книги из ГПНТБ / Эпельман Т.Е. Судовые теплоэнергетические установки и их оборудование учеб. пособие

§ 9

Конденсаторы

Схема устройства конденсатора. Конденсатор пред­ ставляет собой теплообменный аппарат поверхностного типа (рис. 42). Поверхность охлаждения конденсатора образована трубками 2, внутри которых движется охлаждающая забортная вода, а пар, поступающий через горловину 3, омывает трубки снаружи. Охлаж­ дающая вода подается из-за борта циркуляционным насосом в па­ трубок 6 и покидает конденсатор через отливной патрубок /.

5

Рис. 42. Схема устройства конденсатора.

В конденсатор через неплотности в соединениях вакуумной части агрегата неизбежно проникает воздух. Отсос воздуха из конденса­ тора и поддержание в нем необходимого разрежения осуществляется пароструйным эжектором через патрубки 4. Вместе с воздухом эжектором отсасывается и некоторое количество не успевающего сконденсироваться пара.

и составляет в главных судовых турбоагрегатах 0,05—0,004%. Однако наличие даже такого небольшого количества воздуха оказы­ вает существенное влияние на процессы, протекающие в конден­ саторе.

Тепловые процессы в конденсаторе. Уравнение теплового баланса конденсатора, выражающее равенство количества тепла, отданного паром и воспринятого охлаждающей водой, записывается в виде

70

В том случае, если в конденсатор поступает пар не только от главной турбины, но и от других источников, а также если в кон­ денсатор отводится конденсат из теплообменных аппаратов, коли­ чество тепла, отдаваемого охлаждаемой среде, в равенстве (34)

т ••

которая численно равна расходу охлаждающей воды на 1 кг конден­ сируемого пара.

Если в конденсатор поступает только пар одних параметров, то согласно (34)

W

При заданном значении ix — iK кратность охлаждения опреде­ ляется разностью температур охлаждающей воды. От величины кратности охлаждения зависит мощность циркуляционного насоса, т. е. дополнительные затраты в установке на собственные нужды. Увеличение разности температур t2 — tx снижает затраты мощности на циркуляционный насос, но в то же время приводит к росту по­ верхности охлаждения конденсатора, так как уменьшает среднюю разность температур между конденсирующимся паром и охлажда­

сопротивления стенок трубок и их толщины определяется из выра­ жения

71

ющего трубки. При этом влияние скорости сказывается тем сильнее, чем больше относительное содержание воздуха. По мере движения паровоздушной смеси в конденсаторе пар конденсируется, относи­ тельное содержание воздуха возрастает, а коэффициент теплоотдачи к стенкам трубок уменьшается. Наиболее низкий коэффициент тепло­ отдачи имеет место в так называемом воздухоохладителе — части поверхности охлаждения, расположенной вблизи места отсоса

ных уравнений теплообмена, описывающих соответствующие явления. Средний для всего конденсатора коэффициент теплоотдачи k

tm — ^ — средняя температура охлаждающей воды.

Средняя разность температур смеси и охлаждающей воды на­ ходится как средняя логарифмическая разность температур

и паровоздушной смеси на выходе из воздухо­ охладителя.

Приведенная формула для Д^с р учитывает изменение температуры паровоздушной смеси в конденсаторе. Дело в том, что вследствие гидравлического сопротивления трубного пучка потоку смеси, дав­ ление смеси в конденсаторе и температура конденсации в действи­ тельности не остаются постоянными для всей поверхности охлаж­ дения. Разность между давлением на входе в конденсатор (в горло-

72

вине) и давлением в месте отсоса паровоздушной смеси называется паровым сопротивлением конденсатора. Величина парового сопро­ тивления в главных конденсаторах судов транспортного флота обычно находится в пределах 0,26—0,65 кН/м2 .

При конденсации пара конденсат, образующийся на трубках, стекает вниз и, попадая на нижерасположенные трубки, темпера­ тура стенок которых ниже температуры конденсации, дополни­ тельно охлаждается. Таким образом, температура конденсата, соби­

денсаторе. Разность между температурой насыщения при давлении рх и температурой конденсата AtK = tx— tK принято называть пере­ охлаждением конденсата в конденсаторе. Переохлаждение конден­ сата является следствием снижения температуры конденсации в глубине трубных пучков из-за парового сопротивления и допол­ нительного охлаждения конденсата при стекании капель по трубкам.

Переохлаждение конденсата отрицательно сказывается на эконо­

должно быть восполнено при генерировании пара. Другими словами,

С целью уменьшения переохлаждения конденсата в современных конденсаторах стремятся организовать в трубном пучке встречное движение пара и падающих капель. Для этого трубная часть кон­ денсатора выполняется в виде двух симметричных пучков, разде­ ленных широким центральным проходом. Основная масса пара, поступающего в конденсатор, опускается по этому проходу вниз, а затем, разделяясь на два потока, входит в пучки и движется в вос­ ходящем направлении к воздухоохладителям и местам отсоса паро­ воздушной смеси, отделенным специальными выгородками. Пар, движущийся навстречу каплям конденсата, подогревает их. Такой конденсатор называется регенеративным.

В конденсаторе вода по трубкам может совершать один или, как показано на схеме рис. 42, два хода. Соответственно конденсатор называется одноили двухходовым. В двухходовых конденсаторах стремятся к трубкам воздухоохладителя подать более холодную воду. Этим обеспечивается более сильное охлаждение отсасываемой паровоздушной смеси, что уменьшает содержание в смеси пара и ее удельный объем и снижает затраты энергии на работу эжекторов.

Режим работы конденсатора и давление в нем в значительной мере определяются температурой охлаждающей воды на входе. Теоретическим пределом минимального давления в конденсаторе

2,3 кН/м2 . Для достижения этого давления потребовался бы кон­ денсатор с бесконечно большой поверхностью охлаждения и беско­ нечно большой кратностью охлаждения. С целью получения прием­ лемых размеров конденсатора и затрат мощности на прокачку его

73

Рис. 43. Главный конденсатор танкеров типа «София».

охлаждающей водой давление в конденсаторе принимается несколько большим, так чтобы между конденсирующимся паром и охлажда­ ющей водой обеспечивался температурный напор порядка 8—15° С. Так, например, характерным для судов транспортного флота является давление в главном конденсаторе порядка. 4,4—5,8 кН/м2 . В кора­ бельных установках с целью уменьшения габаритов ТНД и кон­ денсатора давление принимается несколько выше и доходит до 9,8 кН/м а и более.

Конструкции конденсаторов. На рис. 43 в качестве примера показан общий вид конденсатора ПТУ танкера типа «София». Кор­ пус 2 конденсатора сварен из листовой стали. С обеих сторон к кор­ пусу приварены коллекторы 4 для отсоса паровоздушной смеси. Оба коллектора соединены между собой трубой 3, от которой осу­ ществлен подвод к паровому эжектору.

Конденсатор регенеративный двухпоточный. Каждый поток в пре­ делах одного трубного пучка обслуживается своим циркуляционным насосом. В каждом пучке вода совершает по трубкам два хода. Трубки установлены в трубных досках, расположенных с переднего и заднего концов конденсатора. Крепление трубок к доскам со стороны входа воды выполнено с помощью вальцовки, со стороны выхода — на сальниках. С наружных сторон к трубным доскам крепятся крышки водяных камер 5 и 7, служащих для раздачи воды по трубкам и сбора ее на выходе из трубок. Конденсатор присоеди­ нен к патрубку ТНД фланцем 6, расположенным в верхней части, а с помощью четырех пружинных опор .1 опирается на судовой фун­ дамент. Нагрузка пружин регулируется так, чтобы вся масса кон­

самоподдерживающейся цепной реакции деления ядер тяжелых элементов и съема выделяющегося при этом тепла.

Деление ядер в атомных реакторах происходит в результате бомбардировки их нейтронами. Основным ядерным горючим в энер­ гетических реакторах являются изотопы урана.

При делении-ядра урана в результате столкновения с нейтроном образуются осколки, представляющие собой ядра атомов химиче­ ских элементов средней части периодической таблицы Менделеева, и высвобождается два-три нейтрона. Реакция сопровождается вы­ делением большого количества энергии в виде кинетической энергии осколков деления (~84%), в виде у-лучей (—3%), с высвобожда­ ющимися нейтронами (~3%), а также в виде энергии радиоактив­

200 МэВ (мегаэлектрон-вольт), что соответствует энергии, выделяе­ мой при «сжигании» 1 г урана, равной 7,8 • 107 кДж.

75

Освобождающиеся при Делений ядра нейтроны при определенных условиях могут вызвать деление новых ядер и тем самым обеспечить протекание цепной ядерной реакции.

При взаимодействии нейтрона с ядром не всегда происходит деление последнего. В зависимости от свойств ядра и энергии ней­ трона наряду с делением возможны также следующие реакции: упругое рассеяние, неупругое рассеяние и радиационный захват.

Упругое и неупругое рассеяние приводят к уменьшению энергии нейтронов, т. е. к их замедлению. Вещества, которые эффективно замедляют нейтроны, называются замедлителями.

Радиационный захват — это реакция поглощения нейтрона с из­ лучением у-квантов. Поглощенный нейтрон уже не участвует в даль­

чина, называемая эффективным поперечным сечением. Эффективное поперечное сечение измеряется в барнах: 1 барн = 10~21 см2 , что примерно соответствует площади миделевого сечения большинства ядер. Эффективное поперечное сечение зависит от энергии нейтронов. Так, например, для U 2 3 5 эффективное поперечное сечение реакции деления при воздействии медленных нейтронов достаточно велико, порядка 590 барн, но с увеличением энергии электрона постепенно убывает. Ядра U 2 3 8 начинают делиться только при энергии нейтро­ нов около 1 МэВ, причем с дальнейшим повышением энергии эффек­ тивное сечение деления быстро возрастает, оставаясь, однако, зна­ чительно ниже, чем для U 2 3 6 . Этим и объясняется указанное выше поведение изотопов урана при взаимодействии с нейтронами.

Если освобождающиеся при делении ядер нейтроны могут вы­ звать последующий процесс деления, так что количество свободных нейтронов следующего поколения будет равно или больше коли­ чества нейтронов данного поколения.(в этом случае так называемый

так как вероятность реакции деления при взаимодействии с быстрыми нейтронами невелика. Преобладающими являются реакции рассея­ ния, сопровождающиеся замедлением нейтронов, и радиационный

76

Создание более благоприятных условий, обеспечивающих проте­ кание самоподдерживающейся цепной реакции, достигается обога­ щением природного урана изотопом U 2 3 5 и применением замедли­ теля. Обогащение урана делящимся изотопом уменьшает вероят­ ность радиационного захвата нейтронов ядрами U 2 3 8 и увеличивает вероятность поглощения их U 2 3 5 с делением.

Замедлитель также уменьшает вероятность поглощения нейтронов

Таким образом, в реакторе, работающем на медленных нейтро­ нах, схема процесса выглядит примерно следующим образом: ней­ троны, освобождающиеся при делении ядер и обладающие большой энергией, участвуя в реакциях рассеяния с U 2 3 8 и замедлителем, теряют свою энергию и постепенно превращаются в тепловые ней­

идр.

Впроцессе работы реактора в активной зоне происходит накоп­ ление осколков деления и продуктов их распада, а количество де­ лящегося вещества уменьшается. При работе реактора с постоянной мощностью коэффициент размножения К должен быть равен еди­ нице. Поскольку с «выгоранием» топлива К стремится уменьшиться, для его поддержания начальная масса топлива выбирается больше критической, а стабилизация коэффициента размножения дости­ гается регулировкой с помощью специальных устройств. Первона­ чальный избыток ядерного топлива определяет длительность работы реактора до перезарядки (кампанию).

в активной зоне атомные реакторы разделяются на гетерогенные и гомогенные. В гетерогенных реакторах ядерное топливо обычно при-

77

меняется в твердом виде в форме стержней или пластин, называемых тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ). Тепловыделяющие элементы образуют с замедлителем структурную решетку. В гомогенных реак­ торах ядерное топливо равномерно распределено в замедлителе, на­ пример в виде солей урана, раст-

корпуса и крышки покрыты рубашкой 2 из нержавеющей стали для предохранения от коррозионного воздействия воды.

Активная зона образована рабочими каналами 8 круглого сечения в количестве 219 шт., в которых размещены ТВЭЛ в виде стержней. В каждом канале 36 ТВЭЛ диаметром 6,1 мм. ТВЭЛ омываются тепло­ носителем, проходящим внутри каналов. Между активной зоной и

корпусом размещены экраны 9, между которым образуются кольце­ вые каналы.

Теплоноситель подается в реактор через нижний патрубок 10 и совершает внутри него три хода. Сначала по центральным рабочим

обечайками экранов опускается вниз и проходит снова вверх в слив­

замедлителя, организуется самостоятельный циркуляционный кон­ тур, не связанный с паровым контуром. Вода, циркулирующая в кон­ туре замедлителя, воспринимает часть тепла, выделяющегося в реак­ торе. Это тепло используется для предварительного подогрева конден­ сата в системе питания парогенераторов паротурбинной установки.

К настоящему времени выполнен ряд проектов судовых атом­ ных реакторов с газовым теплоносителем. В паротурбинных установ­ ках с ГОхР тепловая схема выполняется двухконтурной. В качестве замедлителя применяется графит, теплоносителем служит гелий, азот или углекислота. Одной из трудностей в создании ГОхР является

79