УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАПИЛЛЯРНОЙ КОНДЕНСАЦИИ ОТРАБОТАВШЕГО ПАРА ТУРБИН
DEVICE FOR TURBINE WASTE STEAM CAPILLARY CONDENSATION

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к теплообменной аппаратуре, и может быть использовано для конденсации отработанного пара без использования хладоагента.
Известен капиллярный конденсатор, включающий корпус, в котором размещены вертикальные прямоугольные перегородки, образующие паровые камеры и камеры сбора конденсата, причем каждая вертикальная перегородка состоит из нескольких вертикальных перфорированных пластин, размещенных с зазором между собой, покрытых слоем гидрофильного материала или изготовленных из него, отверстия в которых выполнены в виде горизонтальных конических капилляров, при этом в полость каждой паровой камеры пластины вертикальных перегородок обращены большими отверстиями конических капилляров, а в полость каждой камеры сбора конденсата, наоборот [патент РФ №2390688, МПК F22B 37/26, B01D 5/00, 2010].
Основными недостатками известного капиллярного конденсатора являются сложность его конструкции и невозможность конденсации в нем отработавшего пара турбины пара, обусловленная малой удельной поверхностью паровых камер, высоким гидравлическим сопротивлением рядов пластин с узкими щелями между ними, что снижает скорость фильтрации пара и конденсата через конические капилляры, уменьшая тем самым его эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является конденсатор с капиллярной насадкой, содержащий корпус с верхней и нижней крышками (крышкой и поддоном), снабженный патрубками входа отработанного пара и выхода конденсата, воздушным патрубком (патрубками материальных потоков), внутри которого на опорной решетке размещена насадка, представляющая собой перфорированные колпачки, уложенные рядами друг на друга в шахматном порядке, поверхность которых покрыта слоем гидрофильного материала или изготовленные из него, перфорация в которых выполнена в виде конических капилляров, расположенных по нормали к поверхности колпачков таким образом, что их малые отверстия находятся на наружной поверхности колпачка, а большие отверстия - на внутренней [патент РФ №2465529, МПК F28B 1/00, 2012].
Основными недостатками известного конденсатора с капиллярной насадкой является неорганизованный отвод конденсата с наружной поверхности колпачков, в результате чего она покрывается слоем конденсата, закрывающим наружные отверстия капилляров, что снижает скорость движения пара и конденсата через них и увеличивает унос частиц конденсата с паром, а также невозможность полной конденсации потока отработавшего пара турбины в одном аппарате из-за малого давления пара на входе в него, что снижает его эффективность.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности устройства для капиллярной конденсации отработавшего пара турбины.
Технический результат достигается в устройстве для капиллярной конденсации отработавшего пара турбины, содержащем конденсатор первой ступени, соединенный паропроводом отработавшего пара с турбиной, паропроводом остаточного пара и конденсатопроводом с рабочим насосом через мультиступенчатый эжектор с конденсатором второй ступени, поддон конденсатора второй ступени соединен через конденсатный насос с системой подготовки подпиточной воды, причем конденсаторы первой и второй ступени представляют собой конденсаторы с капиллярной насадкой, каждый из которых состоит из цилиндрического корпуса с крышкой и поддоном, снабженного патрубками материальных потоков, внутри которого на решетке, помещенной на опоры, размещена насадка, состоящая из перфорированных колпачков, изготовленных из гидрофильного материала, уложенных рядами друг на друга в шахматном порядке, перфорация которых выполнена в виде конических капилляров, расположенных по нормали к поверхности колпачков таким образом, что их малые отверстия находятся на наружной поверхности колпачка, а большие отверстия - на внутренней, при этом на наружной поверхности колпачков выполнены вертикальные каналы слива конденсата, расположенные между вертикальными рядами малых отверстий конических капилляров, а нижняя зона корпуса ниже решетки в конденсаторе второй ступени через отверстие соединена с диффузором последней ступени мультиступенчатого эжектора, N сопел которого соединены параллельно с конденсатопроводом конденсатора первой ступени.
На фиг.1 представлен общий вид, на фиг.2 - основной узел, на фиг.3, 4 - колпачок предлагаемого устройства для капиллярной конденсации отработавшего пара турбины (УККОПТ).
УККОПТ содержит соединенный паропроводом отработавшего пара с турбиной (на фиг.1-4 не показана) конденсатор первой ступени I, соединенный, в свою очередь, паропроводом остаточного пара через мультиступенчатый эжектор (МСЭ) II с конденсатором второй ступени III, днище конденсатора первой ступени I соединено конденсатопроводом рабочего конденсата и рабочим насосом IV через МСЭ II с конденсатором второй ступени III, днище которого соединено через конденсатный насос V с системой подготовки подпиточной воды (на фиг.1-4 не показана). Каждый конденсатор первой и второй ступени I, III УККОПТ представляет собой конденсатор с капиллярной насадкой, состоящий из цилиндрического корпуса 1 с крышкой 2 и поддоном 3, снабженный патрубками материальных потоков (на фиг.1-4 не показаны), внутри которого на решетке 4, помещенной на опоры 5, размещена насадка 6, состоящая из перфорированных колпачков 7, изготовленных из гидрофильного материала, уложенных рядами друг на друга в шахматном порядке. Перфорация колпачков 7 выполнена в виде конических капилляров 8, расположенных по нормали к поверхности колпачков 7 таким образом, что их малые отверстия находятся на наружной поверхности колпачка 7, а большие отверстия - на внутренней. На наружной поверхности колпачков 7 выполнены вертикальные каналы слива конденсата 9, расположенные между вертикальными рядами малых отверстий конических капилляров 8, а нижняя зона корпуса 1 ниже насадки 6 конденсатора второй ступени III через отверстие 10 соединена с диффузором последней ступени МСЭ II, N сопел которого соединены параллельно с конденсатопроводом конденсатора первой ступени I.
В основу работы предлагаемого устройства для капиллярной конденсации отработавшего пара турбины положены особенности движения жидкости (пара) в конических капиллярах, а именно: движение осуществляется от большего сечения к меньшему, при этом в широкой части капилляра происходит испарение жидкости, в узкой части капилляра - конденсация пара [Лыков А.В. Тепломассообмен: (Справочник). 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978, с.365, 366] и возможность мультиступенчатого эжектора значительно повышать давление и конденсировать часть пара парожидкостной смеси [патент РФ №2460020, МПК F25B 15/02, 2012].
ri
ri
ri
0
1
0
0
1
0
0,
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mi>N</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mi>N</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mi>N</mi></msubsup></mrow>
УККОПТ работает следующим образом. Отработавший пар после турбин при температуре насыщения подают в нижнюю зону конденсатора первой ступени I, откуда он через решетку 4 распределяется по всему сечению аппарата, причем его большая часть поступает в полости колпачков 7 первого ряда, считая от низа, а меньшая часть поступает в полости следующего ряда колпачков. Далее из полостей колпачков 7 первого ряда пар поступает в большие отверстия конических капилляров 8, в которых под действием капиллярных сил перемещается к их малым отверстиям, где происходит его частичная конденсация с выделением тепла конденсации Q. Мениски образовавшейся жидкости (конденсата) в капиллярах 8 соприкасаются с гидрофильным материалом колпачков 7, свободно распределяются на их внешней поверхности благодаря наличию пространства между соседними колпачками и гидрофильных свойств их материала, затрачивая при этом выделившееся тепло конденсации Q на образование свободной поверхности. Образовавшийся конденсат собирается в вертикальные канавки 9, освобождая наружную поверхность колпачков 7 для следующей порции конденсата, откуда под действием силы тяжести стекает вниз. Несконденсировавшийся пар, выходящий вместе с конденсатом из малых отверстий капилляров 8 колпачков 7 первого ряда, смешивается с паром, прошедшим мимо предыдущего ряда колпачков 7, унося вместе собой некоторую часть образовавшегося конденсата в виде мелких капель, после чего часть образовавшейся парожидкостной смеси поступает в полости колпачков 7 второго ряда, а другая часть - в полости третьего ряда колпачков 7, где происходят вышеописанные процессы конденсации пара в конических капиллярах 8 с выделением тепла конденсации Q и образования свободной поверхности жидкости на гидрофильных поверхностях колпачков 7 с затратой этого тепла, к которым добавляются процессы испарения частиц вносимого с паром конденсата в широких сечения капилляров 8. Аналогичные процессы испарения конденсата с образованием пара в широких сечениях, конденсации пара с образованием конденсата в узких сечениях капилляров 8 и образования свободной поверхности жидкости на наружной поверхности колпачков 7 происходят при поступлении несконденсировавшегося пара с уносимым конденсатом в вышеследующие ряды колпачков 7 до конденсации рассчетного количества поданного отработавшего пара. Образовавшийся конденсат из малых отверстий конических капилляров 8 всех рядов колпачков 7 из канавок 9 под действием сил тяжести стекает в поддон 3, откуда выводится из конденсатора первой ступени I, а несконденсировавшийся остаточный пар при давлении Р через паропровод остаточного пара поступает в МСЭ II. Количество уносимого конденсата, образовавшегося на нижележащих рядах колпачков 7, с паром и попадающего в капилляры 8 вышерасположенных рядов колпачков 7 значительно меньше, чем в известном устройстве, так как его основная масса собирается в вертикальные канавки 9. При этом наличие вертикальных канавок слива конденсата 9 рядом с выходными отверстиями капилляров 8 позволяет организовать его слив с наружной поверхности колпачков 7, не закрывая выходные отверстия капилляров 8 образовавшимся конденсатом, и тем самым снизить гидравлическое сопротивление и увеличить производительность капилляров 8. Из поддона 3 конденсатора первой ступени I конденсат по конденсатопроводу рабочим насосом IV при давлении P подается параллельно N потоками в сопла МСЭ II, создавая разрежение в приемных камерах его N ступеней (на фиг.1 в качестве примера показан трехступенчатый МСЭ), в результате чего в приемную камеру I-й ступени МСЭ II всасывается остаточный пар из паропровода остаточного пара при давлении P, который в диффузоре I-й ступени смешивается с конденсатом, вытекающим из сопла I-й ступени, образуя парожидкостную смесь, давление которой на выходе из диффузора повышается от P до
(
значительно меньше, чем давление, создаваемое конденсатным насосом P, но больше чем P). В результате в диффузоре I-й ступени МСЭ II происходит частичная конденсация пара, после чего парожидкостная смесь при давлении
поступает в приемную камеру II-й ступени и далее в приемную камеру N-й ступени МСЭ II, где происходят вышеописанные процессы частичной конденсации, повышения давления до
и
и увеличение массы потока, равной массе исходного отработавшего пара. Далее из диффузора последней ступени МСЭ II при давлении
, величина которого значительно больше P парожидкостная смесь поступает в нижнюю зону вторичного конденсатора III, где происходит резкое снижение скорости парожидкостной смеси, в результате чего из нее под действием силы тяжести отделяются частицы конденсата, которые под действием силы тяжести выпадают в поддон, а пар через решетку 4 распределяется по всему сечению аппарата, поступает в полости колпачков 7 насадки 6. В колпачках 7 насадки 6 происходит процесс конденсации аналогично вышеописанному в конденсаторе первой ступени I, но при большем давлении
, в результате чего скорость конденсации пара в второй ступени III значительно выше, чем в конденсаторе первой ступени I.
Образовавшийся конденсат совместно с конденсатом, внесенным МСЭ II из поддона через штуцер насосом V, подается в систему подготовки подпиточной воды, а воздух (попадающий в пар за счет разрежения в паропроводе остаточного пара и конденсаторе второй ступени II) собирается в верхней зоне конденсатора первой ступени I и выбрасывается через воздушный штуцер (на фиг.1-4 не показан) в атмосферу.
При этом многократное взаимное фазовое превращение и преодоление сил трения при перемещении парожидкостной смеси по капиллярам 8 многочисленных рядов колпачков 7 в конденсаторах первой и второй ступеней I и III позволяет проводить процесс конденсации пара без использования хладоагента - охлаждающей воды.
Количество рядов колпачков 7 в конденсаторах первой и второй ступеней I и III и, соответственно, высоту насадки 6 принимают такими, чтобы обеспечить конденсацию расчетного количества пара, поступившего в каждый аппарат. Размеры колпачков 7 (ширину и высоту) можно принимать исходя из стандартных размеров кольцевой насадки (например, 100×100 мм, 50×50 мм и т.д.) [Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971, с.572], размеры конических капилляров 9 и их конусность зависят от свойств жидкости и определяются опытным путем. Количество ступеней МСЭ II находят из технико-экономического расчета.
Таким образом, предлагаемое устройство для капиллярной конденсации отработавшего пара турбины обеспечивает: проведение процесса конденсации пара без использования хладоагента - охлаждающей воды; организованный слив конденсата с колпачков при помощи вертикальных сливных канавок на их наружной поверхности, что снижает гидравлическое сопротивление капилляров и увеличивает скорость движения пара и конденсата в них; увеличение скорости конденсации пара за счет его частичной конденсации в мультиступенчатом эжекторе и повышения давления в конденсаторе второй ступени, что, в конечном итоге, повышает эффективность предлагаемого устройства.