ООО «Паровые системы». Гилепп П.А. Градус перегрева
ООО «Паровые системы». Гилепп П.А. Градус перегрева...
Журнал Вестник Арматуростроителя
Пар – уникальный теплоноситель. Он применяется повсеместно в промышленности для нагрева в самых разнообразных процессах. Пожалуй, нет такой промышленной отрасли, где на каком-либо этапе процесса производства не применяется пар. Этому есть достаточное объяснение. Свойства пара таковы, что в совокупности представляют собой букет преимуществ по сравнению с другими теплоносителями. Однако преимуществами необходимо умело пользоваться, чтобы они не превратились в недостатки. Сразу несколько свойств делают пар теплоносителем, который порой просто незаменим.
Кроме достаточно высокого удельного теплосодержания, пар имеет особенность, отличающую его от прочих нагревательных сред. Пар передает тепловую энергию при постоянной температуре. Меняется фазовое состояние, однако температура не изменяется. Передача энергии происходит при конденсации. Пар, имеющий температуру насыщения при определенном давлении, передает тепловую энергию через стенку поверхности теплообмена, а образовавшийся конденсат имеет все ту же температуру. Утилитарное качество пара, применяющегося для нагрева, состоит в том, что при конденсации поверхность теплообмена имеет одинаковую температуру в каждой точке.
Любой другой теплоноситель передает тепловую энергию, сам при этом остывая; температура в разных точках поверхности теплообмена также разная. Пар не остывает, он конденсируется. Есть целый ряд технологических процессов производства, которые могут функционировать с максимальной эффективностью только с паром в качестве нагревательной среды. Еще одним качеством пара является строгое соответствие давления и температуры. Это качество позволяет управлять процессами более гибко и более точно. Пар является очень удобным энергоносителем. Управлять давлением означает управлять температурой процесса. Кроме того, пар имеет высокое теплосодержание. Оно в несколько раз выше, чем теплосодержание такой же массы воды, при такой же температуре, а также высокий коэффициент теплопередачи. Именно поэтому пар применяется невероятно широко со времен начала промышленной революции и по сей день.
Все вышеперечисленные достоинства касаются именно насыщенного пара. Но есть и другое состояние пара – перегретый пар. И это совсем иная история. Названия пара скрывают за собой принципиально важные различия свойств. Буквальное звучание термина, а именно «перегретый пар», порой значительно искажает понимание. Жонглирование терминами часто доводит до такого утверждения, что раз пар перегретый, значит «он лучше и греет». Если в перегретом паре нет конденсата, то «не нужны конденсатоотводчики». И так далее.
Для начала вспомним, что такое перегретый пар. Чтобы нагреть воду до температуры кипения при определенном давлении, воде необходимо сообщить определенное количество тепловой энергии. Далее для превращения воды в насыщенный пар необходимо передать ей еще большее количество энергии. Эта энергия называется скрытой теплотой парообразования. Полученный сухой насыщенный пар может иметь только ту температуру, которая соответствует температуре насыщения при данном давлении. И никакую иную. Однако если греть дальше насыщенный пар, то его температура начнет расти. Она может быть условно любой, выше температуры насыщения, в зависимости от того, сколько именно тепловой энергии передать пару от внешнего источника. На рис. 1 мы видим пример сравнения свойств насыщенного пара при давлении 9 бар изб. и перегретого пара при том же давлении и при температуре 250 °С.
Казалось бы, перегретый пар явно более выгоден – у него выше теплосодержание, выше температура. Он более ценен. Действительно, раз перегретый пар содержит больше энергии, то он более ценный теплоноситель. Чтобы правильно интерпретировать свойства перегретого пара в достоинства и недостатки, рассмотрим два применения перегретого пара, а именно: транспортировка и нагревательный процесс. Турбинное применение оставим в стороне внимания.
Транспортировка. Перемещать энергию в виде перегретого пара выгоднее, если речь о длинных расстояниях трубопроводов. Плотность перегретого пара ниже, чем у насыщенного пара при том же давлении. Транспортировать перегретый пар можно с более высокими скоростями, чем насыщенный пар. Согласно действующим требованиям, скорости пара должны быть не более:
для перегретого пара: трубы до Ду 200 мм – скорость 40 м/с;
трубы свыше Ду 200 мм – скорость 70 м/с;
для насыщенного пара: трубы мм: до 200 – скорость 30 м/с;
трубы свыше 200 – скорость 60 м/с.
При транспортировке одинакового количества тепловой энергии для перегретого пара требуются трубы меньшего диаметра. Разумеется, диаметры трубопроводной арматуры тоже ниже. Строительно-монтажные работы также тем дешевле, чем меньше диаметры монтируемых труб. Стоит вспомнить про теплоизоляцию, затраты на которую также снижаются с уменьшением диаметров труб.
Что касается необходимости конденсатоотводчиков для дренажей паропроводов перегретого пара, вопрос не так однозначен, как могло бы показаться. Не стоит думать, что раз в перегретом паре по умолчанию отсутствует конденсат, то конденсатоотводчики не нужны. В интервале времени, когда паропровод только разогревается, образование конденсата весьма интенсивное и конденсат безусловно следует удалять.
Речь идет о пусковых дренажах. Потребность в конденсатоотводчиках, количество и места их установки зависят от множества факторов. Например, паропровод имеет относительно короткую протяженность, эксплуатируется непрерывно круглый год, с одной-двумя остановками в году. Разогрев происходит под наблюдением с ручными дренажами, количество которых из-за малой длины трубы также невелико.
В этом случае отсутствие конденсатоотводчиков не отразится ни на скорости разогрева, ни на безопасности процесса запуска паропровода. Но если паропроводы протяженные и/или происходят частые остановы со снятием и набором давления, то конденсатоотводчики значительно облегчают и ускоряют процесс разогрева. Кроме того, тупиковые ветки паропроводов требуют наличия конденсатоотводчиков в любом случае. Тупики могут быть временными, когда абоненты на ответвлениях не потребляют пар некоторое время, а затем снова начинают потреблять. Во время перерывов в потреблении пар остывает и начинает конденсироваться, находясь в трубе без движения. В таком случае конденсатоотводчик предотвращает накапливание конденсата и при возобновлении потребления пара исключает риск возникновения гидроудара.
Противники установки конденсатоотводчиков на трубопроводы перегретого пара должны принять во внимание следующие факторы:
• трудоемкость выполнения ручных дренажей высока, особенно если требуется лезть на эстакаду и затем спускаться с нее, и так много раз;
• требуется больше времени на обход трубы;
• необходима уверенность, что обходчик не забудет открыть/перекрыть нужный дренаж;
• конденсатоотводчики полностью исключают влияние человеческого фактора, автоматизируя процесс пускового дренажа паропровода.
Рассмотрим типы конденсатоотводчиков, которые применяются для дренажей паропроводов с перегретым паром.
Рекомендованный тип: конденсатоотводчик со свободноплавающим поплавком
Допустимый тип: термостатический (биметаллический) термодинамический
Недопустимый тип: конденсатоотводчик с перевернутым стаканом
Конденсатоотводчики со свободноплавающим поплавком очень хорошо подходят для работы на перегретом паре. Они отводят конденсат по мере его образования, не подтапливают конденсатную линию перед собой и имеют отличную герметичность клапана при полном отсутствии конденсата. При этом конструкция конденсатоотводчика со свободноплавающим поплавком для дренажей паропровода проще, чем у других поплавковых механизмов:
1. Нет рычажного механизма (рис. 2). В конструкции отсутствуют жестко закрепленные и трущиеся детали. Единственная движущаяся часть – поплавок. Меньше деталей – выше надежность.
2. Нет отдельного клапана для выпуска воздуха, что характерно для других поплавковых конденсатоотводчиков. Выпуск воздуха осуществляется через тот же клапан для выпуска конденсата. Меньше клапанов – выше надежность.
Также для дренажей паропроводов с перегретым паром применяются биметаллические конденсатоотводчики. Модельный ряд большинства производителей имеет стандартную максимальную рабочую температуру 400 °С. Эти конденсатоотводчики имеют простую, в меру надежную конструкцию (рис. 3), небольшие габариты и могут устанавливаться в любом положении. Стоит отметить, что принцип действия биметаллических конденсатоотводчиков предполагает наличие конденсата перед конденсатоотводчиком. То есть такой конденсатоотводчик откроется лишь тогда, когда перед ним накопится конденсат и остынет на несколько градусов ниже температуры насыщения.
Применение термодинамических конденсатоотводчиков тоже широко практикуется. Однако в зависимости от характера нагрузки и параметров пара в ряде случаев может наблюдаться эффект периодического дребезга клапана.
Конденсатоотводчики с перевернутым стаканом не допускаются для работы в условиях перегретого пара, и вот почему. Принцип работы предполагает наличие гидрозатвора, в котором плавает перевернутый стакан. Клапан для выпуска конденсата располагается сверху. Стакан опускается, и конденсатоотводчик полностью открывается. Всплывая, стакан закрывает клапан. На практике влияние перегретого пара на работу конденсатоотводчика выглядит следующим образом. На пуске в конденсатоотводчик поступает конденсат, и он отводится, как обычно. Поплавок в виде перевернутого стакана всплывает, тонет и снова всплывает в зависимости от количества поступающего конденсата. По мере разогрева паропровода температура пара постепенно увеличивается.
Теплопотери с поверхности трубы и самого конденсатоотводчика становятся много меньше, чем теплопоступления при попадании пара в конденсатоотводчик. Конденсат вскипает и превращается в пар. Перегретый пар уничтожает гидрозатвор. Стакан опускается, полностью открывая клапан, и конденсатоотводчик не может закрыться, так как у стакана нет возможности всплыть (рис. 4). Конденсатоотводчик превращается в точку постоянной потери пара.
Нагревательные процессы. Можно ли использовать перегретый пар в теплообменниках? Да, можно, но при этом следует знать, что процесс нагрева не такой же, как при использовании насыщенного пара. Есть несколько важных недостатков. Коэффициент теплопередачи при нагреве перегретым паром ниже, чем насыщенным. Это требует большей поверхности теплообмена. Значительная часть площади теплообмена используется не для конденсации пара, а для остывания перегретого пара до состояния насыщенного пара. При остывании перегретого пара отбор энергии несравним с отбором энергии при конденсации. Поступая в теплообменник, перегретый пар сперва теряет температуру, остывая до состояния насыщенного пара, и уже затем конденсируется. Чем выше степень перегрева пара, тем меньше остается в теплообменнике полезной поверхности теплообмена, где и происходит самая большая теплопередача.
На рис. 5 иллюстрация нерационального использования поверхности теплообмена. Теплосодержание перегретого пара выше всего лишь на 166 кДж/кг, тогда как температура выше на 70 °С. На существенной части поверхности теплообмена нагреваемый продукт получает всего лишь 166 кДж/кг, тогда как на остальной поверхности 2014 кДж/кг… Это непропорциональное распределение. Простой факт состоит в том, что, принимая решение работать на перегретом паре, пользователь покупает теплообменник гораздо большего размера, чем потребовалось бы, работай он на насыщенном паре. При этом теплообменник дороже не только из-за избыточного размера, но и по причине применения материалов и конструкции предназначенных для высоких температур. Пользователь оплачивает теплообменник, который дороже и крупнее.
Добавим, что температура на поверхности теплообмена не будет одинаковой, и для ряда процессов это является негативным фактором. Например, локальный перегрев верхней части теплообменника может оказывать влияние на качество нагреваемого продукта. Чем выше разница между фактической температурой пара и температурой насыщения, тем выбор решения применять перегретый пар или нет является более ответственным. В зависимости от требований к технологическому процессу небольшой перегрев пара на несколько градусов может и не сказаться на результате. Однако в любом случае применение перегретого пара в теплообменниках требует должного обоснования.
Времена, когда энергия стоила дешево, закончились давно. Совсем недавно мы ощутили, что означает рост цен на материалы, из которых эти системы изготавливаются. Вместе со здравым смыслом жизнь сама подталкивает нас более рационально относиться к проектированию и строительству инженерных систем. Особенно тех систем, работа которых сопряжена с большим количеством и энергии, и материалов. Пароконденсатные системы к ним относятся в полной мере.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, № 6 (68)
Материалы других разделов по
тегу
Статьи по тегу
-
П.А. Гилепп, технический директор ООО Паровые системы.
Специалисты предприятий, использующих в процессах производства пар, хорошо знают свои системы и установки. Они их обслуживают, ремонтируют, модернизируют....
-
ООО Паровые системы. Гилепп П. А. Скорость
Скорость научно-технического прогресса напрямую влияет на нашу жизнь в долгосрочной перспективе. Скорость принятия решений важна при выполнении задач повседневной деятельности. Но говорим мы про пароконденсатные системы, где одной из ключевых характе...
-
ООО Паровые системы. Гилепп П. А. Блочно-модульные
Пароконденсатная система промышленного предприятия далее ПКС состоит из множества элементов и подсистем. Обычно при строительстве предприятия, цеха или технологической линии, где присутствуют потребители пара, подавляющее большинство узлов ПКС собира...
-
ООО Паровые системы. Гилепп П. А. С
Если сесть за рабочий стол и осмотреться вокруг, то окажется, что практически все предметы на столе произведены с использованием пара. Включая сам стол. Процессы промышленного производства на разных стадиях требуют нагрева, охлаждения или того и друг...
-
ООО Паровые системы. Гилепп П. А. Внимание
Главный энергетик предприятия дышит воздухом. Но когда воздух присутствует в паре, главный энергетик нервничает. И не зря. Неконтролируемое присутствие неконденсируемых газов в пароконденсатной системе являет собой дорогостоящую опасность. Проблема п...
