КОНДЕНСАТОР-РЕКУПЕРАТОР ПАРОВОЙ МИКРОТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована для паровых теплоэлектростанций (ТЭС) малой мощности с утилизацией попутного тепла для хозяйственных нужд индивидуальных потребителей и фермерских хозяйств, отдаленных от централизованного электро- и теплоснабжения.
Известен поверхностный конденсатор (патент РФ №2306512), использующийся для конденсации пара в крупногабаритных высоконагруженных паровых турбинах, состоящий из коробчатого корпуса с плоскими стенками, трубных пучков системы охлаждения и конденсации пара, расположенных вертикально навстречу потоку пара, а также в каждом трубном пучке, симметрично в верхней и нижней его частях, со стороны выхода из турбины и со стороны днища конденсатора выполнены вертикальные каналы для прохода пара.
Недостатками данного конденсатора являются:
- применение конденсатора только в паровых турбинах большой мощности;
- для эффективной работы конденсатора необходим постоянный высокий расход отработавшего пара;
- габариты и высокая производительность конденсатора делает невозможным его применение для небольших микротурбин, использующихся в бытовом теплоснабжении.
Из техники известен конденсатор пара с воздушным охлаждением и защитой от заледенения конденсата (патент РФ №2329447), содержащий турбинный теплообменный пучок (трубные поверхности охлаждения конденсата) с верхним парораспределительным коллектором (кольцевая распределительная решетка) и нижним коллектором для сбора конденсата, а также средство предотвращения заледенения конденсата в холодное время года, выполненного в виде двух защитных полукоробов (основной и внутренний тонкостенный корпус), ограждающего опасную, по условию заледенения конденсата, часть теплообменного пучка.
Недостатками данного конденсатора пара являются:
- конденсация отработавшего пара осуществляется охлаждающим воздухом, что существенно снижает теплообмен в агрегате в сравнении с применением охлаждающей воды;
- для подачи охлаждающего воздуха в верхний и нижний отсеки используются отдельные регулирующие устройства, что усложняет конструкцию;
- сложность изготовления и сборки конденсатора.
Известен конденсатор влажно-паровой турбины, прототип (патент РФ №2522633), состоящий из основного и внутреннего корпусов, кольцевой распределительной решетки, трубных поверхностей охлаждения конденсата, коллектора подвода и отвода охлаждающей воды. Коллекторы подвода и отвода охлаждающей воды выполнены в виде труб большего диаметра, чем трубные поверхности охлаждения конденсата. Трубные поверхности охлаждения конденсата выполнены в виде спирально накрученных трубок-змеевиков, закручиваемых к центру в одной горизонтальной плоскости и раскручиваемой в другой горизонтальной плоскости.
Недостатки прототипа:
1. Низкая производительность конденсатора вследствие:
- не эффективного использования объема проходящей охлаждающей воды, определяемой сечением трубок и количеством контуров, не контролируемое соотношение суммарного сечения подводящей охлаждающей воды к суммарному эффективному сечению проходящего через конденсатор пара и эффективной длинной пробега смешанных струй пара и сконденсированной в виде капель жидкости в лабиринтах трубок-змеевиков (парогидравлического сопротивления конденсатора);
- затруднение теплообмена на границе фаз пара и сконденсированной жидкости из-за толстого слоя конденсата, удерживаемого силами сцепления молекул воды с поверхностью трубок за счет смачиваемости, т.к. температура на границе фаз жидкость-пар равна точке выпадения росы, что затрудняет процесс дальнейшей конденсации;
- капли конденсата хаотично капают с витка на виток змеевика и охлаждаются, что для идеального конденсатора не требуется, т.к. конденсатор должен только конденсировать влагу из паровой фазы, а не затрачивать холод на охлаждение конденсата;
2. Создание вакуума эжектором в проточной зоне паровой турбины или в теле самого конденсатора вызовет откачку пара до его конденсации, нарушив эффективную работу конденсатора, за счет изменения направления потоков движения пара;
3. Низкая эффективность распределительной решетки.
4. Сложность и громоздкость конденсатора, не ремонтопригодность устройства, сложность очистки от накипи и сборки оборудования.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности конденсатора-рекуператора при упрощении его конструкции.
Технический результат предлагаемого устройства достигается за счет того, что конденсатор-рекуператор паровой микротурбины вертикального исполнения содержит основной и внутренний корпус, распределительную решетку, конденсаторные трубки и патрубки подвода и отвода охлаждающей воды, согласно полезной модели в корпус установлен герметичный котел конденсатор-рекуператор, наружная поверхность которого является внутренним корпусом, в днище котла установлен патрубок подвода охлаждающей воды, в крышке котла установлен патрубок отвода охлаждающей воды, при этом конденсаторные трубки установлены вертикально и герметично вмонтированы в днище и крышку котла таким образом, что их внутренняя часть связана с проточной частью турбины и конденсатосборником, а наружная часть омывается охлаждающей водой. У входа в котел у днища установлена распределительная решетка, а другая распределительная решетка установлена внутри котла у его выхода. Внутренняя и наружная поверхность конденсатных трубок имеет капилляры.
Указанный результат достигается новой конструкцией котла конденсатора-рекуператора для случая попутного направлении пара из проточной зоны, в котором встречный поток охлаждающей воды за счет использования входных и выходных распределительных решеток движется квазиламинарно навстречу движению отработанного потока пара, обеспечивая равномерность омовения наружных поверхностей конденсатных трубок и поддержание постоянного градиента температур охлаждающей жидкости от днища котла к его верхней части, увеличением эффективной внутренней и наружной поверхности конденсатных трубок за счет формирования капиллярной структуры их поверхности, расположенных в шахматном порядке и, за счет этого, уменьшения толщины конденсатных трубок, а, следовательно, уменьшения абсолютного теплового сопротивления стенок конденсаторных трубок, оптимизации диаметра конденсатных трубок с целью увеличения эффективной их поверхности в единице площади поперечного сечения котла конденсатора-рекуператора при сохранении эффективного парогидравлического сопротивления. Кроме того, вертикальная капиллярность обеспечит эффективный теплосъем с конденсатных трубок и их охлаждение при омовении движущейся вдоль конденсатных трубок охлаждающей воды, а капилляры на внутренней поверхности конденсатных труб будут затягивать сконденсированную на поверхности жидкость за счет капиллярного эффекта, утончая пленку жидкости и освобождая поверхность для конденсации новых порций поступающего пара. На заполненные конденсатом конденсаторные трубки начнут суммарно действовать силы тяжести (гравитационные силы), капиллярные силы в продольном направлении и попутные силы смещения слоев сконденсированной жидкости за счет эффекта эжекции на границе фаз жидкость-пар, преодолевающие силы притяжения молекул воды к смачиваемой поверхности металла, а все более свисающие капли жидкости внизу конденсатных трубок, в конце концов, стимулируют возникновение непрерывно текущих струек конденсата, стекающих на дно конденсатосборника, тем самым освобождая капилляры для стягивания новых порций сконденсированной влаги. Создаваемый отсосом конденсата и термокомпрессором (эжектором) несконденсированного пара вакуум в конденсатосборнике ускорит засасывание и продвижение отработанного, но еще не сконденсированного пара в конденсатных трубках за счет создаваемого в них направленного разряжения. Отработанный пар, сконденсированный на стенках корпуса проточной части турбины будет стекать в конденсатосборник через зазоры между наружной стенкой котла конденсатора-рекуператора и внутренней поверхностью корпуса паровой турбины, а в случае герметичного исполнения через периферийные трубки конденсатоотводчики, смонтированные вровень с верхней поверхностью котла первым периферийным рядом.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлен продольный разрез конденсатора-рекуператора с привязкой к части паровой микротурбины вертикального расположения; на фиг. 2 представлен поперечный разрез конденсатора-рекуператора в зоне установки котла, вид А; на фиг. 3 представлен поперечный разрез конденсатной трубки, вид. В.
Конденсатор-рекуператор, фиг. 1 содержит сборный корпус 1 с фланцами 2, установленный на станине 3 с лапами 4 и закрепленный посредством анкерных болтов к горизонтальному фундаменту 5. На станину 3 установлена через болтовое соединение силовая опора 6. На кольцевую полку 7, приваренную к опоре 6, и кольцевой фланец 8 зоны конденсатосборника установлен котел 9, имеющий подводящий в днище и отводящий в крышке котла патрубки охлаждающей воды 10 и 11 соответственно. Внутри котла 9 на входе и выходе установлены распределительные решетки 12 и 15 для равномерного распределения охлаждающей воды вдоль конденсатных трубок 16, 17. Позицией 13 на фиг. 1 обозначен конденсат, 14 - не сконденсировавшийся пар.
Все соединения в котле 9 выполнены пайкой высокотемпературным оловянно-серебряным припоем для обеспечения прочности и герметичности при работе в режиме повышенной температуры и давлении.
В проточной зоне 18 микротурбины (показана условно на фиг. 1) установлена охлаждающая рубашка 19, позволяющая сконденсированной жидкости 20 стекать по внутренним стенкам корпуса 1 в направлении конденсатных трубок 17 и далее по ним в конденсатосборник 21. Отвод конденсата производится через патрубок 22 в станине 3. Для создания вакуума в зоне конденсатосборника 21 в верхней его части установлен патрубок 23 для откачки вторичного использования несконденсированного пара.
На фиг. 2 представлен поперечный разрез конденсатора-рекуператора в зоне установки котла 9, где видна перфорированная распределительная решетка 15, паровые конденсатные трубки 16, сливные конденсатные трубки 17, днище котла конденсатора-утилизатора 24, подводящий патрубок охлаждающей воды 10, крепежное отверстие во фланце 25. Конденсатная трубка 16 (фиг. 3, вид. В) содержит капилляры 26 для сбора конденсата и увеличения эффективной охлаждаемой поверхности конденсации, капилляры 27 для увеличения эффективной омываемой поверхности охладителем, поверхность конденсации 28, полость трубы 29 для прохождения пара, омываемая водой поверхность 30.
Конденсатор-рекуператор паровой микротурбины работает следующим образом. Отработанный пар, максимально израсходовав кинетическую энергию на вращение подвижной части турбины под давлением направляется из проточной части в сторону пониженного давления к котлу 9. Часть пара, успевшая сконденсироваться на охлаждаемой поверхности корпуса проточной части, будет стекать по стенкам в сторону котла 9 и по зазорам, образованным внешней стенкой котла 9 и внутренней поверхностью корпуса 1, попадет в конденсатосборник 21, находящийся в нижней части ТЭС, а в случае герметичного исполнения, стечет по периферийным конденсатным трубкам, смонтированным вровень с верхней частью котла. Неоднородный поток пара, характеризующийся хаотичностью и турбулентностью распределения пара в плоскости перпендикулярной направления движения, при выходе из проточной части в сторону котла 9 будет перераспределяться, устремляясь преимущественно по наименьшему парогидравлическому сопротивлению. Заполненные паром и сконденсированной жидкостью конденсатные трубки 16 и 17 начнут оказывать значительное сопротивление следующим порциям поступающего пара, что автоматически перенаправит паровой поток в свободные от пара, другие конденсатные трубки, обладающие меньшим парогидравлическим сопротивлением, поскольку все конденсатные трубки снаружи одинаково омываются охлаждающей водой. В конце концов обеспечится более или менее, квазиравновесная плотность потока во всех конденсатных трубках котла, тем самым повышая эффективность процесса конденсации. Сконденсированная вода на внутренних стенках конденсатных трубок будет стягиваться в расположенные рядом капилляры 26, а при заполнении их в нижней части повлечет непрерывное стекание конденсата на дно конденсатосборника 21. Для предотвращения закупорки конденсатных трубок смесью жидкости и пара при повышении мощности турбины необходимо повысить скорость подачи охлаждающей жидкости в котел, который ускорит процесс охлаждения конденсатных трубок снаружи, увеличив конденсацию пара внутри трубок. Эжекция остаточного пара в зоне конденсатосборника для вторичного его использования обеспечит разряжение в конденсатных трубках, ускорив процесс конденсации и его отток, тем самым, предотвратив закупорку труб. Отвод конденсата производится в нижней части конденсатосборника и используется вторично в парогенераторе и далее снова в виде высокоэнергетического пара направляется в турбину эжектируя не сконденсированный в конденсаторе пар. Нагретая охлаждающая вода с выходного патрубка в верхней части котла конденсатора-рекуператора поступает на теплообменник и далее на хозяйственные нужды - горячее водоснабжение, отопление и т.д.
Таким образом, предлагаемый конденсатор-рекуператор позволяет значительно повысить процесс конденсации пара при малых габаритных показателях, упростит конструкцию, повысит надежность и эффективность.