Download doc - 1_ Condensatoare de Abur - Format Carte

1. Condensatoare de abur

Capitolul 1

Condensatoare de abur

1.1. Rolul instalaţiei de condensaţieFuncţia instalaţiei de condensaţie este să condenseze aburul la ieşirea din

turbină sub un vid cât mai avansat.Condensarea se realizează într-un schimbător de căldură denumit condensator

care, pe partea de abur se află sub vid şi în care, agentul de răcire (apă, aer) extrage din abur numai cantitatea de căldură necesară pentru transformarea sa în condensat.

Acest aparat trebuie să condenseze 60 – 70 % din debitul de abur viu produs.Exploatarea modernă şi economică a centralelor termoelectrice pune instalaţiei

de condensare următoarele condiţii:- gradul de puritate al aburului trebuie să fie menţinut şi în condensat;- să facă posibilă producerea vidului determinat de temperatura apei de

răcire.Aceste condiţii sunt echivalente cu următoarele:

- condensatorul să fie etanş şi curat;- să nu realizeze subrăcirea condensatului, pentru a evita o pierdere

suplimentară de căldură şi creşterea concentraţiei de oxigen din condensat.

Condensarea aburului evacuat din turbină nu este singura funcţie a condensatorului. Tot în condensator se introduce, după o reducere şi o răcire corespunzătoare şi aburul de ocolire a turbinei, care la pornirea şi oprirea unui bloc, ca şi la scăderi bruşte de sarcină, iese din conducta caldă de supraîncălzire intermediară. În acest caz, condensatorul trebuie să preia, în mod temporar, întreg debitul de abur al generatorului de abur.

Condensatorul mai serveşte şi ca rezervor de colectare pentru condensatul provenit din purjarea turbinei, pentru preluarea condensatului secundar al treptei de preîncălzire inferioare, precum şi a apei de adaos.

Condensatul fără oxigenInstalaţiile de înaltă presiune ridică pretenţii mari asupra purităţii apei de

alimentare. Cu cât conţinutul de oxigen al condensatului este mai mic, cu atât este posibilă realizarea unei degazări mai complete şi cu atât este mai redusă posibilitatea coroziunii în preîncălzitoarele de joasă presiune.

Pentru a se păstra conţinutul de oxigen în limite cât mai reduse, trebuie să nu aibă loc subrăcirea condensatului.

Răcirea amestecului abur-aerAerul care pătrunde în condensator prin flanşe neetanşe, presgarnituri,

armături şi prin aburul ieşit din turbină trebuie să fie subrăcit în zona specială de

12 ECHIPAMENTE TERMOENERGETICE

răcire a aerului, împreună cu aburul cu care se află în amestec. Astfel, va rezulta un raport economic între costul necesar realizării efectului de răcire (inclusiv costul pompei de vid) şi consumul de energie pentru absorbţia amestecului abur-aer.

Cu cât răcirea se face până la o temperatură mai joasă, respectiv cu cât diferenţa între temperatura de saturaţie (care corespunde presiunii absolute a amestecului abur-aer) şi temperatura aerului este mai mare, cu atât debitul de abur antrenat şi consumul de energie pentru absorbirea aerului este mai mic.

În mod normal, circa 10 % din suprafaţa totală de răcire a condensatorului aparţine zonei de răcire a aerului. În general, în această zonă se poate realiza o subrăcire de 3...4 ºC, la sarcină nominală.

1.2. Părţile componente ale unei instalaţii de condensaţie

Instalaţia de condensare cuprinde toate părţile care sunt necesare pentru realizarea funcţiilor menţionate.

Dintre instalaţiile mecanice fac parte: condensatorul, eventual cu instalaţiile pentru introducerea aburului de

ocolire şi cele pentru degazarea condensatului; maşinile auxiliare pentru condensare:

- pompele de apă de răcire (sau ventilatoarele în cazul condensării cu aer);

- pompele de condensat;- agregatele de absorbire a aerului;- conductele de legătură şi armăturile.

Din instalaţiile electrotehnice fac parte: motoarele de antrenare pentru pompele de condensat, de apă de răcire şi

cele pentru absorbţia aerului; instrumentele de supraveghere şi instalaţiile electrice de siguranţă; regulatoarele de evacuare a condensatului etc.

1.3. Clasificarea condensatoarelor de aburDupă natura agentului de răcire se deosebesc:

Condensatoare răcite cu apăAcestea reprezintă marea majoritate a sistemelor utilizate în centralele

termoelectrice cu abur. Necesitatea separării apei de răcire de condensat determină în acest caz utilizarea condensatoarelor de suprafaţă.

Dacă instalaţia de condensare este alimentată direct cu apă de răcire din râuri sau lacuri, atunci răcirea se face în circuit deschis.

Dacă, din lipsa unei surse permanente de apă, este necesar ca apa de răcire să fie condusă prin instalaţii de răcire (turnuri de răcire, bazine de stropire), atunci instalaţiile de condensare funcţionează în circuit închis.

Condensatoare de abur 13

Pentru condiţiile climatice din România, valoarea anuală a temperaturii apei de răcire este:

- la răcirea în circuit deschis, 10...14 ºC;- la răcirea în circuit închis cu turnuri cu tiraj forţat, 19...21 ºC;- la răcirea în circuit închis cu turnuri cu tiraj natural, 22...25 ºC.

Condensatoare răcite cu aerCentralele termoelectrice cu abur care nu pot fi alimentate cu un debit de apă

de răcire suficient pentru condensarea aburului evacuat din turbine, sau cu apă de adaos ieftină pentru funcţionarea în circuit închis, se pot echipa cu instalaţii de condensare cu aer. Se utilizează două sisteme constructive:

condensatoare de suprafaţă răcite cu aer (condensare directă); condensatoare de amestec cu răcirea apei în schimbătoare de căldură de

suprafaţă răcite cu aer (condensare indirectă).

1.4. Schema de funcţionare a condensatorului răcit cu apă

Părţile constitutive ale unui condensator de suprafaţă răcit cu apă sunt prezentate în Figura 1.1.

Figura 1.1: Schema unui condensator de suprafaţă cu două drumuri de apă1 – manta; 2 – plăci tubulare; 3 – ţevi de răcire; 4 – racord de intrare a aburului (domul de abur); 5 – plăci de susţinere a ţevilor; 6 – camere de apă; 7 – racord de intrare a apei de răcire; 8 – racord de ieşire a apei de răcire; 9 – perete despărţitor; 10 – cameră de apă de întoarcere; 11 – capac; 12 – guri de vizitare; 13 – colector de condensat; 14 – racord de ieşire a condensatului; 15 – racord de evacuare a aerului

Principii constructive

1 23

4

5

6

7

8

9

10

11 2

12

13

14

15


Condensatoarele de suprafaţă răcite cu apă constau dintr-o manta de tablă închisă la ambele capete prin plăci tubulare şi legată, în partea de sus, printr-un racord, cu difuzorul turbinei.

Secţiunea mantalei este de obicei circulară la condensatoarele mici, dreptunghiulară sau ovală la cele mari. În plăcile tubulare sunt fixate ţevile de răcire.

Pe plăcile tubulare se montează, pe ambele părţi, camere de apă cu capace demontabile, în cazul în care intrarea şi ieşirea apei nu se găsesc pe aceeaşi parte a condensatorului.

Mantaua, plăcile tubulare şi camerele de apă se asamblează fie prin buloane, fie prin sudură.

Capacele de condensator sunt prevăzute cu guri de vizitare, care uşurează controlul ţevilor şi a camerelor de apă, iar în caz de nevoie permit efectuarea unor lucrări de întreţinere mai mici.

Spaţiul condensatorului este umplut cu abur evacuat din turbină, în timp ce apa de răcire parcurge ţevile şi trece, în funcţie de sistemul constructiv, o dată sau de mai multe ori în direcţie longitudinală.

Numărul care indică de câte ori este străbătut condensatorul în direcţie longitudinală de apa de răcire este denumit număr de drumuri. Acesta poate fi unul, două, trei sau patru în funcţie de mărimea condensatorului; condensatoarele foarte mici au patru drumuri de apă, în timp ce condensatoarele grupurilor mari au un singur drum al apei de răcire.

Ţevile de răcire sunt trecute în spaţiul condensatorului prin plăci de susţinere, distanţele dintre acestea şi faţă de plăcile tubulare fiind alese astfel încât ţevile să nu intre în vibraţii care pot conduce la ruperi. Aceste distanţe sunt de 30...50 ori mărimea diametrului exterior al ţevilor.

Pe partea cea mai joasă a mantalei condensatorului este amplasat rezervorul de colectare a condensatului.

Unul sau mai multe fascicule de ţevi din primul drum al apei, adică cu temperatura cea mai coborâtă, servesc la răcirea amestecului abur-aer absorbit. Zona de răcire a aerului este ecranată, faţă de fluxul de abur evacuat, prin table. Prin răcirea amestecului abur-aer şi prin condensarea parţială a aburului în acest sector, se micşorează cota de abur în amestecul absorbit de ejector.

1.5. Elemente de calcul al condensatoarelor

1.5.1. Debitul de căldură

Condensatoarele se dimensionează de obicei pentru debitul de abur evacuat din turbină spre condensator la sarcina nominală.

Debitul de căldură evacuat este:

[kW], (1-1)

unde: este debitul de abur evacuat, în kg/s;


ha – entalpia aburului evacuat din turbină, în kJ/kg;hc – entalpia condensatului, în kJ/kg;

1.5.2. Transmiterea căldurii în condensator

1.1.1.1. Coeficienţii parţiali de schimb de căldură

Condensatoarele de suprafaţă fac parte din schimbătoarele de căldură de tip recuperator.

Variaţia temperaturii de la vaporii saturaţi până la agentul de răcire se poate urmări în diagrama din Figura 1.2.

Figura 1.2: Variaţia temperaturii de la vapori la agentul de răcire

A. Coeficientul de transmitere a căldurii pe partea de abur

Procesul de condensare se poate desfăşura în două moduri: condensarea cu picături (globulară) apare în cazul suprafeţelor neudate

de lichid, când peretele se acoperă cu picături individuale de condensat. Acest tip de condensare stabileşte coeficienţi de convecţie ridicaţi (30000 – 100000 W/(m2.K)), dar este greu de realizat şi de menţinut.

condensarea peliculară apare în cazul tuturor vaporilor lichidelor pure care udă suprafaţa. În acest caz, peretele se acoperă cu un film (peliculă) de condensat care se scurge pe perete sub influenţa forţelor de gravitaţie. Acest tip de condensare stabileşte coeficienţi de convecţie mai coborâţi (10000 - 16000 W/(m2.K)).

Condensatoarele de abur sunt schimbătoare de căldură de tip orizontal, ceea ce permite obţinerea unui coeficient de convecţie abur-perete mai mare decât în cazul pereţilor verticali. Acest coeficient este dificil de determinat în mod exact, el fiind afectat de prezenţa gazelor necondensabile (aerului) în masa de vapori [1.1].

Condensatoarele turbinelor cu abur lucrează totdeauna cu un vid foarte înaintat, din care cauză aerul se strecoară în ele prin neetanşeităţi. Primele neetanşeităţi le oferă însăşi turbina, în special prin labirinţii săi de presiune joasă. Chiar aburul care alimentează turbina conţine aer provenit de la imperfecţiunea

ts

tc

tp1tp2

tr

agent de răcire

perete

peliculă de condensat

vapori


degazării. Urmează apoi, ca surse de infiltraţii, flanşele de legătură dintre turbină şi condensator şi ale armăturilor şi aparatelor care îl deservesc.

Debitul de aer care intră în condensator se poate determina cu anumite relaţii, în funcţie de autor.

După Stodola, acesta se poate exprima în funcţie de debitul de abur care trece prin turbină ( ) cu relaţia:

[kg/h], (1-2)

în care este introdus în kg/h.După Bliudov, debitul de aer se poate aproxima cu formula:

[kg/h], (1-3)

în cazul în care nu se acordă o atenţie deosebită etanşeităţii condensatorului.După Swift, condensatoarele etanşe primesc circa 0,03...0,06 m3/min aer

infiltrat.După Thees, debitul de aer se exprimă cu formula:

[kg/h], (1-4)

unde Δp este creşterea de presiune din condensator, în mbar/min, constatată după oprirea absorbţiei aerului de către dispozitivele de evacuare a aerului; V reprezintă capacitatea condensatorului şi a celorlalte elemente în legătură cu el, aflate sub depresiune, în m3. De exemplu, la o turbină de 50 MW, m3,

mbar, rezultă kg/h.

În general, la turbinele şi condensatoarele bine întreţinute din punct de vedere al etanşeităţii, debitul de aer real măsurat la ieşirea din ejector este şi mai mic. Astfel, la turbina de 50 MW de mai sus, debitul de aer real măsurat a fost de 25 kg/h, la un debit de abur de circa 250 t/h.

Prezenţa gazelor necondensabile în condensator dă oarecare nesiguranţă calculelor de transmitere a căldurii de la vapori la perete, mai ales în cazul condensării peliculare.

Influenţa prezenţei gazelor necondensabile asupra coeficientului de convecţie abur-perete se poate urmări în diagrama din Figura 1.3.


Figura 1.3: Variaţia raportului în funcţie de raportul

Semnificaţia mărimilor din Figura 1.3:- – coeficient de convecţie al aburului fără aer;

- – coeficient de convecţie al aburului cu aer.

B. Conductivitatea termică a materialului peretelui

Pentru condensatoarele turbinelor cu abur se utilizează de cele mai multe ori tuburi din alamă trasă, din bronz tras sau din aramă industrială trasă.

Oxigenul din aerul intrat în condensator, în prezenţa vaporilor de apă este foarte activ din punct de vedere chimic, astfel încât tuburile din oţel carbon nu pot îndeplini cerinţele anticorosive cerute. Se pot utiliza însă tuburi din oţeluri puternic aliate cu crom şi nichel, rezistente la coroziune şi eroziune, aliere care le măreşte însă rezistenţa termică la trecerea căldurii, în comparaţie cu a celor din alamă sau bronz.

Conductivitatea termică la 20 ºC a cuprului şi a aliajelor sale şi ale oţelului este prezentată în Tabelul 1.1.

Tabelul 1.1Conductivitatea termică la 20 ºC

Materialulλ

[W/(m.K)]cupru 390,8alamă (90% Cu, 10% Zn) 107alamă (70% Cu, 30% Zn) 105,7alamă (60% Cu, 40% Zn) 108,2bronz (86% Cu, 7% Zn, 6% Sn) 60,5aliaj Cu-Ni (CuNi10Fe) 46aliaj Cu-Ni (CuNi20Fe) 33,4aliaj Cu-Ni (CuNi30Fe) 29,2oţel inoxidabil 14,6alamă (CuZn28Sn) – foarte folosită 108metal Monel* 22,1

* metal Monel are în compoziţie: 67%Ni, 29% Cu, 2% Fe (folosit în SUA)

amestecaer mm /

vv /'

0

1 2 3 4 5 6 7


C. Transferul de căldură către apa de răcire

Deoarece coeficientul total de transmitere a căldurii în condensator k este influenţat, în principal, de coeficientul parţial de schimb de căldură cel mai mic, αa, determinării acestuia trebuie să i se acorde o importanţă mai mare decât a celui pe partea aburului [1.3].

Coeficientul de transfer de căldură pe partea apei αa, creşte cu viteza şi temperatura apei de răcire şi scade cu diametrul interior al ţevii.

Pentru regimul turbulent de curgere ( ), se poate folosi relaţia:

, (1-5)

unde: di este diametrul interior al ţevii, în m;l – lungimea ţevii, în m.

Mărimile prezente în formula de mai sus se determină la temperatura medie în stratul limită.

Pentru , se poate folosi relaţia:

(1-6)

Coeficientul de convecţie pe partea apei se determină cu expresia:

[W/(m2.K)], (1-7)

în care λ reprezintă coeficientul de conductivitate termică al apei, în W/(m.K).

1.1.1.2. Coeficientul total de schimb de căldură

Acesta se poate determina, în cazul condensatoarelor turbinelor cu abur, prin două metode:

- metode analitice;- metode globale.

Metodele analitice folosesc relaţia analitică simplificată de calcul a coeficientului k, deoarece (ţevi cu grosimi mici):

[W/(m2.K)] (1-8)

Dintre metodele analitice, cea mai folosită este metoda germană, care se caracterizează prin aceea că pentru αv alege valori în intervalul 11...16 kW/(m2.K), iar pentru αa foloseşte formula [1.4]:

[W/(m2.K)], (1-9)


unde: w este viteza apei de răcire, în m/s;tm – temperatura medie a apei de răcire, în ºC;a, b, m, n – constante, conform cu Tabelul 1.2.

Tabelul 1.2Constante în ecuaţia (1-9)

Constanta după Hütte după Schack

a 1755 2030b 0,015 0,014m 0,13 0,10n 0,87 0,85

Metodele globale folosesc o relaţie determinată experimental (relaţie de firmă). Dintre acestea, cea mai utilizată este cea americană (HEI):

[W/(m2.K)] (1-10)

unde: C – coeficient de referinţă, ale cărui valori sunt prezentate în Tabelul 1.3, funcţie de diametrul exterior al ţevii [1.4].

Tabelul 1.3Coeficientul de referinţă din ecuaţia (1-10)

de

[mm]

C

[W/(m2.K)]

16...19 275322...25,4 2705

28,6...31,8 2664

φ1 – factor de corecţie, funcţie de material şi grosimea peretelui ţevii.Pentru ţevi de alamă din Cu-Zn28Sn (folosite în Europa), la

mm,

mm,

mm,

mm, φ2 – factor de corecţie pentru temperatura de intrare a apei de răcire (tR1).

Valorile acestui coeficient se pot determina din Figura 1.4.


Figura 1.4: Factorul de temperatură, φ2

φ3 – factor de corecţie care ţine seama de gradul de curăţenie. Pentru ţevi de alamă, .

Pentru ţevi din oţel inoxidabil, .

1.5.3. Diferenţa de temperatură

Diferenţa medie de temperatură, Δtmed, ţine seama de variaţia neliniară a temperaturii apei de răcire la străbaterea condensatorului.

Variaţia de temperatură este reprezentată schematic în Figura 1.5.

Figura 1.5: Variaţia temperaturii aburului şi apei de răcire în condensator

Diferenţa de temperatură medie logaritmică este dată de relaţia:

(1-11)

Se notează cu - diferenţa minimă de temperatură;

- intervalul de încălzire a apei;

- diferenţa maximă de temperatură.

ºC0

5 10 15 20 25 30 35 tR140

Δt1Δt

tc

tR1

tR2

abur

S [m2]

t [ºC]

apă de răcire

δt


Rezultă că .

1.5.4. Suprafaţa de răcire

Mărimea suprafeţei condensatorului rezultă din ecuaţia generală de transfer de căldură:

[W] (1-12)

[m2](1-13)

Din ecuaţia de bilanţ termic

[W], (1-14)

în care cp [J/(kg.K)] este căldura specifică medie a apei, rezultă debitul de apă necesar evacuării fluxului de căldură :

(1-15)

Combinând ecuaţiile (1-14) şi (1-15) cu (1-11) se obţine:

[m2] (1-16)

Dacă se determină suprafaţa de răcire cu coeficienţi totali de transmisie a căldurii care au fost determinaţi prin calcul din rezistenţele parţiale, atunci se utilizează suprafaţa raportată la diametrul interior (pe partea apei de răcire, unde coeficientul parţial de schimb termic este mai redus).

Coeficienţii totali de transfer a căldurii determinaţi experimental se raportează la suprafaţa de răcire exterioară.

În cazul unor date mai puţin precise asupra suprafeţelor de răcire a condensatoarelor, se iau de obicei în consideraţie suprafeţele exterioare de răcire.

Se defineşte multiplu de răcire (m) raportul cantitativ între debitul de apă de răcire şi debitul de abur evacuat sau într-o altă exprimare debitul de apă de răcire necesar pentru a condensa 1 kg de abur:

(1-17)

În Figura 1.6 este prezentată o nomogramă care permite determinarea suprafeţei exterioare a ţevilor, valabilă pentru kJ/kg (o valoare medie curentă pentru turbogrupuri de condensaţie cu supraîncălzire intermediară) şi o valoare a coeficientului parţial de convecţie pe partea aburului,W/(m2.K).

Pentru alte valori ale lui Δh (diferite de 2260 kJ/kg), suprafaţa de răcire determinată din Figura 1.6 se înmulţeşte cu factorul de corecţie β, din Figura 1.7.

Exemplul 1


Debitul de abur evacuat, t/h.

Diferenţa de entalpie, kJ/kg.

Multiplu de apă de răcire, .

Temperatura de intrare a apei de răcire, ºC.

Diferenţa minimă de temperatură, ºC.

Temperatura de condensare, ºC.

Viteza apei de răcire, m/s.Materialul ţevilor, CuZn28Sn.Din diagramă rezultă m2/(t/h).

Suprafaţa de răcire exterioară, m2.

Exemplul 2Aceleaşi date iniţiale ca în exemplul 1, însă

kJ/kg.

ºC

Din Figura 1.7 rezultă .

În final m2.

24 ECHIPAMENTE TERMOENERGETICEFigura 1.6: Nomogramă de dimensionare a suprafeţei specifice a condensatorului [1.5]


Figura 1.7: Factorul de corecţie β pentru suprafaţa de răcire din Figura 1.6 când Δh se abate de la valoarea 2260 kJ/kg

1.6. Norme pentru dimensionarea condensatoarelorAceste norme reprezintă cele mai importante mărimi care se folosesc pentru

dimensionarea unui condensator de abur răcit cu apă.

1.6.1. Mărimea vidului

Vidul este determinat de:- temperatura de intrare a apei de răcire, tR1;- multiplul de apă de răcire, m;- diferenţa de temperatură, δt,

conform relaţiei (vezi Figura 1.5):

(1-18)

Fiecărei temperaturi de saturaţie a aburului, ts, îi corespunde o valoare determinată a presiunii absolute din condensator.

Cele trei mărimi care determină vidul se stabilesc pentru o dimensionare optimă din punct de vedere economic prin calcule de optimizare.

1.6.2. Viteza apei de răcire

Transferul de căldură în ţevile de răcire depinde în foarte mare măsură de viteza de curgere a apei de răcire. Cu cât se alege o viteză mai mare a apei de răcire, cu atât mai mică devine suprafaţa de răcire. Viteza mărită a apei de răcire duce însă la creşterea:

- rezistenţei la curgere;- consumului de energie pentru pompare;- costurilor de investiţii pentru grupurile de pompare.

100 300 500 700 900 m .t

2340

2300

2260

2220

2180

2140

2100 kJ/kg


Rezistenţa hidraulică la curgere creşte cu:- viteza apei la puterea 1,8...2;- direct proporţional cu lungimea ţevilor;- mai mult decât proporţional cu numărul de drumuri.

Rezistenţa hidraulică de curgere scade cu:- diametrul interior al ţevilor, di;- în mod neînsemnat cu temperatura apei

În practica europeană, condensatoarele se dimensionează de regulă pentru viteze ale apei între 1,5 şi 2 m/s, iar în SUA se aleg, pentru ţevi de alamă, valori de 2,1 – 2,4 m/s, iar pentru ţevi din oţel inoxidabil, valori de la 2,4 la 3 m/s, cu observaţia că în SUA se utilizează ţevi cu diametre mai mari.

Viteze scăzute ale apei favorizează o repartiţie neuniformă a apei, depuneri de particule de nămol şi de murdărie.

Viteze ridicate ale apei pot să producă eroziuni pe partea de intrare în ţevile de răcire.

1.6.3. Diferenţa de temperatură, δt

Temperatura de saturaţie, respectiv vidul, se determină cu relaţia (1-18) care, pentru o temperatură de intrare dată, tR1, este o funcţie numai de cele două diferenţe de temperatură, Δt şi δt.

Acelaşi vid poate să fie realizat cu un interval de încălzire mare (m mic) şi δt mic sau un interval de încălzire mic (m mare) şi un δt mare.

Pentru o utilizare cât mai înaintată a vidului, teoretic trebuie să se aleagă o diferenţă de temperatură δt cât mai mică posibil.

Cu scăderea diferenţei δt suprafaţa de răcire creşte puternic (pentru un ºC, creşterea de suprafaţă este de 150 – 180 % faţă de cazul în care ºC).

Diferenţa de temperatură δt se situează în Europa în medie între 2,5 şi 3,5 ºC, rezultate din calculele de optimizare.

1.6.4. Multiplul de apă de răcire

Intervalul de încălzire al apei de răcire scade la creşterea multiplului de apă de răcire; în acelaşi timp este posibilă o îmbunătăţire a vidului sau se realizează o reducere a necesarului de suprafaţă de răcire pentru vid constant.

Debite mari de răcire (multipli de apă de răcire mari) necesită însă un consum mare de energie pentru pompele de apă de răcire, costuri ridicate de investiţii pentru alimentarea cu apă de răcire, respectiv pentru circuitul de apă de răcire.

Pentru condiţii europene sunt valabile, în general, următoarele valori ale multiplului de apă de răcire, m:

- pentru răcire în circuit deschis (înălţimi de ridicare mici), ;- pentru răcire în circuit închis (înălţimi de ridicare mari şi costuri de

investiţii pentru turnuri de răcire în creştere cu multiplul de apă), .


1.6.5. Numărul de drumuri şi lungimea ţevilor de răcire

Lungimea desfăşurată a ţevilor este: [m] (1-19)

unde: l este lungimea efectivă a ţevii, în m;Z – numărul de drumuri ( ).

Suprafaţa necesară de transfer de căldură, la interiorul ţevilor este:

[m2] (1-20)

unde n este numărul de ţevi pe trecere.Rezultă, într-o primă etapă:

[m] (1-21)

Debitul de apă de răcire:

[kg/s] (1-22)

Din relaţia de mai sus se extrage n şi se obţine:

(1-23)

Ţinând cont de expresia numărului de ţevi din ecuaţia (1-23), relaţia (1-21) devine:

(1-24)

Conform relaţiei (1-16),

, (1-25)

care introdusă în (1-24), se obţine:

[m] (1-26)

unde s este un coeficient de supradimensionare a suprafeţei de răcire.

1.7. Dispoziţia ţevilor şi detalii constructive

1.7.1. Dispoziţia ţevilor

Se obţin condiţii favorabile de condensare dacă ţevile sunt dispuse astfel încât:- aburul care intră în condensator să ia contact cu cât mai multe ţevi;- condensatul rezultat să ia contact cu cât mai puţine ţevi (să nu se

subrăcească);- rezistenţa hidraulică pe partea de abur să fie cât mai mică.


În Figura 1.8 sunt prezentate diferite dispuneri de ţevi caracteristice pentru diferite firme constructoare.

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Figura 1.8: Scheme caracteristice de dispunere a ţevilor la condensatoarele diferitelor firme constructoare [1.5]

a, b – Siemens; c, d – AEG; e, f - BBC

Particularităţile deosebite ale diferitelor sisteme sunt:

Figura 1.8a prezintă o divizare pronunţată a suprafeţei de răcire în fascicule înguste de ţevi între care sunt prevăzute culoare drepte pentru trecerea aburului, în felul acesta pierderile de presiune pe partea aburului să fie cât mai mici şi egale în întreg spaţiul de abur.

Condensatul care se scurge din fasciculele de ţevi este condus spre rezervorul de colectare prin table de dirijare, care străbat condensatorul pe întreaga sa lungime; în felul acesta el nu mai vine în contact cu ţevile de răcire. Se evită astfel formarea pe ţevile inferioare de răcire a unor pelicule groase de apă care îngreunează transmisia căldurii. De asemenea, temperatura condensatului rămâne aproape constantă.

Amestecul abur-aer este răcit, înainte de absorbirea sa în ejector, în două zone de răcire. Acestea sunt montate în primul drum de apă care are temperatura cea mai coborâtă şi sunt ecranate cu table.

Figura 1.8b prezintă un condensator oval unde se realizează, în esenţă, aceleaşi particularităţi ale dispunerii ţevilor. Orificiile mari din plăcile de susţinere


a ţevilor fac posibilă o compensare completă a presiunii pe întreaga lungime a condensatorului. A doua jumătate a condensatorului este construită simetric.

Figura 1.8c prezintă o dispunere radială a ţevilor de răcire, realizându-se astfel o distribuţie uniformă a aburului pe întreaga suprafaţă de răcire. Dispunerea radială dă posibilitatea aburului să pătrundă până în zona de răcire a aerului fără o pierdere mare de presiune. Partea inferioară a condensatorului lucrează ca un condensator de amestec. O parte a aburului condensează în locurile în care condensatul rece în scurgere este condus la colector.

Culoarul larg din mijloc şi condensarea prin amestec conduc la obţinerea unui condensat cald şi fără oxigen. Zona de răcire a aerului, acoperită cu table aşezate în mod alternat, este situată în primul drum al apei.

Figura 1.8d prezintă jumătate dintr-un condensator dublu, unde se formează, prin dispunerea ţevilor, culoare radiale de abur, care pornesc de la zona de răcire a aerului situată lateral în primul drum al apei şi se lărgesc în sens contrar direcţiei de scurgere de pe fasciculele de ţevi situate deasupra lor. Şi acest condensator este echipat în colectorul de condensat cu un sistem de plăci pentru realizarea unei mai bune degazări a condensatului.

Figura 1.8e prezintă un condensator cu un singur drum, format din două părţi, denumit OV datorită culoarului central mult lărgit spre partea superioară. Culoarele care pătrund adânc în câmpul de ţevi fac posibilă o bună distribuţie a aburului.

Condensatul format în fasciculele de ţevi este evacuat prin table de dirijare. Fasciculul de răcire a aerului este despărţit de spaţiul de abur. Aerul care se absoarbe este condus prin răcitorul de aer în curent transversal spre orificiul de evacuare.

Figura 1.8f prezintă un condensator cu un drum echipat cu camere de apă divizate şi cu ţevile grupate în fascicule separate aşezate vertical pentru prelucrarea unor volume mari de abur evacuat. În fiecare fascicul de ţevi este dispus central un răcitor de aer ecranat prin care sunt absorbite, în contracurent cu apa de răcire, gazele care nu pot să fie condensate.

Condensatoarele pot avea următoarele secţiuni:- rotunde;- ovale;- dreptunghiulare.

Condensatoarele rotunde şi cele ovale sunt folosite pentru unităţi energetice mici (sub 250 MW) iar cele dreptunghiulare pentru unităţile mari.

Turbinele cu mai multe fluxuri se echipează, de obicei, cu condensatoare de secţiune dreptunghiulară.

1.7.2. Detalii constructive

1.1.1.3. Fixarea ţevilor de răcire

Fixarea ţevilor de răcire în plăcile tubulare se face prin mandrinare, procedeul fiind cel mai ieftin, atât ca execuţie cât şi ca întreţinere (folosit în cazul ţevilor de alamă).


Un alt procedeu de etanşare este cel prin sudare a capetelor ţevilor de plăcile tubulare. Sudarea presupune o alegere corespunzătoare a materialului ţevilor şi a plăcilor tubulare, sau placarea plăcilor tubulare cu materiale compatibile la sudură cu materialul ţevilor (folosit în cazul ţevilor din oţel).

Conform STAS-ului, diametrele exterioare ale ţevilor au valorile: 16; 18; 19; 22; 24; 25; 26; 28; 30; 32; 38 mm.

Pentru condensatoare, cele mai folosite sunt ţevile cu diametrele şi grosimile: 19x1 mm; 22x1 mm; 24x1 mm.

În Figura 1.9 sunt prezentate exemple de fixare a ţevilor de răcire în plăcile tubulare.

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Figura 1.9: Exemple de fixare a ţevilor în plăcile tubulare [1.5]a, b, c – fixare prin mandrinare; d – fixare cu presgarnituri (mai rară);

e, f – fixare prin sudare

1.1.1.4. Prinderea condensatoarelor de placa de fundaţie şi de corpul turbinei

Condensatorul este prins de fundaţie elastic, ca organe de prindere folosindu-se arcuri, asigurându-se o preluare simplă a sarcinii, inclusiv în cazul unor creşteri sau scăderi de greutate ale condensatorului.

Prinderea cu arcuri mai asigură şi o distribuţie uniformă a eforturilor în carcasa condensatorului şi solicită la minimum prinderea condensatorului de corpul turbinei.


Legătura condensatorului cu difuzorul turbinei reprezintă celălalt punct de sprijin al acestui ansamblu. Această prindere se execută elastic, cel mai frecvent utilizând un compensator de dilatare, executat în diverse forme şi mărimi.

La puteri mari se folosesc atât compensatoare de dilatare, cât şi lame elastice, confecţionate din oţeluri speciale.

1.8. Comportarea în funcţionare la devieri de la condiţiile de dimensionare

1.8.1. Sarcină nominală şi parţială la debit constant de apă şi temperatură constantă a apei de răcire

Dacă se modifică încărcarea termică a condensatorului, atunci se modifică şi diferenţele de temperatură şi , după ecuaţiile

(1-27)

Rezultă

, (1-28)

relaţie din care se exprimă diferenţa maximă de temperatură din condensator:

(1-29)

Din ecuaţia:

(1-30)

rezultă

, (1-31)

care introdusă în (1-29) se obţine:

(1-32)

şi corespunzător:

(1-33)

Cele două diferenţe de temperatură, Δt1 şi δt se modifică proporţional cu debitul de căldură , deoarece toate celelalte mărimi rămân constante, cu excepţia


unei modificări neesenţiale a lui ks, ca urmare a modificării temperaturii medii a apei. În consecinţă şi raportul

(1-34)

este constant.Temperatura de saturaţie a aburului, ts

* (noua valoare), care determină vidul, pentru fluxul de căldură modificat, se obţine astfel din relaţia:

(1-35)

Această relaţie combinată cu relaţia (1-32) ne conduce la:

sau (1-36)

Dar

(1-37)

Deci

(1-38)

Dacă se neglijează modificarea diferenţei entalpiei abur-condensat, Δh la sarcină parţială şi suprasarcină, atunci fluxul de căldură este proporţional cu debitul de abur evacuat din turbină, adică:

(1-39)

Observaţie: Variaţia direct proporţională a diferenţelor de temperatură Δt1 şi δt cu fluxul de căldură este condiţionată de o absorbţie suficientă de aer şi la vidul mai ridicat corespunzător sarcinii parţiale.

Variaţia temperaturii de saturaţie a aburului, respectiv a presiunii absolute din condensator poate fi urmărită în diagramele a şi b din Figura 1.10.


Figura 1.10: Variaţia temperaturii de saturaţie (a) şi a presiunii

absolute (b) la variaţia sarcinii termice

1.8.2. Sarcină parţială şi suprasarcină la debit constant de apă de răcire, însă cu temperatură de intrare a apei de răcire modificată

Dacă se modifică temperatura de intrare a apei de răcire, atunci se modifică coeficientul total de transfer de căldură şi astfel, chiar în condiţiile unei încărcări termice constante, se modifică şi diferenţa minimă de temperatură, δt.

Variaţia lui δt se determină din variaţia mărimii ks luată ca bază de calcul (Figura 1.11).

Figura 1.11: Variaţia mărimilor δt (curba a) şi ks (curba b) în funcţie de temperatura de intrare a apei de răcire

pc

0,5

1 2 3 4 5 Qc

Δt=14,5 °C

Δt=12,5 °C

Δt=10,5 °C

Δt= 8,5 °C

bar

[108 W]

tc

0,5

1 2 3 4 5 Qc

[108 W]

°C

Δt=14,5 °C

Δt=12,5 °C

Δt=10,5 °CΔt= 8,5 °C

(a) (b)

δt

10

14 18 22 26 tR1

°C

°C

(a) (b)

30

kS

10

14 18 22 26 tR1°C

W/(m2.K)]

30


Curbele de vid pentru sarcină parţială şi suprasarcină la temperaturi de intrare variabile ale apei de răcire se obţin din curbele de temperatură, cu luarea în considerare a modificării mărimii δt, aşa cum se vede în Figura 1.12.

Figura 1.12: Curbele de presiune (vid) (a) şi de temperatură (b) pentru diferite sarcini termice, funcţie de variaţia temperaturii apei de răcire

1.8.3. Vidul la variaţia debitului apei de răcire

Prin variaţia debitului apei de răcire la sarcină termică constantă, se modifică intervalul de încălzire al apei Δt, viteza apei, temperatura medie a apei şi diferenţa de temperatură δt.

În Figura 1.13 este reprezentată variaţia presiunii absolute din condensator, pc

(vidul) la modificarea debitului apei de răcire, pentru diferite sarcini.

Figura 1.13: Vidul la variaţia debitului apei de răcire

pc

10

12 16 20 24 tR1°C

(a) (b)

28 30

bar

y=1,2

y=1

y=0,8y=0,6y=0,4

cn

c

Q

Qy

10

12 16 20 24 tR1°C

28 30

°Cy=1,2y=1y=0,8y=0,6y=0,4

cn

c

Q

Qy

tc

pc

50002m

kg/s

bar

y=1,2y=1y=0,8y=0,6y=0,4

cn

c

Q

Qy

8000 10000 12000 14000


Vidul poate fi modificat în anumite limite cu ajutorul debitului apei de răcire. Dacă se prevăd mai multe pompe sau pompe reglabile, atunci această posibilitate este utilizată într-o măsură largă, în interesul unui mod optim de exploatare.

1.9. Posibilităţi de curăţire a ţevilor şi de menţinere a lor în stare curată

1.9.1. Execuţie divizată a condensatorului

Această metodă presupune divizarea debitului apei de răcire înainte de intrarea în condensator în două fluxuri, în general egale ca debit, care se reunifică după părăsirea condensatorului. Această divizare permite curăţirea unei jumătăţi de condensator pe partea apei în timpul funcţionării, la încărcări sub 60% din încărcarea nominală.

Curăţirea ţevilor se face, în funcţie de natura şi gradul de murdărire, prin metode mecanice (perii de nailon sau de perlon, bile de cauciuc sau raşchete care sunt împinse cu ajutorul unor pistoale cu apă sub presiune) sau prin metode chimice (acizi diluaţi cu inhibitori corespunzători pentru protecţia materialelor metalice).

Funcţionarea condensatorului în dublu flux, construcţie aplicată la toate condensatoarele turbinelor cu abur, poate fi urmărită pe schema din Figura 1.14.

Figura 1.14: Schema de funcţionare a condensatorului în dublu flux1 – bazin apă de răcire; 2 – pompe; 3 – vane; 4 – condensator; 5 – ieşire apă de răcire

1.9.2. Condensatoare duble

La condensatoarele duble, fiecare aparat se poate curăţa în timpul funcţionării deoarece este în dublu flux. În felul acesta, sarcina termică a grupului turbogenerator se poate menţine la valori în jur de 75 – 80 %.

1.9.3. Procedeu de autocurăţare Taprogge

Acest procedeu presupune curăţirea condensatorului în timpul funcţionării, fără modificarea sarcinii termice, prin utilizarea unor bile elastice şi sferice care străbat ţevile, bile care au un diametru mai mare decât al ţevilor cu 1 – 3 mm. Ele

4

12

3

5


circulă cu apa de răcire datorită diferenţei de presiune între camera de intrare şi cea de ieşire ale condensatorului (vezi Figura 1.15).

Figura 1.15: Schema procedeului de autocurăţare Taprogge 1 – condensator; 2 –intrare apă de răcire în condensator;

3 – ieşire apă din condensator; 4 – instalaţie de captare; 5 – sită; 3 - pompă

Bilele se deplasează în circuit închis care cuprinde o instalaţie de reţinere în conducta de ieşire a apei de răcire şi instalaţia de reintroducere. Prin străbaterea repetată a ţevilor de către bile se îndepărtează în mod continuu toate particulele de impurităţi de pe suprafaţa interioară a ţevilor.

Bilele sunt repartizate în mod uniform cu apa de răcire în toate ţevile deoarece densitatea lor este egală cu cea a apei. Prin introducerea în circuit a unui număr de bile care reprezintă 6 – 10 % din numărul de ţevi al condensatorului, atunci, în cazul unei durate de circulaţie a bilelor de 20 – 30 secunde, fiecare ţeavă este curăţată în medie la o perioadă de 5 minute.

De obicei se utilizează bile din cauciuc spongios. Pentru ţevi cu suprafaţă interioară rugoasă sau puternic murdărită, pot fi introduse între bilele obişnuite şi bile prevăzute cu un strat exterior de corund (mai abrazive). Pentru realizarea unui efect uniform de curăţare este necesar să se completeze sau să se înlocuiască zilnic 2 – 6 % din numărul de bile de curăţare aflate în circuit, ştiind că în timp bilele îşi micşorează diametrul şi nu mai realizează curăţirea. În acest scop, instalaţia de captare are şi rolul de eliminare/separare a bilelor uzate.

1.10. Influenţa depunerilor asupra viduluiMurdărirea ţevilor condensatorului se datorează mâlului din apa de răcire,

sărurilor care, prin încălzire, precipită şi depunerilor de substanţe organice (microorganisme) dezvoltate datorită temperaturii apei de răcire [1.2].

Mărirea vitezei de trecere a apei prin ţevi micşorează intensitatea depunerilor, dar poate cauza uneori eroziunea ţevilor şi deci, spargerea lor.

Prezenţa depunerilor măreşte rezistenţa termică totală în transferul căldurii de la abur la apa de răcire.

5

1

24

63


Se poate scrie [(m2.K)/W] (1-40)

unde: Rs este rezistenţa termică totală;Rs0 - rezistenţa termică a aparatului curat;Rsd - rezistenţa termică a stratului de depunere;

Legătura între rezistenţa termică şi coeficientul total de transfer de căldură:

[W/(m2.K)] (1-41)

Deci:

(1-42)

Pentru un flux termic constant,

[W], (1-43)

prin micşorarea coeficientului global de schimb de căldură are loc o creştere a diferenţei medii de temperatură, ceea ce, pentru o anumită temperatură de intrare a apei de răcire în condensator, tR1, are loc o creştere corespunzătoare a temperaturii de saturaţie şi deci a presiunii absolute a aburului, ceea ce conduce la reducerea vidului. Acest fenomen conduce la reducerea puterii disponibile a grupului turbogenerator.

Depunerile în condensator depind de calitatea apei (factorul cel mai important), viteza de circulaţie a apei şi temperatura peretelui ţevilor.

Influenţa în timp a depunerilor asupra coeficientului global de schimb de căldură şi implicit asupra presiunii absolute, pentru o anumită calitate a apei, se poate urmări pe diagramele din Figura 1.16, pentru două viteze ale apei, cuprinse în intervalul optim recomandat.

Figura 1.16: Variaţia în timp a coeficientului total de transfer de căldură (a) şi a presiunii absolute (b) din condensator

Analiza acestor diagrame scoate în evidenţă două aspecte şi anume:

w=1,9 m/s

timpul de funcţionare - τf ore/an

(a) (b)

kS W/(m2.K)]

w=1,5 m/sw=1,9 m/s

τf ore/an

pc

[bar]

w=1,5 m/s


- depunerile reprezintă un proces care creşte în timp;- cu cât viteza apei este mai redusă, cu atât procesul este mai intens.

BIBLIOGRAFIE[1.1] Vlădeanu, I., Instalaţii şi utilaje termice. Editura Tehnică, Bucureşti, 1966

[1.2] Moţoiu, C., Centrale termo şi hidroelectrice. Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1974

[1.3] Badea, A. ş.a., Echipamente şi instalaţii termice. Editura Tehnică, Bucureşti, 2003

[1.4] Leca, A. ş.a., Centrale electrice. Probleme. Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1977

[1.5] Schröder, K., Centrale termoelectrice de putere mare. Vol. III, traducere din limba germană. Editura Tehnică, Bucureşti, 1971.