Теплообменники с двумя фазовыми переходами (испарителиконденсаторы) и возможность их применения на ТЭЦ для конденсации основного пара турбоустановок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теплообменники с двумя фазовыми переходами (испарителиконденсаторы) и возможность их применения на ТЭЦ для конденсации основного пара турбоустановок

Рахматуллина М.Р., Антипов В.Н.

В статье рассматриваются процессы передачи тепла в теплообменниках с двумя фазовыми переходами и их особенности. Приведены условия протекания теплообмена и рабочие среды в испарителях-конденсаторах. Рассмотрена принципиальная возможность применения испарителейконденсаторов для конденсации основного пара турбоустановок ТЭЦ. Приведены возможные схемы процесса, схема термосифонного теплообменника и возможные рабочие среды в нем.

Ключевые слова: испаритель-конденсатор, термосифон, теплообменник, ТЭЦ. теплообмен конденсатор испаритель

The processes of heat transfer in heat exchangers with two-phase transitions and their features is considered in the article. The conditions of heat flow and working fluid in evaporator-condensers is described. The possibility of applying the principle of evaporator-condensers for condensation CHP turbine main steam is considered. The possible scheme of the process, the thermosiphon heat exchanger circuit and possible working environment in it is showed.

Keywords: evaporator-condenser, thermosiphon, heat exchanger, CHP.

Процессы передачи тепла в теплообменниках, в том числе на ТЭЦ, осуществляются как без фазовых переходов, так и с одним фазовым переходом.

На рисунке 1 (а) в Q, t-координатах показан процесс в теплообменнике при кипении одной из сред (пример для ТЭЦ - экранные трубы котлов + пароперегреватель). На рисунке 1 (б) показан процесс в теплообменнике при конденсации нагревающей среды (пример для ТЭЦ - ПНД, ПВД, конденсаторы паровых турбин). На рисунке 1 показаны следующие процессы: 2а-3а и 2б-3б обозначают фазовый переход, 1а-2а - нагрев жидкости, 3а-4а - перегрев пара, 1б-4б - охлаждение пара, 3б-4б - переохлаждение конденсата.

а) б)

Рисунок 1 - Q, t-диаграммы для теплообменников с одним фазовым переходом

Совместив на Q, t-диаграмме линии для кипения и конденсации сред получим диаграмму для теплообменника, называемого испаритель-конденсатор (рисунок 2).

Рисунок 2 - Q, t-диаграмма для теплообменника с двумя фазовыми переходами

Главным условием для протекания процессов в испарителе-конденсаторе является отсутствие пересечения линий для греющей и нагревающей среды (второй закон термодинамики). Фактически это означает, что температуры фазового перехода двух сред должны быть различны и их разница (Дtфп) должна обеспечивать процесс теплообмена по всей площади теплообменной поверхности.

Отметим, что наличие линий 1а-2а, 1б-2б, 3а-4а, 3б-4б не является обязательным и процессы, которые они описывают, могут, как присутствовать, так и отсутствовать в каждом конкретном теплообменнике.

Суммируя вышесказанное, можно сделать вывод, что греющая и нагреваемая среда должны быть различны, однако это необязательно. Покажем это на примере воды. Как видно из таблицы 1, температура фазового перехода для воды изменяется значительно при изменении давления, следовательно, в двух контурах испарителя-конденсатора могут быть две одинаковых среды с разным давлением.

Таблица 1 - Зависимость температуры фазового перехода (температуры насыщения) воды от давления [1].

Кроме того, в качестве сред могут выступать различные смеси жидкостей (или их паров) с различным процентным содержанием компонентов, варьирование которого позволит более точно подобрать температуру фазового перехода для требуемых условий.

Применение теплообменника такого типа на ТЭЦ видится в первую очередь для конденсации пара, отработавшего в паровой турбине.

Рассмотрим два варианта реализации теплообменного устройства для конденсации пара.

Первый вариант представлен на рисунке 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 - Вариант схемы паротурбинной установки с испарителем-конденсатором (1-ЦВД паровой турбины, 2-ЦНД паровой турбины, 3-электрогенератор, 4-испарительконденсатор, 5-конденсатный насос, 6-ПНД, 7-деаэратор, 8-питательный насос, 9-ПВД, 10парогенератор, 11-пароперегреватель, 12-дроссельный клапан, 13-бассейн охладитель, 14погружной конденсатор, 15-насос)

В данной работе остановимся лишь на описании работы конденсационной установки.

Основной пар, отработавший в цилиндре низкого давления 2, поступает в теплообменникконденсатор 4, где конденсируется, отдавая тепло охлаждающей жидкости, которая в свою очередь испаряется, проходит через дроссельный клапан для регулирования рабочего процесса при изменении нагрузки паротурбинной установки 12, поступает в погружной конденсатор 14, находящийся в бассейне-охладителе 13, конденсируется и насосом 15 возвращается в теплообменник-конденсатор 4.

Среду, испарившуюся в результате конденсации пара в испарителе-конденсаторе, будем называть промежуточной средой. Промежуточная среда участвует в прямом цикле, без выработки полезной работы, ее конденсация происходит в отдельном погружном конденсаторе, который может находиться непосредственно в водоеме, находящемся рядом в ТЭЦ [1].

Второй вариант схемы турбоустановки представлен на рисунке 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 - Вариант схемы паротурбинной установки с испарителем-конденсатором (1-ЦВД паровой турбины, 2-ЦНД паровой турбины, 3-электрогенератор, 4-испаритель-конденсатор, 5-конденсатный насос, 6-ПНД, 7-деаэратор, 8-питательный насос, 9-ПВД, 10-парогенератор, 11-пароперегреватель, 12-термосифон, 13бассейн охладитель)

Основной пар, отработавший в цилиндре низкого давления 2, поступает в конденсатортеплообменник 4, где конденсируется, отдавая тепло охлаждающей жидкости, находящейся в нижней части термосифона 12. Охлаждающая жидкость в нижней части термосифона 12 испаряется, далее, за счет естественной конвекции, пар охлаждающей жидкости поднимается в термосифоне 12 до его верхней охлаждаемой части, которая находится в охлаждаемой части конденсационной установки 13, конденсируется и под действием силы тяжести опускается в нижнюю часть термосифона 12.

Схема имеет то преимущество, что движение промежуточной среды происходит в термосифоне под действием естественных сил и без затрат энергии.

Также преимуществом использования описанных схем является снижение габаритов конденсатора, затрат на циркуляцию промежуточной среды, ввиду снижения его количества. А также другие преимущества, проявляемые при различных вариантах охлаждающего тела в бассейне-охладителе.

Следует отметить, что в данных схемах не предлагается использование образовавшихся паров в циклах каких-либо тепловых насосов. Расчеты для абсорбционного бромисто-литиевого теплового насоса, использующего теплоты циркуляционной воды конденсатора показали незначительный прирост электрической мощности турбоустановки [2].

Рассмотрим более подробно термосифонный теплообменник, так как он подразумевает большие возможные преимущества при его использовании в контуре ТЭЦ.

Простейшая схема термосифонного теплообменника показана на рисунке 5 [3].

Рисунок 5 - Простейшая схема термосифонного теплообменника

Горячим теплоносителем в термосифонном теплообменнике является пар из выхлопа паровой турбины. Промежуточный теплоноситель может быть различным, в частности это может быть вода. В термосифонных трубках возможно применение системы, создающей переменное давление [3]. Это позволит регулировать режимы работы теплообменника при различной нагрузке паровой турбины.

В охлаждаемой части термосифонного теплообменника возможны следующие варианты сред:

-воздух;

-воздухо-водяной дисперсоид; -вода.

Остановимся подробнее на каждом варианте.

Воздух обладает наименьшим коэффициентом теплоотдачи, а, соответственно, необходимо большое его количество, некоторую часть из которого можно использовать для горения в топке паровых котлов.

Воздухо-водяной дисперсоид обладает большим коэффициентом теплоотдачи, а значит большая часть теплоты может использоваться в топке парового котла, часть влаги, не осевшей на трубках в холодной части теплообменника будет положительно сказываться на горении в топке, уменьшая содержание NOx в уходящих газах [4].

Вода обладает наибольшим коэффициентом теплоотдачи и ее также можно полезно использовать в цикле ТЭЦ. Например, часть воды для целей подпитки может предварительно подогреваться в термосифонном теплообменнике.

Таким образом, использование испарителей-конденсаторов в цикле ТЭЦ не только снижает затраты на циркуляцию охлаждающей жидкости и габариты теплообменника, но и позволяет использовать в зависимости от схемы реализации долю теплоты, которая в классической схеме терялась в окружающую среду [5].

Тем не менее, требуются более детальные расчеты для каждой конкретной схемы реализации работы ТЭЦ.

Список литературы

1. Александров, А. А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник / А. А. Александров, Б. А. Григорьев .-- М. : МЭИ, 2003 .

2. Ганеев Р.Ш., Бакиров Ф.Г. Сравнение показателей работы ТЭЦ на базе турбоустановки ПТ135-130 с тепловым насосом для утилизации теплоты циркуляционной воды конденсатора и без него: Сборник материалов докладов Национального конгресса по энергетике, 8-12 сентября 2014 г.: в 5 т. Т. 2. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2014.

3. Безродный М.К., Пиоро И.Л., Костюк Т.О. Процессы переноса в двухфазных термосифонных системах. Теория и практика. - 2-е издание, дополненное и переработанное. - Киев: Факт, 2005.

4. Рекомендации по снижению вредных выбросов на ТЭС в атмосферу. - М: СПО Союзтехэнэрго, 1990.

5. Ганеев Р.Ш., Комаров А.В., Самигуллина Э.Н. Воздушно-конденсационные установки ТЭЦ и возможность их модернизации с использованием конденсаторов-испарителей: Мавлютовские чтения: Материалы IX Всероссийской молодежной научной конференции: В 3 т. Т. 1 / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, 2015. с. 374.

Размещено на Allbest.ru