Обоснование технических решений по конструкции смешивающего подогревателя высокого давления для перспективных энергоблоков электростанций на основе экспериментальных исследований тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат наук Сомова, Елена Владимировна

• Сомова, Елена Владимировна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Сомова, Елена Владимировна

Оглавление

Введение

Глава 1 Обзор конструкций подогревателей питательной воды и работ по исследованию контактного теплообмена при конденсации в смешивающих подогревателях

1.1 Анализ конструкций и условий эксплуатации подогревателей

высокого давления

1.2 Экспериментальные исследования по теплообмену при

конденсации пара на струях воды

1.3 Исследование тепло- и массообмена в промышленных

смешивающих подогревателях

1.4 Постановка задачи исследования

Глава 2 Экспериментальное исследование теплообмена при

конденсации в смешивающем подогревателе струйного

типа высокого давления

2.1 Программа исследований

2.2 Описание экспериментального стенда и схемы измерений

2.3 Описание экспериментального участка и методики измерений

2.4 Техника проведения эксперимента и объем исследований

на модели СПВД

Глава 3 Анализ рабочего процесса в смешивающем подогревателе

3.1 Схема течений в модели СПВД

3.2 Взаимодействие пароводяной смеси со струей питательной воды

3.3 Конденсация пара в потоке смешения

3.4 Влияние начальных параметров на эффективность процесса конденсации

Выводы по главе 3

Глава 4 Результаты исследования на опытной установке процесса

теплообмена в смешивающем подогревателе высокого давления

4.1 Описание опытной установки с полномасштабной по высоте

моделью СПВД

4.2 Описание экспериментального участка и объем исследований

на модели СПВД

4.3 Обобщение результатов исследования па опытной установке

Выводы по главе 4

Глава 5 Обоснование технических решений по конструкции

элементов смешивающего подогревателя питательной воды высокого давления

5.1 Назначение и условия эксплуатации СПВД

5.2 Техническая характеристика

5.3 Рекомендации по расчету теплообмена и элементам конструкции смешивающего подогревателя высокого давления

Выводы но главе 5

Выводы

Список литературы

Приложение А Основные параметры смешивающихся сред в опытах,

проведенных на стендовой установке

Приложение Б Основные параметры смешивающихся сред в опытах,

проведенных на опытной установке

Условные обозначения

а - коэффициент температуропроводности, с - удельная теплоемкость, с1 - диаметр, Р - площадь, в - расход,

g - ускорение свободного падения, Ь - высота, 1 - энтальпия,

к - коэффициент теплоотдачи, / - длина,

ш - относительная массовая концентрация, С) - количество тепла, Я - радиус,

г - скрытая теплота парообразования, 8 - шаг между отверстиями (струями), I - температура,

V - объем,

ж - скорость,

л; - координата, массовое паросодержание а - коэффициент теплоотдачи, в - коэффициент турбулентности, ф - коэффициент сужения струи, Т| - эффективность теплообмена, X - теплопроводность, р, - коэффициент расхода,

V - кинематическая вязкость, р - плотность,

а - коэффициент поверхностного натяжения,

© - безразмерная температура, т - время.

Индексы

1 - вход

2 - выход

О - начальный б - баланс ж - жидкость к - конденсат кон - конечный нач - начальный п - пар

пвс - пароводяная смесь пред - предельный отв - отвертия с - струя см - смесь

СПВД - смешивающий подогреватель высокого давления ср - средний у - условный

3 - эквивалентный, эквивалентный 8 - на линии насыщения

Безразмерные параметры

Ре = м>0<1 ¡а - критерий Пекле,

¥г = gd/wl - критерий Фруда,

К = —ч - критерий фазового перехода,

Lap = - критерий Лапласа,

cr

Pr=v/a - критерий Прандтля,

(X

St =--критерий Стантона,

pCw

We= fm'd - критерий Вебера, a

Nu=^- - критерий Нуссельта,

Re=wd/v- критерий Рейнольдса, Gz= cJir/JI(WJlcd2/Х-J - критерий Гретца,

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование технических решений по конструкции смешивающего подогревателя высокого давления для перспективных энергоблоков электростанций на основе экспериментальных исследований»

Введение

В настоящее время ведется разработка вспомогательного оборудования для энергоблоков нового поколения электростанций, в том числе на суперкритические параметры пара. Важным элементом тепловых схем таких блоков являются подогреватели высокого давления, нагревающие питательную воду для котлов и парогенераторов.

Для повышения надежности эксплуатации части высокого давления системы регенерации взамен поверхностных подогревателей высокого давления спирально-трубной конструкции наряду с другими конструкциями ПВД может быть предложен новый подогреватель высокого давления смешивающего типа (СГТВД). В двухподъемной схеме такие подогреватели высокого давления устанавливаются перед питательным насосом и уровень давлений в них составляет 15 МПа. Нагрев питательной воды осуществляется в процессе контактного теплообмена воды с пароводяной смесью высокого паросодержания.

Такие подогреватели необходимы также для разрабатываемого энергоблока нового поколения с парогенератором греющей средой в котором является свинец. Схема второго контура такая же, как блоков 300 МВт тепловых электрических станций. Дополнительный смешивающий подогреватель питательной воды высокого давления (СПВД) необходим для подогрева питательной воды до температуры не ниже 340°С, позволяющей при всех эксплуатационных режимах поддерживать свинец в расплавленном состоянии, что обеспечивает надежность работы парогенератора. Также СПВД должен обеспечить необходимый нагрев питательной воды при аварийном отказе штатных поверхностных ПВД. Сказанное выше определяет актуальность работы.

В качестве греющей среды в СПВД в варианте тепловой схемы используется пароводяная смесь давлением 14,5 МПа.

Нагрев питательной воды, разбрызгиваемой в нагревательном пространстве СПВД будет осуществляться, в основном, за счёт конденсации пара из пароводяной смеси в потоке питательной воды.

Подобных аппаратов в энергетике нет.

В тепловых схемах паротурбинных установок находят применение смешивающие подогреватели низкого давления (ПНД). Исследованиям контактного теплообмена в таких подогревателях посвящено большое число экспериментальных работ, проведенных при давлении до 1 МПа.

Исследования контактного теплообмена для смешивающих подогревателей при высоком давлении до настоящего времени не проводились, тогда как термодинамические свойства сред при низких и высоких давлениях существенно различны, а условия, при которых были ранее получены зависимости по расчету теплообмена, отличаются от условий протекания процесса теплообмена при высоком давлении.

Таким образом, на период начала работы отсутствовали не только аналоги СПВД, но и экспериментальные данные о характере процесса при таких параметрах.

Для разработки технических рекомендаций по созданию смешивающего подогревателя высокого давления необходимо проведение экспериментальных исследований контактного теплообмена в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров на модели аппарата, что является целыо настоящей работы.

Предварительную конструкцию такого смешивающего подогревателя разработало ПО "Ижорские заводы", что определило характерные конструктивные данные при создании экспериментальных установок для исследования процесса.

Для исследования процесса контактного теплообмена с конденсацией пара при высоком давлении были созданы стендовая установка на которой был исследован механизм процесса теплообмена, изучено влияние режимных и конструктивный факторов СПВД на процесс теплообмена при высоком давлении. Для апробации полученных зависимостей сооружена опытная установка, моделирующая фрагмент тепловой схемы паросиловой части блока с полномасштабной по высоте моделью СПВД.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые проведено комплексное экспериментальное исследование контактного теплообмена при конденсации пара из пароводяной смеси на струях питательной воды при высоком давлении (~15 МПа).

- предложен механизм контактного теплообмена между пароводяной смесью и питательной водой при высоких давлениях в широком диапазоне режимных и конструктивных параметров.

- выявлен неравновесный характер протекания такого процесса, получены характеризующие его зависимости.

На основе экспериментальных исследований в работе получены зависимости, позволяющие по заданным входным данным определить параметры среды на выходе из установки. Используя эти зависимости, рекомендуются технические решения, обеспечивающие оптимальные условия работы СПВД с максимальной эффективностью, что составляет практическую значимость работы. На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований процесса теплообмена при высоком давлении в смешивающем подогревателе питательной воды;

- механизм процесса теплообмена при конденсации пара в потоке смешения пароводяной смеси и питательной воды при высоком давлении;

- расчетная зависимость относительного недогрева потока смешения от начальных параметров смешивающихся сред и конструктивных факторов СПВД, характеризующих эффективность протекания процесса теплообмена;

- разработанные технические решения по конструкции элементов смешивающего подогревателя высокого давления.

В результате решена важная научно-техническая задача по созданию смешивающего подогревателя питательной воды высокого давления для тепловых схем перспективных энергоблоков нового поколения электростанций.

ГЛАВА 1 ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ И РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ КОНТАКТНОГО ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ В СМЕШИВАЮЩИХ ПОДОГРЕВАТЕЛЯХ

1.1 Анализ конструкций и условий эксплуатации подогревателей высокого давления

Схема регенеративного подогрева воды является важной частью принципиальной тепловой схемы энергоблока, которая является основной технологической и расчетной схемой, позволяющей по заданным энергетическим нагрузкам определить расходы пара и воды во всех частях установки и ее энергетические показатели.

В состав принципиальной схемы входят: подогреватели высокого давления (ПВД) и низкого (ПНД) давления с охладителями пара (ОГ1) и конденсата (дренажа, ОК); деаэраторы питательной и добавочной воды; трубопроводы отборов пара от турбин к подогревателям; питательные, кондеисатные и дренажные насосы; линии основного конденсата и дренажей.

В настоящее время для ПВД используют поверхностные подогреватели с каскадным сливом конденсата греющего пара. Применение смешивающих подогревателей в отечественных турбоустановках ограничивается давлением отборного пара ниже атмосферного, т.е. схема получается комбинированной [1].

Температура питательной воды на выходе из группы регенеративных подогревателей высокого давления (на входе в парогенератор) определяется технико-экономическим соображениями и в зависимости от параметров перегретого пара и цены на условное топливо изменяется в диапазоне от 230 до 295°С [2].

Величина давления питательной воды в ПВД зависит от схемы включения питательных насосов. Питательный насос, как правило, располагается перед группой ПВД и такая схема называется одноподъемной. При одноподъем-ной схеме питательных насосов водяная сторона находится под максимальным

и

давлением в турбоустановке, например рв~38 МПа (для турбоустановок ТЭС с давление свежего пара ро~24 МПа).

При двухподъемной схеме ПВД располагаются между двумя питательными насосами 1-го и 2-го подъемов. Преимущество такой схемы - выполнение ПВД на менее высокое давление (~15 МПа). Однако, происходит усложнение и удорожание питательной установки, необходимость синхронизации насосов и усложнение их регулирования.

Сравнение этих схем [3, 4] указывает на определенные преимущества двухподъемной схемы из-за возможности снижения удельной поверхности нагрева ПВД.

Конструкция поверхностного подогревателя высокого давления включает в себя теплообменные поверхности охладителя пара (011) для повышения эффективности регенерации, поверхность конденсации (КП) в которой происходит нагрев питательной воды и охладителя конденсата (ОК), через который пропускают конденсат греющего пара для повышения эффективности схемы с каскадным сливом дренажей в ПВД.

Поверхность теплообмена у всех конструкций ПВД образуется системой труб, помещенной в корпус и омываемой снаружи греющей средой, а изнутри питательной водой [5]. Так как давление питательной воды при одноподъемной схеме, получившей наибольшее распространение, в несколько раз превышает давление греющей среды, то это ставит задачу рационального использования прочностных свойств материалов.

В настоящее время имеется два основных направления в конструировании ПВД. Для первого характерно использование одного из классических типов конструкции кожухотрубпых теплообменников камерного типа с трубной доской, в которой закреплены и-образные трубы, образующие кратное двум число ходов воды, и водяной камерой, с входным и выходным патрубками, крышкой и перегородками для осуществления заданного движения воды. Второе направление, опирающееся на практику современного котлостроения, привело к созданию ПВД коллекторного типа, отличающегося наличием ци-

линдрических коллекторов из толстостенных труб, объединяющих трубную систему, состоящую из змеевиков того или иного вида. Все существующие конструкции отечественных или зарубежных ПВД, в основном, относятся к одному из этих типов.

В процессе эксплуатации ПВД коллекторного типа были выявлены следующие недостатки.

1. Эрозионно-коррозионный износ входных участков змеевиков. Интенсивность такого вида разрушения определяется скоростью потока питательной воды в змеевиках и во входном коллекторе, условиями входа в змеевики, температурой, концентрацией кислорода в питательной воде и значением рН, концентрацией напряжений в металле. При рН>9-^9,2 и скорости воды меньше 2 м/с этот износ уменьшается [6].

2. Водородное охрупчивание наружной поверхности змеевиков происходит за счет скапливающегося в межтрубпом пространстве конденсата, имеющего слабокислую реакцию (рП=6,8). Поэтому во время эксплуатации наружная поверхность змеевиков подвергается электрохимической коррозии с водородной деполяризацией [7].

3.Резкое снижение подогрева воды из-за неплотностей внутренних глухих перегородок в коллекторах между первым и вторым ходами воды в поверхности конденсации (КП) и между КП и ОП. Неплотности обычно являлись следствием некачественной приварки перегородки, устанавливаемой в стенке двух частей коллектора аналогично подкладному кольцу и оказывающейся в трудноконтролируемой зоне с большой вероятностью непровара и последующего размывания водой сварки, перегородки и стенки коллектора. Особенно вредно влияние неплотности перегородки между КП и ОП в одноходовых конструкциях, открывающей путь воде помимо змеевиков КП и ОК.

4. Разрушение сварного шва, присоединяющего распределительные коллекторы к стакану. Данные разрушения являются следствием неудачной конструкции узла приварки, кроме того, следует иметь в виду, что жесткая связь распределительных и собирающих коллекторов верхней крестовиной при раз-

ницс температур стенки этих коллекторов, которая возникает в условиях эксплуатации, вызывает в указанном сварном шве довольно значительные термические напряжения.

Во время пусков котла при прогреве со скоростью выше допустимой возникает вибрация, вызывающая знакопеременные циклические нагрузки наиболее нагруженых узлов оборудования, к которым относятся и гибы коллекторной системы ПВД [8].

5.Разрушения змеевиков в первом ходе ОП, расположенных под паровпускной трубой, из-за вибрации и перетирания змеевиков друг о друга под воздействием удара струй пара, втекающего в ОП.

6.Прорывы пара через ОК в нижележащий по давлению ПВД или, наоборот, затопление конденсатом нижних змеевиков зоны КП из-за трудностей поддержания нормального уровня конденсата около 50 мм над входным отверстием в верхней крышке кожуха ОП.

7.Коррозионно-усталостные трещины нейтральной области гиба происходят в результате большой овальности (до 21%) труб. Напряжения на их внутренней поверхности в нейтральной области в 2 раза выше, чем в растянутой [9].

Выявленные в процессе эксплуатации и в результате тепловых испытаний ПВД указанные выше недостатки позволили наметить пути их дальнейшего совершенствования: модернизирования, снижения металлоемкости, унификации и разработки комплекса диагностических мероприятий, позволяющих предупреждать повреждения ПВД.

Несмотря на это, в последние годы отмечаются участившиеся случаи повреждаемости поверхностных подогревателей высокого давления энергоблоков различной мощности.

В системе Мосэнерго на энергоблоках Т-250 временно были запрещены разгрузки на скользящем давлении из-за возникновения циклических напряжений в местах приварки труб к трубной доске камерных ПВД.

На Сургутской ГРЭС-1 отмечается рост повреждаемости змеевиков в ПВД-5,6 в зоне охлаждения конденсата, а в ПВД-7 в зоне конденсации пара [10].

В период плановых ремонтов энергоблоков 800 МВт Пермской ГРЭС в подогревателях высокого давления выявлены трещины в местах приварки донышек к коллектору. Наиболее вероятной причиной образования трещин в сварных соединениях является эксплуатация энергоблоков в переменном режиме нагрузок от 350 до 800 МВт, что в совокупности с работой энергоблоков на скользящем давлении приводит к превышению расчетного числа циклов нагружения.

Для тепловой схемы нового перспективного энергоблока, включающей парогенератор со свинцовым теплоносителем необходим подогреватель питательной воды, обеспечивающий требуемую температуру среды (340°С) на входе в парогенератор во всех эксплуатационных режимах работы установки, а также при аварийных режимах с отключением типовых ПВД регенеративного тракта. В качестве такого подогревателя питательной воды высокого давления был выбран подогреватель смешивающего типа, так как в нем отсутствует поверхность раздела сред и связанные с ней элементы, которые, как было показано выше, часто повреждаются и снижают надежность работы энергоблоков. Такого типа подогреватели широко используются в схеме регенерации блоков в тракте низкого давления. Исследованиям процесса теплообмена в смешивающих аппаратах посвящено большое количество работ, обзор которых представлен в следующем разделе.

1.2 Экспериментальные исследования по теплообмену при конденсации

пара на струях воды

Нагрев питательной воды в смешивающем подогревателе осуществляется за счет теплоты пара, выделившейся при конденсации из пароводяной смеси, при контакте с водой. Исследованию процесса теплообмена при конденсации

были посвящены различные научные исследования и разработки, рассматриваемые в данной главе.

Первое теоретическое решение задачи теплообмена при конденсации на сплошных струях жидкости были сформулированы С.С. Кутателадзе [11]. Автором была разработана теория, позволившая вычислять аналитически температурное поле в турбулентном потоке жидкости при отсутствии поперечного градиента скорости. На основе этой теории были сделаны соответствующие вычисления для свободно падающей цилиндрической струи. При записи уравнения движения

^ П 1\

ох

предполагалось, что трение на границе раздела фаз между паром и жидкостью отсутствует; подъемная и капиллярные силы не учитывались. При записи уравнения неразрывности

w0R0 = wR = const (1-2)

не производился учет потока массы конденсата через межфазную поверхность.

Уравнение распределения тепла в цилиндрических координатах с учетом как изотропной турбулентности, так и молекулярной теплопроводности, и при независимых от температуры физических свойств жидкости, имеет вид

dt Я + Ят(д21 1 + —•

w— =

дх ср

(1.3)

дЯ2 Я дЯ,

В изотропном турбулентном потоке интенсивность молярных переносов пропорциональна скорости и линейному размеру струи (Я), т.е.

Ят = е* -с- р- м-Я, (1.4)

где с* - константа, характеризующая турбулентность струи.

Таким образом, все вышеуказанные допущения позволили автору привести задачу о теплообмене свободно падающей струи к задаче теплопроводности при граничных условиях первого рода с температурой поверхности 15.

Уравнение распространения тепла приводится к безразмерному виду, затем преобразовывается до вида уравнения Бесселя. В результате последующего

логарифмирования уравнения получается расчетное выражение для расчета температуры струи в любом сечении.

В общем виде расчетная формула выглядит следующим образом:

1в'-^ = С1+С2/(х), (1.5)

Ч *X

Для свободно падающей цилиндрической струи коэффициенты С/=0,16 и С?=2,52.

2

ах 2s* w0

woR о 5 <p/2gApR0

г \5/

1 2<p2gApxVA

2 wn

-1

(1.6)

(р - коэффициент сужения струи, зависящий от условий истечения.

Вид уравнения (1.6) позволяет выделить безразмерные комплексы, определяющие интенсивность прогрева струи: Ре = w0d/a, Fr =■ gd/w20 , х - безразмерная продольная координата.

Автором [11] проведено также сопоставление расчетов с результатами опытов, проведенных в ЦКТИ A.A. Захаровым и Р.Г. Черной. По опытным и расчетным данным была построена зависимость средней температуры жидкости в сечении от скорости струи. Несмотря на то, что теоретический расчет не содержит в себе ни одного коэффициента, взятого из опытов со струями, для ламинарного течения (е*=0), приведенные формулы дают хорошее совпадение с решением задачи нестационарной теплопроводности для тел соответствующей формы при граничных условиях первого рода.

Формулы имеют пределы применимости по диаметрам отверстий для истечения воды З-г-7 мм, начальной скорости струй до 1,5^-2 м/сек.

Теоретическое рассмотрение задачи осуществлялось в предположении, что струя жидкости является непрерывной на всем расчетном участке, а влиянием пульсаций, обусловленных взаимодействием сил тяжести, инерции и поверхностного натяжения, можно пренебречь.

Полученные для этих условий соотношения справедливы от устья сопла до места начала распада струи на капли. Таким образом, в области дробления струи приходится ограничиваться только опытными данными.

В работе [12] С.С. Кутателадзе предлагает модифицировать формулу (1.5) для расчета смесителя. Для аппарата, в котором изменяется лишь число расположенных друг над другом дырчатых листов высота струй равна пс = ~ - к,

где Н— высота аппарата и к - высота уровня на дырчатых листах.

Считая условия во всех отсеках одинаковыми, формула (1.5) переписана в таком виде:

где и ¿2 - температура подогреваемой жидкости на входе и выходе из аппарата.

При наличии многообразия конструктивных решений смешивающих подогревателей, а также существенное изменение скорости пара в струйных пучках, не позволяет достоверно применять для их расчетов формулу (1.7).

Конденсация в струе, втекающей в паровое пространство с большой скоростью, была рассмотрена Г.Н. Абрамовичем и А.П. Проскуряковым в [13].

При больших скоростях трение струи о пар создает пограничный слой с сильно меняющимися скоростями. В таком слое коэффициент турбулентной теплопроводности становится переменным по сечению струи, и интенсивность теплообмена начинает сильно возрастать.

В решении этой задачи учитывалось термическое сопротивление только образующегося пограничного слоя в жидкой струе, но не учитывалось термическое сопротивление ядра струи.

Полученное этими авторами решение имеет вид:

Г (н VI

= 0,16 + 2,52•/--к -И

(н

(1.7)

а = 324срю0Ф(К )

(1.8)

г

К = —7—--ч

Значения функции Ф(К) приводятся в таблице

К 500 150 62,5 32,2 18,9 8,14 4,30

Ф(К) 0,100 0,149 0,198 0,246 0,288 0,370 0,423

Это решение неприменимо при малых скоростях истечения струи и при больших значениях К (т.е. при Я"), поскольку при этих условиях по формуле (1.8) а—»0.

Н.М. Зингером [14] были проведены опыты со струями, вытекавшими в паровое пространство со скоростями 10-25 м/с. Измерения полей температур на различных расстояниях от сопла показали, что имеет место значительная деформация поля температур, связанная, в частности, с нарушением сплошности жидкой струи.

При построении зависимости условного (отнесенного к поверхности) коэффициента теплообмена между паром и струей от скорости истечения струи опытные данные лежат между расчетами по формулам (1.5) и (1.8). Поскольку формула (1.5), аналитически полученная С.С. Кутателадзе, относящаяся к малым скоростям, не учитывает интенсификации теплообмена в пограничном слое, а формула, полученная Г.Н. Абрамовичем, не учитывает значительного термического сопротивления ядра струи.

Теоретическое исследование теплопроводности в капле на основе предположения о незначительности поверхностного термического сопротивления теплообмену было проведено Г. Брауном в [15]. Автор предполагал, что скорость конденсации пара на капле зависит от начальной температуры капли, температуры пара и скорости, с которой теплота проникает в каплю с теплопроводностью, учитывая увеличивающийся размер капель по мере развития процесса конденсации. Конвекцией в капле пренебрегают.

Экспериментальные исследования конденсации пара в струе водяных капель проводились при параметрах, имеющих место в контактных конденсаторах и деаэраторах. В проведенных автором экспериментальных исследованиях измерялись температуры насыщения пара и питательной воды, средний размер капли и высота ее падения. Были разработаны методы определения удельной

площади поверхности капель в струе, а также найдены скорости переноса тепла и коэффициенты теплообмена.

Автором [15] установлено, что капли воды вначале очень быстро поглощают тепло и почти достигают температуры пара при небольшой высоте падения. Абсолютные значения полученных коэффициентов теплообмена и скоростей теплообмена высоки, особенно при малых размерах капли.

В своих опытах В.И. Коновалов [16] наблюдал в стеклянной модели струйного подогревателя течение водяной струи через паровое пространство. Давление насыщенного греющего пара составляло 0,2 МПа. Водяная струя в паровом пространстве не дробится и остается ненарушимой по всей длине от водяного сопла до приемного конфузора. При этом диаметр струи по ее длине изменяется.

Из водяного сопла в паровое пространство происходит истечение холодной воды. Непосредственно за соплом на поверхности струи происходит очень интенсивный процесс конденсации пара, у поверхности струи давление резко падает. Под действием разности давлений на периферии паровой камеры и у поверхности струи к последней устремляется пар, расширение и истечение которого в данном случае вполне аналогично расширению пара в суживающемся сопле.

В дальнейшем температура на границе струи повышается, это вызывает повышение давления пара у границы струи и уменьшение скорости его натека-ния, замедление процесса конденсации. Поэтому даже при значительной длине струи в струйном подогревателе вода не может быть нагрета до температуры насыщения свежего греющего пара.

С.С. Берманом [17] проведены исследования процесса конденсации пара из паровоздушной смеси при различных направлениях движения теплоносителей: поперечное движение (угол атаки 90°), прямоток и противоток с углом атаки набегающего потока равным 45°. Было исследовано влияние на интенсивность теплоотдачи давления воды на входе, начальной температуры воды,

начального содержания воздуха в паре, кратности охлаждения, диаметра отверстий, объемного теплового напряжения.

Автор приводит рекомендации для определения объемного коэффициента теплоотдачи

Здесь с^ - удельная объемная тепловая нагрузка, Лг - средний температурный напор.

При прямоточном и противоточном движении теплоносителей с подачей паровоздушной смеси под углом 45° к направлению движения воды

К = 4,8 -105 ^)р<РЕ(р1(рт(Рлур(Рс1(Рр ' (1Л°)

а при угле атаки 90°

ку=7,45-105(рр(р£(р,(рт(р„р(ра(рР, (1.11)

где (рр, <ра (рь срт, (рмр, (ра, (р1. - поправочные коэффициенты, зависящие от параметров процесса и геометрии конденсатора.

Как показали опыты, характер изменения величины объемного коэффициента теплоотдачи К в большой мере определяют скорость воды, содержание воздуха в паре и кинетическая энергия потока. Исследования проводились в следующих диапазонах параметров.

Л=(0,2-0,9)-105Па; ^=24-35°С; т=<М),17;

яИ1,0; 1,6; 2,0)-10"3 м; Сп=(5,5 5^6,94)4 О"2 кг/с; 6^=1,11-И,38 кг/с.

Полученными зависимостями можно воспользоваться в указанных условиях, которые не охватывают весь диапазон изменений параметров при работе промышленных энергетических конденсаторов и контактных подогревателей. Применение одной и той же расчетной формулы для прямотока и противотока возможно при небольшой относительной скорости теплоносителей.

Еще одна работа по нагреву водяных струй конденсирующимся паром в условиях вакуума была проведена в ЦКТИ, ее авторы И.А. Труб, О.П. Литвин [18].

Авторы полагали, что практически точный расчет нагрева свободно падающих струй конденсирующимся паром может быть осуществлен путем приближенного аналитического решения задачи с привлечением опытных данных. Приближенность решения заключается в усреднении температуры жидкости по поперечному сечению струи, которое при малом диаметре круглых струй и перемешивании струй при падении на полки аппарата следует считать допустимым.

Анализ теплового процесса в рассматриваемых условиях показал, что основными параметрами, определяющими кинетику теплопередачи от движущегося пара к свободно падающим струям воды при противоточно-перекрестной схеме движения, являются безразмерная температура А^^^/рц-^, высота струи /; начальный диаметр струи <1\ начальная скорость падения струи воды динамический напор пара, набегающего на струи рп. Поэтому необходимо определить локальные значения этих величин по ступеням аппарата.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сомова, Елена Владимировна, 2013 год

Список литературы

1. Смешивающие подогреватели паровых турбин / В.Ф. Ермолов, В.А. Пермяков, Г.И. Ефимочкин, B.JI. Вербицкий. - М.: Энергоиздат, 1982. - 208 с.

2. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. М.: Энергия, 1976. 447 с.

3. Подогреватели высокого давления / Я. Л. Полыновский, М.Л. Шварцман, В.М. Марушкин, Т.Я. Кульмухаметов. - В кн.: Котельные и турбинные установки энергетических блоков. М.: Энергия, 1971, с.248-254.

4. Рубинштейн Я.М., Едигарев Л.В. Две схемы включения питательных насосов. - В кн.: Усовершенствование конструкций и эксплуатации турбинных установок. М.: Госэнергоиздат, 1959, с. 230-235.

5. Марушкин В.М., Иващенко С.С., Вакуленко Б.Ф. Подогреватели высокого давления турбоустановок ТЭС и АЭС. -М.: Энергоатомиздат, 1985, 136 с.

6. Эксплуатация объектов котлонадзора. Справочник. Антикайн П.А., Зыков А.К., НПО ОБТ, 1996г.

7. Артамонов В.В., Горбенко В.В., Алиферов В.П. др. Диагностика эксплуатационных разрушений подогревателей высокого давления. Часть 1. Спирали ПВД. // Контроль. Диагностика, 2011 № 1.

8. Артамонов В.В., Горбенко В.В., Алиферов В.П. др. Диагностика эксплуатационных разрушений подогревателей высокого давления. Часть 2. Коллекторы ПВД. // Контроль. Диагностика, 2011 № 2.

9. Гофман Ю.М., Филиппов A.M. О повышении надежности трубной системы подогревателей высокого давления. // Энергетик, 2012, № 6.

Ю.Аронсоп К.Э., Бродов Ю.М., др. Статистическое моделирование отказов теплообменных аппаратов при реализации комплексной системы мониторинга состояния паротурбинных установок. // Теплоэнергетика, 2007, № 8.

П.Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. М-Л.: Машгиз, 1952. -231 с.

12.Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. -М: Атомиздат, 1976. -416 с.

1 З.Абрамович Г.Н. Вопросы теплообмена при изменении агрегатного состояния. ГЭИ, 1953.

14.3ингер Н.М. О нагреве струи воды в паровом пространстве. Сб. Вопросы теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества. М.: Гос-энергоиздат, 1953.

15.Браун Г. Теплообмен при конденсации водяного пара в струе водяных капель. Вопросы теплообмена (пер. с англ.). М. Госэнергоиздат, 1959.

16.Коновалов В.И. К вопросу о теплопередаче от конденсирующегося пара к турбулентной водяной струе. Известия высших учебных заведений, серия "Энергетика", 1958, № 1.

17.Берман С.С. Теплообменная аппаратура энергетических установок. -М.: Машгиз, 1963. -345с.

18.Труб H.A., Литвин О.П. Нагрев водяных струй конденсирующимся паром в условиях вакуума. Труды ЦКТИ, вып. 57, 1965.

19.Ересько Г.А. Нагрев струй жидкости паром. Известия высших учебных заведений, серия "Энергетика", 1965, № 1.

20.Исаченко В.П., Солодов А.П. Исследование теплообмена при конденсации пара на турбулентных струях жидкости. // Теплоэнергетика, 1971, № 2.

21.Исаченко В.П., Кушнырев В.И., Солодов А.П. - в кн.: Теплообмен и гидродинамика одно- и двухфазных теплоносителей // Труды МЭИ. 1971. № 2.

22.Исаченко В.П., Солодов А.П., Самойлович Ю.З. - в кн.: Тепло- и массопе-ренос при фазовых и химических превращениях // Труды IV Всесоюзного совещания по тепло- и массообмену. т. 2. Минск. 1972.

23.Солодов А.П. Конденсация пара на ламинарной плоской струе жидкости // Теплоэнергетика. 1971. №4.

24.Исаченко В.П., Солодов А.П. Теплообмен при конденсации пара на сплошных и диспергированных струях жидкости. // Теплоэнергетика, 1972, №9.

25.Исаченко В.П., Сотсков С.А., Якушева Е.В. Исследование теплообмена при конденсации водяного пара на турбулентных струях воды // Труды МЭИ. 1975 вып. 235, с. 145-152.

26.Исаченко В.П., Сотсков С.А. и др. Теплообмен при конденсации водяного пара на ламинарной цилиндрической струе воды. Теплоэнергетика, 1976 №8.

27.Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. - М.: Энергия, 1977.

28.Шкловер Г.Г., Родивилин М.Д. Обобщение опытных данных по конденсации пара на вертикальных струях воды в условиях вакуума. // Теплоэнергетика, 1970, №10.

29.Шкловер Г.Г., Родивилин М.Д. Тепло- и массообмен при конденсации пара на струях воды. // Теплоэнергетика, 1975, №11.

30.Шкловер Г.Г., Родивилин М.Д. Конденсация на струях воды при поперечном движении пара. // Теплоэнергетика, 1976, № 4.

31.Берман Л.Д., Гордон Б.Г., Богдан С.Н. Конденсация пара и нагрев диспергированной водяной струи в ограниченном объеме. // Теплоэнергетика, 1981, №2.

32.Берман Л.Д., Гордон Б.Г., Богдан С.Н. Теплоотдача от паровоздушной смеси к диспергированной водяной струе в ограниченном объеме. // Теплоэнергетика, 1981, № 12.

33.КиНс Е., Rhodes Е. Heat transfer rates to moving droplets in air-steam mixtures. - 6-th Int. Heat. Transf. Conf., Toronto, 1978, vol. 1, p. 469-474.

34.Parsly L. Design considerations of reactor containment spray systems. ORNL -TM-2412, pt VI, 1969.

35.Chung J., Loyalka S. Effectiveness of containment spray system. - Trans. ANS, 1975, vol. 21, p. 344,345.

36.Kulic E., Rhodes E. Direct contact condensation from airsteam mixtures on a single droplet. - The Canadian J. of Chem. Eng., 1975, vol. 53, № 3, p. 131-137

37.Трофимов Л.И. Экспериментальное исследование теплопередачи при конденсации пара на струях воды. // Теплоэнергетика. 2002, № 2.

38.Трофимов JI.И. Исследование теплообмена в прямоконтактиых струйных конденсаторах. // Теплоэнергетика. 2004, № 3.

39.Benedek S. Heat transfer at the condensation of steam on turbulent motion // Int. J. of Heat and Mass Transfer. 1976. Vol. 19. № 4. P. 448-450.

40.Thomas R.M. Condensation of steam on water in turbulent motion // Int. J. of Multiphase Flow. 1979. Vol. 5. № 1. P. 1-15.

41.Трофимов Л.И. Определение средней разности температур при конденсации пара на струях жидкости // Химическое и нефтяное машиностроение. 1983. № 8. С. 27-29.

42.Сагу J.R. Fast, convenient approach to sizing heat exchangers // Chem. Engng. 1959. № 5. P. 169-174.

43.Кейс. B.M., Лондон AJI. Компактные теплообменники: Пер. с англ. МЛ.: Госэнергоиздат, 1962.

44.Дорохов А.Р., Галашов Н.Н., Чалков А.А. Теплообмен при конденсации водяного пара на струе воды. // Материалы докладов 8 Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность", Томск, 2002. Т. 1.

45.Дорохов А.Р., Логинов B.C. Теплообмен при испарении и конденсации: Уч. пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 1998. - 120 с.

46.Brown G., Heat Transmission by Condensation of Steam on a Spray of Water Drops, Proc. of General Discussion of Heat Transfer, Institution of Mechanical Engineers. 1951.

47.Lekic A., and Ford J.D. Direct Contact Condensation on a Spray of Subcooled Liquid Droplets. // Int. J. Heat Mass Transf., 23, 1980, pp. 1531-1537.

48.Sundararayan Т., and Ayyaswamy P. S., Heat and Mass Transfer Associated with Condensation on a Moving Drop: Solution for Intermediate Reynolds Numbers by a Boundary Layer Formulation // ASME J. Heat Transfer, 1984, 107, pp. 409-415.

49.Sundararayan Т., and Ayyaswamy P. S., Hydrodynamics and Heat Transfer Associated with Condensation on a Moving Drop: Solution for Intermediate Reynolds Numbers //J. Fluid Mech., 1985, 149, pp. 33-58

50.Chung J.N. and Chang T.N. A Mathematical Model of Condensation Heat and Mass Transfer to a Moving Droplet in its Own Vapor. 1984, 106, pp. 417-424.

51 .Celata G.P., Cumo M. D., D'Annibale F., and Farello G.E. Direct Contact Condensation of Steam on Droplets. // Int. J. Multiphase Flow, 1991, 17, pp. 191211.

52.Lee S.Y., and Tankin R.S. Study of Liquid Spray (Water) in a Condensable Environment (Steam). // Int. J. Heat Mass Transf., 1984, 27, pp. 363-374.

53.Hasson D., Luss D., and Peck R. Theoretical Analyses of Vapor Condensation on Laminar Liquid Jets. // Int. J. Heat Mass Transf., 1964, 7, pp. 969-981.

54.Weinberg S. Heat Transfer to Low Pressure Sprays of Water in a Steam Atmosphere. Proc. // Inst. Mech. Engrs, London, 1952, Vol. IB, No. 6, pp. 240252.

55.Mayinger F., and Chavez A. Measurement of Direct Contact Condensation of Pure Saturated Vapor on an Injaction Spray by Applying Pulsed Laser Holography. // Int. J. Heat Mass Transf., 1992, 35, pp. 691-702.

56.M. Takahashi, A.K. Nayak, Sh. Kitagawa, H. Murakoso. Heat Transfer in Direct Contact Condensation of Steam to Subcooled Water Spray. // Trans. ASME. Journal of Heat Transfer. 2001. August, Vol. 123.

57.Ермолов В.Ф. Экспериментальное исследование тепло- и массообмена в пучке струй воды, омываемых поперечным потоком пара или паровоздушной смеси при вакууме // Труды ЦКТИ. 1965. Вып. 63. с. 53-63.

58.Ефимочкин Г.И., Вербицкий B.JI. О применении подогревателей контактного типа в системе регенеративного подогрева питательной воды крупных блочных установок // Теплоэнергетика. 1969. №8. с. 61-66.

59.Ефимочкин Г.И., Вербицкий B.JL, Гусев В.А. Исследование работы регенеративной системы с подогревателями контактного типа // Электрические станции. 1971. №2. с. 47-50.

60.Ефимочкин Г.И., Горин В.И., Гинсбург Г.В. Опыт освоения смешивающих подогревателей в схемах энергоблоков Великобритании // Теплоэнергетика. 1976. № 10. с. 80-85.

61.Применение контактных подогревателей в системе регенерации турбины К-300-240 JIM3 / Ефимочкин Г.И., Вербицкий B.JL, Бельферман М.Д. и др. // Электрические станции. 1972. № 9. с. 36-39.

62.Ермолов В.Ф., Неплох H.H. Результаты разработки и внедрения схемы конденсатного тракта турбины К-300-240 JIM3 со смешивающим ПНД-1 // Тр. ЦКТИ. 1973. Вып. 121. с. 5-16.

63.Ефимочкин Г.И., Вербицкий B.JL, Бельферман М.Д. Методика расчета газодинамических характеристик смешивающих подогревателей по результатам их испытаний // Теплоэнергетика. 1980. № 9. с. 31-34.

64.Ефимочкин Г.И. К расчету смешивающих подогревателей с безнапорным струйным водораспределением // Теплоэнергетика. 1982. № U.c. 43-45.

65. Смешивающие подогреватели паровых турбин / В.Ф. Ермолов, В.А. Пермяков, Г.И. Ефимочкин, B.JI. Вербицкий. - М.: Энергоиздат, 1982. -208с.

66.Ефимочкин Г.И. Бездеаэраторные схемы паротурбинных установок. - М.: Энергоатомиздат, 1989. -232с.

67.3акревский С.Л., Солодов А.П., Цанев C.B. Диагностика технического состояния смешивающих подогревателей низкого давления с использованием модели контактного теплообменника струйного типа // Тр. МЭИ. 1994. Вып. 671. с. 52-63.

68.3акревский С.Л., Солодов А.П. Динамическая модель подогревателя низкого давления смешивающего типа // Теплоэнергетика. 1998.№ 7. с. 48-51.

69.3акревский С.Л. Разработка математической модели подогревателя смешивающего типа с целью оптимизации режимов работы ПНД. Диссертационная работа. М. 1998. с. 139.

70.Правила измерения расходов газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД 50-213-80. М.: Изд-во стандартов, 1982. - 319 с.

71.Ерошкина E.B. Исследование теплообмена в подогревателе смешивающего типа при контакте пароводяной смеси с распыленной водяной струей. Сборник докладов молодых специалистов: Материалы конкурса ОАО "ВТИ" - М.: ОАО "ВТИ", 2003. - 172 с.

72.Ерошкина Е.В., Кисина В.И., Шварц A.JL, Колбасников A.B. Экспериментальное исследование теплообмена при конденсации пара из пароводяной смеси на струях воды при высоком давлении. Теплоэнергетика, №1, 2007, стр.53-57.

73.Исследование процесса теплообмена между струями воды и пароводяной смесью и проверка работоспособности конструкции смешивающего подогревателя высокого давления для РУ "БРЕСТ-ОД-ЗОО". М.: Отчет ОАО "ВТИ". Арх. № 15277, 2007.

74.Сомова Е.В., Кисина В.И., Шварц A.JL, Колбасников A.B. Исследование процесса тепломассопереноса в потоках воды и пароводяной смеси при высоких давлениях. Сб. докладов Третьей Международной конференции "Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках". М.: Издательский дом МЭИ, 2008.

75.Сомова Е.В., Кисина В.И., Шварц А.Л., Колбасников A.B., Канищев В.П. Процесс конденсации пара из пароводяной смеси на струях воды при высоком давлении. Теплоэнергетика, № 1, 2009.

76.Сомова Е.В., Кисина В.И., Шварц A.JL, Колбасников A.B., Канищев В.П. Исследования смешивающего подогревателя питательной воды на фрагменте 11-го контура реакторной установки нового поколения. Теплоэнергетика, № 6, 2009.

77.Пуганов В.Н., Семеновкер И.Е. Определение длины испарительного участка впрыскивающих пароохладителей в трубах 0=60 мм. Отчет ЦКТИ, 1960.

78.Пуганов В.Н., Семеновкер И.Е. Сравнительные испытания различных типов впрыскивающих пароохладителей для котлов докритического давления. Отчет ЦКТИ, 1968.

79.Ильин A.K. Исследование рабочего процесса впрыскивающих пароохладителей и методика расчета. Кандидатская диссертация. ДПИ, Владивосток 1964.

80.Будин. И.Е. Исследование впрыскивающего пароохладителя с осесиммет-ричной трубой Вентури. Кандидатская диссертация. ЧПИ, Челябинск, 1975.

81.Форостов В.М. Исследование впрыскивающих пароохладителей с целью повышения надежности их работы. Кандидатская диссертация. ЧПИ, Челябинск, 1978.

82.Абрамович Г.П. Теория турбулентных струй. М., Физмат, 1960.

83.Крапивин A.M. Исследование теплопередачи в камерных разбрызгивающих теплообменниках. - В сб.: Труды Днепропетровского института инженеров железнодорожного транспорта, вып. 26, 1958.

84.Морозов Н.Г. Исследование работы струйного подогревателя. Диссертационная работа, ВТИ, 1943.

85.Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. ГЭИ, 1948.

86.Арефьев K.M., Боришанский В.М. и др. Конденсация паров цезия из потока инертных газов. В сб. Гидравлика и теплообмен в элементах энергетического оборудования. Труды ЦКТИ вып. 101, 1970.

87.Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1967.

88.Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972.

89.Малофеев Н.И. Классы движения двухфазного диспергированного потока с теплообменом между фазами. В сб. Гидравлика и теплообмен в элементах энергетического оборудования. Л.: Труды ЦКТИ, вып. 101, 1970.

90.Волков Д.И., Малофеев Н.И. Влияние дисперсности газовой фазы на интенсивность теплообмена между фазами и на параметры потока двухфазной газожидкостной смеси. В сб. Гидравлика и теплообмен в элементах энергетического оборудования. Л.: Труды ЦКТИ, вып. 101, 1970.

91.Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергия, 1968.

92.Ароне Г.А. Струйные аппараты. М.: Госэнергоиздат, 1948.

93.Разработка тепловой и пусковой двухконтурной схемы блока БРЕСТ-ОД-300 и габаритных размеров специального оборудования второго контура. Отчет ОАО «ВТИ». Арх. № 14790. Москва. 1999г.

94.Разработка принципиальной тепловой и пусковой схемы второго контура энергоблока. Оптимизация параметров второго контура для энергоблока с реактором БРЕСТ-ОД. Отчет ОАО «ВТИ». Арх. № 15354. Москва. 2009г.

95.Разработка технических требований к новому оборудованию 2-го контура энергоблока с реакторной установкой БРЕСТ-ОД-ЗОО. Отчет ОАО «ВТИ». Арх. № 15514. Москва. 2011г.

96.Кемельман Д.Н. Линейная сепарация влажного пара. М. Энергоиздат, 1982.

97.Шварц А.Л., Локшин В.А. Экспериментальное исследование движущих напоров при опускном движении пароводяной смеси в вертикальных трубах при давлениях до 180 ат. Теплоэнергетика, № 6, 1957.

98.Разработка тепловой и пусковой схемы второго контура блока БРЕСТ-ОД-ЗОО. Отчет ОАО «ВТИ». Арх. № 14884. Москва. 2001г.