Способ и устройство для интенсификации конденсации и улучшения течения пара внутри выхлопного патрубка турбины и конденсатора паровой турбины

Способ и устройство для интенсификации конденсации и улучшения течения пара внутри выхлопного патрубка турбины и конденсатора паровой турбины

Реферат

 

Изобретение относится к способу и устройству для улучшения конденсации пара внутри выхлопного патрубка турбины. Капли воды во влажном паре, выходящем из паровой турбины, несут электрический заряд. Попадая в достаточно сильное электрическое поле, создаваемое соответственно размещенными электродами, заряженные капли воды распадаются на множество мелких капелек, служащих зародышами для мелкой конденсации. Пересыщение пара уменьшается, соответственно снижается содержание воды в паровой фазе, давление в конденсаторе и противодавление турбины. Электростатические силы, воздействующие на заряженные капельки воды, уменьшают турбулентность в потоке влажного пара, дополнительно снижая противодавление. Это приводит к повышению к.п.д. блока и выработки энергии при неизменном расходе топлива. 3 с. и 21 з.п. ф-лы, 9 ил. , 3 табл.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к способу и устройству для улучшения конденсации пара внутри выхлопного патрубка турбины с целью снижения противодавления и повышения к.п.д. турбины.

Связанные заявки на выдачу патентов Несколько конструкций нагреваемых проходных и подвесных изоляторов, которые могут использоваться внутри выхлопного патрубка турбины и в конденсаторе паровой турбины, приведено в связанной заявке на выдачу патента США "Высоковольтные электрические изоляторы для использования во влажных средах" 08/368998 от 5 января 1995 г. (заявители Володимир Петрович Скляров, Юрий Иванович Сергиенко, Анатолий Олексиевич Тарелин и Олег Верес), на которую здесь дается ссылка. Эти изоляторы предназначены для использования в заявляемом изобретении и показаны на фиг.1 и 2 настоящей заявки.

В патенте России 2006081 описан нагреваемый проходной изолятор, который также может быть использован в связи с настоящим изобретениям.

Предшествующий уровень техники Вырабатываемая мощность и к.п.д. паровой турбины определяются главным образом перепадом давлений и температур пара при его прохождении через турбину. Снижение противодавления турбины Р_в позволяет извлечь из пара больше энергии и превратить ее в полезную механическую или электрическую работу. Противодавление соотносится с давлением, измеренным на выходе турбины, давлением в конденсаторе и перепадом давлений в выхлопном патрубке турбины формулой P_BP_TE = P_CN+L_TN Значит, сокращение P_CN и L_TN дает дополнительное снижение Р_в и увеличение к.п.д.

Пар, проходящий через турбину, обычно влажный, он состоит из водяных паров и диспергированных в них капель воды. Водяные пары переохлаждаются и продолжают конденсироваться на каплях воды. За счет внутренней конденсации уменьшается количество воды в газовой фазе и, соответственно, давление влажного пара. Скорость прохождения влажного пара в выхлопном патрубке турбины может составлять 100-200 м/с, а длина выхлопного патрубка всего несколько метров. Следовательно, время перехода с последней ступени турбины в конденсатор равно всего 0,01-0,1 с. Поскольку жидкая фаза влажного пара содержит относительно немного крупных капель, это время слишком мало для того, чтобы процесс внутренней конденсации достиг равновесия, и по этой причине ltn больше, чем если бы равновесие было достигнуто.

Соответственно, увеличение количества капель воды во влажном паре внутри выхлопного патрубка турбины за счет образования дополнительных капель улучшило бы внутреннюю конденсацию водяных паров и привело бы к снижению L_TN и Р_в и повышению к.п.д. Ускорение внутренней конденсации внутри выхлопного патрубка турбины снижает также нагрузку на конденсатор и тем самым величину P_CN.

Благодаря высокой скорости пар на выходе турбины обладает значительной кинетической энергией; большая часть кинетической энергии связана со средней скоростью прохождения пара параллельно оси выхлопного патрубка турбины, но часть ее имеет место за счет турбулентных завихрений в потоке пара. Обычно выхлопной патрубок турбины выполняется в виде диффузора. Сечение выхлопного патрубка турбины плавно возрастает от турбины к конденсатору, а средняя скорость течения пропорционально уменьшается. Сокращение скорости течения соответствует существенному уменьшению кинетической энергии пара, что ведет к росту статического давления в конденсаторе относительно выхода турбины, снижая тем самым L_TN. Кинетическая энергия, связанная с турбулентными потоками, не исчезает. Снижение турбулентности в потоке пара и преобразование части кинетической энергии турбулентных потоков в кинетическую энергию, связанную со средней скоростью потока, позволяет выделить большое количество кинетической энергии, дополнительно уменьшая L_TN и Р_в.

В авторском свидетельстве СССР 1677483 (авторы А.Е. Хиневич, А.О. Тарелин, Н. В. Сурду, И. Л. Иванов и В.В. Органов) описано устройство для улучшения конденсации водяного пара в поверхностном конденсаторе, в котором к решетке прикреплены в виде сетки с гексагональными ячейками множество остроконечных продолговатых электродов, а решетка установлена параллельно верхним поверхностям трубного пучка внутри конденсатора. Расстояния между электродами и расстояния от концов электродов до труб конденсатора подчиняются определенной пропорции. Когда к электродам прикладывается достаточно высокое напряжение, чтобы вызвать протекание тока нужной величены от электродов к трубам конденсаторов, на верхушках электродов возникает коронный разряд, ионы которого образуют зародыши капель воды, улучшая тем самым конденсацию пара.

Устройство, описанное в а. с. СССР 1677483, работало только в лабораторной установке. Концы электродов находятся близко к трубному пучку, и коронный разряд от каждого электрода ограничен небольшим коническим объемом между верхушкой электрода и трубным пучком. Поскольку коронные разряды ограничены небольшими участками, непосредственно прилегающими к трубному пучку, это устройство не воздействует на турбулентность и неравномерности в течении, возникающие в выхлопном патрубке турбины над конденсатором. Капли воды зарождаются только внутри относительно малого объема и существуют очень недолгое время, прежде чем ударятся о поверхности труб. Пробойная стойкость электрического поля в потоке влажного пара изменяется в зависимости от содержания влаги, скорости течения и других параметров. Поэтому одинаковое напряжение, приложенное ко всем электродам, может создавать на разных электродах токи различной силы. На некоторых электродах могут возникать искры или дуговые разряды, которые отбирают энергию у других электродов и делают неработоспособным устройство в целом. Поскольку на каждом электроде поддерживается коронный разряд, потребление энергии высокого напряжения слишком велико по сравнению с объемом коронного разряда и получаемым эффектом.

Ябэ (1995) дал обзор электростатических явлений и примеров, применимых при теплопередаче. В литературе, рассмотренной Ябе, не упоминаются известные решения, имеющие отношение к настоящему изобретению. Все примеры, приводимые Ябэ, относятся к процессам теплопередачи с применением хлорфторуглеродов и прочих органических жидкостей с очень малой электропроводностью и высокой пробойной стойкостью. Упоминаются использование коронного ветра для прогонки паров через теплообменник на скорости до 2 м/с, применение электрострикции для создания струй жидкости и использование электрических полей для удаления конденсата с теплообменной поверхности. Напряженность электрического поля, необходимая для получения вышеуказанных эффектов, составляет во всех этих случаях 10 кВ/см или больше, т.е. значительно превышает ту, что имеет место в нашем случае. Большей частью теплообменная поверхность служит противоэлектродом. В обзоре Ябэ нигде не упоминается применение электрических полей в конденсаторе пара при создании зародышей капель или других воздействиях на улучшение внутренней конденсации.

ЦЕЛИ И ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ Изобретение направлено на снижение давления пара, выходящего из последней ступени турбины через выхлопной патрубок турбины в конденсатор. Турбулентность и неоднородности тока при этом также уменьшаются, что ведет к увеличению выработки энергии при неизменном расходе топлива.

Газовая фаза влажного пара, вытекающего из турбины, переохлаждена и продолжает конденсироваться на каплях воды, имеющихся во влажном паре. Поскольку эти капли довольно крупные, их поверхность конденсации мала, и процесс внутренней конденсации не достигает равновесия. Поэтому давление внутри выхлопного патрубка турбины выше, чем было бы при достигнутом равновесии, и выработка энергии турбиной снижается.

В процессах разделения зарядов внутри турбины возникают положительный электрический заряд на каплях воды во влажном паре, вытекающем из турбины. Попадая в электрическое поле, напряженность которого превышает определенный порог, заряженные капли становятся нестабильными и распадаются, образуя множество мелких капелек, служащих зародышами конденсации.

Соответственно, предлагаемый способ увеличения выработки энергии заключается в том, что на пути влажного пара создают электрическое поле достаточной напряженности, чтобы разбивать заряженные капли воды, по ходу напряженного электрического поля обеспечивают достаточно места и времени, чтобы пары воды конденсировались на вновь образованных капельках. На практике необходимые место и время обеспечивают созданием электрического поля на пути потока на некотором расстоянии от теплообменных труб, а не в непосредственной близости от труб, как в известных решениях.

Устройство для увеличения выработки энергии содержит несколько активных электродов, подвешенных в одной плоскости в выхлопном патрубке турбины на некотором расстоянии от трубных пучков конденсатора и перпендикулярно потоку влажного пара; заземленные электроды, подвешенные между активными электродами; источник энергии высокого напряжения для активных электродов; изоляторы для поддержки активных электродов и подачи в них энергии высокого напряжения, способные надежно функционировать в физической среде, существующей внутри выхлопного патрубка турбины.

Чередующиеся активные и заземленные электроды создают зоны электрических полей высокой напряженности, охватывающих практически полное сечение прохождения пара через выхлопной патрубок турбины. Большая часть пара проходит через сильные электрические поля, и капли воды в паре разрушаются, создавая многочисленные зародыши для внутренней конденсации. За счет более интенсивной внутренней конденсации снижается противодавление и возрастает выработка энергии.

Поскольку влажный пар содержит и заряженные капли воды, сильные электрические поля воздействуют на него, уменьшая колебания потока и турбулентность. Тем самым дополнительно снижается противодавление турбины.

Предлагаемые способ и устройство отличаются от предшествующего уровня техники и превосходят его по нескольким причинам: в известном уровне техники (а. с. СССР 1677483, заявка России 5047816/06) игольчатые электроды устанавливались на малом расстоянии от трубного пучка и получались небольшие конические участки с высокой напряженностью электрического поля, непосредственно прилегающие к наружной поверхности трубного пучка. Эти небольшие участки с высокой напряженностью электрического поля не охватывали полностью сечение потока влажного пара. Соответственно лишь часть пара подвергалась воздействию сильного электрического поля.

Поскольку участки с высокой напряженностью поля непосредственно соседствовали с трубными пучками, образующиеся там зародыши практически не имели времени вырасти за счет конденсации до того, как ударялись о трубный пучок. В литературе нет никаких указаний на желательность размещения участков с высокой напряженностью электрического поля на некотором удалении от трубного пучка.

Ввиду малых размеров участков с высокой напряженностью поля и их близости к трубному пучку не оказывается воздействие на газодинамику потока в выхлопном патрубке турбины и не получается выигрыша за счет сокращения турбулентности и колебаний потока.

В известных устройствах практически весь ток стекает с активного электрода в землю через теплообменные трубы, которые по существу являются противоэлектродами, что может привести к коррозии теплообменных труб.

Известные устройства никогда успешно не работали на промышленных установках, и даже в лабораторных условиях их положительное воздействие на конденсацию было невелико.

В известных способах применялся коронный разряд для дробления капель воды и не учитывалось существование заряженных капель в потоке влажного пара. Для работы известных устройств, насколько она вообще была возможна, не требовалось наличие заряженных капель в паре.

Настоящее изобретение стало возможным благодаря тому неожиданно установленному обстоятельству, что капли воды во влажном паре, проходящем через турбину, несут положительный заряд, который легко обнаруживается и измеряется способом, описанным в примере 1. Для осуществления настоящего изобретения необходимо наличие заряженных капель воды в отходящем паре турбины.

В предлагаемых способе и устройстве предусмотрены противоэлектроды, размещенные рядом с активными электродами, причем все электроды установлены на пути потока влажного пара на некотором расстоянии от трубных пучков. Поэтому: по существу все сечение выхлопного патрубка турбины охвачено сильными электрическими полями; образующимся капелькам хватает места и времени, чтобы послужить зародышами внутренней конденсации до столкновения с трубным пучком; оказывается благоприятное воздействие на газодинамику потока; благодаря наличию противоэлектродов лишь небольшая часть тока с активных электродов стекает в землю через теплообменные трубы; предлагаемые способ и устройство успешно работают на электростанции с положительным эффектом, а нагреваемые изоляторы, описанные в вышеуказанной связанной заявке США и в патенте России 2006081, очень значительно способствуют этому.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Мы полагаем, что приводимые здесь разъяснения достоверны, но не считаем себя связанными этими разъяснениями.

Определения терминов "Активные электроды" - электроды, в которых поддерживается значительный электрический потенциал относительно земли; "переменное электрическое поле" - поле, направление которого периодически изменяется во времени по синусоиде. То же значение имеет "переменный потенциал"; "кажущаяся плотность заряда" - плотность заряда во влажном паре, определяемая способом, описанным в примере 1; "наложение значительного напряжения между, по меньшей мере, одним активным электродом и, по меньшей мере, одним противоэлектродом" - электрическое соединение одного полюса источника энергии высокого напряжения с активными электродами, а другого полюса - с противоэлектродами. Если противоэлектроды заземлены, второй полюс можно подключать к заземлению; "сопутствующий ток" - ток, протекающий через влажный пар от активных электродов к противоэлектродам или к различным электропроводным деталям конденсатора или выхлопного патрубка турбины вследствие наличия сильного электрического поля; "средняя напряженность электрического поля" - разность потенциалов между двумя соседними электродами, деленная на расстояние между ними; "противодавление" - статическое давление, замеренное в выхлопном патрубке турбины на небольшом расстоянии от последней ступени турбины; "напряженность поля пробоя" Е_bd - значение напряженности электрического поля, достаточное для получения электрического разряда (коронного, дугового, искрового); "проводной коронный электрод" - линейный коронный электрод, в котором опорным элементом служит шнур, проволока, провод или трос или иной гибкий материал. Проводной коронный электрод обычно крепится концами к точкам крепления и растягивается между ними; "несущий шнур" - гибкий опорный элемент коронного электрода, которым может быть проволока, пластиковая нить, шнур из стекловолокна или иной материал в виде шнура; "конденсатор" - поверхностный конденсатор с большим количеством теплообменных труб, контактный конденсатор, где пар конденсируется при прямом контакте с распыленной охлаждающей водой, или кожухотрубный теплообменник, служащий для конденсации пара под давлением выше атмосферного в теплофикационной установке; "давление в конденсаторе" - статическое давление, замеренное немного выше трубных пучков конденсатора; "соединительный канал" в формуле изобретения означает выхлопной патрубок турбины или другой соединительный элемент, по которому пар проходит из турбины в конденсатор. В формуле изобретения объем поверхностного конденсатора выше трубных пучков рассматривается как часть соединительного канала. Если провести воображаемую плоскость, секущую соединительный канал так, чтобы путь прохождения отходящего пара турбины был примерно перпендикулярен этой плоскости, то пересечение этой плоскости с внутренней поверхностью соединительного канала образует сечение, пересекающее путь прохождения. Как правило, активные электроды, потивоэлектроды и создаваемое ими электрическое поле находятся вблизи такой воображаемой плоскости. Форма соединительного канала может позволять использование части его в роли заземленного противоэлектрода. Например, на электростанции, описанной в примере 5, выхлопной патрубок турбины вблизи конденсатора имеет примерно прямоугольное сечение, проводные коронные электроды расположены параллельно большей оси прямоугольника, а плоские стенки выхлопного патрубка турбины служат заземленными противоэлектродами для двух крайних активных электродов; "коронный электрод" - электропроводный элемент, обладающий острыми верхушками или кромками, которые способствуют образованию коронного разряда и поддержанию соотношения ток - напряжение, подобного кривой 29 на фиг.5. Возможно большое количество типов коронных электродов, некоторые из них описаны далее. Коронный электрод может включать опорный элемент, служащий механической опорой для прикрепленных к нему проводящих элементов и в то же время сам может служить проводником. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, описанном в настоящей заявке, опорным элементом является несущий шнур, представляющий собой либо оголенный провод, либо шнур из стекловолокна с покрытием из силиконового каучука. Эти электроды гибкие и при монтаже растягиваются между двумя изоляторами или точками крепления. На фиг.3 показан коронный электрод, в котором вокруг несущего шнура обернута двойная проволочная спираль. Если несущий шнур выполнен из непроводящего материала, к нему необходимо прикрепить непрерывный проводник, для чего и служит двойная проволочная спираль. Возможно множество других конструкций; например, проволока может быть снабжена шипами по типу колючей проволоки. Коронный электрод может представлять собой полоску металла с зазубренными краями или квадратную трубку с острыми кромками; в таком случае опорный элемент и есть электрод. В качестве опорного элемента можно также использовать жесткий стержень или трубку либо материал с совершенно другой геометрией, допустим, металлический стержень с одним заостренным концом или решетку из проводящего материала с прикрепленными к ней металлическими иглами; "противоэлектроды" размещены рядом с активными электродами для создания между ними электрического поля требуемой геометрии и напряженности. В предпочтительном варианте осуществления изобретения противоэлектроды заземлены, но это необязательно. Например, при поддержании на противоэлектродах положительного потенциала относительно земли, но значительно меньшего, чем положительный потенциал на активных электродах, снижается частота соударений капель с противоэлектродами и, соответственно, уменьшается сопротивление потоку. Противоэлектроды могут быть специально сконструированы для этой цели, или ими могут быть имеющиеся в выхлопном патрубке турбины раскосы, если они размещены нужным образом, или можно дополнительно устанавливать электропроводные элементы (стержни, трубы, проволоку и т.п.). В примере 5 пять заземленных коронных проводных электродов служат противоэлектродами, а стенки выхлопного патрубка турбины, соседние с двумя крайними активными электродами, выполняют роль дополнительных противоэлектродов. В известных устройствах противоэлектродом служил трубный пучок, но в настоящем изобретении трубный пучок абсолютно исключается из перечня возможных противоэлектродов; "ток к заземлению" - ток, проходящий от активных электродов через пар к заземленным противоэлектродам или к заземленным деталям конденсатора и трубного пучка, например теплообменным трубам или раскосам. Когда в формуле говорится, что "менее половины указанного сопутствующего тока протекает к указанному заземлению через указанные теплообменные трубы", "половина" относится к суммарному току, протекающему от активных электродов через пар. Если противоэлектроды не заземлены, но связаны с активными электродами через цепь высокого напряжения при холостом ходе, то блуждающие токи, текущие к заземлению через теплообменные трубы и раскосы, и образуют весь ток к заземлению; "постоянное электрическое поле" - поле, сохраняющее постоянную полярность (без учета случайных или произвольных отклонений) и не меняющее ее периодически во времени. Это поле, созданное источником постоянной энергии высокого напряжения или естественным зарядным процессом, имеющим постоянную полярность. Тот же смысл у терминов "постоянный потенциал" и "постоянное напряжение"; двойная проводная спираль - проводная спираль меньшего радиуса, обмотанная вокруг цилиндрической опоры большего радиуса, как показано на фиг.3; "заземление" - большая электрически сплошная масса металла, образующая основную часть электрогенерирующей установки (корпус турбины, корпус генератора, кожух конденсатора, конструктивные элементы, трубные пучки и т.п.), а также электрический потенциал этой массы металла; "на пути потока" - положение между последней ступенью турбины и трубным пучком конденсатора, но не на поверхности трубного пучка. В формуле физическое различие между электрическим полем и трубным пучком отмечается тем, что электрическое поле создается между по меньшей мере одним противоэлектродом, которым не может быть трубный пучок. Поле, создаваемое при участии противоэлектрода, не являющегося трубным пучком, проводит к заземлению через трубный пучок менее половины сопутствующего потока; "нагреваемые высоковольтные изоляторы" охватывают любую из конструкций, приведенных в связанной заявке на выдачу патента США или в патенте России 2006081, или любой другой тип высоковольтного изолятора, сохраняющего изолирующую способность во влажной среде за счет поддержания изолирующего элемента при высокой температуре. Некоторые из таких изоляторов нагреваются за счет подвода внешней энергии и требуют питающих проводов, другие нагреваются токами утечки в землю и не требуют специальных питающих проводов; "внутренняя конденсация" - конденсация водяных паров, происходящая на удалении от твердой поверхности, например образование капли воды за счет конденсации водяных паров на соответствующем зародыше в потоке влажного пара; "большой электрический потенциал" - значение или интервал значений, характерное для группы активных электродов. Эта величина составляет единицы или десятки киловольт относительно заземления любого знака, например, около +20 кВ пост. в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения. Если активные электроды питаются от внешнего источника энергии высокого напряжения, они, как правило, все имеют одинаковый потенциал, однако возможно использование устройства, в котором активные электроды имеют различные потенциалы. Если активные электроды приводятся в действие заряженными каплями в отходящем паре турбины, то точная величина потенциала у каждого электрода будет различной; "линейный коронный электрод" - коронный электрод, в котором опорным элементом служит стержень, полоса, линейная экструдированная форма, труба, шнур, кабель, провод или другой гибкий или жесткий продолговатый элемент; "выработка энергии" - полезная работа, производимая паровой турбиной. Обычно речь идет об электрической энергии, но это может быть и механическая энергия, если она используется, как таковая, например в судовых двигательных установках; "заданное значение" средней напряженности электрического поля, созданного большим электрическим потенциалом, выбирается так, чтобы обеспечить оптимальную работу устройства и способа, и определяется опытным путем. Опыты по определению этого значения могут проводиться на стадии проектирования, при наладке устройства, либо периодически или непрерывно в ходе эксплуатации устройства с помощью ручных или автоматизированных процедур; "температура насыщения" - температура, при которой водяные пары при данном давлении находятся в равновесии с жидкой фазой, является функцией давления; "источник постоянной энергии высокого напряжения" - источник энергии, работающий в киловольтном диапазане. Предпочтительно вырабатываемая энергия фильтруется для получения близкой к плоской формы волны, но это не обязательно; полнопериодный или полупериодный выпрямленый ток может также использоваться для питания активных электродов; "питающий пар" может принимать летучие основания к питающей воде, конденсату, подпиточной воде или в других местах водного цикла генерирующей установки; "по существу соплоскостное" относится к размещению линейных электродов в воображаемой плоскости, при котором расстояние, перпендикулярное плоскости раздела соседних электродов, меньше расстояния, параллельного плоскости раздела соседних электродов; "паровая генерирующая установка" обычно генерирует электроэнергию, но может служить и для непосредственно используемой механической энерги, например в судовых или промышленых двигателях; "по существу полное сечение" означает создание электрического поля, охватывающего максимально возможное сечение выхлопного патрубка турбины. В некоторых местах сечения, например там, где подвесные изоляторы отсекают стенку выхлопного патрубка от активного электрода, поле может быть слабым или вовсе отсутствовать; "отходящий пар турбины" в формуле означает влажный пар, входящий из турбины через ее выхлопной патрубок в конденсатор; "выхлопной патрубок турбины" - соединительный элемент между турбиной и конденстором, обычно имеет криволинейную трубчатую форму, но возможны и другие конфигурации; "нежелательные электрические разряды" - искры, дуги или подобные разряды, препятствующие стабильной работе устройств или закорачивающие высокое напряжение, подаваемое на активные электроды; "летучие основания" - аммиак, гидразин, морфолин, другие амины и другие соединения, летучие при температурах в котле, придающие воде щелочность и используемые при обработке летучими основаниями оборотной воды.

А - площадь щупа, обтекаемого потоком пара, с - сумарная концентрация элекктролита в конденсате, d_Rem - толщина воды, удаленной при отделении капель от лопаток турбины, d_S - расстояние от плоскости сдвига до твердой поверхости лопатки турбины, E_av - средняя напряженность электрического поля, Ем - напряженность поля пробоя, f - частота переменного электрического поля, f_max - максимальная частота, при которой переменное электрическое поле еще функционирует примерно так же, как и постоянное электрическое поле, l_Gnd - ток к заземлению от заземленного электрода, k_b - постоянная Больцмана = 1,3806610^-16 эргК^-1, L_TN - перепад давления в выхлопном патрубке турбины, M_w- молекулярный вес воды =18,015 г/моль^-1, N₀ - число Авогадро = 6,02210²³ моль^-1, Р - давление, P_в - противодавление турбины, P_CN - статическое давление в конденсаторе непосредственно над трубными пучками, P_sat(T) - давление равновесия насыщения воды при Т, P_TE - статическое давление в отходящем паре турбины, Q - заряд капли жидкости, R_c - радиус критического ядра (капелька воды с R_n > R_c будет расти и служить ядром конденсации), R_i - типичный радиус капель, выходящих из турбины, R_n - радиус капельки, образовавшейся при дроблении заряженной Капли, S = P/P_sat (Т) - отношение насыщения, Т - абсолютная температура в градусах Кельвина, T_s,CN - температура насыщения (т.е. температура по влажному термометру), измеренная в конденсаторе непосредствено над трубными пучками, t_s,TE - температура насыщения (т.е. температура по влажному термометру), измеренная в отходящм паре турбины вблизи ее выхода, t - продолжительность измерения, V - скорость потка пара, V_f - удельный объем жидкой фазы, V_g - удельный объем паровой фазы, X_f - массовая доля жидкой фазы во влажном паре, - поверхностное напряжение воды, 1/4₀ = 910⁹Нм²кул^-2 = 910¹⁸динcм²кул^-2, 1/К - толщина диффузного двойного слоя, т.е. плотность заряда двойного слоя уменьшается как ехр(-кх), где х расстояние от твердой поверхности, - плотность воды, _DL - заряд в диффузном двойном слое на едиицу плотности поверхности, _f - средняя плотость заряда в жидкой фазе, _fg - средняя плотность заряда во влажном паре, _d - время, необходимое для начала распада капли в электрическом поле, _e - время пребывания капли в сильном электрическом поле.

Принцип работы Процесс внутренней конденсации в отходящем паре турбины требует соответствующих зародышей, например капелек воды. Обычно в отходящем паре содержится 10 маc.% жидкой фазы. Практически вся жидкая фаза отходящего пара турбин состоит из немногих крупных капель воды, диаметр которых превышает 0,001 см. Большой размер капель объяясняется механизмом их образования. Капля отрывается от жидкой пленки, имеющей место на лопатках турбины, когда силы, отрывающие каплю (центробежная сила и импульс потока пара), превышает силу поверхностного натяжения, удерживающую каплю на поверхности лопатки. Относительно малое количество капель воды, выходящих из турбины, и ограниченная площадь их поверхности делают их малоэффективными в качестве зародышей внутреней конденсации.

Проводились опыты на генерирующей установке, описанной в примере 5. Конденсат содержит 500 мкг/л аммиака и имеет рН 9,1 при комнатной температуре. По способу, описанному в примере 1, установили, что влажный пар в выхлопном патрубке турбины имеет положительный заряд с кажущейся плотностю 10^-9 коуль/см³ Поскольку сухой пар электрического заряда (Loeb, 1958), весь заряд влажного пара несут капли воды.

В литературе описано несколько механизмов образования статического заряда в каплях жидкости ( например, (Loeb, 1958). В данном случае разделение заряда скорее всего происходит за счет ионного равновесия между металлической поверхностью лопаток турбины и конденсатом. Металлическая поверхность лопаток турбин покрыта тонким слоем оксида металла, обладающего слабокислыми свойствами, Поверхность реагирует с аммиаком конденсата, теряет протоны и тем самым приобретает отрицательный поверхностный заряд. Этот отрицательный заряд уравновешивается ионами аммония (NH₄ ⁺) в жидкости, соседствующей с металлической поверхностью, и образуется диффузный двойной слой. Поскольку конденсат разбавлен, положительный диффузный заряд простирается на некоторое расстояние в жидкую фазу. Когда капли жидкости срываются с лопаток турбины, они уносят наружную часть диффузного двойного слоя. Тем самым капля приобретает положительный заряд. В примере 3 представлены и показаны уравнения, описывающие эту модель процесса разделения заряда и позволяющие прогнозировать плотность заряда во влажном паре, совместимую со значениями кажущейся плотности заряда, определенными на электростанции.

В отсутствие внешнего электрического поля капля воды с радиусом R_i, несущая заряд Q, становится неустойчивой, если удовлетворяется условие Рэлея (Григорьев и Ширяева, 1989; Taylor, 1964): W = Q²/64²₀R³₁>1 (2) Когда W>1, электростатическая сила превышает противодействующую силу поверхностного натяжения, на противоположных полюсах капли возникают конические острия, с которых выбрасываются струи мелких капелек. Незаряженная капля распадается под воздействием электрического поля, когда удовлетворяется условие Тейлора (Taylor, 1964): Y = 4₀E²R₁/>2,6 (3) Чтобы разрушить незаряженную каплю радиусом 0,001см, необходимо Е >126 кВ/см, что немного больше напряженности поля пробоя во влажном паре; на практике наложенное электрическое поле может разрушать только заряженные капли.

Гриогорьев и Ширяева (1989) представили условие устойчивости заряженной капли во внешнем электрическом поле, которое можно записать как: -(W-1)²+0,281YW+0,092Y+0,11Y²>1 (4) Если Y=0, неравенство (4) превращается в неравенство (2), а если W=0,99, капля становится неустойчивой при Е>1,24. кВ/см, и с ее конца выбрасывается струей множество мелких капелек. Образующиеся капельки, как правило, на два порядка величины меньше исходной капли и могут в свою очередь разбиваться на еще более мелкие капельки.

Время _d, необходимое, чтобы капля вытянулась в длину в направлении локального электрического поля и начала разбиваться, составляет (Григорьев и Ширяева, 1989) ~(R³_i/)^0,5 (5) Если R_j=0,001 см, то _d составляет 410 ^-6см. Скорость течения влажного пара в выхлопном патрубке турбины вблизи трубного пучка равна 40 м/с, значит, капля пройдет 0,001 см за 4 мкс. Поскольку зона сильного электрического поля составляет около 10 см по вертикали, времени для разрушения капли должно быть достаточно.

Соотношение между отношением насыщения и соответствующим радиусом критического ядра дается выражением ln S = ln[P/P_sat(T)] = 2M/N₀k_BTR_c (6) В примере 2 уравнение 6 показывает, что при разрушении заряженных капель воды в электрическом поле образуется зародыш с радиусом, значительно большим, чем R_c, которые будут расти и интенсифицировать процесс внутренней конденсации.

Таким образом, разрушение немногих крупных капель, выходящих из турбины, на множество мелких капелек оказывает серьезное положительное воздействие на скорость внутренней конденсации.

Конструктивные решения.

Хорошо изолированный электрод, установленный внутри выхлопного патрубка турбины может создавать потенциал относительно заземления до 10 кВ и более за счет накопления зарядов от падающих на него заряженных капель. При правильном размещении заряженных и заземленных электродов такой потенциал может оказаться достаточным для разрушения заряженных капель во влажном паре без подвода энергии извне. Средняя плотность заряда и скорость течения влажного пара меняются в зависимости от эксплуатационных услов