А. А. Филоненко , директор ЧТСУП «Стим-систем»
Цикл статей ориентирован на техническую поддержку специалистов, связанных с проектированием и эксплуатацией паросилового хозяйства. Первые две публикации посвящены основным понятиям, связанным с широко применяемым на предприятиях и в энергетике водяным паром, его свойствам и их влиянию на работу паровых систем («ЭиМ» № 3) и вопросам отведения конденсата из паровых спутников (ЭиМ № 4–5).
Системы распределения пара соединяют котлы со всевозможным паропотребляющим оборудованием предприятия.
Основными компонентами этих систем являются паровые коллекторы котлов, главные паропроводы, распределительные коллекторы и трубопроводы разводки пара. Каждый из них выполняет определённые функции, присущие этой системе, и совместно с сепараторами и конденсатоотводчиками способствуют эффективному использованию пара.
Колена-отстойники
Общим требованием для всех систем распределения пара является необходимость устройства через различные интервалы по длине паропровода колен отстойников (рис. 1). Они предназначены для:
- стекания конденсата самотёком из пара, движущегося с высокой скоростью;
- накапливания конденсата до тех пор, пока перепад давления не протолкнёт его через конденсатоотводчик.
Для того чтобы конденсат улавливался коленомотстойником, нужно правильно подобрать его размер. Слишком малый диаметр колена-отстойника может вызвать эффект инжекции, когда падение давления из-за высокой скорости пара вытягивает в паропровод конденсат из конденсатоотводчика.
На рис. 1 показаны принцип работы колена-отстойника и его стандартная схема, в табл. 1 — рекомендуемые размеры колен-отстойников для паропроводов.
Рис. 1 . Колено-отстойник (а — принцип работы; б — схема для выбора размера колена-отстойника по табл. 1)
| Диаметр паропровода D, мм |
Диаметр колена-отстойника D1, мм |
Минимальная длина колена-отстойника L, мм | |
| Разогрев под наблюдением |
Автоматический разогрев * |
||
| 15 | 15 | 250 | 710 |
| 20 | 20 | 250 | 710 |
| 25 | 25 | 250 | 710 |
| 50 | 50 | 250 | 710 |
| 80 | 80 | 250 | 710 |
| 100 | 100 | 250 | 710 |
| 150 | 100 | 250 | 710 |
| 200 | 100 | 300 | 710 |
| 250 | 150 | 380 | 710 |
| 300 | 150 | 460 | 710 |
| 350 | 200 | 535 | 710 |
| 400 | 200 | 610 | 710 |
| 450 | 250 | 685 | 710 |
| 500 | 250 | 760 | 760 |
| 600 | 300 | 915 | 915 |
* Под автоматическим разогревом следует понимать разогрев паропровода, при котором дренаж конденсата происходит через конденсатоотводчики в линию возврата конденсата, а не через спускные штуцера в атмосферу. При этом также необходимо наблюдение за процессом разогрева паропровода
Если пар подаётся в среднюю точку коллектора или коллектор не имеет уклона, то рекомендуется устраивать колена-отстойники по обе стороны коллектора с конденсатоотводчиками, имеющими суммарную пропускную способность, равную рассчитанной. При диаметре коллектора до 100 мм диаметр коленаотстойника D1 должен быть равен диаметру коллектора. При диаметре коллектора более 100 мм диаметр колена-отстойника D1 должен быть равен половине диаметра коллектора, но не менее 100 мм.
Пуск паровых сетей состоит из следующих операций:
- прогрева и продувки паропроводов;
- заполнения и промывки конденсатопроводов;
- подключения потребителей.
Перед началом прогрева все задвижки на ответвлениях от прогреваемого участка плотно закрываются. Вначале прогревается магистраль, а затем поочередно ответвления от неё. Небольшие малоразветвлённые паропроводы можно прогревать одновременно по всей сети.
При возникновении гидравлических ударов подача пара немедленно сокращается, а при частых и сильных ударах — прекращается полностью впредь до полного удаления из прогреваемого участка паропровода скопившегося в нём конденсата.
Паровые коллекторы
Главный коллектор котельной — это особый вид паропровода, который может принимать пар от одного или более котлов. Чаще всего он представляет собой горизонтальную трубу большого диаметра, которая заполняется паром сверху и в свою очередь питает паром главные паропроводы. Особенно важен тщательный дренаж коллектора, чтобы любой вынос котловой воды и твёрдых частиц удалялся до распределения пара по системе. Конденсатоотводчики, предназначенные для коллектора, должны обладать способностью выводить крупные порции выносимых паром скоплений сразу же после их образования. При выборе конденсатоотводчиков нужно принимать во внимание также степень их устойчивости к гидравлическим ударам.
Выбор конденсатоотводчика и коэффициента запаса для коллекторов котла (только для насыщенного пара)
Требуемую пропускную способность конденсатоотводчиков, устанавливаемых на коллекторах котлов, практически всегда определяют как величину ожидаемого выноса котловой воды (10 % от присоединённой к коллектору нагрузки), умноженную на коэффициент запаса 1,5.
Например, к коллектору присоединены два котла общей паропроизводительностью 20 000 кг/ч. Тогда на коллектор необходимо установить конденсатоотводчик с пропускной способностью 20 000 . 10 % . 1,5 = 3000 кг/ч.
Наиболее подходящими для этих условий являются конденсатоотводчики с опрокинутым поплавком, которые способны немедленно срабатывать при залповых поступлениях конденсата, устойчивы к гидроударам, справляются с загрязнениями, сохраняют экономичность при очень малых нагрузках.
Установка конденсатоотводчиков
Если поток пара через коллектор идёт только в одном направлении, то достаточно установить один конденсатоотводчик вблизи выхода. При питании паром через среднюю точку (рис. 2) или при схожей организации двухстороннего потока пара конденсатоотводчики должны устанавливаться на каждом конце коллектора.
Рис. 2 . Коллектор котла разнонаправленными потоками пара (для коллектора с DN < 100 мм, DN колена-отстойника такой же, как у коллектора; для коллектора с DN > 100 мм, DN колена-отстойника должен быть равен 0,5DN коллектора, но не менее 100 мм)
Главные паропроводы
Чтобы обеспечить нормальную работу оборудования, питаемого по этим паропроводам, в них не должно быть ни воздуха, ни конденсата. Неполный отвод конденсата из главных паропроводов часто приводит к гидроударам и образованию пролетающих скоплений конденсата, которые могут повредить трубопроводную арматуру и другое оборудование.
Кроме того, из-за наличия конденсата в паропроводе уменьшается сухость пара, что приводит к его перерасходу.
В процессе охлаждения конденсат, находящийся в паропроводе, активно поглощает углекислый газ, превращаясь в угольную кислоту, которая приводит к ускоренной коррозии трубопроводов, арматуры и теплообменных аппаратов.
Есть два общепринятых способа разогрева главных паропроводов — контролируемый и автоматический.
Контролируемый разогрев широко применяется для первичного нагрева паропроводов большого диаметра и (или) большой протяжённости. Этот способ заключается в том, что спускные клапаны полностью открывают для свободной продувки в атмосферу до тех пор, пока в паропровод не начнёт поступать пар. Клапаны не закрывают до тех пор, пока весь конденсат (или большая его часть), образующийся при разогреве, не будет удалён. После выхода на рабочий режим удаление конденсата берут на себя конденсатоотводчики. При автоматическом режиме котёл разогревается таким образом, что паропроводы и всё оборудование или отдельные его виды постепенно набирают давление и температуру без помощи ручного управления или контроля в соответствии с заданным режимом разогрева.
Предостережение! Независимо от способа разогрева скорость подъёма температуры металла должна определяться регламентом пуска, чтобы минимизировать тепловые напряжения и предотвратить другие повреждения в системе.
Выбор конденсатоотводчика и коэффициента запаса для главных паропроводов (только насыщенный пар)
Расход конденсата в изолированном или неизолированном трубопроводах при контролируемом или автоматическом методах прогрева может вычисляться по формуле:
где G K — количество конденсата, кг/ч ;
W T — вес трубы, кг/м (по табл. 2);
L 1 — полная длина паропровода, м ;
с — удельная теплоёмкость материала трубопровода (для стали — 0,12 ккал/(кг.°С) );
t 1 — начальная температура, °С ;
t 2 — конечная температура, °С ;
r — cкрытая теплота парообразования, ккал/кг (по таблице свойств пара );
h — время разогрева, мин .
Таблица 2 . Характеристики труб для расчета потерь в окружающую среду
| Диаметр трубопровода, дюйм |
Диаметр трубопровода, мм |
Наружный диаметр, мм |
Наружная поверхность, м 2 /м |
Веc, кг/м |
| 1/8 | 6 | 10,2 | 0,03 | 0,49 |
| 1/4 | 8 | 13,5 | 0,04 | 0,77 |
| 3/8 | 10 | 17,2 | 0,05 | 1,02 |
| 1/2 | 15 | 21,3 | 0,07 | 1,45 |
| 3/4 | 20 | 26,9 | 0,09 | 1,90 |
| 1 | 25 | 33,7 | 0,11 | 2,97 |
| 1,25 | 32 | 42,4 | 0,13 | 3,84 |
| 1,5 | 40 | 48,3 | 0,15 | 4,43 |
| 2 | 50 | 60,3 | 0,19 | 6,17 |
| 2,5 | 65 | 76,1 | 0,24 | 7,90 |
| 3 | 80 | 88,9 | 0,28 | 10,10 |
| 4 | 100 | 114,3 | 0,36 | 14,40 |
| 5 | 125 | 139,7 | 0,44 | 17,80 |
| 6 | 150 | 165,1 | 0,52 | 21,20 |
| 8 | 200 | 219,0 | 0,69 | 31,00 |
| 10 | 250 | 273,0 | 0,86 | 41,60 |
| 12 | 300 | 324,0 | 1,02 | 55,60 |
| 14 | 350 | 355,0 | 1,12 | 68,30 |
| 16 | 400 | 406,0 | 1,28 | 85,90 |
| 20 | 500 | 508,0 | 1,60 | 135,00 |
Для быстрого определения расхода конденсата во время разогрева главного паропровода можно использовать диаграмму на рис. 3. Найденную величину расхода следует умножить на 2 (рекомендуемый коэффициент запаса для всех конденсатоотводчиков, расположенных между котлом и концом паропровода). Для конденсатоотводчиков, установленных у конца паропровода или перед регулирующими и запорными клапанами, которые часть времени находятся в закрытом положении, следует принимать коэффициент запаса 3. Рекомендуется конденсатоотводчик с опрокинутым поплавком, так как он может выводить загрязнения, залповые выбросы конденсата и противостоять гидравлическим ударам. Если даже он откажет, то обычно остаётся в открытом положении.
Рис. 3 . Диаграмма для определения количества конденсата, образующегося в трубе длиной 20 м при её нагреве от 0 °С до температуры насыщения пара
Расход конденсата при нормальной эксплуатации паропровода (после разогрева) определяется по табл. 3.
Таблица 3 . Скорость образования конденсата в паропроводах при нормальной эксплуатации, кг/час/м 2
Установка
Независимо от способа разогрева колена-отстойники и конденсатоотводчики нужно устанавливать в самых низких точках и в местах естественного дренажа, например:
- перед восходящими стояками;
- в конце главных паропроводов;
- перед компенсаторами и коленами;
- перед регулирующими клапанами и регуляторами.
На рис. 4, 5 и 6 показаны примеры организации дренажей главных паропроводов.
Отводы от главных паропроводов
Отводы от главных паропроводов — это ответвления главного паропровода, подводящие пар к паропотребляющему оборудованию. Система этих трубопроводов должна быть спроектирована и обвязана так, чтобы предотвратить скопление конденсата в любой её точке.
Выбор конденсатоотводчика и коэффициента запаса
Расход конденсата определяется по такой же формуле, что и для главных паропроводов. Рекомендуемый коэффициент запаса для отводов главных паропроводов — 2.
Установка
На рис. 7, 8 и 9 показаны соответственно рекомендуемые схемы обвязки отвода от главного паропровода до управляющего клапана при его длине до 3 м, более 3 м и в случае, когда управляющий клапан расположен ниже уровня главного паропровода.
Перед каждым регулирующим клапаном, а также перед регулятором давления, если он имеется, следует установить полнопроходной фильтр-грязевик. На фильтре надо установить продувочный клапан, а также конденсатоотводчик с опрокинутым поплавком. Через несколько дней после пуска системы проверьте сетку фильтра, чтобы решить, нужна ли в этом месте очистка от загрязнений.
 |
 |
 |
| Рис. 7 . Обвязка отвода длиной менее 3 м. Если имеется обратный уклон в сторону коллектора питания не менее 50 мм на 1 м, то установка конденсатоотводчика не обязательна | Рис. 8 . Обвязка отвода длиной более 3 м. Перед управляющим клапаном нужно установить колено-отстойник и конденсатоотводчик. Отстойником может служить фильтр, если его продувочную трубку замкнуть на конденсатоотводчик с опрокинутым поплавком. Конденсатоотводчик должен быть снабжён встроенным обратным клапаном | Рис. 9 . Независимо от длины отвода колено-отстойник и конденсатоотводчик следует устанавливать перед управляющим клапаном, расположенным ниже питающего паропровода. Если змеевик (потребитель) находится выше управляющего клапана, то конденсатоотводчик следует установить также и со стороны выхода управляющего клапана |
Сепараторы
Сепараторы пара предназначены для выпуска всего конденсата, который образуется в распределительных системах. Чаще всего они применяются перед оборудованием, для которого повышенная сухость пара имеет большое значение. Принято считать полезным их установку на паропроводах вторичного пара.
Рис. 10 . Дренаж сепаратора. Для полного и быстрого стекания конденсата в конденсатоотводчик нужны полнопроходные колено-отстойник и грязевик
Отвод конденсата из паропроводов перегретого пара
Казалось бы, что если в паропроводах перегретого пара конденсат не образуется, то его там нет. Это действительно так, но только в случае, когда температура и давление в паропроводе вышли на рабочие параметры. До этого момента конденсат необходимо удалять.
Свойства и особенности применения перегретого пара
Удельная теплоёмкость вещества — это количество теплоты, требуемое для увеличения температуры 1 кг на 1 °С. Удельная теплоёмкость воды равна 1 ккал.°С, но удельная теплоёмкость перегретого пара зависит от его температуры и давления. Она уменьшается при увеличении температуры и повышается при повышении давления.
Обычно перегретый пар производится в дополнительных секциях трубок, установленных внутри котла, или в зоне выхода дымовых газов, чтобы использовать «теряемую» теплоту котла, а также в пароперегревателе, который устанавливается после котла и соединяется с паропроводом. Принципиальная схема котла с пароперегревателем представлена на рис. 11.
Рис. 11 . Схема энергетической установки с пароперегревателем
Перегретый пар обладает свойствами, которые делают его неудобным теплоносителем для процесса теплообмена и в то же время идеальным для выполнения механической работы и переноса массы, то есть для транспортирования. В отличие от насыщенного пара давление и температура перегретого пара не связаны между собой. Когда перегретый пар производят при таком же давлении, что и насыщенный, его температура и удельный объём увеличиваются.
В котлах с высокой производительностью и относительно малыми барабанами отделение пара от воды является чрезвычайно трудным процессом. Сочетание небольшого количества воды в барабанах и быстрых изменений расхода пара вызывает резкое уменьшение объёма и образование пузырей пара, что приводит к выносу котловой воды. Её можно отвести при помощи сепараторов с конденсатоотводчиками на выходах пара из парогенератора, но это не даёт 100-процентного результата. Поэтому там, где необходим сухой пар, в топке устанавливают дополнительные конвективные пучки трубок. Чтобы испарить вынос воды, к пару добавляется некоторое количество теплоты, создающей небольшой перегрев, гарантирующий получение абсолютно сухого пара.
Так как перегретый пар, возвращаясь в состояние насыщенного, отдаёт очень мало теплоты, он не является хорошим теплоносителем для процесса теплообмена. Однако для некоторых процессов, например, на электростанциях, сухой пар необходим для выполнения механической работы. Независимо от типа энергетической установки перегретый пар уменьшает количество конденсата при её запуске из холодного состояния. Перегрев также повышает производительность этих установок за счёт отсутствия конденсации на ступенях расширения. Сухой пар на выходе энергетической установки увеличивает срок службы лопаток турбины.
В отличие от насыщенного пара, теряя теплоту, перегретый пар не конденсируется, поэтому может транспортироваться по очень длинным паропроводам без существенных потерь теплосодержания на образование конденсата.
Почему нужен дренаж систем перегретого пара?
Основной причиной установки конденсатоотводчиков в системах перегретого пара является образование пусковых расходов конденсата. Они могут быть очень значительными из-за больших размеров главных паропроводов. Во время пуска, скорее всего, будут использоваться ручные спускные клапаны дренажей, так как имеется достаточно времени, чтобы их открыть и закрыть. Этот процесс называется контролируемым разогревом. Другой причиной установки конденсатоотводчиков являются неотложные ситуации, такие как потеря теплоты перегрева или отвод пара по байпасу, когда может потребоваться их срабатывание на насыщенном паре. При этих нештатных ситуациях нет времени на открытие клапанов вручную, поэтому необходимы конденсатоотводчики.
Определение расхода конденсата для конденсатоотводчиков паропроводов перегретого пара
Расход конденсата через конденсатоотводчик паропровода перегретого пара варьируется в широких пределах: от максимального при пуске до отсутствия расхода в рабочем режиме. Следовательно, это и есть те требования, которые должны предъявляться к конденсатоотводчикам любого типа.
Во время пуска очень большие паропроводы заполняются паром в холодном состоянии. На этом этапе в них будет находиться только насыщенный пар при низком давлении, пока температура паропровода не повысится. Её повышают постепенно, длительное время, чтобы не подвергать металл паропроводов резким напряжениям. Большой расход конденсата в сочетании с низким давлением — это начальные условия, требующие применения конденсатоотводчиков с большой пропускной способностью. Затем при эксплуатации паропроводов на перегретом паре требуется, чтобы эти конденсатоотводчики с завышенной пропускной способностью работали при очень высоком давлении и очень малых расходах.
Характерные пусковые расходы конденсата можно приблизительно рассчитать по формуле:
где W T — вес трубы, кг/м (по табл. 2);
r — скрытая теплота парообразования, ккал/кг ;
i — энтальпия перегретого пара при среднем давлении и температуре за рассматриваемый период разогрева, ккал/кг ;
i ” — энтальпия насыщенного пара при среднем давлении за рассматриваемый период разогрева, ккал/кг ;
0,12 — удельная теплоёмкость стальной трубы, ккал/(кг.°С) .
Пример
Исходные данные
Требуется разогреть паропровод диаметром 200 мм с температуры окружающего воздуха 21 °С до температуры 577 °С при среднем давлении за последний 2-часовой период 8,3 кг/см 2 изб. за 11 часов. Расстояние между дренажными узлами 60 м. Масса трубы по табл. 2 составляет 31 кг/м. Таким образом, масса трубы длиной 60 м составит 1860 кг.
Разогрев происходил по графику, указанному в табл. 4.
Таблица 4 . Режим разогрева паропроводов перегретого пара
| Период времени, ч |
Среднее давление, кг/см 2 изб. |
Температура в конце временного периода,°С |
Энтальпия насыщенного пара I " , ккал/кг |
Скрытая теплота паро- образования r, ккал/кг |
Энтальпия перегретого пара i, ккал/кг |
Количество конденсата, кг/ч |
| С 0 до 2 | 0,46 | 121 | 643,1 | 532,1 | 652,6 | 42,7 |
| С 2 до 4 | 0,97 | 221 | 646,3 | 526,4 | 695 | 46,7 |
| С 4 до 6 | 4,9 | 321 | 658,3 | 498,9 | 741,7 | 53,7 |
| С 6 до 8 | 8,3 | 421 | 662,7 | 484,2 | 790,5 | 62,6 |
| С 8 до 11 | 8,3 | 577 | 662,7 | 484,2 | 868,1 | 124,9 |
Для первых двух часов разогрева:
Для вторых двух часов:
Аналогично рассчитываются расходы пара для других периодов времени.
Чтобы эффективно выводить конденсат из паропроводов перегретого пара, нужно при установке конденсатоотводчиков правильно выбирать размеры колен-отстойников, а также учитывать рекомендации по их обвязке.
Возникает вопрос, нужна ли теплоизоляция колен-отстойников, патрубков конденсатоотводчиков и самих конденсатоотводчиков? Ответ — нет. Если изоляция не является обязательным требованием безопасности, эту часть паровой системы не нужно изолировать. Тогда немного конденсата будет непрерывно формироваться перед конденсатоотводчиком и проходить через него, продлевая срок его службы.
Типы конденсатоотводчиков для перегретого пара
Биметаллические
Биметаллический конденсатоотводчик настроен так, чтобы не открываться, пока конденсат не охладится до температуры ниже температуры насыщения. При данном давлении конденсатоотводчик останется закрытым до тех пор, пока в нём находится пар любой температуры. Когда температура пара повышается, тянущая сила биметаллических пластин увеличивается, повышая усилие уплотнения клапана. Перегретый пар стремится ещё больше увеличить это усилие. Биметаллический конденсатоотводчик хорошо работает при больших пусковых нагрузках и по этой причине является хорошим выбором для перегретого пара.
Во время работы на перегретом паре конденсатоотводчик может открыться, если конденсат в нём охладится ниже температуры насыщения. Если диаметр и длина колена-отстойника перед конденсатоотводчиком не будут соответствующими, то конденсат может пойти обратно в паропровод, вызывая его повреждение, а также трубопроводной арматуры и другого оборудования.
С опрокинутым поплавком
Гидрозатвор в конденсатоотводчике препятствует доступу пара к выпускному клапану, предотвращая утечку пара и обеспечивая продолжительный срок службы конденсатоотводчика. Выпускной клапан в верхней части делает его непроницаемым для посторонних частиц, но позволяет выводить воздух. Он справляется с большими пусковыми расходами и может приспособиться к малым рабочим расходам. Имеющиеся затруднения, связанные с его использованием на перегретом паре, относятся к необходимости сохранять гидрозатвор или производить заправку водой. Для этого необходимо применять конденсатоотводчики, разработанные специально для систем перегретого пара, и следить за их правильной обвязкой.
Правильная обвязка конденсатоотводчика с опрокинутым поплавком для перегретого пара показана на рис. 6. Определяя пропускную способность конденсатоотводчика для перегретого пара, следует рассчитывать её на пусковой расход без применения коэффициента запаса. Материалы корпуса должны выбираться исходя из максимального давления и температуры, включая перегрев.
Литература
- Вукалович М. П. Термодинамические свойства воды и водяного пара. — М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы «МАШГИЗ», 1955.
- Филоненко А. А. Пар и пароконденсатное хозяйство предприятия. От теории ближе к практике // Энергия и Менеджмент. — № 3. — 2013. — С. 22–25.
- Филоненко А. А. Пар и пароконденсатное хозяйство предприятия. От теории ближе к практике (продолжение) // Энергия и Менеджмент. — № 4–5. — 2013. — С. 66–68.
Диаметр паропровода определяется как:
Где: D – максимально потребляемое количество пара участком, кг/ч,
D= 1182,5 кг/ч (по графику работы машин и аппаратов для участка по производству творога) /68/;
- удельный объем
насыщенного пара, м 3 /кг,
=0,84м 3 /кг;
- скорость движения
пара в трубопроводе м/с, принимается
40м/с;
d
=
=0,100
м=100 мм
К цеху подведен паропровод диаметром 100 мм, следовательно, его диаметра достаточно.
Паропроводы стальные, бесшовные, толщина стенки 2,5 мм
4.2.3. Расчет трубопровода для возврата конденсата
Диаметр трубопровода определяется по формуле:
d=
,
м,
где Мк – количество конденсата, кг/ч;
Y – удельный объем конденсата, м 3 /кг, Y=0,00106 м 3 /кг;
W – скорость движения конденсата, м/с, W=1м/с.
Мк=0,6* D, кг/ч
Мк=0,6*1182,5=710 кг/ч
d=
=0,017м=17мм
Подбираем стандартный диаметр трубопровода dст=20мм.
4.2.3 Расчет изоляции тепловых сетей
С целью сокращения потерь тепловой энергии трубопроводы изолируют. Поведем расчет изоляции питающего паропровода с диаметром 110 мм.
Толщина изоляции для температуры окружающей среды 20ºС при заданной тепловой потере определяется по формуле:
,
мм,
где d - диаметр неизолированного трубопровода, мм, d=100мм;
t - температура неизолированного трубопровода, ºС, t=180ºС;
λиз - коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/м*К;
q- тепловые потери с одного погонного метра трубопровода, Вт/м.
q=0,151 кВт/м = 151 Вт/м²;
λиз=0,0696 Вт/м²*К.
В качестве изоляционного материала используется шлаковая вата.
=90
мм
Толщина изоляции не должна превышать 258 мм при диаметре труб 100 мм. Полученная δиз<258 мм.
Диаметр изолированного трубопровода составит d=200 мм.
4.2.5 Проверка экономии тепловых ресурсов
Тепловая энергия определяется по формуле:
t=180-20=160ºС
Рисунок 4.1 Схема трубопровода
Площадь трубопровода определяется по формуле:
R= 0,050 м, H= 1 м.
F=2*3,14*0,050*1=0,314м²
Коэффициент теплопередачи неизолированного трубопровода определяется по формуле:
,
где а 1 =1000 Вт/м²К, а 2 =8 Вт/м²К, λ=50 Вт/мК, δст=0,002м.
=7,93.
Q=7,93*0,314*160=398 Вт.
Коэффициент теплопроводности изолированного трубопрвода определяется по формуле:
,
где λиз=0,0696 Вт/мК.
=2,06
Площадь изолированного трубопровода определяется по формуле F=2*3,14*0,1*1=0,628м²
Q=2,06*0,628*160=206Вт.
Выполненные расчеты показали, что при использовании изоляции на паровом трубопроводе толщиной 90 мм экономиться 232 Вт тепловой энергии с 1 м трубопровода, то есть тепловая энергия расходуется рационально.
4.3 Электроснабжение
На заводе основными потребителями электроэнергии являются:
Электролампы (осветительная нагрузка);
Электроснабжение на предприятии от городской сети через трансформаторную подстанцию.
Система электроснабжения – трехфазный ток с промышленной частотой 50 Гц. Напряжение внутренней сети 380/220 В.
Расход энергии:
В час пиковой нагрузки – 750 кВт/ч;
Основные потребители энергии:
Технологическое оборудование;
Силовые установки;
Система освещения предприятия.
Распределительная сеть 380/220В от распределительных шкафов до машинных пускателей выполнена кабелем марки ЛВВР в стальных трубах, к двигательным проводам ЛВП. В качестве заземления используется нулевой провод питающей сети.
Предусматривается общее (рабочее и аварийное) и местное (ремонтное и аварийное) освещение. Местное освещение питается от понижающих трансформаторов малой мощности при напряжении 24В. Нормальное аварийное освещение питается от электрической сети на напряжении 220В. При полном исчезновении напряжении на шинах подстанции аварийное освещение питается от автономных источников («сухих аккумуляторов»), встроенных в светильники или от АГП.
Рабочее (общее) освещение предусматривается на напряжении 220В.
Светильники предусматриваются в исполнении, соответствующим характеру производства и условиям среды помещений, в которых они устанавливаются. В производственных помещениях предусматриваются с люминистцентными лампами, устанавливаемые на комплектных линиях из специальных подвесных коробов, располагаемых на высоте около 0,4м от пола.
Для эвакуационного освещения устанавливаются щитки аварийного освещения, подключаемые к другому (независимому) источнику освещения.
Производственное освещение осуществляется люминесцентными лампами и лампами накаливания.
Характеристики ламп накаливания, используемых для освещения производственных помещений:
1) 235- 240В 100Вт Цоколь Е27
2) 235- 240В 200Вт Цоколь Е27
3) 36В 60Вт Цоколь Е27
4) ЛСП 3902А 2*36 Р65ИЭК
Наименование светильников, используемых для освещения холодильных камер:
Cold Force 2*46WT26HF FO
Для уличного освещения используются:
1) RADBAY 1* 250 WHST E40
2) RADBAY SEALABLE 1* 250WT HIT/ HIE MT/ME E40
Обслуживание электросиловых и осветительных приборов осуществляется специальной службой предприятия.
4.3.1 Расчет нагрузки от технологического оборудования
Тип электродвигателя подбирается из каталога технологического оборудования.
Р ноп, КПД – паспортные данные электродвигателя, выбираются из электротехнических справочников /69/.
Р пр - присоединительная мощность
Р пр =Р ном /
Тип магнитного пускателя выбирается для каждого электродвигателя конкретно. Расчёт нагрузки от оборудования сведён в таблицу 4.4
4.3.2 Расчет осветительной нагрузки /69/
Аппаратный цех
Определим высоту подвеса светильников:
H р =Н 1 -h св -h р
Где: Н 1 - высота помещений, 4,8м;
h св - высота рабочей поверхности над полом, 0,8м;
h р - расчетная высота подвеса светильников, 1,2м.
H р =4,8-0,8-1,2=2,8м
Выбираем равномерную систему распределения светильников по углам прямоугольника.
Расстояние между светильниками:
L= (1,2÷1,4)·H р
L=1,3·2,8=3,64м
N св = S/L 2 (шт)
n св =1008/3,64м 2 =74 шт
Принимаем 74 светильника.
N л =n св ·N св
N л =73·2 = 146 шт
i=А*В/Н*(А+В)
где: А - длина, м;
В – ширина помещения, м.
i=24*40/4,8*(24+40) = 3,125
От потолка-70%;
От стен -50%;
От рабочей поверхности-30%.
Q=E min *S*k*Z/N л *η
к- коэффициент запаса, 1,5;
N л - число ламп, 146 шт.
Q=200*1,5*1008*1,1/146*0,5= 4340 лм
Выбираем лампу типа ЛД-80.
Творожный цех
Ориентировочное число осветительных ламп:
N св =S/L 2 (шт)
где: S- площадь освещенной поверхности, м 2 ;
L - расстояние между светильниками, м.
n св =864/3,64м 2 = 65,2 шт
Принимаем 66 светильников.
Определяем ориентировочное число ламп:
N л =n св ·N св
N св - количество ламп в светильнике
N л =66·2 = 132 шт
Определим коэффициент использования светового потока по таблице коэффициентов:
i=А*В/Н*(А+В)
где: А - длина, м;
В – ширина помещения, м.
i=24*36/4,8*(24+36) = 3
Принимаем коэффициенты отражения света:
От потолка-70%;
От стен -50%;
От рабочей поверхности-30%.
По индексу помещения и коэффициенту отражения выбираем коэффициент использования светового потока η=0,5
Определим световой поток одной лампы:
Q=E min *S*k*Z/N л *η
где: E min - минимальная освещённость, 200лк;
Z –коэффициент линейной освещённости 1,1;
к- коэффициент запаса, 1,5;
η – коэффициент использования светового потока, 0,5;
N л - число ламп, 238 шт.
Q=200*1,5*864*1,1/132*0,5 = 4356 лм
Выбираем лампу типа ЛД-80.
Цех по переработке сыворотки
n св =288/3,64 2 =21,73 шт
Принимаем 22 светильников.
Число ламп:
i=24*12/4,8*(24+12) =1,7
Световой поток одной лампы:
Q=200*1,5*288*1,1/56*0,5=3740 лк
Выбираем лампу типа ЛД-80.
Приемное отделение
Ориентировочное число светильников:
n св =144/3,64м 2 =10,8 шт
Принимаем 12 светильников
Число ламп:
Коэффициент использования светового потока:
i=12*12/4,8*(12+12)=1,3
Световой поток одной лампы:
Q=150*1,5*144*1,1/22*0,5=3740 лк
Выбираем лампу типа ЛД-80.
Установлена мощность одной осветительной нагрузки Р=N 1 *Р л (Вт)
Расчет осветительной нагрузки по методу удельных мощностей.
E min =150 лк W*100=8,2 Вт/м 2
Пересчет на освещенность 150 лк осуществляется по формуле
W= W*100* E min /100, Вт/м 2
W= 8,2*150/100 = 12,2 Вт/м 2
Определение суммарной мощности, необходимой для освещения (Р), Вт.
Аппаратный цех Р= 12,2*1008= 11712 Вт
Творожный цех Р= 12,2*864= 10540 Вт
Приемное отделение Р=12,2*144= 1757 Вт
Цех переработки сыворотки Р= 12,2* 288= 3514 Вт
Определяем число мощностей N л = Р/Р 1
Р 1 – мощность одной лампы
N л (аппаратного цеха) = 11712 / 80= 146
N л (творожного цеха) = 10540 / 80= 132
N л (приемного отделения) = 1756/ 80= 22
N л (цеха переработки сыворотки) = 3514/80 = 44
146+132+22+44= 344; 344*80= 27520 Вт.
Таблица 4.5 – Расчет силовой нагрузки
|
Наименование оборудования |
Тип, марка |
Количество |
Тип электродвигателя |
Мощность |
КПД электродвига- |
Тип магнит- ного пуска |
|
|
Номинальная Р |
Электрическая Р |
||||||
|
Смесител | |||||||
|
Фасовочный автомат |
Дозатор Я1-ДТ-1 | ||||||
|
Фасовочный автомат | |||||||
|
Фасовочный автомат | |||||||
|
Линия производства твор | |||||||
Таблица 4.6 – Расчёт осветительной нагрузки
|
Наименование помещений |
Мин. освеще |
Тип лампы |
Кол-во ламп |
Элект-ричес- ность кВт |
Удельная мощ-ность, Вт/м 2 |
|
|
Приемное отделение | ||||||
|
Творожный цех | ||||||
|
Аппаратный цех | ||||||
|
Цех по переработке сыворотки |
4.3.3 Проверочный расчет силовых трансформаторов
Активная мощность: Р тр =Р мак /η сети
где: Р мак =144,85 кВт (по графику «Расход мощности по часам суток»)
η сети =0,9
Р тр =144,85/0,9=160,94 кВт
Полная мощность, S, кВ·А
S=Р тр /соsθ
S=160,94/0,8=201,18 кВ·А
Для трансформаторной подстанции ТМ-1000/10 полная мощность составляет 1000кВ·А, полная мощность при существующей на предприятии нагрузки составляет 750кВ·А, но с учетом технического переоснащения творожного участка и организации переработки сыворотки необходимая мощность должна составлять: 750+201,18=951,18 кВ·А < 1000кВ·А.
Расход электроэнергии на 1 т вырабатываемой продукции:
Р
=
где М
- масса всех вырабатываемых продуктов,
т;
М
=28,675
т
Р
=462,46/28,675=16,13
кВт*ч/т
Таким образом, из
графика расхода электроэнергии по часам
суток видно, что наибольшая мощность
требуется в промежутке времени с 8 00 до
11 00
и с 16
до 21
часов. В этот период времени происходит
приемка и обработка поступающего
молока-сырья, производство изделий,
розлив напитков. Небольшие скачки
наблюдаются в период с 8
до 11
,
когда идет большинство процессов
обработки молока для получения продуктов.
4.3.4 Расчет сечений и выбор кабелей.
Сечение кабеля находят по потере напряжения
S=2 PL*100/γ*ζ*U 2 , где:
L – длина кабеля, м.
γ – удельная проводимость меди, ОМ * м.
ζ – допустимые потери напряжения,%
U- напряжение сети, В.
S= 2*107300*100*100 / 57,1*10 3 *5*380 2 =0,52 мм 2 .
Вывод: сечение используемого предприятием кабеля марки ВВР 1,5 мм 2 – следовательно, имеющийся кабель обеспечит участки электроэнергией.
Таблица 4.7 – Почасовой расход электроэнергии на выработку продуктов
|
Часы суток |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Насос 50-1Ц7,1-31 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Счетчик Взлет-ЭР | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Охладитель | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Насос Г2-ОПА | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
ППОУ ЦКРП-5-МСТ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Сепаратор-нормализатор ОСЦП-5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Счетчик-расходомер | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Творогоизготовитель ТИ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Продолжение таблицы 4.7 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Часы суток |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Мембранный насос | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Обезвоживатель | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Стабилизатор параметров | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Насос П8-ОНБ-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Автомат фасовочный SAN/T | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Измельчитель-смеситель-250 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Автомат фасовочный | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Фарш мешалка | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Продолжение таблицы 4.7 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Часы суток |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Сепаратор- Осветлитель | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Ванна ВДП | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Насос-дозатор НРДМ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Установка | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Ванна ВДП | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Насос погружной Seepex | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Трубчатый пастеризатор | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Продолжение таблицы 4.7 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Часы суток |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Автомат фасовочный | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Приемное отделение | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Аппаратный цех | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Творожный цех | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Цех переработки сыворотки | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Окончание таблицы 4.7 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Часы суток |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Неучтенные потери 10% | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
График расхода электроэнергии.
Формула расчета выглядит следующим образом:
где:
D - диаметр трубопровода, мм
Q - расход, м3/ч
v - допустимая скорость потока в м/с
Удельный объем насыщенного пара при давлении 10 бар равен 0,194 м3/кг, это означает, что объемный расход 1000 кг/ч насыщенного пара при 10 бар будет составлять 1000х0,194=194 м3/ч. Удельный объем перегретого пара при 10 бар и температуре 300°С равен 0,2579 м3/кг, а объемный расход при том же количестве пара уже будет составлять 258 м3/ч. Таким образом можно утверждать, что один и тот же трубопровод не подойдет для транспортировки и насыщенного, и перегретого пара.
Приведем несколько примеров расчетов трубопроводов для разных сред:
1. Среда - вода. Сделаем расчет при объемном расходе - 120 м3/ч и скорости потока v=2 м/с.
D= =146 мм.
То есть необходим трубопровод с номинальным диаметром DN 150.
2. Среда - насыщенный пар. Сделаем расчет для следующих параметров: объемный расход - 2000 кг/ч, давление - 10 бар при скорости потока - 15 м/с. В соответствии с удельный объем насыщенного пара при давлении 10 бар равен 0,194 м3/ч.
D=
= 96 мм.
То есть необходим трубопровод с номинальным диаметром DN 100.
3. Среда - перегретый пар. Сделаем расчет для следующих параметров: объемный расход - 2000 кг/ч, давление - 10 бар при скорости потока 15 м/с. Удельный объем перегретого пара при заданном давлении и температуре, например, 250°С, равен 0,2326 м3/ч.
D=
=105 мм.
То есть необходим трубопровод с номинальным диаметром DN 125.
4. Среда - конденсат. В данном случае расчет диаметра трубопровода (конденсатопровода) имеет особенность, которую необходимо учитывать при расчетах, а именно: необходимо принимать во внимание долю пара от разгрузки. Конденсат, проходя через конденсатоотводчик, и попадая в конденсатопровод, разгружается (то есть конденсируется) в нем.
Доля пара от разгрузки определяется по следующей формуле:
Доля пара от разгрузки =
, где
h1 - энтальпия конденсата перед конденсатоотводчиком;
h2 - энтальпия конденсата в конденсатной сети при соответствующем давлении;
r - теплота парообразования при соответствующем давлении в конденсатной сети.
По упрощенной формуле доля пара от разгрузки определяется, как разность температур до и после конденсатоотводчика х 0,2.
Формула расчета диаметра коденсатопровода будет выглядеть так:
D=
, где
ДР - доля от разгрузки конденсата
Q - количество конденсата, кг/ч
v” - удельный объем, м3/кг
Проведем расчет конденсатопровода для следующих исходных значений: расход пара - 2000 кг/ч с давлением - 12 бар (энтальпия h’=798 кДж/кг), разгруженного до давления 6 бар (энтальпия h’=670 кДж/кг, удельный объем v”=0.316 м3/кг и теплота конденсирования r=2085 кДж/кг), скорость потока 10 м/с.
Доля пара от разгрузки =
= 6,14 %
Количество разгруженного пара будет равно: 2000 х 0,0614=123 кг/ч или
123х0,316= 39 м3/ч
D=
= 37 мм.
То есть необходим трубопровод с номинальным диаметром DN 40.
ДОПУСТИМАЯ СКОРОСТЬ ПОТОКА
Показатель скорости потока - не менее важный показатель при расчете трубопроводов. При определении скорости потока необходимо учитывать следующие факторы:
Потери давления. При высокой скорости потока можно выбрать меньший диаметр трубопроводов, однако при этом происходит значительная потеря давления.
Стоимость трубопроводов. Низкая скорость потока приведет к выбору большего диаметра трубопроводов.
Шум. Высокая скорость потока сопровождается увеличенным шумовым эффектом.
Износ. Высокая скорость потока (особенно в случае конденсата) приводит к эрозии трубопроводов.
Как правило, основной причиной возникновения проблем с отведением конденсата является именно заниженный диаметр трубопроводов и неверный подбор конденсатоотводчиков.
После конденсатоотводчика частички конденсата, двигаясь по трубопроводу со скоростью пара от разгрузки, достигают поворота, ударяются о стенку поворотного отвода, и скапливаются в месте поворота. После этого с высокой скоростью выталкиваются вдоль трубопроводов, приводя к их эрозии. Опыт показывает, что 75% протечек в конденсатопроводах происходит в трубных коленах.
Чтобы снизить вероятное возникновение эрозии и ее негативное воздействие, необходимо для систем с поплавковыми конденсатоотводчиками для расчета принимать скорость потока около 10 м/с, а для систем с другими типами конденсатоотводчиков - 6 -8 м/с. При расчетах конденсатопроводов, в которых отсутствует пар от разгрузки, очень важно делать расчеты, как для водопроводов со скоростью потока 1,5 - 2 м/с, а в остальных учитывать долю пара от разгрузки.
В таблице ниже приведены нормы скорости потока для некоторых сред:
Среда | Параметры | Скорость потока м/с |
Пар | до 3 бар | 10-15 |
3 -10 бар | 15-20 |
|
10 - 40 бар | 20-40 |
|
Конденсат | Трубопровод, заполненный конденсатом | |
Конденсато -паровая смесь | 6-10 |
|
Питательная вода | Линия всасывания | 0,5-1 |
Трубопровод подачи |
Высокая эффективность использования энергии пара прежде всего зависит от правильной конструкции паро-конденсатных систем. Для достижения максимальной эффективности паро-конденсатных систем существует ряд правил, которые необходимо знать и учитывать при проектирование, монтаже и пуско-наладочных работах:
— При производстве пара необходимо стремиться к выработке пара высокого давления, т.к. паровой котел является более быстродействующим при высоком давлении, чем при низком. Это связано с тем, что скрытая теплота парообразования при низком давлении более большая, чем при высоком давлении. Иначе говоря, необходимо затратить больше энергии для выработки пара при низком давлении, чем при высоком, относительно разного уровня тепловой энергии в воде.
— Для использования в технологическом оборудовании всегда подавайте пар минимально допустимого давления, т.к. теплопередача при низком давлении, когда скрытая теплота парообразования выше, более эффективна. В противном случае тепловая энергии пара уйдет вместе с конденсатом высокого давления. И ее приходится ловить на уровне утилизации вторичного пара, если заниматься энергосбережением. — Всегда вырабатывайте максимальное количество пара из вторичного тепла, остающегося после технологического процесса, т.е. обеспечивая работоспособность отвода и использования конденсата. Не правильно смонтированное и не правильно работающее оборудование в паро-конденсатных системах служат источником потерь энергии пара. А также являются причиной не стабильной работы всей паро-конденсатной системы.
Установка конденсатоотводчика Конденсатоотводчики устанавливаются как для дренажа магистральных паропроводов, так и для отвода конденсата от теплообменного оборудования. Конденсатоотводчики служат для удаления конденсата, образующегося в паропроводе вследствие тепловых потерь в окружающую среду. Теплоизоляция снижает уровень тепловых потерь, но не исключает их полностью. Поэтому на всем протяжении паропровода необходимо предусматривать узлы отвода конденсата. Отвод конденсата необходимо организовывать не реже 30-50 м на горизонтальных участках трубопроводов. Первый конденсатоотводчик за котлом должен иметь пропускную способность не менее 20 % от производительности котла. При длине трубопровода более 1000 м пропускная способность первого конденсатоотводчика должна быть 100 % от производительности котла. Это требуется для удаления конденсата в случае уноса котловой воды. Обязательная установка конденсатоотводчика требуется перед всеми подъемами, регулирующими клапанами и на коллекторах.
Отвод конденсата необходимо осуществлять с помощью карманов отстойников. Для труб диаметром до 50 мм диаметр отстойника может быть равен диаметру основного паропровода. Для паропроводов диаметром свыше 50 мм рекомендуется использовать отстойники на один/два типоразмера меньше. В нижней части отстойника рекомендуется установить запорный кран или глухой фланец для очистки (продувки) системы. Во избежание засорения конденсатоотводчика отвод конденсата нужно делать на некотором расстоянии от нижней части отстойника.
Узел отвода конденсата Перед конденсатоотводчиком необходимо установить фильтр, а за конденсатоотводчиком — обратный клапан (защита от заполнения конденсатом системы при отключении пара в паропроводе). Для уверенности в корректной работе конденсатоотводчика рекомендуется устанавливать смотровые стекла (для визуального контроля).
Удаление воздуха Содержание воздуха в паропроводе значительно снижает теплопередачу в теплообменном оборудовании. Для удаления воздуха из паропровода в качестве автоматических воздушников используются термостатические конденсатоотводчики. «Воздушники» устанавливаются в верхних точках системы, как можно ближе к теплообменному оборудованию. Вместе с «воздушником» устанавливается прерыватель вакуума. При остановке системы охлаждаются трубопроводы и оборудование, вследствие чего происходит конденсация пара. А так как объем конденсата намного меньше объема пара, давление в системе падает ниже атмосферного, из-за чего образуется вакуум. Из-за вакуума в системе могут быть повреждены теплобменники и уплотнения арматуры.
Редукционные станции Для получения пара с требуемым давлением необходимо использовать редукционные клапаны. Во избежание гидроударов необходимо организовать отвод конденсата перед редукционным клапаном.
Фильтры Скорость пара в трубопроводах в большинстве случаев составляет 15-60 м/с. Учитывая возраст и качество котлов и трубопроводов, поступаемый к потребителю пар, как правило, бывает сильно загрязнен. Частицы окалины и грязи при столь высоких скоростях существенно сокращают срок службы паропроводов. Наиболее подвержены разрушению регулирующие клапаны, так как скорость пара в зазоре между седлом и клапаном может достигать сотен метров в секунду. В связи с этим в обязательном порядке необходимо устанавливать фильтры перед регулирующими клапанами. Размер ячеек сетки фильтров, устанавливаемых на паропроводе, рекомендуется 0,25 мм. В отличие от водяных систем, на паропроводах рекомендуется устанавливать фильтр таким образом, чтобы сетка находиласьв горизонтальной плоскости, так как при установке крышкой вниз возникает дополнительный конденсатный карман, способствующий увлажнению пара и увеличивающий вероятность возникновения конденсатной пробки.
Сепараторы пара Конденсатоотводчики, установленные на магистральном паропроводе, отводят уже сформировавшийся конденсат. Однако для получения качественного сухого пара этого бывает недостаточно, так как пар к потребителю поступает влажным из-за конденсатной взвеси, увлекаемой потоком пара. Влажный пар, так же как и грязь, вследствие высоких скоростей способствует эрозионному износу трубопроводов и арматуры. Для того чтобы избежать этих проблем, рекомендуется использовать сепараторы пара. Пароводяная смесь, попадая в корпус сепаратора через входной патрубок, закручивается по спирали. Взвешенные частицы влаги за счет центробежных сил отклоняются к стенке сепаратора, образуя конденсатную пленку. На выходе из спирали при столкновении с отбойником происходит срыв пленки. Образовавшийся конденсат удаляется через дренажное отверстие в нижней части сепаратора. Сухой пар поступает в паропровод за сепаратором. Во избежание потерь пара на дренажном патрубке сепаратора необходимо предусмотреть узел отвода конденсата. Верхний штуцер предназначен для установки автоматического воздушника. Сепараторы рекомендуется устанавливать как можно ближе к потребителю, а также, перед расходомерами и регулирующей арматурой. Срок службы сепаратора обычно превышает срок службы трубопровода.
Предохранительные клапаны При выборе предохранительных клапанов необходимо учитывать конструкцию и уплотнения клапана. Основным требованием, предъявляемым к предохранительным клапанам, кроме корректно выбранного давления срабатывания, является правильная организация отвода сбрасываемой среды. Для воды дренажный трубопровод обычно направляется вниз (сброс в канализацию). В паровых системах, как правило, дренажный трубопровод направляется вверх, на крышу здания или в другое безопасное для персонала место. Из-за этого необходимо учитывать, что после сброса пара в случае срабатывания клапана, происходит образование конденсата, который скапливается в дренажном патрубке за клапаном. При этом создается дополнительное давление, препятствующее срабатыванию клапана и сбросу среды при заданном давлении срабатывания/ Другими словами, в том случае если давление срабатывания 5 бар, и трубопровод, направленный вверх, заполнен на 10 м водой, предохранительный клапан сработает только при давлении 6 бар. Кроме того, в моделях без герметичного уплотнения по штоку вода будет вытекать через крышку клапана. Поэтому во всех случаях, когда выпускной патрубок предохранительного клапана направлен вверх, необходимо организовывать дренаж через специальное отверстие в корпусе клапана или непосредственно через дренажный трубопровод. Запрещается устанавливать запорную арматуру между источником давления и предохранительным клапаном, а также на выпускном трубопроводе. При выборе предохранительного клапана, предназначенного для установки на паропроводе, необходимо исходить из расчета, что пропускной способности будет достаточно, если она будет составлять 100 % от всего возможного расхода пара плюс 20 % запаса. Давление срабатывания дожно быть не ниже 1,1 от рабочего давления во избежание преждевременного износа вследствие частого срабатывания.
Запорная арматура При выборе типа запорной арматуры прежде всего необходимо учитывать высокую скорость пара. Если европейские производители парового оборудования рекомендуют выбирать диаметр паропровода таким образом, чтобы скорость пара была 15-40 м/с, то в России рекомендуемая скорость пара зачастую может достигать 60 м/с. Перед закрытой арматурой всегда образуется конденсатная пробка. При резком открытии арматуры существует высокая вероятность возникновения гидроудара. В связи с этим крайне нежелательно в качестве запорной арматуры на паропроводе использовать шаровые краны. Перед использованием как запорной, так и регулирующей арматуры на вновь смонтированном трубопроводе необходимо предварительно продуть трубопровод во избежание повреждения седловой части арматуры окалиной и шлаком.
Если нагревать воду в открытом сосуде при атмосферном давлении, то ее температура будет непрерывно повышаться до тех пор, пока вся масса воды не прогреется и не закипит. В процессе нагревания испарение воды происходит с ее открытой поверхности, при кипении пар из воды образуется на нагреваемой поверхности и частично во всем объеме жидкости. Температура воды остается при этом постоянной (равной в рассматриваемом случае около 100 °С), несмотря на продолжающийся извне подвод теплоты к сосуду. Это явление объясняется тем, что при кипении подводимая теплота расходуется на работу по расщеплению частичек воды и образование из них пара.
При нагревании воды в закрытом сосуде ее температура повышается также лишь до тех пор, пока вода не закипит. Выделяющийся из воды пар скапливается в верхней части сосуда над поверхностью уровня воды; его температура равна температуре кипящей воды. Такой пар называют насыщенным.
Если пар из сосуда не отводится, а подвод теплоты к нему (извне) продолжается, то давление во всем объеме сосуда будет увеличиваться. Вместе с увеличением давления станет увеличиваться и температура кипящей воды и образующегося из нее пара. Опытным путем установлено, что каждому давлению соответствуют своя температура насыщенного пара и равная ей температура кипения воды, а также свой удельный объем пара.
Так, при атмосферном давлении (0,1 МПа) вода начинает кипеть и превращается в пар при температуре около 100 °С (точнее при 99,1 °С); при давлении 0,2 МПа - при 120 °С; при давлении 0,5 МПа - при 151,1 °С; при давлении 10 МПа - при 310 °С. Из приведенных примеров видно, что с ростом давления температура кипения воды и равная ей температура насыщенного пара увеличиваются. Удельный объем пара с ростом давления, наоборот, уменьшается.
При давлении 22,5 МПа нагреваемая вода переходит в насыщенный пар мгновенно, поэтому скрытая теплота парообразования при этом давлении равна нулю. Давление пара 22,5 МПа называют критическим.
Если насыщенный пар охлаждать, то он станет конденсироваться, т.е. превратится в воду; при этом он будет отдавать свою теплоту парообразования охлаждающему телу. Указанное явление имеет место в системах парового отопления, в которые насыщенный пар поступает из котельной или паровой магистрали. Здесь он охлаждается воздухом помещения, отдает воздуху свою теплоту, за счет чего последний нагревается, а пар конденсируется.
Состояние насыщенного пара является весьма неустойчивым: даже небольшие изменения давления и температуры приводят к конденсации части пара или же, наоборот, к испарению капелек воды, имеющихся в насыщенном паре. Насыщенный пар, совершенно не содержащий капелек воды, называют сухим насыщенным; насыщенный пар с капельками воды называют влажным.
В качестве теплоносителя в системах парового отопления применяют насыщенный пар, температура которого соответствует определенному давлению.
Системы парового отопления классифицируют по следующим признакам:
По начальному давлению пара - системы низкого давления (р изб
Способу возврата конденсата - системы с самотечным возвратом (замкнутые) и с возвратом конденсата с помощью питательного насоса (разомкнутые);
Конструктивной схеме прокладки трубопроводов - системы с верхней, нижней и промежуточной прокладкой распределительного паропровода, а также с прокладкой сухого и мокрого конденсатопровода.
Схема системы парового отопления низкого давления с верхней прокладкой паропровода показана на рис. 1, а. Насыщенный пар, образующийся в котле 1, пройдя сухопарник (сепаратор) 12, попадает в паропровод 5 и далее поступает в отопительные приборы 7. Здесь пар отдает свою теплоту через стенки приборов воздуху отапливаемого помещения и превращается в конденсат. Последний стекает по возвратному конденсатопроводу 10 в котел 1, преодолевая при этом давление пара в котле за счет давления столба конденсата, который поддерживается высотой 200 мм по отношению к уровню воды в сухопарнике 12.
Рисунок 1. Система парового отопления низкого давления: а - схема системы с верхней прокладкой паропровода; б - стояк с нижней разводкой пара; 1 - котел; 2 - гидравлический затвор; 3 - водомерное стекло; 4 - воздушная трубка; 5 - подающий паропровод; 6 - паровой вентиль; 7 - отопительный прибор; 8 - тройник с пробкой; 9 - конденсатопровод сухой; 10 - конденсатопровод мокрый; 11 - трубопровод подпитки; 12 - сухопарник; 13 - перепускная петля
В верхнюю часть возвратного конденсатопровода 10 вмонтирована трубка 4, соединяющая его с атмосферой для продувки в момент ввода и вывода системы из эксплуатации.
Уровень воды в сухопарнике контролируют с помощью водомерного стекла 3. Для предупреждения повышения давления пара в системе выше заданного уровня устанавливают гидравлический затвор 2 с рабочей высотой жидкости, равной h.
Регулировку системы парового отопления производят паровыми вентилями 6 и контрольными тройниками 8 с пробками, добиваясь, чтобы при работе парового котла в расчетном режиме в каждый отопительный прибор поступало такое количество пара, которое успевало бы полностью в нем сконденсироваться. В этом случае из предварительно открытого контрольного тройника выделение пара практически не наблюдается и вероятность «проскока» конденсата в воздушную трубку 4 ничтожна мала. Потери конденсата в системе парового отопления компенсируют подпиткой барабана котла специально обработанной водой (освобожденной от солей жесткости), подаваемой по трубопроводу 11.
Системы парового отопления, как уже отмечалось, бывают с верхней и нижней разводками паропровода. Недостатком нижней разводки пара (рис. 1, б) является то, что образующийся конденсат в подъемных и вертикальных стояках стекает навстречу пару и иногда перекрывает паропровод, вызывая гидравлические удары. Более спокойный слив конденсата происходит, если паропровод 5 проложен с уклоном в сторону движения пара, а конденсатопровод 9 - в сторону котла. Для слива попутного конденсата из паропровода в конденсатопровод систему снабжают специальными перепускными петлями 13.
Если сеть парового отопления имеет большое разветвление, то самотечный слив конденсата производят в специальный сборный бак 3 (рис. 2), откуда его перекачивают насосом 8 в котел 1. Насос работает периодически, в зависимости от изменения уровня воды в сухопарнике 2. Такую схему отопления называют разомкнутой; в ней для отделения конденсата от пара, как правило, используют конденсатоотводчики (конденсатные горшки) 7. Последние чаще всего имеют поплавковую или сильфонную конструкцию (рис. 3).
Рисунок 2. Схема принудительного возврата конденсата: 1 - котел; 2 - сухопарник; 3 - конденсатосборный бак; 4 - воздушная трубка; 5 - обводная линия; 6 - паровые вентили; 7 - конденсатоотводчик; 8 - подпиточный насос; 9 - обратный клапан
Поплавковый конденсатоотводчик (см. рис. 3, б) работает так. Пар и конденсат через входное отверстие поступают под поплавок 3, который соединен рычагом с шаровым клапаном 4. Поплавок 3 имеет форму колпака. Под давлением пара он всплывает, закрывая шаровой клапан 4. Конденсат заполняет всю камеру конденсатоотводчика; при этом пар под клапаном конденсируется и поплавок тонет, открывая шаровой клапан. Конденсат отводится в направлении, указанном стрелкой, до тех пор, пока новые порции пара, скопившиеся под колпаком, не заставят колпак всплыть. Затем цикл работы конденсатоотводчика повторяется.
Рисунок 3. Конденсатоотводчики: а – сильфонный; б – поплавковый; 1 – сильфон; 2 – легкокипящая жидкость; 3 – поплавок (опрокинутый колпак); 4 – шаровый клапан
На промышленных предприятиях, имеющих производственные потребители пара повышенного давления, системы парового отопления подключают к теплофикационным магистралям по схемам высокого давления (рис. 4). Пар от собственной или районной котельной поступает в распределительную гребенку 1, где давление его контролируют манометром 3. Затем по отходящим от гребенки 1 паропроводам 2 пар направляют к производственным потребителям, а по паропроводам Т1 - к потребителям системы парового отопления. Паропроводы Т1 подсоединены к гребенке 6 парового отопления, а гребенка 6 - к гребенке 1 через редукционный клапан 4. Редукционный клапан дросселирует пар до давления не более 0,3 МПа. Разводку паропроводов высокого давления систем парового отопления выполняют, как правило, поверху. Диаметры паропроводов и поверхности нагрева отопительных приборов этих систем несколько меньше, чем у систем парового отопления низкого давления.
Рисунок 4. Схема парового отопления высокого давления: 1 - распределительная гребенка; 2 - паропровод; 3 - манометр; 4 - редукционный клапан; 5 - байпас (обводная линия); 6 - гребенка системы отопления; 7 - грузовой предохранительный клапан; 8 - неподвижная опора; 9 - компенсаторы; 10 - паровые вентили; 11 - конденсатопровод; 12 - конденсатоотводчики
Недостатком систем парового отопления является трудность регулирования теплопроизводительности отопительных приборов, что, в конечном счете, приводит к перерасходу топлива в течение отопительного сезона.
Диаметры трубопроводов паровых систем отопления рассчитывают отдельно для паропроводов и конденсатопроводов. Диаметры паропроводов низкого давления определяют так же, как в системах водяного отопления. Потери давления в главном циркуляционном кольце системы?р рк, Па, представляют собой сумму сопротивлений (потерь давления) всех участков, входящих в это кольцо:
где n - доля потери давления на трение от общих потерь в кольце; ?I - суммарная длина участков главного циркуляционного кольца, м.
Затем определяют требуемое давление пара в котле р к, которое должно обеспечивать преодоление потерь давления в главном циркуляционном кольце. В системах парового отопления низкого давления разность давлений пара в котле и перед нагревательными приборами расходуется только на преодоление сопротивлений паровой магистрали, а конденсат возвращается самотеком. Для преодоления сопротивления отопительных приборов предусматривают запас давления р пр = 2000 Па. Удельную потерю давления пара можно определить по формуле
где 0,9 - значение коэффициента, учитывающего запас давления на преодоление неучтенных сопротивлений.
Для систем парового отопления низкого давления долю потерь на трение n принимают 0,65, а для систем высокого давления - 0,8. Вычисленное по формуле (3) значение удельной потери давления должно равняться или быть несколько больше значения, определенного по формуле (2).
Диаметры паропроводов определяют с учетом вычисленных удельных потерь давления и тепловой нагрузки каждого расчетного участка.
Диаметры паропроводов можно также определять, используя специальные таблицы в справочниках или номограмму (рис. 5), составленную для средних значений плотности пара низкого давления. При конструировании систем парового отопления скорость пара в паропроводах следует принимать с учетом рекомендаций, приведенных в табл. 1.
Таблица 1. Скорости пара в паропроводах
В остальном методика гидравлического расчета паропроводов низкого давления и сопротивлений циркуляционных колец полностью аналогична расчету трубопроводов водяных систем отопления.
Конденсатопроводы паровых систем отопления низкого давления удобно рассчитывать, используя верхнюю часть приведенной на рис. 5 номограммы.
Рисунок 5. Номограмма для расчета диаметров паропроводов и самотечных конденсатопроводов
При расчете паропроводов систем отопления высокого давления необходимо учитывать изменения объема пара от давления и уменьшение его объема при транспортировании вследствие попутной конденсации.
Расчет диаметров производят при следующих значениях параметров пара: плотность 1 кг/м 3 ; давление 0,08 МПа; температура 116,3 °С; кинематическая вязкость 21 10 6 м 2 /с. Для указанных параметров пара составлены специальные таблицы и построены номограммы, позволяющие подобрать диаметры паропроводов. После выбора диаметров производят пересчет удельной потери давления на трение с учетом действительных параметров проектируемой системы по формуле
где v - скорость пара, найденная по расчетным таблицам или номограмме.
При определении диаметров коротких паропроводов часто пользуются упрощенным методом, производя расчет по предельно допустимым скоростям движения пара.
К эксплуатационным преимуществам систем парового отопления относятся: простота пуска системы в работу; отсутствие циркуляционных насосов; низкая металлоемкость; возможность использования в ряде случаев отработавшего пара.
Недостатками систем парового отопления являются: низкая долговечность трубопроводов из-за повышенной коррозии внутренних поверхностей, вызываемой влажным воздухом в периоды прекращения подачи пара; шум, обусловленный большой скоростью движения пара по трубам; частые гидравлические удары от встречного движения попутного конденсата в подъемных паропроводах; низкие санитарно-гигиенические качества из-за высокой температуры (более 100 °С) поверхности отопительных приборов и труб, пригорания пыли и возможности ожогов людей.
В производственных помещениях с повышенными требованиями к чистоте воздуха, а также в жилых, общественных, административных и административно-бытовых зданиях применять паровое отопление нельзя. Системы парового отопления допускается использовать только в непожаро- и невзрывоопасных производственных помещениях с кратковременным пребыванием людей.
