НАЦОНАЛЬНА АКАДЕМЯ НАУК УКРАНИ

нститут проблем машинобудування м. А. М. Пдгорного

Скляров Володимир Петрович

УДК 536.24:621.125

ВПЛИВ ЕЛЕКТРИЗАЦ ВОЛОГО ПАРИ НА ПРОЦЕСИ КОНДЕНСАЦ В ТЕПЛОЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВКАХ

05.14.06 — технчна теплофзика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертац на здобуття наукового ступеня

кандидата технчних наук

Харкв-2001

Дисертацю рукопис.

Робота виконана в нститут проблем машинобудування м. А.М. Пдгорного Нацонально академ наук Украни.

Науковий кервник :

- доктор технчних наук, старший науковий спвробтник Тарелн Анатолй Олексйович, нститут проблем машинобудування м. А.М. Пдгорного НАН Украни, м. Харкв, заступник директора з науково роботи.

Офцйн опоненти:

- доктор технчних наук, професор Соловей Вктор Васильович, нститут проблем машинобудування м. А.М. Пдгорного НАН Украни, м. Харкв, завдувач вддлу;

- кандидат технчних наук, старший науковий спвробтник Петухов лля ванович, Нацональний аерокосмчний унверситет м. М.. Жуковського “ХА“, м. Харкв, доцент кафедри аерокосмчно теплотехнки.

Провдна установа:

нститут технчно теплофзики НАН Украни, вддл теплопровдност, м. Кив.

Захист вдбудеться “24” счня 2002 р. о 14 годин на засданн спецалзовано вчено ради Д 64.180.02 при нститут проблем машинобудування м. А.М. Пдгорного НАН Украни, за адресою: 61046, м. Харкв, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

З дисертацю можна ознайомитись у бблотец нституту проблем машинобудування м. А.М. Пдгорного НАН Украни, за адресою: 61046, м. Харкв, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

Автореферат розсланий “14 ” грудня 2001 р.

Вчений секретар

спецалзовано вчено ради,

кандидат технчних наук О.Е. Ковальський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнсть проблеми. За нашого часу, коли вартсть енергоносв постйно зроста, а традицйн методи збльшення ККД енергоустановок практично вичерпано, зростання х ефективност навть на частки процента може дати помтний економчний ефект. Ефективнсть енергетичних машин в значнй мр залежить вд процесв конденсац, котр супроводжуються електризацю та пов’язаними з нею електрофзичними явищами. Процеси електризац, що виникають пд час перемщування рдких, сипких та нших матералв, достатньо широко висвтлено в численнй лтератур. Проте до питання електризац волого пари в теплових машинах фахвц почали проявляти нтерес лише останнми роками. Уже перш дослдження, виконан за активно участ автора на натурних турбнах спочатку в Укран, а потм у США та Рос, показали, що вологий пар завжди електризуться. При цьому густина зарядв у вологому паровому потоц може на два порядки перевищувати густину зарядв у грозових хмарах. Густина зарядв у паровому потоц залежить вд багатьох факторв за бльшо величини помтно вплива на процеси конденсац. Розумння процесв, що вдбуваються у вологому паровому потоц за його електризац, дозволить керувати ними , у остаточному пдсумку, пдвищити ефективнсть теплоенергетичних установок.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дослдження в обраному напрямку проводились за бюджетними темами:

- 1.7.2.140. “Розробка наукових основ нетрадицйних методв засобв керування теплофзичними властивостями робочих середовищ теплових машин” (постанова ВФТПЕ АН Украни №1, 10 вд 15.01.92 р.), №Д.Р.0297U001633;

-1.7.2.159. “Розробка методв способв пдвищення ККД парово турбни (ПГУ) за рахунок електромагнтних дянь на водяну пару” (пост. ДКНТ Украни №12 вд 04.05.92 р.), №Д.Р.0193U014069;

- 1.7.2.206. “Розробка теоретичних основ, методв способв комплексного розв’язання задач пдвищення ефективност та надйност вихлопно частини енергетичних установок” (пост. ВФТПЕ НАН Украни №2, 9 вд 05.03.1996 р.), №Д.Р.0197U012284;

- 1.7.2.9.“Розробка наукових основ електрофзичних явищ у теплових енергетичних установках” (пост. ВФТПЕ НАН Украни №3, 17 вд 23.03.2000 р.), №Д.Р.0100U004809.

Мета та задач дослджень. Мета роботи поляга в створенн на основ експериментально-теоретичних дослджень методв засобв впливу на ефективнсть конденсац за рахунок керування процесами електризац вологого парового потоку.

Задачами дослджень, обумовленими метою роботи, :

- розробка методики та засобв вимрювання об’мно густини зарядв у вологому паровому потоц;

- створення стенда для дослдження процесв електризац та визначення основних факторв, що впливають на ц процеси;

- розробка методв пристров для керування процесом електризац волого пари.

Об’кт дослдження — двофазний слабопровдний заряджений потк пари в умовах фазового переходу за пониженого тиску.

Предмет дослдження — процеси конденсац, що вдбуваються у теплових машинах пд час електризац волого пари.

Методи дослдження — теоретичн та експериментальн дослдження впливу рзних факторв на процес електризац парового потоку; експериментальн дослдження впливу об’мно густини зарядв на процеси конденсац та газодинамку парового потоку.

Наукова новизна одержаних результатв

1. Вперше дослджено причини утворення зарядв у потоц пари, що конденсуться, та визначено основн фактори, котр впливають на процес електризац в теплових машинах.

2. Вперше дослджено розподл зарядв у паровому потоц турбн, у тому числ двопотокових.

3. Вперше експериментально показано, що природна електризаця волого пари вплива на процеси конденсац та коефцнт повних втрат вихлопного тракту турбн.

4. Вперше розроблено методи та засоби керування величиною об’много заряду та процесами утворення зарядв у вологому паровому потоц турбн.

5. Удосконалено методи та вперше розроблено засоби вимрювання об’мно густини зарядв у вологому потоц теплових машин.

Практичне значення одержаних результатв

Виконан дослдження дозволяють по-новому подивитися на процеси тепломасообмну у вологому паровому потоц при виникненн електризац. Досвд, накопичений пд час проведення експериментв на натурних турбоустановках потужнстю 50-800 МВт в Укран та США, може бути використано при створенн високовольтного обладнання, що працю в умовах високо вологост та великих швидкостей потоку, у рзних галузях.

Створено нейтралзатор об’мних зарядв, що дозволя знизити коефцнт повних втрат у вихлопному тракт на 10-12 %, пристрй для нтенсифкац конденсац, який забезпечу пдвищення вологост пари в зон конденсатора бльш нж на 1 %.

Розроблено методику та засоби вимрювання об’мно густини зарядв у паровому потоц, як можуть бути використан для контролю змни вологост пари у парових турбнах, у тому числ на вход атомних турбн чи в паропроводах нших теплових машин.

В Укран експерименти проведено на ТЕЦ-2 “Есхар” на турбоагрегат Т-37/50-8,8 на ТЕЦ-5 на турбоагрегат Т-250/300-240, м. Харкв.

У процес роботи отримано залежност струмв електризац потоку вд рзних факторв, як можна використовувати при розробц методв боротьби з електроерозю в теплових машинах.

Розробку впроваджено на турбоагрегат Т-250/300-240 харквсько ТЕЦ-5.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача в роботи, виконан й написан у спвавторств, поляга в такому:

- У робот [1] дослдив вплив режиму роботи турбни на величину об’мно густини зарядв у паровому потоц.

- У роботах [2, 12] розробив стенд для тарування електричних зондв, розробив електричн зонди та дослдив вплив рзних факторв на електризацю потоку.

- У робот [4, 13] поставив провв експеримент, внаслдок якого довв, що величина потенцалу на валу ротора турбоагрегату пов’язана з електризацю парового потоку.

- У робот [5] запропонував принцип роботи, створив макет провв випробування запропонованого струмовводу.

- У роботах [6, 10, 11] розробив конструкцю пристрою електрофзичного дяння на вологий паровий потк взяв участь у пдготовц та проведенн натурного експерименту щодо визначення впливу електризац парового потоку на процеси конденсац на турбн Т-37/50-8,8 (ТЕЦ-2 “Есхар”).

- У робот [7] брав участь у постановц та пдготовц експерименту на турбн потужнстю 800 МВт (станця Навахо, Арзона, США).

- У робот [8] як вдповдальний виконавець брав участь у пдготовц та проведенн натурного експерименту на турбн Т-37/50-8,8 (ТЕЦ-2 “Есхар”), а також в обробц та аналз отриманих результатв.

- У робот [9] розробив конструкцю та дослдив характеристики високовольтних золяторв з малими втратами для роботи в умовах пдвищено вологост.

Апробаця результатв дисертац. Результати дослджень подано на конференцях:

- Мжнародна науково-технчна конференця “Удосконалення енергетичних транспортних турбоустановок методами математичного моделювання, обчислювального та фзичного експериментв” (26-29 вересня 1994 р., м. Змйов);

- Presented at the American Power Conference, 58 th Annual Meeting. April 9-11, 1996, Chicago, Illinois;

- Мжнародна науково-технчна конференця “Удосконалення енергетичних транспортних турбоустановок методами математичного та фзичного моделювання” (18-22 вересня 2000 р., м. Змйов);

- Ukraine-U.S.A. Workshop “Innovative Aerothermal and Combustion Technologies in Energy and Power Systems”, Kyiv, May 21-24, 2001, Ukraine.

Публкац. Результати роботи вдбито у 4 статтях, 1 патент Рос, 2 патентах США, 6 доповдях на конференцях, у т.ч. 1 за кордоном.

Структура та обсяг роботи. Дисертаця складаться з вступу, шести роздлв, висновкв та перелку використаних джерел, що мстить 81 найменування. Роботу викладено на 135 сторнках машинописного тексту, що мстить в соб 57 рисункв, 6 таблиць, 1 додаток, загальний обсяг 146 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМСТ РОБОТИ

У вступов сформульовано проблему та обгрунтовано актуальнсть роботи. Показано, що електризаця вологого парового потоку може стотно впливати на процеси конденсац в теплових машинах.

Перший роздл мстить огляд теоретичних та експериментальних робт, присвячених питанням електризац рзних матералв впливу зарядв на процеси конденсац та теч двофазних потокв. Показано, що у теплових машинах (наприклад у турбнах) снують об’ктивн умови для електризац парового потоку. На основ виконаного аналзу сучасного стану проблеми сформульовано мету подальших дослджень.

У другому роздл розглянуто механзми конденсац водяно пари на заряджених краплях вплив заряду крапл на тиск насичено пари. Розглянуто теоретичн передумови та виконано численн дослдження щодо оцнки впливу об’много заряду парового потоку на процеси конденсац в умовах, що снують у паровй турбн.

Вдомо, що за вдсутност зарядв конденсаця в об’м може розпочатися лише при 4-5-кратному перенасиченн вдбуваться на краплях-зародках, що перевищують критичний радус.

Так, наприклад, для нормальних умов обчислений критичний радус зародка для води rзар= 5,76·10-10 м. На зародку з меншим розмром чи на однй молекул конденсаця вдбуватися не може.

Якщо в об’м присутн заряджен частинки, то як зародки конденсац можуть служити заряджена крапля з меншим радусом навть окремий он. Принцип конденсац пари на онах чи заряджених частинках широко вдомий покладений в основу роботи камери Вльсона.

Крапля з радусом r зарядом q зазна негативного тиску

РЕ = - q2 / 32 2 0 r 4, (1)

де 0 — абсолютна делектрична проникнсть вакууму;

— делектрична проникнсть середовища, що оточу краплю. При цьому сумарний тиск усередин заряджено крапл

Р=Р-РЕ, (2)

де Р — тиск усередин крапл, який створються поверхневим натягом.

Як видно з (2), тиск усередин заряджено крапл виявляться меншим, нж усередин нейтрально крапл такого ж радуса, отже, перенасичення пари S, необхдне для конденсац на зарядженй крапл, нижче, нж для нейтрально. На рис.1 показано залежнсть lnS вд радуса нейтрально крапл та для крапл, яка ма елементарний заряд, для умов, що снують у конденсатор парово турбни.

З рис. 1 видно, що у випадку нейтрально крапл при радус менше 6·10-10  м конденсаця можлива лише у раз стотного перенасичення. Водночас на крапл, що ма один елементарний заряд, конденсаця може вдбуватися навть у випадку, коли пара не перенасичена. Крапля при цьому може зрости до ~ 4·10-10 м, тобто до розмру мнмального зародка. Оскльки паровий потк у турбнах практично завжди електризуться, це виклика збльшення клькост центрв конденсац може стимулювати зростання вологост в проточнй частин та збльшувати втрати. Водночас за рахунок збльшення клькост зародкв конденсац у вихлопному тракт можна нтенсифкувати об’мну конденсацю та поглибити вакуум. Кльксть центрв конденсац можна збльшити як за рахунок електризац пари, так за рахунок дроблення крупних крапель. Вдомо, що крупн крапл пд впливом електричного поля можуть розпадатися на багато дрбних. Заряджена крапля може перейти в нестйкий стан, коли електричн сили, що розтягують краплю Fе, перевищать сили поверхневого натягу F.

Fе > F. (3)

Крапля втрача стйксть, якщо виконуться критерй Релея

W = q2 / 64 2 0 r 3 >1. (4)

Коли W>1, електрична сила перевищу силу поверхневого натягу, на протилежних полюсах крапл виникають кончн встря, з яких викидаються струмен дрбних крапельок. Для того щоб в електричному пол зруйнувалась незаряджена крапля, ма виконуватись критерй Тейлора (Taylor)

Y= 4 0 E2 r / > 2,6. (5)

Для руйнування заряджено крапл в електричному пол необхдно виконання тако умови:

-(W-1)2 + 0,281 W Y + 0,092 Y + 0,11 Y2 > 1, (6)

де W та Y – вдповдно критер Релея Тейлора.

У цьому раз потрбна мнмальна напруженсть електричного поля. Крупн заряджен крапл, що реально снують у паровому потоц турбни, можуть руйнуватися лише в пол коронного розряду. За природно електризац парового потоку коронний розряд може виникати на гострих кромках робочих лопаток, на краю дифузора та на краях ребер жорсткост, що концентраторами напруги. Напруженсть електричного поля в зон коронного розряду при цьому може досягати 106 - 107 В/м, що згдно з (6) достатньо для руйнування крупних крапель. Пд час руйнування крупних крапель вдбуваться викидання у потк дрбних заряджених крапельок. Крм заряджених крапель, у пол коронного розряду утворюються они, котр також можуть служити зародками конденсац. При необхдност коронний розряд може бути створений штучно за допомогою спецальних коронуючих електродв.

Поява електричних зарядв у двофазному потоц вплива на його течю. Вдомо, що на заряджен частинки, як рухаються в потоц, д сила, спрямована до заземлених поверхонь

F= qм Eо, (7)

де qм - максимальний заряд частинки;

Eо - напруженсть электричного поля, в якому рухаться частинка.

Коли заряджен частинки починають рухатися пд впливом електричного поля, вони перемщуються до заземлених поверхонь, створюючи додатковий опр рухов потоку.

Об’мний заряд з густиною qv, розташований над заземленою поверхнею, створю тиск

Р = qv Eо. (8)

Наприклад, за снуючих за останнм ступенем турбни густини зарядв 10-3 Кл/м3 та напруженост електричного поля 2·105 В/м створються тиск 200 Па. В результат електризаця вологого парового потоку супроводжуться збльшенням тиску за робочим колесом турбни. При цьому частина кнетично енерг потоку перетворються в енергю електричного поля з густиною

Wv = 0 E2 / 2, (9)

яка у паровому потоц може досягати ~1—10 Дж/м3. Таким чином, електризаця парового потоку виклика додатков втрати за рахунок пдвищено вологост наявност природного електричного поля, спрямованого назустрч потоку. Тому одню з задач, що стоять перед дослдником, розробка методв нейтралзац зарядв у проточнй частин турбни. У поданй робот ця задача розглянута лише стосовно до останнього ступеня та патрубка. Наведений аналз дозволя сформулювати важливу в практичному вдношенн задачу в такй постановц: для пдвищення ефективност роботи останнього ступеня турбни необхдно в безпосереднй близькост за робочими лопатками локально пдвищити концентрацю заряджених крапель, що активзу об’мну конденсацю та поглиблю вакуум за ступенем; у перехдному патрубку необхдно нейтралзувати потк для зниження втрат вд об’много заряду; у зон конденсатора зарядити потк для стимулювання процесв конденсац.

У третьому роздл описано механзми виникнення зарядв у вологому паровому потоц та дослджено вплив основних факторв на величину об’много заряду в потоц. Електризаця парового потоку виника пд впливом деклькох ефектв (електролтичний, балоелектричний та н.). Як показали спецальн дослдження, на початку зони фазового переходу основний механзм утворення зарядв пов’язаний з руйнуванням подвйного електричного шару, що виника на границ роздлу двох рзних матералв. Згдно з сучасними уявленнями, подвйний електричний шар на границ рдина-тверде тло складаться з тонкого шару онв одного знаку, нерухомо пов’язаних з поверхнею твердого тла внаслдок д електричних адсорбцйних сил (шар Гельмгольца), та дифузйного шару онв ншого знака (шар Гу). Пд час руху парового потоку вдбуваться винесення зарядв з шару Гу. Якщо в паровому потоц снують крупн крапл (зона останнх ступенв турбни та конденсатора), балоелектричний ефект може помтно впливати на процес електризац. Утворення зарядв у теплових машинах, у тому числ у парових турбнах, ма особливост, пов’язан з великими швидкостями потоку, складним хмчним складом живильно води, а також з наявнстю природних електричних полв високо напруженост. Для дослдження процесв електризац крапель у повтряно-крапельному потоц були виконан дослдження на спецально створеному лабораторному стенд. Дослдження показали, що електризаця потоку в основному залежить вд напруженост електричного поля, вологост та швидкост потоку, а також вд хмчного складу води та матералу робочих поверхонь. Якщо поблизу поверхн генерування заряджених крапель створити електричне поле, то уже при напруженост поля Е=100-150 В/см можна стимулювати зарядоутворення або повнстю заглушити процес електризац чи навть змнити полярнсть зарядв у потоц залежно вд полярност електричного поля. Струм електризац зроста з збльшенням швидкост потоку. При постйнй швидкост потоку струм електризац пропорцональним вологост. При вологост потоку, яка сну у вихлопнй частин, ця залежнсть наближаться до лнйно, що може бути використано для контролю змни вологост парового потоку. Натурний експеримент на турбн Т-37/50-8,8 показав, що при змн вологост парового потоку вд 1,3 до 1,7 % зарядженсть потоку змнються практично лнйно. Вимри густини зарядв пд час пускових операцй турбни Т-250/300-240 пдтвердили, що заряди в потоц виникають лише за появи вологи. Цей експеримент також довв, що потенцал на валу ротора турбни виника за рахунок електризац парового потоку, тод як наявнсть потенцалу на валу ротора звичайно пов’язують з явищем електромагнтно ндукц, що виника через намагнченсть ротора турбни. Дослдження, виконан на лабораторному стенд, а також сумсний натурний експеримент на турбн 800 МВт (станця Навахо, Арзона, США) показали, що, мняючи рН живильно води, можна керувати процесом електризац парового потоку. Дослдженнями, виконаними сумсно з росйськими вченими на стенд МЕ (Рося), встановлено, що густина зарядв у потоц може змнюватись не лише при змн рН, але й при будь-якй змн хмчного складу живильно води. Лабораторн та натурн експерименти показали, що при стандартному хмчному склад живильно води пд час вдриву вд поверхонь з нержавючих сталей крапл води заряджуються позитивно, а пд час вдриву вд чорно стал чи латун — негативно.

У четвертому роздл описано методику вимрювання густини зарядв у вологому паровому потоц.

Дослдження, виконан за активно участ автора на теплових електростанцях в Укран та США, а також на стенд МЕ (Рося), показали, що густина зарядв у вологому паровому потоц може набувати значення вд 10-11  Кл/м3 на початку зони фазового переходу до 10-3 Кл/м3 за останнм ступенем турбни. При цьому полярнсть зарядв у потоц може бути як позитивною, так негативною, а густина зарядв може швидко змнюватись або пульсувати. Як показано вище, процес зарядоутворення сильно залежить вд напруженост електричного поля. Тому на електричний зонд, розташований поблизу зони зарядоутворення, не можна подавати високо напруги. У такому раз методи визначення густини зарядв за вольтамперною характеристикою зонда непридатн. Найбльш прийнятним метод, що грунтуться на вимрюванн струму короткого замикання електричного зонда, який помщено у рухомий паровий потк.

Якщо потк з визначеним об’мним зарядом qv рухаться з швидкстю С через площадку з площею S, то через не протка струм

Is=С qv S. (10)

Вимрявши величину струму, а також знаючи площу S та швидксть потоку С, знаходимо об’мну густину заряду qv. Величину струму Is та швидксть потоку С можна вимряти стандартними методами з достатньою точнстю. Перерз електричного зонда S дорвню площ приймально поверхн зонда Sпов, помножено на коефцнт КS (коефцнт, що залежить вд конструкц зонда, швидкост, водност, густини зарядв та нших параметрв потоку).

Виконан дослдження показали, що з достатньою для практики точнстю ефективний перерз сферичного зонда даметром ~ 10 мм можна приймати таким, що дорвню 1,25 площ поверхн зонда.

Залежно вд густини зарядв у паровому потоц можна умовно видлити три дапазони:—

мала густина qv<10-8 Кл/м3;—

середня густина qv =10-8-10-5 Кл/м3;—

велика густина qv >10-5 Кл/м3.

Густина зарядв qv<10-8 Кл/м3 сну в зон фазового переходу за мало вологост пари. Для вимрювань у цьому дапазон необхдно використовувати зонди з максимальним опором витоку. При цьому доцльно застосовувати метод вимрювань малих струмв.

Вимрювання густини зарядв потоку в дапазон qv =10-8-10-5 Кл/м3 труднощв не виклика.

Пд час вимрювань великих густин зарядв з qv >10-5 Кл/м3 необхдно вживати заходв, що запобгають виникненню коронного розряду на елементах зонда чи поблизу його розмщення. При виникненн коронного розряду похибка вимрв рзко зроста ста неконтрольованою.

У п’ятому роздл описано засоби впливу на процеси конденсац в паровому потоц.

Як було показано вище, наявнсть зарядв у патрубку виклика додатков втрати, тому в цй зон необхдно знижувати густину зарядв у потоц. Водночас для нтенсифкац об’мно конденсац та поглиблення вакууму паровий потк безпосередньо за останнм ступенем в зон конденсатора необхдно додатково заряджати.

Зниження густини зарядв у вологому паровому потоц можна досягнути або шляхом нейтралзац зарядв, що вже утворилися в потоц, або створивши умови, за яких заряди в потоц не утворюються.

Нейтралзувати об’мний заряд у паровому потоц можна за допомогою заземлених концентраторв напруги (пасивний режим) або створивши коронний розряд полярност, протилежно об’мному заряду вд зовншнього джерела (активний режим). Якщо поблизу поверхн генерування заряджених крапель за допомогою спецальних електродв створити електричне поле т ж полярност, що полярнсть заряджених крапель, можна повнстю заглушити процес електризац. нтенсифкувати процес зарядоутворення поблизу робочого колеса можна за рахунок компенсац поля об’много заряду чи за рахунок створення електричного поля полярност, протилежно зарядам, що утворюються в потоц. Зарядити паровий потк у зон вихлопного патрубка можна в пол коронного розряду або за рахунок вприскування у потк заряджено дрбнодисперсно вологи чи заряджено пари, що конденсуться. Зарядження потоку у пол коронного розряду найбльш прийнятне для ц задач. Створення коронного розряду у вихлопнй частин турбни ма особливост, пов’язан з високою вологстю та низьким робочим тиском.

З урахуванням специфчних умов експлуатац розроблено конструкц золяторв, електродв струмовводв, що показали високу надйнсть при х використанн пд час проведення усх експериментв на турбнах: Т-37/50-8,8 ТЕЦ-2 “Есхар”; потужнстю 800 МВт станц Навахо (штат Арзона, США), 400 МВт станц Конесвл (штат Нью-Йорк, США) Т-250/300-240 ТЕЦ-5, м. Харкв.

Для переврки можливост керування процесом зарядоутворення у вологому паровому потоц за рахунок електричного поля за останнм ступенем турбни Т-37/50-8,8 ТЕЦ-2 “Есхар” було встановлено нейтралзатор об’много заряду. Нейтралзатор явля собою 11 струнних електродв, встановлених радально рвномрно по обводу колеса на спецальних пдвсних золяторах на вдстан 150 мм вд робочого колеса. Результати експерименту показали, що при такому розмщенн електродв для повно нейтралзац потоку в патрубку достатньо подати на нейтралзатор напругу 800-900 В.

Для переврки можливост нейтралзац об’много заряду вологого парового потоку в патрубку за допомогою електродв, установлених на значнй вдстан вд зони утворення зарядв, проведено експеримент на турбн Т-250/300-240 (ТЕЦ-5, м. Харкв). Нейтралзатор явля собою кльцевий електрод, що мстить 90 голчастих концентраторв напруги встановлений за допомогою спецальних опорних золяторв на краю дифузора на вдстан 600 мм вд робочого колеса. За час проведення випробувань локальна об’мна густина зарядв на вихлоп турбни на рзних режимах змнювалась у межах 10-8-10-3 Кл/м3. За максимально густини зарядв у потоц 2,5·10-4 Кл/м3 та ширини заряджено зони ~ 500 мм вдаться практично повнстю нейтралзувати потк. При збльшенн максимально густини зарядв до 10-3 Кл/м3 та ширини заряджено зони ~ 1000 мм нейтралзатор забезпечу зниження максимально густини зарядв приблизно в 2 рази. Для переврки можливост нтенсифкац процесу конденсац за рахунок електризац вологого парового потоку на турбн Т-37/50-8,8 перед конденсатором було встановлено спецальний пристрй для електризац потоку. Пристрй явля собою групу з двадцяти чотирьох коронуючих електродв. Пд час експерименту переврявся вплив зарядженост парового потоку на вологсть дисперснсть вологи. Для контролю вологост над трубним пучком конденсатора було встановлено оптичний зонд. Зонд дозволя реструвати концентрацю та розмри крапель даметром 0,04-1,6 мкм. Вторинна апаратура забезпечу неперервне вимрювання середнього розмру крапель та вологост парового потоку. Вимрювання вологост та обробки результатв здйснено фахвцями МЕ (Рося). Густина зарядв у потоц на вихлоп турбни регулювалась за допомогою нейтралзатора, встановленого за останнм ступенем. Необхдна зарядженсть потоку перед трубним пучком конденсатора створювалась за допомогою коронуючих електродв. На рис. 2 показано змну вологост та дисперсност потоку при включенн коронуючих електродв.

Рис. 2. Змна дисперсност та вологост вд часу при змн зарядженост потоку.

Як видно з рис. 2, при поданн напруги на нейтралзатор коронуюч електроди дисперснсть крапель стаблзуться, а вологсть зроста. Цей результат добре погоджуться з сказаним вище. Крапля в електричному потоц може рости лише до певного розмру, який визначаться поверхневим натягом напруженстю електричного поля. Наявнсть достатньо клькост зародкв конденсац сприя зростанню вологост. Результати ряду експериментв показали, що електризаця вологого парового потоку помтно вплива на процес об’мно конденсац та дозволя збльшувати вологсть на 1-2

У шостому роздл дослджено вплив об’много заряду на газодинамчн характеристики парового потоку. Для оцнки впливу об’много заряду на течю пари проведено експеримент на турбн Т-37/50-8,8 (ТЕЦ-2 “Есхар”). За допомогою вдбрникв тиску, встановлених на спецальних козирках, по 6 шт. у кореня та на перифер, рвномрно по обводу вимрювались статичн тиски за останнм ступенем при зарядженому та нейтральному потоках. Нейтралзаця об’много заряду здйснювалась за допомогою нейтралзатора, описаного вище, який було встановлено в безпосереднй близькост вд площини робочого колеса. При пдключеному нейтралзатор (в цьому експеримент) локальна густина зарядв у патрубку знижувалась в 103-104 разв. Пд час нейтралзац об’много заряду зменшувався тиск на 80-150 Па у вихлопному тракт. Змну тискв на козирках за робочим колесом при нейтралзац об’много заряду показано на рис. 3.

Як видно з рис.3, нейтралзаця об’много заряду в потоц приводить до однакового зниження тиску по усьому периметру потоку, хоча нервномрнсть тиску з зменшенням об’много заряду не змнються. Крм того, при нейтралзац потоку спостергалось зменшення амплтуди пульсацй тиску та збльшення швидкост парового потоку на 10 м/с. В експеримент, проведеному на турбн Т-250/300-240 (ТЕЦ-5, м. Харкв), нейтралзатори з голчастими концентраторами встановлювались на вдстан 600 мм вд площини робочого колеса. У цьому раз пд час заземлення нейтралзатора зменшуться поле об’много заряду, струм виносу з робочих лопаток зроста, збльшуючи кльксть заряджених крапель у безпосереднй близькост вд площини робочого колеса. Внаслдок цього у зазначенй зон нтенсифкуться об’мна конденсаця вдбуваться локальне зниження тиску. Пд дю коронного розряду, що виника на концентраторах, вдбуваться нейтралзаця зарядв, в патрубок попада нейтральний потк.

При заземленому нейтралзатор статичний тиск у патрубку знижувався на ~ 100-150 Па спостергалось зменшення пульсацй тиску на 50 Па. За результатами цього експерименту було розраховано коефцнт повних втрат вихлопного тракту, який зменшувався на 10—12 при нейтралзац потоку.

Для того щоб вплив зарядв у потоц на процес конденсац та тиск у вихлопному тракт став помтним, густина зарядв у потоц ма перевищувати певний рвень.

Пдтвердженням цього результат експерименту, наведеного нижче. Експеримент виконано на турбн Т-250/300-240 (ТЕЦ-5, м. Харкв). Пд час експерименту для збльшення густини зарядв у паровому потоц пдвищували вологсть на вихлоп турбни за рахунок зниження температури промжного перегрву Тпп з 542 до 512 0С.

При цьому одночасно реструвались струм електричного зонда, встановленого за останнм ступенем, тиск у конденсатор. Температура витрати охолодно води в конденсатор протягом експерименту залишались незмнними. Псля зниження температури Тпп густина зарядв у потоц зросла. Цей процес носить лавиноподбний характер до досягнення рвноважного стану (див. рис.4), оскльки збльшення густини зарядв виклика зростання вологост, а пдвищення вологост веде до зростання густини зарядв.

Як видно з рис. 4, при досягненн об’мно густини зарядв у потоц ~2,5·10-6 Кл/м3, тиск почина знижуватись. Внаслдок збльшення об’мно густини зарядв з 2,5·10-6 до 1,5·10-5 Кл/м3 тиск знизився приблизно на 60 Па. Таким чином, можна зробити висновок, що за умов, близьких до умов даного експерименту, об’мний заряд з густиною, меншою за 2,5·10-6 Кл/м3, практично не вплива на тиск у конденсатор. Тому для нтенсифкац процесу об’мно конденсац в зон конденсатора необхдно створювати об’мний заряд з густиною ~10-5 Кл/м3.

ОСНОВН РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Дисертацю присвячено дослдженню явища електризац вологого парового потоку в теплових машинах на приклад парових турбн впливу цього явища на процеси конденсац. В процес роботи було виршено ряд важливих теоретичних практичних питань та отримано так результати.

1. Розглянуто причини виникнення зарядв у паровому тракт турбни вд початку зони фазового переходу в проточнй частин до зони конденсатора. Дослджено основн фактори, що впливають на електризацю пари — вологсть, швидксть потоку, напруженсть електричного поля, хмчний склад живильно води, матерал робочих поверхонь.

2. Показано, що реально снуюч в парових потоках об’мн заряди пдвищують втрати в проточнй частин. Експериментально встановлено, що електричне поле природного об’много заряду виклика пдвищення тиску за робочим колесом на 150 Па.

3. Розроблено методику та електричн зонди для вимрювання густини зарядв у вологому паровому потоц. Розроблен засоби дозволяють вимрювати густину зарядв у вологому паровому потоц в дапазон 10-11-10-3 Кл/м3 можуть використовуватися для контролю змни вологост в паропроводах, у тому числ атомних станцй.

4. Створено стенд для дослдження процесв електризац тарування електричних зондв у вологому повтряному потоц.

5. Створено пристрй для керування процесами електризац у вологому паровому потоц. Застосування створеного нейтралзатора об’много заряду дозволя знизити коефцнт повних втрат у вихлопному тракт на 10-12Штучне зарядження потоку в зон конденсатора за допомогою розроблених пристров дозволя пдвищити вологсть бльш нж на 1 %.

У процес дослдження встановлено, що електризаця парового потоку одню з основних причин появи на валу ротора турбни потенцалу, що виклика пробй масляно плвки у пдшипниках. Таким чином, електризаця парового потоку може впливати на надйнсть теплових машин.

Явище електризац вологого парового потоку помтно вплива на процеси теплообмну як на мкро -, так макрорвн й обов’язково повинно враховуватись при проектуванн та експлуатац теплових машин.

Основний змст дисертац опублковано в роботах:

1. Электрофизические явления в паровых турбинах / Тарелин А.А., Скляров В.П., Верес О., Сурду Н.В. // Пром. теплотехника. — 1999. — №4-5. — С. 98-102.

2. Тарелин А.А., Скляров В.П., Крыженко В.П. Особенности измерения объемной плотности зарядов во влажном паровом потоке турбины // Проблемы машиностроения. — 2000. — Т.3, №1.2. — С. 11-16.

3. Определение объемной плотности зарядов в потоке конденсирующегося пара при различных водно-химических режимах/Семенов В. Н., Троицкий А.Н., Тарелин А. А., Скляров В. П., Дули Б. Р. // Проблемы машиностроения. — 2001. — Т.3, №3-4. — С.12-22.

4. Скляров В.П., Витковская Т.С. Влияние режимов работы турбоагрегата на величину тока ротора//Сб. науч. тр. ИПМаш “Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования”. — Харьков: ИПМаш НАН Украины. — 2000. — С. 584-588.

5.Пат. 2006081 России, МКИ Н 01 В17/54.Токоввод / Тарелин А.А., Скляров В.П., Сергиенко Ю.И., Витковская Т.С. (Украина). —№5047500/07; Заявл.15.06.92; Опубл.15.01.94, Бюл. №1.—4 с.

6.Пат. 5,735,125 США, F 01 B 31/16. Steam condensation in steam turbine/ A. Tarelin (Ukraine), V. Skliarov(Ukraine), Y. Sergienko (Ukraine), O.Weres (USA). -- №589,420; Заявл. 22.01.96; Опубл.07.04.98; НКИ 60/685. – 32 с.

7. Пат. 5,992,152 США, МКИ F 01B31/16. Method and device for improving the condensation and flow of steam ithin the turbine neck and condenser of a steam turbine/ A. Tarelin (Ukraine), V. Skliarov (Ukraine), Y. Sergienko (Ukraine), O.Weres (USA). — № 09/037,902; Заявл. 10.05.98; Опубл.30.05.99; НКИ 60/685; 60/686. — 56с.

8. Тарелин А.А., Сергиенко Ю.И., Скляров В.П., Хиневич А.Е. Разработка методов и средств повышения КПД паротурбинных установок за счет электромагнитного воздействия на рабочее тело //Тр. Междунар. конф. “Совершенствование энергетических и транспортных турбоустановок методами математического моделирования, вычислительного и физического экспериментов”(Змиев). — Харьков: ИПМаш НАН Украины. — 1994. — С.61.

9. Скляров В.П., Сергиенко Ю.И., Тарелин А.А. Высоковольтные изоляторы с малыми потерями для работы в условиях повышенной влажности// Тр. Междунар. конф. “Совершенствование энергетических и транспортных турбоустановок методами математического моделирования, вычислительного и физического экспериментов” (Змиев).—Харьков: ИПМаш НАН Украины. — 1994. — С.62.

10. Electrical method to increase power output by improving condensation and flow of steam within the turbine neck and condenser of a steam turbine/ А.O. Tarelin, V.P.Skjarov, Yu. I. Sergienko аnd O. Weres // Proc. American Power Conference, 58 th Annual Meeting. — Chicago. — 1996. — Р.1198-1203.

11. Тарелин А.А., Скляров В.П., Конев В.А., Крыженко В.П., Сурду Н.В., Нечаев А.В., Орловский В.П., Антипцев Ю.П. Результаты испытаний турбоустановки Т-37/50-88, ТЭЦ-2, “Эсхар” с системой электрофизических воздействий в выхлопном патрубке// Тр. Междунар. конф. “Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования”. —Харьков: ИПМаш НАН Украины. — 2000. — С.208.

12.Тарелин А.А., Скляров В.П. Особенности измерения объемной плотности зарядов во влажном паровом потоке турбины//Тр. Междунар. конф.“Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования”. — Харьков: ИПМаш НАН Украины. —2000. — С.209.

13. Скляров В.П., Витковская Т.С. Влияние режимов работы турбоагрегата на величину тока ротора// Тр. Междунар. конф. “Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования”. - Харьков: ИПМаш НАН Украины. — 2000. — С.210.

АНОТАЦЯ

Скляров В.П. Вплив електризац волого пари на процеси конденсац в теплоенергетичних установках. — Рукопис.

Дисертаця на здобуття наукового ступеня кандидата технчних наук за спецальнстю 05.14.06 — технчна теплофзика та промислова теплоенергетика. нститут проблем машинобудування м. А.М.Пдгорного НАН Украни, Харкв, 2001 р.

Дисертаця присвячена питанням впливу природно та штучно електризац волого водяно пари на процеси конденсац та ефективнсть теплоенергетичних машин. У робот розглянуто причини появи та механзми утворення зарядв у вологому паровому потоц та х вплив на процеси конденсац у парових турбнах. Запропоновано методику та конструкц електричних зондв для вимрювання густини зарядв у рухомому вологому паровому потоц. Показано, що густина зарядв у вологому паровому потоц може змнюватися вд 10-11 Кл/м3 у зон фазового переходу до 10-3 Кл/м3 при високй вологост потоку. У робот розглянуто методи та засоби керування густиною зарядв у вологому паровому потоц. Наведено конструкц пристров, як дозволяють за рахунок електричного впливу на вологий паровий потк керувати процесами конденсац.

В результат натурних експериментв на турбнах рзно потужност встановлено, що об’мний заряд у паровому потоц з густиною бльше 10-6 Кл/м3 значно вплива на вологсть, газодинамку потоку та тиск у конденсатор. Показано, що нейтралзаця парового потоку за останнм ступенем турбни знижу коефцнт повних втрат у вихлопному тракт на 10-12вд вихдного значення, а додаткова електризаця пари в зон конденсатора збльшу вологсть бльше нж на 1

Ключов слова: конденсаця, електризаця, об’мний заряд, газодинамка, електричний зонд, вологий паровий потк.

АННОТАЦИЯ

Скляров В.П. Влияние электризации влажного пара на процессы конденсации в теплоэнергетических установках. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, 2001 г.

Диссертация посвящена вопросам влияния естественной и искусственной электризации влажного водяного пара на процессы конденсации в теплоэнергетических машинах.

Теоретически показано, что объемный заряд может влиять на газодинамику парового потока, при этом в проточной части тепловых машин существуют условия для конденсации на заряженных каплях и ионах. В работе рассмотрены причины появления и механизмы образования зарядов во влажном паровом потоке и их влияние на процессы конденсации в паровых турбинах. Дано описание стенда для исследования процессов электризации и тарировки электрических зондов. Приведены экспериментально полученные зависимости токов электризации от скорости и влажности потока, напряженности электрического поля и химического состава воды. Плотность зарядов в паровом потоке определяется в основном химическим составом питательной воды и материалом поверхностей проточной части. Заряды в потоке возникают при отрыве капель от кромок рабочих и направляющих лопаток, диффузора и ребер жесткости. При отрыве от поверхности из нержавеющей стали капли заряжаются положительно, а при отрыве от поверхностей из черной стали – отрицательно. Процесс электризации зависит от напряженности электрического поля. При напряженности поля 100-150 В/см процесс зарядообразования может полностью прекратиться или даже может произойти смена полярности зарядов в потоке. Поэтому методы измерения плотности зарядов в проточной части по вольтамперной характеристике зондов неприемлемы. Предложена методика и конструкции электрических зондов для измерения плотности зарядов в движущемся влажном паровом потоке. Рассмотрены особенности измерения различных плотностей зарядов во влажном паровом потоке. На примере паровых турбин показано, что влажный паровой поток всегда электризуется. При этом плотность зарядов в потоке может меняться от 10-11 Кл/м3 в начале зоны фазового перехода до 10-3 Кл/м3 при высокой влажности потока. При большой плотности зарядов во влажном паровом потоке могут возникать самостоятельные электрические разряды. Измеренная напряженность электрического поля за последней