Перспективные направления развития теплотехники

Казанский Государственный Технический Университет

им. А.Н. Туполева 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

«Перспективные  направления развития теплотехники». 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил  студент группы 1221:

Калмыков  Павел 

Казань 2011 

Содержание.

1. Введение
2. Новые теплообменные аппараты с пониженной загрязняемостью
3. Современные конденсационные паровые турбины

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

Теплотехника  – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и  использования теплоты, а также  принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов  и устройств. Теплота используется во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее рациональных способов его использования, анализа  экономичности рабочих процессов  тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима разработка теоретических  основ теплотехники. Различают два  принципиально различных направления  использования теплоты – энергетическое и технологическое. При энергетическом использовании, теплота преобразуется  в механическую работу, с помощью  которой в генераторах создается  электрическая энергия, удобная  для передачи на расстояние. Теплоту  при этом получают сжиганием топлива  в котельных установках или непосредственно  в двигателях внутреннего сгорания. При технологическом - теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств).  

 Количество  производимых и потребляемых  энергоресурсов огромно. По данным  Минтопэнерго РФ и фирмы "Shell" [3] динамика производства первичных энергоресурсов даны в таблице 1.1.

* тут – тонна  условного топлива.

 Такими теоретическими  разделами являются техническая  термодинамика и основы теории  теплообмена, в которых исследуются  законы превращения и свойства  тепловой энергии и процессы  распространения теплоты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Новые теплообменные аппараты с пониженной загрязняемостью

 О преимуществах  трубчатых теплообменных систем

Не занимаясь  в данной работе подробным анализом достоинств и недостатков трубчатых  и пластинчатых аппаратов, отметим, что, по нашему мнению, у каждой из этих групп теплообменников есть свои эксплуатационные ниши, где их положительные  свойства могут быть раскрыты в наибольшей степени.

Сами мы при  этом являемся убежденными сторонниками трубчатых теплообменных систем по следующим причинам: трубчатые  поверхности технологичны, ремонтопригодны, дешевы;  в трубчатых системах легко обеспечиваются условия прочности с запасами, соответствующими требованиям Госгортехнадзора;  при использовании современных отечественных достижений теплогидравлики, теплообменным трубам может придаваться нужный профиль поверхности для увеличения теплоотдачи в 2…3 раза по отношению к гладким поверхностям (что соответствует интенсификации на волнистых пластинах)при лучшем соотношении теплоотдачи и гидравлических потерь в сравнении с пластинчатыми;

 трубчатые  системы допускают как химическую, так и все виды механической  очистки, в т. ч. кавитационно-ударную,  механическими щетками и т.п. 

Отличительные качества трубчатых теплообменных  систем обеспечивают потенциальную  возможность создания кожухотрубных аппаратов с массогабаритными и теплогидравлическими характеристиками, не уступающими теплообменникам никаких других типов.

При этом, однако, необходимо иметь ввиду, что аппараты, работающие на городских и промышленных объектах теплоснабжения, находятся далеко не в идеальных условиях в отношении качества теплоносителей.

Совместная атака  накипеобразующих элементов, коррозионно-активных ионов и выносимых из старых сетей  взвесей на основе гидроокиси железа способна, при неблагоприятном стечении обстоятельств, за две недели похоронить надежды на хорошую работу изначально очень эффективного теплообменника.

В связи с  этим, в числе важнейших требований к подогревателям систем теплоснабжения должны быть стабильность теплогидравлических характеристик и возможность быстрой, малотрудоемкой очистки.

Новые качества - результат конструктивных решений

Идея минимизации  темпа роста загрязняющих отложений  лежит в основе проекта теплообменных  аппаратов серии ВВПИ, выпускаемых  в Нижнем Новгороде на предприятии  «Гидротермаль».

Высокие скорости течения (1,5-2,0 м/с) греющего и нагреваемого теплоносителей достигаются путем  организации продольного реверсивного тока в трубном и межтрубном пространствах. Примерное равенство проходных сечений обоих пространств обеспечивается выбором предельно малого шага труб в трубных решетках (S=1,2-1,21). Продольный ток в межтрубном пространстве позволяет не только в 3 раза увеличить скорость течения, но и уменьшить объем застойных зон с 25-30 до 5%. 

Нанесение на поверхность  теплообменных труб турбулизирующих кольцевых канавок и выступов обеспечивает интенсивную пристенную турбулизацию, увеличивающую теплоотдачу в 2,0-2,5 раза и способствующую периодическому срыву загрязнений.

 

 
 

С целью уменьшения обводных течений в теплообменниках  ВВПИ малой мощности (от 60 до 300 кВт) их корпуса в поперечном сечении  имеют форму многогранников, при  этом трубные пучки вписываются  в них с минимальными зазорами. В теплообменниках повышенной мощности (до 4500 кВт) с указанной целью устанавливаются  поперечные сегментные вытеснители  между трубными пучками и корпусом.

 

Анализ многочисленных эксплуатационных и экспериментальных  данных показал, что одним из наиболее перспективных материалов для формирования теплообменной поверхности является легированная сталь аустенитного класса 08...12Х18Н10Т. Она практически не корродирует в сетевой и котельной воде, в том числе при организации щелочных режимов водоподготовки, обладает низкой адгезией к взвешенным частицам и кристаллам накипи.

 

Сталь 12Х18Н10Т  используется для изготовления теплообменных  труб, трубных решеток, перегородок  и корпуса подогревателей ВВПИ. Все  элементы подогревателей крепятся методом  сварки с присадочной проволокой в среде аргона. Это обеспечивает отсутствие коррозионных пар, высокую  прочность и герметичность соединений. Запас прочности элементов корпуса  по отношению к номинальным допускаемым  напряжениям по ГОСТ 14249-89 - 350-400%. Запас  прочности трубок - 1000-1500%.

В связи с  этим подогреватели ВВПИ мало чувствительны к резким скачкам температуры и давления. Трубные пучки выдерживает гидроудары, вибрацию и т.п. В целом это обеспечивает высокую надежность подогревателей, в том числе, в условиях возможных нарушений режимов эксплуатации.

Все теплообменники ВВПИ имеют общие конструктивные черты:

в корпусе имеется  одна, две и более продольных перегородок, герметично вваренных в корпус, что обеспечивает прочность корпуса и повышенные скорости теплоносителя в межтрубном пространстве;  подводящий и отводящий патрубки располагаются на коллекторах, обеспечивающих малое сопротивление входа-выхода, легкую очистку от крупных твердых загрязнений, минимум застойных зон;  на корпусе имеется кольцевой температурный компенсатор;  отводящие и подводящие патрубки располагаются в районе головки теплообменника, что обеспечивает удобство обвязки подогревателей и уменьшение температурных деформаций. При номинальных значениях расходов подогреватели ВВПИ имеют умеренное гидравлическое сопротивление 25-40 кПа, что позволяет, при необходимости достижения высоких значений тепловой эффективности (например, для случаев с низкой температурой греющего теплоносителя), соединять подогреватели последовательно.

При соединении теплообменников в блоки возможно их попарное отключение для проведения технического обслуживания. Очистка подогревателей может быть произведена любым известным способом: 1,5% раствором азотной кислоты, кавитационно-ударным методом, стальными проволочными ежиками и т.п. При незначительном загрязнении подогревателей для проведения очистки внутритрубного пространства снимается лишь задняя крышка. В случае сильного загрязнения трубную поверхность можно чистить с двух сторон при снятых передней и задней крышках .Межтрубное пространство, омываемое химподготовленной водой внутреннего котельного контура, загрязняется накипными и иными отложениями очень мало.

Однако в практике, после пуска вновь построенных  котельных, были случаи попадания в  зону межтрубного пространства твердых  включений типа окалины, кусочков сварочного металла, гидроокиси железа и т.п. Твердые  посторонние частички задерживаются  во входном коллекторе на корпусе, откуда благодаря достаточному размеру  коллектора они легко удаляются  руками после вскрытия фланца подводящего  патрубка.

Отмеченные конструктивные особенности подогревателей ВВПИ, разработанных  и выпускаемых ООО «Гидротермаль», обеспечивают достижение поставленных целей - увеличение стабильности теплового потока в период эксплуатации, улучшение массогабаритных показателей, увеличение надежности.

Опыт эксплуатации

 

Эксплуатация  теплообменников серии ВВПИ в  течение 8 лет подтвердила правильность использованных конструктивных решений. Так, загрязняемость подогревателей ВВПИ оказалась в 2-3 раза ниже, чем у стандартных трубчатых аппаратов ПВ (ГОСТ 27590-88ЕЕ) при лучших в 3 раза массогабаритных характеристиках. Сравнительная эксплуатация в одинаковых условиях подогревателей ВВПИ-0800.00 и пластинчатых теплообменников «Alfa Laval» выявила трехкратное преимущество аппаратов ВВПИ по показателю ресурса работы без очистки. При работе в городских теплосетях пропускная способность подогревателей ВВПИ сохраняется в течение всего отопительного сезона в допустимых пределах.

Современные конденсационные  паровые турбины

 

     Конденсационные паровые турбины служат для превращения  максимально возможной части  теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум (отсюда возникло наименование). Конденсационные  турбины бывают стационарными и  транспортными.

     Стационарные  турбины изготавливаются на одном  валу с генераторами переменного  тока. Такие агрегаты называют турбогенераторами. Тепловые электростанции, на которых  установлены конденсационные турбины, называются конденсационными электрическими станциями (КЭС). Основной конечный продукт  таких электростанций - электроэнергия. Лишь небольшая часть тепловой энергии  используется на собственные нужды  электростанции и, иногда, для снабжения  теплом близлежащего населённого пункта. Обычно это посёлок энергетиков. Доказано, что чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее, и тем ниже стоимость 1 кВт установленной  мощности. Поэтому на конденсационных  электростанциях устанавливаются  турбогенераторы повышенной мощности. [2]

     Частота вращения ротора стационарного турбогенератора  связана с частотой электрического тока 50 Герц. То есть на двухполюсных генераторах 3000 оборотов в минуту, на четырёхполюсных соответственно 1500 оборотов в минуту. Частота электрического тока вырабатываемой энергии является одним из главных показателей качества отпускаемой электроэнергии. Современные технологии позволяют поддерживать частоту вращения с точностью до трёх оборотов. Резкое падение электрической частоты влечёт за собой отключение от сети и аварийный останов энергоблока, в котором наблюдается подобный сбой.

     В зависимости от назначения паровые  турбины электростанций могут быть базовыми, несущими постоянную основную нагрузку; пиковыми, кратковременно работающими  для покрытия пиков нагрузки; турбинами  собственных нужд, обеспечивающими  потребность электростанции в электроэнергии. От базовых требуется высокая  экономичность на нагрузках, близких  к полной (около 80%), от пиковых - возможность быстрого пуска и включения в работу, от турбин собственных нужд - особая надёжность в работе. Все паровые турбины для электростанций рассчитываются на 100 тыс. ч работы (до капитального ремонта).

     Транспортные  паровые турбины используются в  качестве главных и вспомогательных  двигателей на кораблях и судах. Неоднократно делались попытки применить паровые  турбины на локомотивах, однако паротурбовозы распространения не получили. Для соединения быстроходных турбин с гребными винтами, требующими небольшой (от 100 до 500 об/мин) частоты вращения, применяют зубчатые редукторы. В отличие от стационарных турбин (кроме турбовоздуходувок), судовые работают с переменной частотой вращения, определяемой необходимой скоростью хода судна. [3]