Устройство для капиллярной конденсации отработавшего пара турбин

Изобретение относится к энергетике. Устройство для капиллярной конденсации отработавшего пара турбины, содержащее 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, состоящей из перфорированных колпачков, изготовленных из гидрофильного материала, уложенных рядами друг на друга в шахматном порядке, перфорация которых выполнена в виде конических капилляров, при этом на наружной поверхности колпачков выполнены вертикальные каналы слива конденсата, расположенные между вертикальными рядами малых отверстий конических капилляров. Изобретение позволяет повысить эффективность устройства для капиллярной конденсации отработавшего пара турбины. 4 ил.

 

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].

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_ri. 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_ri 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_ri 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 Р₀ 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 P₁ 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 P₀, 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 P₀ до $$P_1^1$$ ( $$P_1^1$$ значительно меньше, чем давление, создаваемое конденсатным насосом P₁, но больше чем P₀). В результате в диффузоре I-й ступени МСЭ II происходит частичная конденсация пара, после чего парожидкостная смесь при давлении $$P_1^1$$ 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 $$P_1^2$$ и $$P_1^N$$ и увеличение массы потока, равной массе исходного отработавшего пара. Далее из диффузора последней ступени МСЭ II при давлении $$P_1^N$$ , величина которого значительно больше P_0, 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 $$P_1^N$$ , 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.

Устройство для капиллярной конденсации отработавшего пара турбины, включающее конденсатор с капиллярной насадкой, состоящий 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, отличающееся тем, что конденсатор первой ступени, представляющий собой конденсатор с капиллярной насадкой, соединен паропроводом отработавшего пара с турбиной, паропроводом остаточного пара и конденсатопроводом с рабочим насосом через мультиступенчатый эжектор с конденсатором второй ступени, представляющим собой также конденсатор с капиллярной насадкой, поддон которого соединен через конденсатный насос с системой подготовки подпиточной воды, при этом на наружной поверхности перфорированных колпачков насадки конденсаторов первой и второй ступеней 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.