Методика Калужского турбинного завода (КТЗ)

Методика базируется на оп­ределении коэффициента теплоотдачи со стороны паровоздушной смеси (конденсирующегося пара) по зависимости, учитывающей ухудшение коэффициен­та теплопередачи вследствие наличия в конденсирующемся паре присосов воз­духа,

,                            (4.6)

Здесь - среднее значение коэффициента теплоотдачи при конденсации чистого водяного пара в горизонтальном трубном пучке, которое рекомендуется определять по зависимости

,               (4.7)

где П - фактор скорости пара (см.гл.3), П =

Z - число ходов в конденсаторе;

W_п - скорость пара на входе в трубный пучок (по периферии трубного пучка, в узком сечении между трубками);

- относительный периметр набегания пара на трубный пучок,

S_yзк - периметр набегания пара на трубный пучок по узкому сечению междутрубками; N - число трубок; ρ_п,  - плотность и теплопроводность пара, определяемые по температуре насыщения t_н;
ρ_к - плотность конденсата, определяемая по температуре пленки;

- коэффициент теплоотдачи, вычисляемый по формуле (3.11);

 - относительное содержание воздуха в паре; при конструкторском расчете ε принимается равным максимально допустимо­му в соответствии с Правилами технической эксплуатации.

 

4.1.4. Методика Уральского государственного технического университета (УГТУ)

 Аналогично методике КТЗ, базируется на опреде­лении коэффициента теплопередачи в конденсаторе по формуле (4.5). Отличие заключается в методике определения коэффициента теплоотдачи от конденси­рующегося пара к стенке трубки  (в методике КТЗ – α_см)

Структура выражения для определения коэффициента теплоотдачи с па­ровой стороны имеет вид

,                                (4.8)

где - коэффициент теплоотдачи по Нуссельту (3.11);

Ф_w, Ф_i, Ф_ε, Ф_f, Ф_к- факторы, учитывающие соответственно скорость пара, натекание конденсата, содержание воздуха в паре, парамет­ры вибрации трубок, компоновку трубного пучка.

Фактор, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи скорости течения пара, определяется согласно зависимости ВТИ

Ф_w = 28,З·П^0.08·Nu^-0.58,                         (4.9)

где П определяется так же, как в формуле (4.7), но скорость пара рассчитывает­ся по площади горловины конденсатора.

Согласно современным представлениям и опытным данным ВТИ, КТЗ и ИТФ СО РАН, фактор натекания конденсата для регенеративных конденсато­ров с развитой поверхностью теплообмена из рассмотрения исключен (Ф_i=1).

Фактор, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи содержания в паре воздуха, определяется на основе зависимости (аппроксима­ция данных, ранее обобщенных С.С. Кутателадзе)

Ф_ε = 1-4,716·ε^0.477,                                (4.10)

Фактор, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи параметров вибрации трубок конденсатора, определяется согласно обобщенной зависимо­сти УГТУ

,               (4.11)

где Рr, К - число Прандтля и число фазового перехода конденсата             соответственно;

- вибрационное число Рейнольдса;

А, f - амплитуда, м, частота, Гц, колебаний трубки соответственно;

- коэффициент кинематической вязкости конденсата;

Фактор, учитывающий компоновку трубного пучка конденсатора, опреде­ляется согласно обобщенной зависимости УГТУ

где ; ;

t_н - температура насыщения пара;

t_1в - температура воды на входе в конденсатор;

К_* - коэффициент компактности трубного пучка;

А - средняя ширина ленты компоновки трубного пучка;

S₁, S₂ - шаги разбивки трубок;

Р - относительный периметр трубного пучка;

Р_тр.д - периметр трубной доски;

Р_тр.п - периметр трубного пучка.

В таблице 4.2 представлены характеристики серийных конденсаторов, не­обходимые для расчета по методикам УГТУ и КТЗ.

Таблица 4.2. Исходные данные для расчета конденсаторов по методикам УГТУ и КТЗ

Марка конденсатора	Периметр узкого сечения Sузк, м	Площадь горло­вины конденсато­ра Sгорл,м2	Относительный периметр трубного пучка Р	Компактность трубного пучка К*	Амплитуда колебаний трубок А, мм	Частота колебаний трубок f, Гц
К-100-3685	7,510	43,36	3,930	9,830	0,098	26
100-КЦС-4	10,480	47,52	2,000	7,040	0,440	14
К-160-9115	10,000	64,16	4,733	13,160	0,119	27
200-КЦС-2	11,620	68,76	3,403	7,960	0,142	23
К-15240	9,036	84,25	4,498	10,570	0,121	27
300-КЦС-1	7,020	77,24	1,734	16,980	0,053	36
К-11520x2	10,000	119,10	4,078	10,710	0,145	26
800-КЦС-З	14,700	180,80	6,920	14,700	0,052	36
КГ2-6200	7,800	27,17	3,896	7,983	0,234	19
K2-14000-I	5,736	27,17	6,234	7,983	0,021	21

На рисунке 4.2 в качестве примера представлены результаты расчетов ря­да конденсаторов паровых турбин по вышеприведенным методикам. Как видно из рисунка, можно считать, что согласование опытных и расчетных данных вполне удовлетворительное.

Однако тепловой расчет конденсатора не сводится только к определению коэффициента теплопередачи в нем. Основной характеристикой работы кон­денсатора является величина создаваемого им разрежения или абсолютного
давления в конденсаторе. Кроме того, при вычислении коэффициента теп­лопередачи в конденсаторе по двум последним методикам не­обходимо знать среднюю темпе­ратуру охлаждающей воды, по которой вычисляется коэффици­ент теплоотдачи с водяной сто­роны, а также разницу темпера­тур между паром и водой для определения коэффициента теплоотдачи с паро­вой стороны. Все эти температуры также должны определяться в результате те­плового расчета, поэтому полный тепловой расчет конденсатора требует при­менения итерационных методов, когда предварительно задаются, а затем уточ­няются некоторые необходимые для расчета величины (например, конечная температура охлаждающей воды).

Рассмотрим последовательность поверочного теплового расчета кон­денсатора. В результате расчета необходимо определить давление в конденса­торе, нагрев охлаждающей воды и недогрев воды до температуры насыщения пара при давлении в конденсаторе.

В качестве исходных данных задаются следующие основные величины:

расход пара в конденсатор, т/ч, G_п;

расход охлаждающей воды, т/ч, G_в;

температура воды на входе в конденсатор,°С, t_1в;

поверхность охлаждения, м², F;

наружный и внутренний диаметр трубок, м, d_н, d_вн,

материал трубок;                                                                                      

количество трубок, N;

число ходов воды, z.

Очевидно, что приведенный перечень исходных данных является непол­ным, и к нему необходимо добавить ряд величин в зависимости от выбранной методики расчета конденсатора.

Для расчета по интегральным методикам (ВТИ и ИТО США) необходимо принять значение коэффициента состояния а. Рекомендуется принимать следующие значения коэффициента состояния:

при прямоточном водоснабжении и слабо

минерализованной воде 0,85...0,90;

при оборотном водоснабжении с прудом-охладителем 0,80...0,85;

при оборотном водоснабжении и повышенной карбонатной жесткости   0,75...0,80;

при непрерывной очистке трубок и любом качестве воды                                                                      0,85...0,90.

Для расчета по методике КТЗ необходимо знать содержание воздуха в паре, величину периметра узкого сечения S_узк, а также скорость пара в горлови­не конденсатора. Величина S_узк вычисляется по чертежу разбивки отверстий трубной доски конденсатора, для чего по чертежу подсчитывается количество просветов между трубками по периферии трубного пучка и затем умножается на величину шага "в свету", т.е на разность между величиной шага разбивки и наружным диаметром трубки. Обычно величина S_узк находится в пределах 6,5... 12,0 м. Скорость пара в горловине конденсатора можно определить, если предварительно задаться величиной давления пара в конденсаторе. Тогда скорость пара определится по зависимости

,                                   (4.13)

где ρ_п - плотность насыщенного пара, определяемая по давлению в конденсаторе, кг/м³;

f_горл - площадь горловины выхлопного патрубка турбины, м².

Для расчета по методике УГТУ кроме содержания воздуха в паре и ско­рости пара в горловине конденсатора необходимо знать параметры вибрации трубок в пучке (амплитуду и частоту колебаний), а также параметры компонов­ки трубного пучка: коэффициент компактности К_*, и относительный периметр Р, которые вычисляются по чертежу трубной доски.

Давление в конденсаторе определяется по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара как функция температуры насыщения пара t_н. Температура насыщения, в свою очередь, равна сумме выходной температуры воды и недогрева:

Недогрев воды до температуры насыщения можно вычислить по формуле:

(4.13-а), если известна температура t_2в и вычислен коэффициент теплопереда­чи К.

 

 

Если для расчета коэффициента теплопередачи выбираются методики ВТИ или ИТО США, то значение К можно вычислить по имеющимся исходным данным с помощью формул (4.1) - (4.2) или (4.3). Для расчета коэффициента теплопередачи по методикам КТЗ или УГТУ необходимо знать величину t_2в, через которую затем можно вычислить и среднюю температуру воды , и тем­пературу стенки трубок поверхности теплообмена t_cт, и температуру пленки конденсата t_пл, необходимые для расчета коэффициентов теплоотдачи с водяной и паровой стороны.

Таким образом, все неопределенности в расчете замыкаются на определе­нии температуры воды на выходе из конденсатора. В практике турбострои­тельных заводов для предварительных расчетов, а также при построении норма­тивных характеристик конденсаторов принято задавать разность теплосодержа­ний пара и конденсата Δh_к, величина которой принимается сле­дующей:

для турбин ТЭС с начальными давлениями пара

9,0... 16,0 МПа, не имеющих промежуточного

перегрева -2200... 2250 кДж/кг;

для турбин ТЭС с начальными давлениями пара 23,5 МПа с            промежуточным перегревом - 2300... 2350 кДж/кг;

для турбин АЭС с давлением насыщенного пара 6,0... 7,0 МПа и с промежуточным перегревом - 2200... 2250 кДж/кг.

Имея значение Δh_к, по уравнению теплового баланса для конденсатора можно подсчитать температуру воды на выходе:

,                                   (4.14)

где η_пот = 0,97... 0,99- потери теплоты в окружающую среду.

Далее, если расчет конденсатора производится по методикам ВТИ или ИТО США, остается только подсчитать значение температуры насыщения t_н и по полученной температуре определить давление в конденсаторе р_к. Если же расчет производится по методикам КТЗ или УГТУ, в качестве следующего шага необходимо задаться величиной температуры насыщения t_н и дальше вести рас­чет итерационным методом по следующему алгоритму:

1.Вычисляется среднелогарифмическая разность температур  по формуле

 

2.Определяется средняя температура воды по зависимости

3. По формуле (3.18) рассчитывается коэффициент теплоотдачи с водяной стороны α_в.

4. Температура стенки трубок поверхности охлаждения конденсатора определится из соотношения

,                         (4.15)

5. По формулам (4.6) или (4.8) рассчитывается коэффициент теплоотдачи с паровой стороны .

6. По зависимости (4.5) рассчитывается значение коэффициента теплопе­редачи К.

7. Рассчитывается величина недогрева воды до температуры насыщения
по формуле (4.13-а):

8. Находится новое значение температуры насыщения t_н = t_2в +δt и проверяется условие , где ε - заданная точность расчета, обычно 0,5... 1%. Если условие выполняется, расчет переходит к п.9, если нет - расчет повторяется с п.2 с новым значением температуры насыщения до достижения требуемой точности.

9. По величине температуры насыщения определяется давление в конден­саторе р_к.

Важнейшим вопросом конструкторского расчета конденсатора является определение площади поверхности теплообмена. Для определения требуемой поверхности охлаждения, количества и длины трубок конденсатора должны быть заданы следующие величины:

номинальный расход пара в конденсатор, т/ч

номинальный расход охлаждающей воды, т/ч ;

температура воды на входе в конденсатор, °С  t_1в

давление в конденсаторе, кПа   р_к;

разность теплосодержаний пара и конденсата, кДж/кг Δh_к;
наружный и внутренний диаметры трубок, м     d_н,d_вн;

число ходов воды z; материал трубок                                                                                     

Расчет величины поверхности охлаждения необходимо вести в такой по­следовательности:

1. Найти температуру насыщения пара t_н (по заданному давлению р_к).

2. По формуле (4.14) подсчитать значение температуры воды на выходе из конденсатора t_2в

3. Вычислить среднелогарифмическую разность температур  .

4. Рассчитать коэффициент теплопередачи К по любой из рассмотренных методик его расчета.

5. Требуемую для заданных условий поверхность охлаждения определить по формуле

,                               (4,16)

6. Принять соответствующую условиям водоснабжения и материалу тру­бок величину скорости воды w.

7. Рассчитать количество трубок поверхности охлажде­ния конденсатора N.

8. Длину трубок определить по известным площади поверхности и количеству трубок:

Полученные расчетные величины l и F требуют дальнейшего уточнения с учетом размеров трубной доски, компоновочных факторов, гидравлических характеристик и т.д.

Выбор методики расчета конденсатора определяется имеющимся набором исходных данных и целью расчета. Методика ВТИ дает возможность рассчи­тать характеристики работы конденсатора по его интегральным режимным па­раметрам, что весьма удобно, особенно на этапе предварительных оценок и при проектных расчетах. Если же при расчете необходимо учесть влияние отдель­ных факторов (содержание воздуха в паре, скорость пара, вибрацию трубок или компоновочные соотношения), для этой цели более удобны методики КТЗ или УГТУ. Именно эти методики наилучшим образом согласуются с обобщенными результатами многочисленных испытаний натурных конденсаторов ПТУ в ус­ловиях эксплуатации.