-57.

3. В.А. Пермяков, К.В. Пермяков, А.Н. Якименко. Выбор типа водо-водяных подогревателей для систем теплоснабжения // Тяжелое машиностроение. 2000. №3. С.37-40.

4. Маслоохладители в системах маслоснабжения паровых турбин. Учебное пособие / Ю.М. Бродов, К.Э. Арансон, А.Ю. Рябчиков. Екатеринбург: УГТУ, 1996, 103с.

5. Б.М. Трояновский, Л.Д. Трухний. Улучшение экологических показателей электростанций путем совершенствования турбинного оборудования // Тяжелое машиностроение. 1996. № 1. С.19 - 26.

6. Ю.В. Путилин, В.Л. Подберезный. Разработка метода интенсификации конвективного теплообмена в горизонтально-трубных пленочных аппаратах // Тепломассообмен ММФ - 2000: Материалы IV Минского международного форума. Минск, 2000. Т. 10. С. 142 - 150.

Размещено на Allbest.ru