В процессе выпаривания растворов возникают температурные потери, общая величина которых складывается из физико-химической (концентрационной) температурной депрессии гидростатической депрессии и гидравлической депрессии
Физико-химическая температурная депрессия равна разности между температурой кипения раствора и температурой кипения чистого растворителя (температурой вторичного пара) при данном давлении. Раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель. Для раствора поваренной соли NaCI по мере повышения концентрации температура кипения повышается до тех пор, пока раствор не достигнет предельной концентрации 26 %. При такой концентрации и атмосферном давлении раствор закипит при температуре 107,5 о С, а выделяющиеся пары растворителя будут иметь температуру 100 о С, т.е. температуру кипения чистой воды.
Таким образом, при кипении раствора в выпарном аппарате температура выделяющегося пара всегда меньше температуры кипения раствора. Эту разность температур и называют физико-химической температурной депрессией или просто температурной депрессией и обозначают :
(1.6)
где температура кипения раствора; t в.п – температура выделяющихся паров растворителя (воды).
Температурная депрессия увеличивается с повышением концентрации раствора и различна для разных растворов. В справочниках обычно приводятся значения температурной депрессии для кипящих растворов при нормальном атмосферном давлении. Для расчета температурной депрессии растворов при давлениях, отличных от нормального, при наличии данных из таблиц для нормальной депрессии пользуются формулой И.А. Тищенко
(1.7)
где - температурная депрессия при данном давлении; - температурная депрессия при нормальном давлении; Т – абсолютная температура кипения воды при данном давлении; r – теплота парообразования воды при данном давлении.
Формула (1.7) дает удовлетворительные результаты только для водных растворов, обладающих малой температурной депрессией.
Значения нормальной температурной депрессии для некоторых растворов в зависимости от их концентрации приведены на рис. 1.4.
При нахождении температурной депрессии по формуле (1.6) необходимо определять температуру кипения раствора при различных давлениях. Для этого можно использовать эмпирический закон Бабо, по которому отношение давления насыщения пара р р при той же температуре есть величина постоянная, для данной концентрации не зависящая от температуры кипения, т.е.
. (1.8)
 |
Рис. 1.4. Изменение температурной депрессии в зависимости от концентрации раствора при кипении:
1 - KOH; 2 - KCI; 3 - KJ; 4 – KNO 3 ; 5 – K 2 CO 3 ; 6 – MgCI 2 ; 7 – MgSO 4 ; 8 - NaOH; 9 – NaNO 3 ; 10 - NaCI; 11 – Na 2 SO 4 ; 12 – NH 4 NO 3 ; 13 – C 5 H 10 O 5 ; 14 – CaCI 2 ; 15 – K 2 Cr 2 O 7
Таким образом, если температура кипения раствора данной концентрации при атмосферном давлении известна, то вычислить температуру кипения его при любом другом давлении просто. Следует иметь в виду, что закон Бабо дает достаточно точные результаты только для разбавленных (слабо концентрированных) растворов.
На рис. 1.5. представлена схема и температурный график выпарной установки с учетом всех видов депрессий.
На оси абсцисс графика представлены температуры, а на оси ординат показаны положения температурных точек в установке. В соответствии с изложенным выше точка 4 соответствует средней температуре кипения раствора, а разность между точками 4 и 7 характеризует все виды депрессий. Следовательно, разность между температурами греющего пара (точка 2) и кипения раствора (точка 4) является полезной разностью температур.
 |
Рис. 1.5. Схема аппарата и температурный график выпарной установки:
1-2-конденсация греющего пара (без учета охлаждения конденсата); 3-5- изменение температуры кипения под действием гидростатического столба жидкости; 4 – температура кипения раствора; 5-6 концентрационная температурная депрессия; 6-7-гидродинамическая температурная депрессия
При выпаривании циркулирующих растворов температурную депрессию следует вычислять по конечной концентрации раствора, а при отсутствии циркуляции, т.е. при однократном прохождении раствора, по средней его концентрации в корпусе.
Повышение температуры кипения растворов вследствие гидростатического давления. В выпарном аппарате давление на жидкость в верхних и нижних слоях неодинаково, следовательно, температура кипения раствора по всей высоте аппарата также различна. Пузырьки пара, находящиеся в нижних слоях жидкости, и, следовательно, должны иметь большее давление, чем на поверхности. Этим объясняется более высокая температура кипения жидкости в нижних слоях.
Гидростатическое давление в среднем слое будет равно, Па,
(1.9)
где плотность раствора в п -ном корпусе, кг/м 3 ; высота столба жидкости в аппарате, м; g - ускорение силы тяжести, м/с 2 .
Если прибавить это давление к давлению в паровом пространстве аппарата, то получим общее давление на средней глубине жидкости , и по таблицам насыщенного водяного пара находиться температура кипения воды, соответствующая этому давлению. Вычитая из найденной температуры температуру кипения воды при данном давлении в паровом пространстве, получим температурную потерю вследствие гидростатического давления. В дальнейшем эту потерю по отдельным корпусам будем обозначать через 
Практически гидростатическое давление оказывает меньшее влияние на температурные потери, чем это следует из формулы (1.9), так как при кипении образуется смесь пара с жидкостью, и поэтому значительно уменьшается плотность столба жидкости в трубах.
Гидростатический эффект стремятся свести к минимуму, конструируя выпарные аппараты таким образом, чтобы процесс выпаривания протекал в весьма тонком слое. Можно считать, что в аппаратах пленочного типа влияние гидростатического давления практически полностью устранено .
Охлаждение вторичного пара в паропроводах между корпусами . Вторичный пар, следуя из парового пространства предыдущего корпуса в нагревательную камеру следующего корпуса, должен преодолеть некоторое сопротивление; это вызывает уменьшение его давления, приводящее к понижению температуры пара. При этом чем больше скорость пара в паропроводе и длиннее паропровод, тем большим будет снижение температуры. На основании опытных данных падение температуры в паропроводах между всеми корпусами без большой ошибки принимают обычно одинаковым и равным 0,5-1,5 о С для каждого аппарата .
1.3. Типовые конструкции выпарных аппаратов
В литературе описано большое количество конструкций аппаратов, применяемых как ранее, так и сейчас в химической, сахарной и других отраслях промышленности. Строгой и общепринятой классификации выпарных аппаратов нет, однако их можно классифицировать по ряду признаков:
По расположению поверхности нагрева – на горизонтальные, вертикальные и, реже, наклонные;
По роду теплоносителя – с паровым обогревом, газовым обогревом, обогревом высокотемпературными теплоносителями (масло, даутерм, вода под высоким давлением), с электрообогревом. Чаще всего применяют паровой обогрев, поэтому в дальнейшем внимание будет уделено аппаратам с паровым обогревом;
По способу подвода теплоносителя – с подачей теплоносителя внутрь трубок (кипение в большом объеме) или в межтрубное пространство (кипение внутри кипятильных труб);
По режиму циркуляции – с естественной и искусственной (принудительной) циркуляцией;
По кратности циркуляции – с однократной и многократной циркуляцией;
По типу поверхности нагрева – с паровой рубашкой, змеевиковые и, наиболее распространенный, с трубчатой поверхностью различной конфигурации.
К конструкции выпарных аппаратов предъявляются следующие требования:
Простота, компактность, надежность, технологичность изготовления, монтажа и ремонта;
Стандартизация узлов и деталей;
Соблюдение требуемого режима (температура, давление, время пребывания раствора в аппарате), получение полупродукта или продукта необходимого качества и требуемой концентрации, устойчивость в работе, по возможности более длительная работа аппарата между чистками при минимальных отложениях осадков на теплообменной поверхности, удобство обслуживания, регулирования и контроля за работой;
Высокая интенсивность теплопередачи (высокое значение К ), малый вес и невысокая стоимость одного квадратного метра поверхности нагрева.
Более существенным признаком классификации выпарных аппаратов является характер движения растворов в аппарате и кратность его циркуляции. Можно выделить: аппараты с естественной циркуляцией раствора; с принудительной циркуляцией и пленочные. Особое положение занимают контактные выпарные аппараты с погружными горелками.
1.3.1. Циркуляция растворов в выпарных аппаратах
Циркуляция растворов в выпарных аппаратах улучшает теплообмен и уменьшает отложения солей на стенках труб. Образующиеся в растворе кристаллы выделяются из пульпы в специальных солеотделителях, фильтрах и центрифугах. Для устранения инкрустации поверхности нагрева скорость раствора на входе в греющие трубы должна быть не менее 2,5 м/с.
В аппаратах может быть применена однократная и многократная циркуляция раствора, причем многократная циркуляция может быть естественной и принудительной.
Кратностью циркуляции К называют отношение количества раствора G , кг/ч, проциркулировавшего через сечение растворного пространства выпарного аппарата, к количеству выпаренной влаги W , кг/ч:
К=G/W . (1.10)
Естественная циркуляция (рис. 1.6) возникает из-за разности плотностей кипящего раствора в опускных каналах и кипящего раствора в подъемных трубах . Движущий напор р дв в циркуляционном контуре длиной L можно выразить следующей формулой:
р дв =L (). (1.11)
При установившемся режиме циркуляции этот напор уравновешен суммой гидравлических сопротивлений в опускном и подъемном каналах контура:
р
дв = 
(1.12)
Чем меньше , т.е. чем больше доля пара в парожидкостной смеси, тем больше движущий напор и тем выше скорость циркуляции. С увеличением скорости раствора растетет гидравлическое сопротивление тракта. Скорость циркуляции раствора может быть найдена при совместном решении уравнений (1.11) и (1.12), если движущий напор и сопротивления в контуре будут выражены в виде функции скорости циркуляции. Расчет производится с учетом следующих допущений:
1. Скорость пара относительно раствора равна нулю.
2. Коэффициент теплопередачи и температурный напор между греющим паром и раствором по высоте труб приняты постоянными.
3. Введено понятие приведенной скорости - скорости одной из фаз, отнесенной к полному сечению канала. Так, приведенная скорость пара, образующегося на выходе из кипятильной трубы, выражается равенством
=W
где W
=
- паропроизводительность кипятильной трубы, кг/с; - плотность пара, кг/м 3 ; r
– теплота парообразования вторичного пара, кДж/кг; d
вн и L
1 – внутренний диаметр и длина кипятильной трубы, м; К
– коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 · К); - температурный напор между греющим паром и кипящим раствором, К.
Абрамов С. Р., начальник ОДС
ОАО «Пензенская теплосетевая компания», г. Пенза
В ОАО «Пензенская теплосетевая компания» имеется три источника по отпуску тепловой энергии в паре потребителям города. Основными и единственными потребителями являются промышленные предприятия. При указанных условиях отпуск тепловой энергии в паре суммарный от ТЭЦ-1 (возьмем один из источников) в 1993 году составлял 372,1 т/час (с потерями около 10%). В результате сокращения производства у части потребителей, перехода некоторых потребителей на собственные котельные, а также закрытия части производств в связи с их банкротством в период с 1993 по 2005 годы, произошло снижение потребления тепловой энергии в паре и соответственно его отпуск с коллекторов. В 2005 году потребление тепловой энергии в паре по ТЭЦ-1, при хорошем раскладе, составляет 43 т/час, но отпуск с коллекторов, в этом случае, составляет 95 т/час, т.е. потери составляют 50-60% от отпускаемого пара. Такая же картина и по остальным источникам. По некоторым паропроводам потери тепловой энергии доходят до абсурда (составляют 70-90%). Практически все потребители на паропроводах имеют узлы учета. Сравнивая величину потерь 1993 года (37,2 т/час или 26,04 Гкал/час) и величину потерь 2005 года (52 т/час или 36,4 Гкал/час) видим значительное увеличение потерь в натуральном исчислении (в т/час), а точнее на 14,8 т/час (или 10,36 Гкал/час). Рассматривая ситуацию в денежном выражении, мы видим, что при тарифе на 1 Гкал в паре 371,06 руб. мы на данный момент ежечасно при отпуске на 24675,49 руб. теряем 13506,58 руб. при реализации 11168,91 руб. А сколько будет за год? С одной станции при реализации 97839651,60 руб. потери составят 118317640,80 руб. И это только по одной станции одной энергосистемы! А если взять по РАО? Это же огромные убытки.
Описанная картина показывает всю убыточность отпуска тепловой энергии в паре потребителям на сегодняшних условиях. Однако, отказать в поставке потребителям тепловой энергии в паре полностью мы не можем, так как являемся монополистами в этом виде деятельности.
В связи со всем вышеизложенным мы искали выход из создавшейся ситуации с привлечением разных специалистов, в том числе и Урал ОРГРЭСС.
Провели испытания паропроводов, установили на паропроводах теплоизоляцию согласно требований СНиП толщиной 200 мм. Испытания и установка теплоизоляции согласно СНиП показали факт снижения потерь при максимальном потреблении пара потребителями, но в рабочей обстановке потери остаются на прежнем уровне. Единственное достижение - это сдвиг критической точки перехода пара из перегретого состояния в насыщенное по длине паропровода и улучшение качества пара у потребителей (давление осталось на прежнем уровне, а температура увеличилась со 180 0 С до 200 0 С).
Нами проведена фотография работы паропровода в обычном режиме. Взят паропровод воздушной прокладки протяженностью 3150 м и диаметром 500-400 мм. Выход с источника в процессе испытания составлял 41,5-42,0 т/час при температуре 260-270 0 С, а потребитель получил 35,0 т/час с температурой 209-210 0 С. Потери составили 6,5-7,0 т/час пара и потери произошли по массе при отсутствии каких либо утечек пара из паропровода.
Параметры получаемого потребителями пара, по показаниям приборов, соответствуют параметрам перегретого пара, т.е. влажности быть не должно. Однако при анализе всего изложенного напрашивается вывод, что влажность все-таки присутствует.
Данную тему затрагивает к.т.н. Ю.В. Рубинштейн (ЗАО «Энергоинжцентр», Санкт-Петербург) в своей статье «Измерения расхода газа и пара»(О коммерческом учете пара в паровых системах теплоснабжения).
Нами была разработана методика выполнения измерений влажности пара и сконструирована установка (КУ-1) для её определения. Методика зарегистрирована в Федеральном Реестре в г. Москва в 2002 году. Расчет по методике ведется косвенным методом по количеству тепловой энергии передаваемой воде в калориметрической установке пробой отобранного с паропровода пара. Данная установка позволяет определить влажность пара получаемого потребителем и ввести поправку на показания его прибора учета. Введением данной поправки мы находим потерянную массу. Разработанная нами установка (КУ-1) может принести прибыль многим энергетикам. Ориентировочная стоимость установки 50 тысяч рублей. Доход от её внедрения можно оценить сразу. Единственно необходимо подвести под её использование законодательную базу.
При сокращении потребления пара промышленными предприятиями, сократился производственный отбор с турбин. На втором источнике тепловой энергии в г. Пенза (ТЭЦ-2) установлены противодавленческие турбины Р-12-35/5м с рабочим противодавлением 9-10 кгс/см 2 (выработка при полной загрузке 8,4 МВт). Мы снизили противодавление в турбине до 3 кгс/см 2 и получили выработку с турбины 12 МВт при полной загрузке, а отработавший пар выпустили на подогреватели сетевой воды без включения РОУ. Тем самым мы снизили удельные и получили дополнительную прибыль от реализации дополнительных 3,6 МВт в час электроэнергии при полной загрузке. В денежном выражении это дает ежечасно дополнительную прибыль.
Нас очень интересует наличие проблем с потерями тепловой энергии в паре при транспортировке её потребителям в других регионах. Особенно если протяженность паропроводов составляет 5-6 км при диаметре 600-300 мм (изменение по длине).
Хотелось бы услышать, какие меры принимаются в других регионах по данному вопросу.
Потери в системах конденсации параА. Пролетный пар , вызываемый отсутствием или отказом конденсатоотводчика (к.о.). Самым существенным источником потерь является пролетный пар. Классическим примером неверно понимаемой системы является преднамеренный отказ от установки к.о. в так называемых закрытых системах, когда пар всегда где-то конденсируется и возвращается в котельную.
Б. Утечки пара , вызываемые периодической продувкой систем пароиспользования (СПИ), при нерегулируемом отводе конденсата, неправильно выбранном к.о. или его отсутствии.
Данные потери особенно велики при пуске и прогреве СПИ. «Экономия» на к.о. и их установка с недостаточной пропускной способностью, необходимой для автоматического отвода повышенного объема конденсата, приводят к необходимости открытия байпасов или сбросу конденсата в дренаж. Время прогрева систем увеличивается в несколько раз, потери очевидны. Поэтому к.о. должен иметь достаточный запас по пропускной способности, чтобы обеспечить отвод конденсата при пусковых и переходных режимах. В зависимости от типов теплообменного оборудования запас по пропускной способности может составлять от 2-х до 5.
Чтобы избежать гидроударов и непроизводительных ручных продувок, следует обеспечивать автоматический дренаж конденсата при остановах СПИ или при колебаниях нагрузок с помощью установки к.о. с разными диапазонами рабочих давлений, промежуточных станций сбора и перекачки конденсата или принудительной автоматической продувки теплообменных агрегатов. Конкретная реализация зависит от фактических технико-экономических условий.
В частности, следует иметь в виду, что к.о. с перевернутым стаканом при перепаде давления, превышающим его рабочий диапазон, закрывается. Поэтому схема автоматического дренажа теплообменника при падении давления пара, приведенная ниже, является просто реализуемой, надежной и эффективной.
Следует иметь в виду, что потери пара через нерегулируемые отверстия непрерывны, и любые средства имитации к.о. нерегулируемыми устройствами типа «прикрытый вентиль», гидрозатвор и т.п. в конечном итоге приводят к большим потерям, чем первоначальный выигрыш. В табл.1 приведен пример количества пара, безвозвратно теряемого за счет утечек через отверстия при различных давлениях пара.
| Таблица 1. Утечки пара через отверстия различного диаметра | ||
Давление. бари | Условный диаметр отверстия | Потери пара, тонн / мес |
21/8" (3.2 мм) | ||
¼" (6.4 мм) | 15.1 |
|
½" (25 мм) | 61.2 |
|
81/8" (3.2 мм) | 11.5 |
|
¼" (6.4 мм) | 41.7 |
|
½" (25 мм) | 183.6 |
|
105/64" (1.9 мм) | ||
#38 (2.5 мм) | 14.4 |
|
1/8" (3.2 мм) | 21.6 |
|
205/64" (1.9 мм) | 16.6 |
|
#38 (2.5 мм) | 27.4 |
|
1/8" (3.2 мм) | 41.8 |
|
Неконтролируемый сброс конденсата в дренаж не может быть оправдан ничем, кроме как недостаточным контролем за водоотведением. Затраты на химводоподготовку, забор питьевой воды и тепловая энергия в горячем конденсате учтены в расчете потерь, представленном на сайте:
Исходные данные для расчета потерь при не возврате конденсата приняты следующие: стоимость холодной воды на подпитке, химикатов, газа и электроэнергии.
Следует иметь в виду также потерю внешнего вида зданий и, более того, разрушение ограждающих конструкций при постоянном «парении» дренажных точек.
Г.
Присутствие воздуха и неконденсируемых газов в паре
Воздух, как известно, обладает отличными теплоизоляционными свойствами и по мере конденсации пара может образовывать на внутренних поверхностях теплообмена своеобразное покрытие, препятствующее эффективности теплообмена (табл.2).
Табл. 2. Снижение температуры паровоздушной смеси в зависимости от содержания воздуха.
| Давление | Температура насыщенного пара | Температура паровоздушной смеси в зависимости от количества воздуха по объему, °С |
Бар абс. | °С | 10%20%30% |
120,2 | 116,7113,0110,0 |
|
143,6 | 140,0135,5131,1 |
|
158,8 | 154,5150,3145,1 |
|
170,4 | 165,9161,3155,9 |
|
179,9 | 175,4170,4165,0 |
Выделение СО2 в газообразной форме при конденсации пара ведет при наличии влаги в трубопроводе к образованию крайне вредной для металлов угольной кислоты, которая является основной причиной коррозии трубопроводов и теплообменного оборудования. С другой стороны, оперативная дегазация оборудования, являясь эффективным средством борьбы с коррозией металлов, выбрасывает СО2 в атмосферу и способствует формированию парникового эффекта. Только снижение потребления пара является кардинальным путем борьбы с выбросами СО2 и рациональное применение к.о. является здесь наиболее эффективным оружием. Д. Неиспользование пара вторичного вскипания .
При значительных объемах пара вторичного вскипания следует оценивать возможность его непосредственного использования в системах, имеющих постоянную тепловую нагрузку. В табл. 3 приведен расчет образования пара вторичного вскипания.
Пар вторичного вскипания является следствием перемещения горячего конденсата под высоким давлением в емкость или трубопровод, находящийся под меньшим давлением. Типичным примером является "парящий" атмосферный конденсатный бак, когда скрытая теплота в конденсате высокого давления высвобождается при более низкой температуре кипения.
При значительных объемах пара вторичного вскипания следует оценивать возможность его непосредственного использования в системах, имеющих постоянную тепловую нагрузку.
На номограмме 1 приведена доля вторичного пара в % от объема конденсата, вскипающего в зависимости от перепада давлений, испытываемого конденсатом.
Номограмма 1. Расчет пара вторичного вскипания.
Е.
Использование перегретого пара
вместо сухого насыщенного пара.
Если технологические ограничения не требуют использования перегретого пара высокого давления, следует всегда стремиться к применению насыщенного сухого пара возможно самого низкого давления.
Это позволяет использовать всю скрытую теплоту парообразования, которая имеет более высокие значения при низких давлениях, добиться устойчивых процессов теплопередачи, снизить нагрузки на оборудование, увеличить срок службы агрегатов, арматуры и трубных соединений.
Применение влажного пара имеет место, как исключение, только при его использовании в конечном продукте, в частности, при увлажнении материалов. Поэтому целесообразно использовать в таких случая специальные средства увлажнения на последних этапах транспортировки пара к продукту.
Ж.
Невнимание к принципу необходимого разнообразия
Невнимание к разнообразию возможных схем автоматического управления, зависящих от конкретных условий применения, консерватизм и стремление использовать
типовую
схему может быть источником непреднамеренных потерь.
З.
Термоудары и гидроудары.
Термо- и гидроудары разрушают системы пароиспользования при неправильно организованной системе сбора и отвода конденсата. Использование пара невозможно без тщательного учета всех факторов его конденсации и транспортировки, влияющих не только на эффективность, но и на работоспособность, и на безопасность ПКС в целом.
Тепловой расчет паропровода
Для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду и обеспечения безопасности труда персонала все трубопроводы, имеющие температуру теплоносителя выше 50 ?С внутри помещений и выше 60 ?С вне помещений, должны иметь тепловую изоляцию. Температура поверхности изоляции должна быть не выше 45 ?С внутри помещений и не более 60 ?С на открытом воздухе.
Потерю теплоты, Вт/м, через изоляцию на 1 метр длины трубопровода определяют по формуле:
где - температура среды в трубопроводе, ?С;
Температура окружающего воздуха, ?С;
Суммарное термическое сопротивление, м??С/Вт.
где,- термическое сопротивление внутренней и наружной поверхностей изолированного трубопровода, м??С/Вт;
Термическое сопротивление стенки трубы и слоя изоляции, м??С/Вт;
где - внутренний диаметр трубы, м;
Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы, Вт/м 2 ??С.
где - наружный диаметр трубы, м;
Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к изоляции, Вт/м 2 ??С.
где - теплопроводность стенки трубы, Вт/м??С;
где - теплопроводность тепловой изоляции, Вт/м??С;
Диаметр тепловой изоляции, м.
Величина, связана уравнением теплоотдачи с заданной температурой наружной поверхности изоляции:
где - температура наружной поверхности изоляции.
Необходимое значение диаметра тепловой изоляции определяется из совместного решения уравнений (18) и (24).
Тепловой расчет наружного участка паропровода
коэффициент теплоотдачи от пара к стенке - 10 000 Вт/м 2 ??С;
температура пара - 280 ?С;
средняя температура наружного воздуха зимнего периода - -8 ?С
температура поверхности изоляции - 30 0 ?С.
м. Тогда толщина изоляции 77 мм.
Для эффективной работы тепловой изоляции необходимо, чтобы соблюдалось условие:
Условие (26) соблюдается.
Тогда термическое сопротивление паропровода согласно формуле (25) будет равно:
Определяем падение температуры пара по длине наружного участка.
Расход пара кг/сек.
Длина паропровода м.
Теплоемкость пара кДж/кг??С.
Тепловой расчет внутреннего участка паропровода
Принимаем следующие исходные данные:
внутренний диаметр трубы - 351 мм;
наружный диаметр трубы - 377 мм;
коэффициент теплоотдачи от пара к стенке - 10000 Вт/м 2 ??С;
коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к окружающему воздуху - 20 Вт/м 2 ??С;
теплопроводность стенки стальной трубы - 58 Вт/м??С.
в качестве изоляционного материала выбираем минеральную вату с коэффициентом теплопроводности - 0,08 Вт/м 2 ??С
температура пара - 280 ?С;
средняя температура воздуха в помещении котельной - 30 ?С;
температура поверхности изоляции - 45 ?С.
Определяем необходимую толщину тепловой изоляции.
По формулам (19)-(23) определяем термическое сопротивление изолированного трубопровода:
Суммарное термическое сопротивление трубопровода:
Для нахождения диаметра тепловой изоляции решаем совместно уравнения (18) и (24):
м. Тогда толщина изоляции 153 мм.
Термическое сопротивление паропровода согласно формуле (25) будет равно:
Определяем падение температуры пара по длине внутреннего участка.
Коэффициент местных потерь теплоты.
Расход пара кг/сек.
Длина паропровода м.
Теплоемкость пара кДж/кг??С.
Температура в конце участка будет равна:
Падение температуры незначительное?С.
Таким образом, гарантируется температура перегретого пара у потребителя - 279 ?С.
р п – давление пара в котле, МПа;
h – вертикальное расстояние между уровнями конденсата – верхним в котле и нижним в баке, м (с запасом 1 м).
9.4. Гидравлический расчет паропроводов низкого давления
При движении пара по участку паропровода его количество уменьшается вследствие попутной конденсации, снижается также его плотность из-за потери давления. Снижение плотности сопровождается увеличением, несмотря на частичную конденсацию, объема пара к концу участка, что приводит к возрастанию скорости его движения.
В системе низкого давления при давлении пара от 0,005 до 0,02 МПа эти сложные процессы вызывают практически незначительные изменения параметров пара. Поэтому принимают, что расход пара постоянен на каждом участке, а плотность пара постоянна на всех участках системы. При этих двух условиях гидравлический расчет паропроводов проводят по уже известному способу расчета по удельной линейной потере давления, исходя из тепловых нагрузок участков.
Расчет начинают с ветви паропровода, ведущего к наиболее неблагоприятно расположенному отопительному прибору, каковым является прибор, наиболее удаленный от котла.
Для гидравлического расчета паропроводов низкого давления используют
таблицы (табл. II.4 и II.5 Справочника проектировщика ), составленные при удельном весе 0,634 кг/м3 , соответствующей среднему избыточному давлению пара 0,01 МПа, и эквивалентной шероховатости трубk э = 0,0002 м (0,2 мм).
В системах низкого и повышенного давления установлена во избежание шума предельная скорость пара: 30 м/с при движении пара и попутного конденсата в трубе в одном и том же направлении и 20 м/с при встречном их движении.
Для ориентации при подборе диаметра паропроводов вычисляют, как и при расчете систем водяного отопления, среднее значение возможной удельной линейной потери давления R ср , Па/м, по формуле:
Rср = 0,65(рп – рпр ) /∑ lпар , |
где р п – начальное избыточное давление пара, Па;
∑ l пар – общая длина участков паропровода до наиболее удаленного отопительного прибора, м;
р пр – необходимое давление перед вентилем концевого прибора, Па.
Для преодоления сопротивлений, не учтенных при расчете или введенных в систему в процессе ее монтажа, оставляют запас давления до 10% расчетной разности давления, т.е. сумма линейных и местных потерь давления по основному расчетному направлению должна составлять около 0,9(р п – р пр ) .
После расчета ветви паропровода до наиболее неблагоприятно расположенного прибора переходят к расчету ветвей паропровода до других отопительных приборов. Этот расчет сводится к увязке потерь давления на парал-
лельно соединенных участках основной (уже рассчитанной) и второстепенной (подлежащей расчету) ветвях. При увязке потерь давления на параллельно соединенных участках паропроводов допустима невязка до 15%. В случае невозможности увязки потерь давления применяют дросселирующую диафрагму (шайбу). Диаметр отверстия дросселирующей диафрагмы d д , мм, определяют по формуле:
dд = 0,92(Qуч 2 / рд )0,25 , |
где Q
р д – излишек давления, подлежащий дросселированию, Па.
9.5. Гидравлический расчет паропроводов высокого давления
Расчет паропроводов систем повышенного и высокого давления проводят с учетом изменения объема пара при изменении его давления и уменьшения расхода пара вследствие попутной конденсации. В случае, когда известно начальное давление пара р п и задано конечное давление перед отопительными приборамир пр , расчет паропроводов выполняют до расчета конденсатопроводов.
Гидравлический расчет выполняют по способу приведенных длин, который применяется, когда линейные потери давления являются основными (80% и более), а потери давления в местных сопротивлениях сравнительно малы.
При расчете линейных потерь давления в паропроводах используют вспомогательную таблицу, составленную для труб с эквивалентной шероховатостью внутренней поверхности k э = 0,2 мм, по которым перемещается пар, имеющий условно постоянную плотность 1 кг/м3 (избыточное давление такого пара 0,076 МПа, температура 116,2о С, кинематическая вязкость 21 10-6 м2 /с). В таблицу внесены расходG , кг/ч, и скорость движенияw , м/с, пара. Для подбора диаметра труб по таблице вычисляют среднее условное значение удельной линейной потери давления по формуле:
где ρ ср – средняя плотность пара, кг/м3 , при среднем его давлении в системе
0,5(рп + рпр ).
По вспомогательной таблице получают в зависимости от среднего расчетного расхода пара условные значения удельной линейной потери давления R усл и скорости движения параw усл . Переход от условных значений к действительным, соответствующим параметрам пара на каждом участке, делают по формулам:
где ρ ср.уч – действительное среднее значение плотности пара на участке, кг/м3 , определяемое по его среднему давлению на том же участке.
Действительная скорость пара не должна превышать 80 м/с (30 м/с в системе повышенного давления) при движении пара и попутного конденсата в одном и том же направлении и 60 м/с (20 м/с в системе повышенного давления) при встречном их движении.
Таким образом, гидравлический расчет проводится с усреднением значе-
ний плотности пара на каждом участке, а не в целом для системы, как это делается при гидравлических расчетах систем водяного отопления и парового отопления низкого давления.
Потери давления в местных сопротивлениях, составляющие всего не более 20% общих потерь, определяют через эквивалентные им потери давления по длине труб. Эквивалентную местным сопротивлениям дополнительную длину трубы находят по формуле:
Значения d в /λ приведены в таблице II.7 Справочника проектировщика . Видно, что эти значения должны возрастать с увеличением диаметра труб. Действительно, если, например, для трубыD у = 15 ммd в /λ = 0,33 м, то для трубыD у = 50 мм оно составляют 1,85 м. Эти цифры показывают длину трубы, при которой потеря давления на трение равна потере в местном сопротивлении с коэффициентомξ = 1,0.
Общие потери давления р уч на каждом участке паропровода с учетом эк-
где l прив =l + l экв – расчетная приведенная длина участка, м, включающая фактическую и эквивалентную местным сопротивлениям длины участка.
Для преодоления сопротивлений, не учтенных при расчете по основным направлениям, оставляют запас не менее 10% расчетного перепада давления. При увязке потерь давления в параллельно соединенных участках допустима, как и при расчете паропроводов низкого давления, невязка до 15%.
В системах высокого давления в большинстве случаев гидравлический расчет паропроводов выполняют после расчета конденсатопроводов, в результате которого определяется давление перед отопительными приборами р пр (с проверкой его допустимости по температуреt п ). Далее, если известно начальное давление парар п в распределительном коллекторе, расчет паропроводов делают как указано выше. Если же давлениер п не задано, то его находят, проводя расчет по предельно допустимой скорости движения пара.
9.6. Система пароводяного отопления
Пароводяную систему отопления применяют при централизованном теплоснабжении промышленного предприятия паром и необходимости устройства в одном из зданий водяного отопления.
Систему пароводяного отопления применяют также в верхней части высотных зданий, куда без больших затруднений может быть подан первичный теплоноситель – пар. При вертикальном подъеме пара – теплоносителя с малой плотностью – обеспечивают лишь отведение попутно образующегося конденсата. Конденсат удаляется через конденсатоотводчики в конденсатопровод, по которому стекает конденсат из вышерасположенного теплообменника. Так устроено, в частности, отопление верхней (четвертой) зоны центральной части главного корпуса Московского государственного университета.
Подобная система пароводяного отопления называется централизованной. В централизованной системе вода может нагреваться в емкостном или скоростном теплообменнике.
В емкостном теплообменнике вода заполняет цилиндрический корпус, а пар поступает в двухходовой змеевик, находящийся в нижней части корпуса. Пар подается в верхний патрубок змеевика, в змеевике превращается в конденсат, который удаляется через нижний патрубок змеевика, не смешиваясь с водой, циркулирующей в системе отопления. Нагреваемая вода попадает в теплообменник снизу, нагретая более легкая вода через верхний патрубок попадает в систему отопления.
Емкостные теплообменники отличаются незначительным сопротвилением (ξ = 2,0) движению через них воды, поэтому могут применяться в системе отопления с естественной циркуляцией воды. Система может быть выполнена по любой известной схеме с верхней разводкой подающей магистрали.
Существенным недостатком емкостных теплообменников является их громоздкость, связанная с тем, что коэффициент теплопередачи змеевиков не превышает при стальных трубах 700 Вт/(м2 К), при латунных или медных трубах - 840 Вт/(м2 К). Благодаря большому объему находящейся в теплообменниках воды пар в них может подаваться с большими или меньшими перерывами в зависимости от температуры наружного воздуха.
Существенно меньшие размеры имеют скоростные теплообменники, в которых нагреваемая вода движется последовательно через два пучка стальных или латунных трубок с большой скоростью (от 0,5 до 2,5 м/с). Теплоноситель пар подается сверху в межтрубное пространство цилиндрического корпуса, конденсат отводится снизу. Площадь нагревательной поверхности трубок скоростных теплообменников значительно меньше площади змеевика емкостных теплообменников в связи с повышением (примерно в три раза) коэффициента теплопередачи. Вследствие большого гидравлического сопротивления скоростные теплообменники могут применяться только в системе отопления с насосной циркуляцией воды. Для регулирования температуры воды, поступающей в систему отопления, вокруг теплообменников устраивают обводную линию с регулирующим клапаном.
В системе пароводяного отопления для обеспечения бесперебойной работы устанавливают два теплообменника, каждый из которых рассчитывается на половину тепловой мощности системы.
В децентрализованной системе пароводяного отопления вода нагревается паром непосредственно в отопительных приборах.
В одной из конструкций децентрализованной системы применяются стандартные чугунные радиаторы, в нижнюю часть которых закладываются перфорированные трубы (рис. 9.4, а ) с заглушенным концом. С одной стороны в эти трубы подается пар, который через ряд мелких отверстий выходит в радиатор. Образующийся конденсат заполняет радиаторы, и во время работы системы отопления радиаторы всегда залиты конденсатом до уровня верхней сливной подводки.
а) 1 | |||||
слив конденсат а |
|||||
Рис. 9.4. Отопительные приборы децентрализованной пароводяной системы отопления: а – стандартный чугунный радиатор;б – стальной безнапорный радиатор;1 – паровой стояк;2 – паровой вентиль;3 – чугунный радиатор;4 – конденсатный стояк;5 – вентиль (нормально закрыт);6 – перфорированная труба;7 – стальной радиатор;8 - водоналивной патрубок;9 – водонагревательная труба
Необходимая температура воды в радиаторах поддерживается путем впуска в них большего или меньшего количества пара через подводку, начинающуюся от парового стояка несколько выше верха приборов. Излишек конденсата сливается в конденсатный бак.
Выпуск воды из радиаторов в случае необходимости осуществляется через нормально закрытый вентиль на нижней конденсатной подводке в конденсатный стояк.
В другой конструкции децентрализованной системы (рис. 9.4, б ) пар из парового стояка подается в водонагревательную трубу (без отверстий), помещенную также в нижней части приборов. Стальные безнапорные приборы – радиаторы заполняются водой через специальный патрубок в их верхней части.
Вода в радиаторах нагревается при теплопередаче через стенки трубы в процессе конденсации пара. Конденсат удаляется через конденсатную подводку в стояк.
Достоинствами децентрализованной системы пароводяного отопления являются меньший расход металла по сравнению с обычными системами водяного отопления и пониженная температура поверхности радиаторов (в системе парового отопления даже низкого давления она составляет 100о С и выше).
Недостатки этой системы существенны. К ним относятся сложное регулирование, шум и вероятность гидравлических ударов в отопительных приборах. В связи с этим децентрализованная система пароводяного отопления широкого распространения не получила.