Посмотрите на наш бурбулятор». Всякий, кто бывает на предприятиях, где используется пар, конечно, слышал эти слова. Произносят их обычно в ироничном тоне. Подразумевается, что на производстве имеется некая технически простая нагревательная система, которая в принципе как-то функционирует. Многие соглашаются и смиряются с тем, что она работает не так хорошо, как могла бы. Выглядит не так современно, как могла бы. И шумит... как и должна шуметь. И стучит она, потому что… Стоп. Предлагаем на этом остановиться. Все поняли, что речь о прямой подаче пара в воду. Этот процесс называется барботированием. Только вот должен ли нагрев сопровождаться вибрацией и шумом? И как привести в порядок систему прямого нагрева, если она создает проблемы? На этом остановимся подробнее.
Если в воду подавать пар, она нагревается. Пар конденсируется, передавая воде скрытую теплоту парообразования. Образовавшийся горячий конденсат также передает свое тепло воде и перемешивается с ней. Масса и объем воды увеличиваются, но и температура растет. На промышленных предприятиях присутствует достаточно много технологических процессов, где именно прямой нагрев является более предпочтительным, чем косвенный нагрев в кожухотрубных, спиральных и прочих теплообменниках. Не стоит заранее утверждать, что прямой нагрев, дескать, устарел, что это неэффективно, опасно, грязно и пр. Оставим это для тех, у кого впереди еще много времени для получения опыта. Если почаще выходить из теплого офиса и надевать каску на проходной завода, процесс профессионального роста значительно ускорится. Но мы отвлеклись.
Если выполнять прямую подачу пара в воду неправильно, то работать система будет шумно, нестабильно и даже опасно. Разберемся, что происходит внутри емкости с водой, если в нее подавать пар. Почему пар вызывает проблемы и являются ли они обратимыми? Разумеется, в проблемах смешного ничего нет. Прямая подача пара в емкости с водой или водными растворами может сопровождаться значительным шумом, вибрацией и гидроударами. В зависимости от конструкции и материала емкости она может довольно быстро разрушаться. Происходит это по простой причине. При попадании пара в пространство с водой пар образует пузыри. Поскольку вода холоднее пара, происходит конденсация пара. В результате конденсации объем, занимаемый паром, резко уменьшается. На рис. 1 иллюстрация разницы удельного объема пара и воды. Далее происходит так называемое схлопывание пузырей. Говоря простыми словами, чем больше пузырь, тем громче он схлопывается. Схлопывание вызывает механическое колебание.
Чем больше количество пузырей, тем интенсивнее шум. Бывает так, что часть пара не успевает сконденсироваться. Этот пар с шумом и треском поднимается на поверхность воды и выходит наружу. Либо через горловину емкости прямо в помещение, либо через вестовую трубу на улицу. Емкость начинает парить, происходит перерасход пара. Пар внутри емкости может «лизать» стенки, приводя к эрозии. Парящие источники есть не только на Камчатке или Гавайских островах. В дикой природе зрелище бесплатное. Но на заводе за картинку приходится платить. Мы платим за это шоу. Гидроудары и их последствия включены в цену продукции, выпускаемой предприятием. Они на полках торговых центров. Интернет-магазины не исключение.
Вибрации и гидроудары в барботажных баках вызывают нарушение герметичности емкостей. Утечки горячей воды в свою очередь разрушают материалы строительных конструкций, систем канализации. Повышенная влажность в помещениях провоцирует опасность коротких замыканий систем электропроводки, нарушение работы КИПиА. Системы вентиляции не справляются с нерасчетными влаговыделениями. Выпуск пара за пределы зданий вызывает не меньше проблем. Обледенение стен и технологических коммуникаций в зимнее время может вызывать внеплановые остановы для ремонта. Затраты на ремонт могут быть по-настоящему крупными.
Как смешивать пар с водой, чтобы процесс был безопасным? Одним из способов нагрева воды в емкостях является применение погружных инжекторов. Паропровод погружается в нижнюю часть емкости, и на его конце размещается один или несколько инжекторов. Существует многообразие конструкций инжекторов. Но принцип действия у большинства из них одинаковый. Рассмотрим один из них. Устройство представляет собой небольшого размера цилиндр (рис. 2, 3). У инжектора два входа. Вход пара по центру. Через него пар поступает в инжектор через паропровод, который так же находится под водой. Вход воды располагается по окружности вокруг входа пара. Через это кольцевое отверстие вода может беспрепятственно поступать в инжектор из емкости, в которую он погружен. Выходов у инжектора несколько, и они одинаковые. Например, у инжектора Ду32 имеется 5-6 выходных отверстий. Принцип действия достаточно прост. Поток пара поступает во входное отверстие и далее попадает во входную камеру. Из камеры пар распределяется по соплам. Выходная часть сопла соединена с входным отверстием для воды. Проходя через сопло с высокой скоростью, пар провоцирует образование зоны низкого давления вокруг сопла. Пар засасывает воду, и пароводяная смесь выходит с высокой скоростью через отверстия инжектора в пространство с водой. По-английски пароводяной инжектор называется «noiseless heater», то есть «бесшумный нагреватель». И действительно инжекторы являются той волшебной палочкой, которая сильно выручает, когда процесс прямого нагрева является нестабильным из-за неверного устройства линии подачи пара в воду. Автору приходилось видеть немало емкостей без инжекторов, которые буквально прыгали на бетонном полу. Пар не мог плавно смешиваться с водой, соединяясь с объемом воды через большое отверстие паропровода. После установки инжекторов шум при смешивании напоминает шипение, которое, однако, может заглушаться шумовым фоном производственных процессов в цехе.
Конечно, можно смешивать пар с водой, не применяя инжекторы. Для этого достаточно погрузить трубу с паром на дно емкости, правильно рассчитать количество отверстий, их диаметр и расположение. Казалось бы, достаточно просто рассеять пар на мелкие струи и процесс смешивания станет значительно лучше. Это так, однако тут кроется проблема. Такое техническое решение подходит для условий постоянной нагрузки и постоянного давления пара. Это редкое сочетание условий. Чаще всего нагрузка падает по мере прогрева емкости. Давление пара определяется положением регулирующего клапана, который регулирует расход пара в зависимости от температуры воды в емкости. О процессах с ручным регулированием подачи пара мы не говорим, потому что это и вовсе вчерашний день. Автоматизация процессов исключает влияние человеческого фактора на точность и безопасность процесса нагрева. Нагрев должен находиться под автоматическим контролем.
Установить только лишь одни инжекторы недостаточно для гарантии работоспособности все системы нагрева. Разумеется, для того, чтобы процесс нагрева был управляемым и удобным для эксплуатации и обслуживания, линию подачи пера перед инжекторами требуется должным образом обустроить. То есть насытить таким средствами и трубопроводной арматурой, которые позволили бы системе полноценно работать и обслуживать ее в дальнейшем. На рис 4. приведен пример системы нагрева, который применяется в большинстве случаев.
Несколько моментов для рассмотрения. В соответствии с рядом нормативных документов, а также согласно множеству практических руководств по расчету и обустройству промышленных пароконденсатных систем паропроводы пара следует рассчитывать исходя из того, чтобы скорость пара не превышала 30 м/с. Вместе с тем некоторые новые стандарты могут ориентировать пользователя на скорость вплоть до 80 м/с. Обращаем внимание, что рекомендуемая скорость 30 м/с выбрана с учетом средних условий, которыми являются:
• насыщенный пар, который может быть не только сухим, но и влажным;
• требования низких (незначительных) потерь давления;
• наличие на трубе отводов и запорной арматуры с изменяемым направлением потока;
• наличие на паропроводе улавливающих карманов для автоматических дренажей паропроводов.
Насыщенный пар далеко не всегда является сухим. Влажный пар представляет собой поток с мелкими каплями конденсата. Если такой поток двигается со скоростью до 80 м/с, вероятность эрозии седел арматуры, а также эрозии отводов вырастает в несколько раз. Более высокая скорость при том же расходе вызывает значительно бóльшие потери давления. Приведем пример.
Исходные данные:
• паропровод 10 метров;
• расход пара 1000 кг/ч;
• давление 5 бар изб;
• на паропроводе расположено три отвода 90 гр. и один запорный вентиль.
Для заданной скорости не более 30 м/с подходит труба Ду65. Расчетные значения для Ду65: скорость 23 м/с, потери давления 0,13 бар.
Теперь примем за максимум скорость 80 м/с. Подходит труба Ду40. Расчетные значения для Ду40: скорость 60 м/с, потери давления 1,1 бар. В таком случае давление пара, которое поступит на инжектор, будет как минимум на 1,1 бар ниже, чем давление источника, что в свою очередь отразится на пропускной способности инжектора.
Рекомендуемые диаметры улавливающих карманов труб до Ду200 рассчитаны на скорость движения пара 30-40 м/с. Если скорость выше, то конденсат просто не попадет в карман. Конденсат не только не попадет в карман, но еще и будет засасывать конденсат из кармана за счет «эффекта флейты».
Пользователь должен самостоятельно определиться, готов ли он эксплуатировать систему с паропроводом, где только на 10 метрах теряется более 1 бар давления пара и где из паропровода невозможно отводить конденсат. Экономия на трубе и запорной арматуре в данном случае весьма сомнительная. Именно поэтому учебники, руководства и большинство нормативных документов приводят требования к реальным условиям. Не стоит их игнорировать.
Следующий момент. Следует понимать, что, регулируя расход пара автоматическим клапаном, возникает вероятность ситуации, когда давление пара на вводе в емкость падает до уровня давления, создаваемого высотой водяного столба в емкости. Кроме того, быстро закрывшийся клапан может спровоцировать образование вакуума на участке трубы от клапана до инжектора. Для предотвращения засасывания воды из емкости в паропровод на паропроводе следует предусмотреть обратный клапан. Прерыватель вакуума является средством предохранения от заброса воды в паропровод при неисправном обратном клапане. Или если пар подается сверху и обратного клапана вовсе нет. В худшем случае паропровод заполнится до уровня воды в емкости, но не станет заполнять весь паропровод до регулирующего клапана. Это важно для случаев, когда клапан располагается на удалении от емкости.
Итак, мы понимаем, что прямой нагрев воды в емкостях при помощи пара можно сделать тихим, точным, безопасным. И главное, эффективным, то есть когда расход пара точно соответствует его потребности. Для того, чтобы достичь такого результата, на сегодняшний день имеются вполне доступные технические средства. Попасть в цель всегда проще, если подойти к проблеме во всеоружии.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, №6 (75)
