Лекция для заочников. Лекция для заочников
 Скачать 1.36 Mb.
|
|
Лекция для заочников Слайд 2 Назначение и классификация теплообменных аппаратов Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, в котором происходит передача теплоты от одной среды к другой. Среды, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. В качестве теплоносителей могут использоваться пары различных веществ, газы, жидкости и жидкие металлы. Теплоноситель, отдающий теплоту и имеющий более высокую температуру, называется первичным, а воспринимающий теплоту теплоноситель с более низкой температурой называется вторичным. Передача теплоты может осуществляться при непосредственном контакте обоих теплоносителей, либо через твердую поверхность, разделяющую среды. По этому признаку теплообменные аппараты соответственно подразделяются на контактные и поверхностные. Контактные аппараты в свою очередь подразделяются на смешивающие, в которых теплообмен происходит при смешении обоих теплоносителей, и барботажные, где один из теплоносителей прокачивается через другой без смешения. В смешивающих аппаратах теплообмен происходит одновременно с массообменом. В поверхностных аппаратах процесс теплопередачи включает в себя теплоотдачу от первичного теплоносителя к поверхности теплообмена, перенос теплоты через поверхность и теплоотдачу от поверхности теплообмена к вторичному теплоносителю. Поверхностные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах обе стороны поверхности теплообмена непрерывно омываются теплоносителями, и направление теплового потока в стенке поверхности теплообмена сохраняется неизменным. В регенеративных аппаратах поверхность теплообмена попеременно омывается то одним, то другим теплоносителем, так что направление теплового потока в стенках поверхности теплообмена периодически меняется. По типу поверхности теплообмена различают аппараты трубчатые (кожухотрубные аппараты с гладкими, оребренными или профилированными трубками) и пластинчатые, в которых поверхность теплообмена образована плоскими или гофрированными листами. По пространственной ориентации поверхности теплообмена аппараты делятся на горизонтальные и вертикальные. Классифицировать аппараты можно и по роду протекающих через них теплоносителей на водоводяные, пароводяные, газовоздушные и др., а также и по признаку наличия или отсутствия изменения агрегатного состояния одного или обоих теплоносителей. По этому признаку можно выделить аппараты без изменения агрегатного состояния, а также с изменением агрегатного состояния теплоносителей — кипением или конденсацией. Другим принципом классификации теплообменных аппаратов является их функциональное назначение, по которому аппараты подразделяются на конденсаторы, подогреватели, охладители и т.д. В состав энергетических установок входит ряд теплообменных аппаратов (теплообменников), являющихся их неотъемлемой частью. Эти аппараты по большей части являются поверхностными и рекуперативными по принципу действия, однако в схемах энергетических установок имеются также и аппараты смешивающего типа. Функционирование таких теплообменных аппаратов непосредственно связано с термодинамикой рабочего цикла паротурбинной или газотурбинной установки и обеспечивает необходимую эффективность и надежность ее работы. К таким аппаратам относятся, например, конденсаторы, подогреватели системы регенерации и системы подогрева сетевой воды паротурбинных установок, а также воздухоподогреватели и воздухоохладители газотурбинных установок. Другие теплообменные аппараты, не будучи связаны непосредственно с термодинамическим циклом установки, необходимы для обеспечения работы вспомогательных систем (например, систем регулирования и смазки). Поверхностные аппараты паротурбинных установок (ПТУ) в качестве поверхности теплообмена имеют пучки трубок, как прямых, так и другой конфигурации — U- или П-образных. Теплообменные аппараты газотурбинных установок (ГТУ) выполняются как трубчатыми, так и пластинчатыми. Схема РППВ Понижение параметров пара в проточной части паровой турбины обычно осуществляется до давления, величина которого значительно ниже барометрического, для чего необходимо обеспечить конденсацию отработавшего в турбине пара. Этой цели и служит конденсационная установка , которая кроме указанного назначения обеспечивает также получение чистого конденсата для питания парового котла (парогенератора), замыкая тем самым термодинамический цикл ПТУ. Понижение давления в конденсаторе при неизменных начальных параметрах пара увеличивает полезную работу и термический КПД цикла. Эффективная работа конденсатора непосредственно влияет на экономичность работы турбоустановки, таким образом, что при изменении давления в конденсаторе на 1 кПа мощность паротурбинных установок ТЭС изменяется примерно на 1 %, а для АЭС это изменение достигает 1,5–2,0 % Регенеративный подогрев основного конденсата и питательной воды (регенерация) является одним из важнейших методов повышения экономичности современных ТЭС. Регенеративный подогрев осуществляется паром, отработавшим в турбине. Греющий пар, совершив работу в турбине, конденсируется затем в подогревателях системы регенерации ПТУ. Выделенная этим паром теплота фазового перехода возвращается в цикл, т.е. как бы восстанавливается или регенерируется. В зависимости от начальных параметров пара и количества отборов пара на регенерацию относительное повышение КПД турбоустановки за счет регенерации составляет от 7 до 15 % [1–5]. Регенерацию можно рассматривать как процесс комбинированной выработки энергии с внутренним потреблением теплоты пара, отбираемого из турбины. Регенеративный подогрев воды снижает потерю теплоты с отработавшим паром в конденсаторе турбины. Деаэратор и питательный насос делят схему регенеративного подогрева на две группы теплообменников: подогревателей высокого (ПВД) и низкого (ПНД) давлений. При наличии испарительной установки (для термического обессоливания добавочной воды) между ПНД включается конденсатор испарителя (КИ). К группе ПНД обычно условно относятся и вспомогательные подогреватели, использующие теплоту пара воздушных насосов (эжекторов) и уплотнений турбины. Нумерация подогревателей чаще всего осуществляется по ходу питательной воды, т.е. чем выше давление греющего пара, отбираемого в подогреватель, тем больше номер подогревателя, а нумерация отборов турбины осуществляется в обратном порядке, по ходу пара в турбине. Система регенеративного подогрева питательной воды включает в себя тракт основного конденсата (от конденсатора до питательного насоса) и тракт питательной воды (от питательного насоса до котла). Конденсат рабочего пара турбин последовательно проходит, подогреваясь паром регенеративных отборов, от конденсатора до котла через охладители эжекторов , охладители пара уплотнений (сальниковые подогреватели), подогреватели низкого давления, деаэратор , где он освобождается от растворенных газов, и группу подогревателей высокого давления. Классификация теплообменных аппаратов системы регенеративного подогрева питательной воды может производиться по различным признакам. По давлению нагреваемой воды аппараты подразделяются следующим образом: группа аппаратов низкого давления (подогреватели низкого давления – ПНД, сальниковые подогреватели, охладители паровых эжекторов, деаэраторы), в которых нагреваемая вода находится под давлением, создаваемым конденсатными насосами (основной конденсат); подогреватели высокого давления (ПВД), в которых нагреваемая вода находится под давлением, создаваемым питательными насосами (питательная вода). По источнику греющего пара аппараты делятся на две группы — основные и вспомогательные. Основные аппараты, к которым относятся ПНД, ПВД и деаэраторы в схемах ряда турбоустановок, питаются паром только из регенеративных отборов турбины. К вспомогательным теплообменникам относятся аппараты, питающиеся паром от разных других источников: сальниковые подогреватели, получающие пар из уплотнений турбины; охладители паровых эжекторов, получающие рабочий пар, например, с головок деаэратора, из РОУ, общестанционного коллектора и др.; конденсаторы испарителей, получающие вторичный пар испарителей. Слайд 3 Принципы организации течения теплоносителей в аппарате Тепловые процессы в теплообменных аппаратах протекают при взаимодействии по крайней мере двух теплоносителей с различными температурами, причем теплота переносится от первичного теплоносителя с большей температурой к вторичному теплоносителю с меньшей температурой. Теплоносители, используемые в теплообменных аппаратах ПТУ, подразделяются по агрегатному состоянию на жидкие (циркуляционная, сетевая и питательная вода, конденсат, масло) и газообразные (водяной пар, воздух, газовая смесь). При проектировании кожухотрубных теплообменных аппаратов возникает проблема размещения теплоносителей по сторонам поверхности теплообмена — внутри трубок или в межтрубном пространстве. Обоснованное решение этой проблемы требует учета факторов тепловой эффективности, надежности, экономичности работы аппарата, а также минимизации его массогабаритных и стоимостных характеристик. Выбор конкретной схемы течения теплоносителей определяется взаимным влиянием следующих факторов: стоимости материалов и изготовления аппарата (капитальных затрат), эксплуатационных расходов (особенно расходов на прокачку теплоносителей), возможности очистки аппарата, склонности металла к коррозии, разности рабочих давлений сред, опасности утечки теплоносителя, рабочего диапазона температур, возможности возникновения термических напряжений вследствие различного удлинения элементов конструкции аппарата, вибрации трубок и появления усталостных напряжений и т.д. Особенность пароводяных кожухотрубных теплообменных аппаратов состоит в том, что проходное сечение межтрубного пространства во много раз больше проходного сечения трубок, что предполагает размещение газообразного теплоносителя с меньшим давлением и, следовательно, с большим удельным объемом, в межтрубном пространстве аппарата. Соответственно охлаждающая или нагреваемая вода направляется в трубки поверхности теплообмена. Такое размещение теплоносителей не только позволяет поддерживать высокую тепловую эффективность аппаратов с конденсацией пара и упрощает поддержание герметичности аппарата, но и расширяет возможности применения более простых типов конструкций и более дешевых конструкционных материалов, так как допускает меньшие толщины стенок корпуса аппарата. В конденсаторах паровых турбин принятая схема течения теплоносителей — насыщенный пар в межтрубном пространстве, циркуляционная вода внутри трубок — обеспечивает гравитационную сепарацию пара и образующегося конденсата, позволяет организовать развитый фронт натекания пара на трубный пучок, уменьшить среднюю толщину пленки конденсата на поверхности трубок и повысить тем самым интенсивность теплообмена, упрощает отвод неконденсирующихся газов из парового пространства, а также облегчает очистку внутренней поверхности трубок от загрязнений, вносимых охлаждающей водой. В теплообменниках типа «жидкость — жидкость» целесообразно направлять более вязкую жидкость, для которой значение числа Рейнольдса ниже, в межтрубное пространство, а менее вязкую жидкость с более высокими числами Рейнольдса — по трубкам. Так можно обеспечить более высокий коэффициент теплоотдачи вследствие турбулизации потока, обусловленной поперечным обтеканием пучков трубок, и сблизить уровни теплоотдачи теплоносителей с внутренней и наружной сторон поверхности теплообмена. Во всех случаях для повышения уровня теплоотдачи выгодно увеличивать длину пути и скорость движения теплоносителей, для чего в межтрубном пространстве устанавливаются перегородки, а внутритрубный теплоноситель направляется в несколько последовательных ходов, если это позволяет величина допустимых потерь давления. Одной из основных характеристик конструкции теплообменного аппарата является тип относительного движения потоков теплоносителей и схема их взаимного движения. По направлению преимущественного движения теплоносителей следует различать противоточные и прямоточные аппараты, а также аппараты с перекрестным током.  а — прямоток, б — противоток, в — перекрестный ток, г — смешанная схема, д — многократный перекрестный ток; 1 — первый теплоноситель, 2 — второй теплоноситель Если в теплообменном аппарате первичный (горячий) и вторичный (холодный) теплоносители протекают параллельно в одном направлении (рис. 1.8, а), то такая схема движения называется прямотоком. Если теплоносители протекают параллельно, но в противоположном направлении (рис. 1.8, б), то такая схема движения называется противотоком. Если среды протекают во взаимно перпендикулярных направлениях (рис 1.8, в), то схема их движения называется перекрестным током. Помимо таких простых схем движения в реальных теплообменных аппаратах реализуются и более сложные: смешанная схема, объединяющая принципы прямотока и противотока (рис 1.8, г), а также многократный перекрестный ток (рис 1.8, д). Рассмотренные схемы отличаются между собой степенью использования температурного потенциала теплоносителей, т.е. разницы их температур. С этой точки зрения наиболее выгоден чистый противоток, поэтому в теплообменных аппаратах любой конструкции, работающих без изменения агрегатного состояния теплоносителей, для получения наименьшей поверхности теплообмена при прочих равных условиях необходимо применять принцип противоточного движения теплоносителей. Если выдержать принцип чистого противотока невозможно по конструктивным или компоновочным соображениям, следует организовать перекрестный ток теплоносителей с соблюдением общего противоточного течения. При изменении агрегатного состояния хотя бы одного из теплоносителей любые схемы движения принципиально равноценны [1]. Слайд 4 |