Экспериментальное исследование процессов теплообмена при конденсации водяного пара из смеси с высоким содержанием неконденсирующихся газов и разработка на этой основе высокоэффективного конденсатора

Актуальность работы. Изучение тепло- и массообмена при конденсации определяется потребностями разработки современных технологий энергоэффективности и энергосбережения, создания теплообменных аппаратов для теплоутилизационных устройств, вакуумных и атмосферных конденсаторов газовых турбин парогазовых установок, где в паре содержится большая доля неконденсирующихся газов (НКГ). Одной из основных задач при проектировании конденсаторов является тепловой и гидравлический расчет теплообменных поверхностей. Для рационального проектирования необходимо глубокое понимание физических процессов, определяющих работу конденсационных аппаратов на парогазовой смеси (ПГС), и обоснованных методик их расчета. Накопленные к настоящему времени теоретические и экспериментальные результаты позволили создать инженерные методики расчета, которые, однако, ориентированы на конкретные конструктивные решения и носят приближенный характер в силу сложности процессов и явлений, происходящих в реальных устройствах. Экспериментальные исследования, направленные на совершенствование этих методик – важный и актуальный задел. .Объект исследования: конденсаторы высокотемпературных газопаровых турбин с подачей пара в камеру сгорания, теплоутилизаторы котельных установок и т.п. Предмет исследования – особенности работы конденсатора пара с большим содержанием неконденсирующихся газов. Целью работы является разработка методики расчета высокоэффективных конденсаторов пара из парогазовой смеси на базе экспериментальных исследований тепло- и массообмена движущей парогазовой смеси. Для достижения поставленной цели в настоящей работе сформулированы и решены следующие задачи: 1) Проведены экспериментальные исследования по определению локальных и интегральных характеристик теплообмена при конденсации пара из движущей ПГС с высоким содержанием неконденсирующихся газов на горизонтальном трубном пучке в диапазонах: – концентрации газовой компоненты (по массе) 0...20%; – скорости парогазовой смеси 0...50 м/с; – давления парогазовой смеси 5...100 кПа; – температуры охлаждающей воды 15...50°C; – коэффициента теплоотдачи к охлаждающей воде (5...10)·103 Вт/(м^2·К). Получены локальные и средние значения коэффициентов теплоотдачи при конденсации пара из движущейся ПГС на всех режимах исследований. 2) Предложена аппроксимация экспериментальных данных в диапазоне режимов испытаний. Результаты исследований, выполненных на практически чистом паре, хорошо согласуются с известной зависимостью Л.Д. Бермана. 3) Разработана инженерная методика расчета высокоэффективного конденсатора пара из парогазовой смеси с большим содержанием неконденсирующихся газов. 4) Спроектирован, изготовлен и испытан модуль высокоэффективного конденсатора пара из ПГС; результаты испытаний подтвердили идею создания конденсатора ПГС с постоянной мощностью пара. Методология и методы исследования. В организации и проведении диссертационного исследования реализована методология системного подхода к изучению сложных технических систем, соответствующая специфике изучаемой области. Глубокий анализ процессов конденсации в многокомпонентных системах, включающих парогазовые смеси с инертными составляющими, стал возможен за счет использования интегрированного системного метода при изучении сложных технических объектов. Выявленные в ходе работы фундаментальные закономерности и параметрические зависимости легли в основу инновационных инженерных решений, направленных на совершенствование эффективности конденсационного оборудования. Такой всесторонний подход позволил не только теоретически обосновать, но и практически реализовать оптимизационные мероприятия для повышения производительности конденсационных систем. При анализе теплотехнических устройств использовались системные методы исследования. Комплексный подход и всесторонние методики моделирования были применены для разработки и исследования энергетических систем и их компонентов. Диссертация выполнена по плану научной работы федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского», а также по плану совместной научной и инновационной деятельности университета и Закрытого акционерного общества «Научно-производственное внедренческое предприятие «Турбокон», соответствует приоритетному направлению научно-технологического развития Российской Федерации «Высокоэффективная и ресурсосберегающая экономика» и соотносится с перечнем важнейших наукоемких (критических) технологий, определенных Указом Президента Российской Федерации от 18 июня 2024 г. Научная новизна исследования заключается в том, что в нем: 1) Впервые получены экспериментальные данные для определения коэффициента теплоотдачи при конденсации пара на горизонтальном трубном пучке из движущейся ПГС. 2) Разработана методика расчета коэффициента теплоотдачи от ПГС к стенке на фоне роста концентрации газов по мере конденсации пара. Теоретическая значимость работы состоит в том, что результаты проведенного диссертационного исследования вносят определенный вклад в понимание и теоретическое обоснование процессов тепломассообмена при эксплуатации конденсаторов паротурбинных установок с высокой концентрацией неконденсирующихся газов (до 15–20%). Эти выводы могут быть использованы для: – повышения эффективности работы конденсаторов при высокой концентрации неконденсирующихся газов в паре; – применения результатов исследования при проектировании установок, работающих по циклу Аллама и ОИВТ РАН. Практическая значимость работы состоит в следующем: 1. На основе проведенных экспериментов получены данные по интенсивности тепломассообмена при конденсации пара с содержанием до 20% неконденсирующихся газов на пучках гладких горизонтальных труб. Трубные пучки такого типа широко распространены на практике и являются неотъемлемой частью конструкции конденсаторов на действующих установках ТЭС и АЭС. 2. Методика расчета такого конденсатора позволяет оценить его эффективность в широком диапазоне тепловых нагрузок. 3. Проведенные исследования позволяют перейти к новым технологиям по созданию энергокомплексов большой мощности с ультрасверхкритическими параметрами пара на базе угольных котлов с газовым перегревом пара в выносных камерах сгорания, что исключительно важно для тепловых электростанций Российской Федерации. Результаты испытаний и обобщение данных применимы к установкам типа Аллама и ОИВТ РАН, работающих на углекислом газе. Личный вклад соискателя. Автор активно участвовал во всех этапах создания экспериментального стенда, начиная с постановки задач и планирования, организации и осуществления эксперимента. Он лично проводил эксперименты, осуществлял измерения, обработку результатов измерений и анализ полученных данных. Кроме того, он принимал участие в разработке инженерной методики для расчета высокоэффективного конденсатора пара. Достоверность научных результатов обеспечивается глубоким анализом процессов конденсации в многокомпонентных системах, включающих парогазовые смеси с инертными составляющими, и использованием интегрированного системного метода при изучении сложных технических объектов. Выявленные в ходе работы фундаментальные закономерности и параметрические зависимости легли в основу инновационных инженерных решений, направленных на совершенствование эффективности конденсационного оборудования. Такой всесторонний подход позволил не только теоретически обосновать, но и практически реализовать оптимизационные мероприятия для повышения производительности конденсационных систем. Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы были представлены и получили высокую оценку профессионального сообщества на 12 международных и всероссийских научных и научно-технических конференциях. Диссертация является научно-квалификационной работой, соответствует паспорту специальности 2.4.7 – Турбомашины и поршневые двигатели в части направления исследования – пункту 2 «Разработка физико-математических программ, цифровых двойников, методов экспериментальных исследований, теоретические и экспериментальные исследования с целью повышения эффективности, надежности и экологичности рабочих процессов турбомашин, поршневых двигателей, их систем и вспомогательного оборудования в составе объектов применения». Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 90 наименований, изложена на 172 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 14 таблиц и 3 приложений. Основные результаты и выводы. В результате исследования процессов конденсации пара при большом содержание неконденсирующихся газов были получены следующие основные результаты: - Выполнен анализ научно-технической литературы по вопросам конденсации пара и парогазовой смеси, а также расчетов конденсационных аппаратов для этих сред. Показана актуальность исследования процесса конденсации парогазовой смеси с большим содержанием неконденсирующихся газов применительно к высокотемпературным установкам по циклу Аллама и ОИВТ РАН. - Разработан, изготовлен и введен в эксплуатацию экспериментальный стенд для исследования процесса конденсации парогазовой смеси с большим содержанием неконденсирующихся газов на шестирядном пучке горизонтальных медных труб с термодатчиками, установленными в прямоугольных пазах на теплообменных трубах. Анализ погрешности в определении коэффициента теплоотдачи не превышает 10% от ее величины. - Проведены исследования по определению коэффициентов теплопередачи при конденсации пара из парогазовой смеси с объемной концентрацией неконденсирующихся газов ν до 18%, параметра ρw2 от 0 до 66 Па в интервале давления 25–35 кПа. Результаты опытов обобщены безразмерной зависимостью α_см/α_Б =(1+0,74П)(1-0,76ν^0,37 ), где – формула Л.Д. Бермана для чистого движущегося пара; П=(ρ_n w^2)/(ρ_κ gd) – модифицированное число Фруда; ρn, ρк – плотность пара и конденсата; w – скорость парогазовой смеси в узком сечении; d – диаметр трубы. - На основании экспериментальных данных и их обобщения разработана инженерная методика расчета парового канала высокоэффективного конденсатора парогазовой смеси с большим содержанием неконденсирующихся газов. Методика учитывает влияние скорости пара и охлаждающей воды, геометрические характеристики трубного пучка и потери давления по ходу движения ПГС. - С использованием разработанной методики проведен расчет оптимальной скорости пара в зависимости от конфигурации трубного пучка, температуры и скорости охлаждающей воды, длины теплообменных труб и наличия отложений в этих трубах, величина оптимальной скорости пара лежит в диапазоне 40–60 м/с. - Разработана конструкция, изготовлен модуль высокоэффективного конденсатора и стенд для его испытаний на площадке ТЭЦ ПАО «Калужский турбинный завод». Стенд и рабочий участок позволяют получить информацию по интенсивности теплопередачи как в целом по модулю, так и по отдельным его частям по ходу движения ПГС. - Испытания модуля высокоэффективного конденсатора пара, содержащего большое количество неконденсирующихся газов, проведено в диапазоне удельных тепловых нагрузок от 20 до 50 кВт/м2, концентрации НКГ от ⁓0 до 10%, скорость воды до 2 м/с. Показано, что при концентрациях НКГ до 10% и номинальной тепловой нагрузке может быть достигнут средний коэффициент теплопередачи, равный 2600–2800 Вт/(м^2∙К) при скорости охлаждающей воды 1,5 м/с. - Получены зависимости коэффициента теплопередачи от скорости и температуры охлаждающей воды: для практически чистого пара достигнута величина k =5000 Вт/(м^2∙К) при скорости воды 2 м/с и 3000 Вт/(м^2∙К) при концентрации НКГ до 10%. При скорости охлаждающей воды 1,5 м/с средний коэффициент теплопередачи изменяется в диапазоне 2600–4600 Вт/(м^2∙К) при изменении концентрации НКГ от 0,5 до 10%. -Приведен пример конструктивного исполнения конденсатора пара на базе модулей высокоэффективного конденсатора пара. В приведенных технических условиях использование разработанной методики инженерного расчета и проектирования может обеспечить экономию до 30% поверхности теплообмена по сравнению с существующим конденсатором