Конденсатор (теплотехника)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

У этого термина существуют и другие значения, см. Конденсатор.

Конденса́тор (в теплотехнике) (лат. condense — уплотняю, сгущаю) — теплообменный аппарат для конденсации (превращения в жидкость) пара при заданном давлении путём охлаждения. Применяется в конденсационных установках паровых двигателей для конденсации водяного пара, в холодильных установках для конденсации паров хладагентов, например, фреона, а также в тепловой и атомной энергетике. При конденсации водяного пара отнимается теплота парообразования, отсасываются неконденсирующиеся газы и удаляется образующаяся вода. Тепло отбирается водой более низкой температуры и только в особых случаях (конденсаторы паровозов и энергопоездов) — воздухом. Водяной пар может при этом непосредственно соприкасаться с охлаждающей водой (смешивающие конденсаторы) или отдавать тепло через стенки трубок, внутри которых протекает охлаждающая вода (поверхностные конденсаторы).

К смешивающему конденсатору охлаждающая вода подводится сверху и разбрызгивается для увеличения поверхности соприкосновения с паром. С этой же целью внутри конденсатора могут быть установлены поддоны, с которых вода последовательно стекает тонкими плёнками или струями. В смешивающих конденсаторах с параллельным течением (рис. 1, А) отработавший пар в подаётся сверху, в смешивающих конденсаторах с противотоком (рис. 1, Б) — сбоку. В первом случае отсос воздуха производится сбоку, во втором — из верхней части. Вторая схема лучше тем, что место отсоса находится возле зоны наиболее холодной воды. Смесь конденсата и охлаждающей воды откачивается из нижней части конденсатора. В смешивающих конденсаторах, вследствие выделения больших количеств воздуха, растворённого в охлаждающей воде, практически невозможно достичь глубокого вакуума. Кроме того, конденсат, смешанный с охлаждающей водой, непригоден для питания паровых котлов. Поэтому смешивающие конденсаторы, несмотря на простоту устройства, применяются только в небольших конденсационных установках паровых машин, а в мощных паротурбинных электростанциях устанавливаются поверхностные конденсаторы (рис. 2).

Поверхностный конденсатор состоит из корпуса 1, по концам которого установлены трубные доски 2, с большим числом тонкостенных трубок 3. Барабаны между трубными досками и боковыми крышками 4, называемые водяными камерами 5, обычно делятся перегородками на два или несколько отделений. Охлаждающая вода подводится под напором через патрубок 6 к нижнему отсеку водяной камеры, проходит по трубкам во вторую камеру, меняет направление на обратное и уходит, пройдя по другой части трубок, через патрубок 7. Такой конденсатор называется двухходовым. Используются и трёхходовые конденсаторы, у которых вода меняет направление 3 раза, и очень редко (в малых установках) — четырёхходовые конденсаторы. Одноходовые конденсаторы, у которых вода входит с одного конца и выходит с другого, пройдя один раз одновременно по всем трубкам, как правило, применяются в судовых установках, где увеличение расхода охлаждающей воды не имеет практического значения. Охлаждающая поверхность конденсатора образуется совокупностью поверхностей трубок. Пар входит в конденсатор через горловину 8, соединяющую его с турбиной, соприкасается с холодной поверхностью трубок и конденсируется, образуя разрежение в паровой части конденсатора. Конденсат стекает вниз и скапливается в сборнике 9, откуда откачивается конденсатным насосом. Воздух, выделяющийся при конденсации, а также проникающий снаружи через неплотности в системе, отсасывается эжектором через патрубок 10.

Так как воздух в конденсаторе всегда смешан с паром, то отсасывать приходится паровоздушную смесь. Чем больше доля пара в этой смеси, тем больше энергии нужно затратить на отсос и сжатие до атмосферного давления. Для уменьшения затраты энергии необходимо сконденсировать возможно большую долю пара в смеси перед отсосом из конденсатора. Различают две области в паровом пространстве конденсатора: зону массовой конденсации, где конденсируется 99—99,5 % пара и где парциальное давление воздуха весьма мало, и зону охлаждения, где конденсируется часть пара, остающегося в паровоздушной смеси, и где, вследствие малого парциального давления пара, температура смеси существенно понижается. Зону охлаждения обычно выделяют в конденсаторе специальной перегородкой для повышения скорости движения смеси и улучшения коэффициента теплопередачи, причём в эту зону подают наиболее холодную воду.

Для работы конденсатора с глубоким вакуумом необходима хорошая воздушная плотность всех соединений конденсатора, препятствующая проникновению наружного воздуха в паровое пространство конденсатора, а также достаточная плотность внутренних соединений, предотвращающая попадание в паровое пространство охлаждающей воды.

В поверхностные конденсаторы воздух попадает в весьма малых количествах (0,0005—0,001 от веса пара) и в начальный период почти не оказывает влияния на процесс конденсации. Но в дальнейшем доля воздуха в паровоздушной смеси возрастает и на последних стадиях конденсации содержание воздуха оказывает решающее влияние на процесс в конденсаторе.

Коэффициент теплоотдачи при конденсации для свободного от воздуха пара составляет несколько тысяч ккал/м²час°С, а для паровоздушной смеси с большим содержанием воздуха — всего несколько десятков ккал/м²час°С, вследствие чего примесь воздуха значительно увеличивает необходимую поверхность охлаждения конденсатора.

Стекая по холодной поверхности трубок, конденсат может дополнительно охлаждаться, температура его опускается ниже температуры входящего в конденсатор пара («переохлаждение» конденсатора), что сопряжено с потерей тепла и насыщением конденсата кислородом. Это вызывает коррозию котельных поверхностей. Современные конденсаторы (т. н. регенеративные) выполняются таким образом, чтобы стекающий конденсат перед поступлением в сборник встречал поступающий в конденсатор из турбины пар и нагревался до температуры этого пара.

В процессе работы поверхность трубок, в которые поступает вода из водоёмов (рек, прудов, озёр и т. д.), загрязняется органическими веществами, что ухудшает экономичность работы турбин и понижает производительность конденсатора. Во избежание этого на электростанциях охлаждающую воду обычно хлорируют. Большинство конструкций конденсаторов позволяет также производить механическую очистку половины трубок во время работы конденсатора с некоторым снижением нагрузки турбины.

Статья основана на материалах Большой советской энциклопедии 2-го издания.