Відведення конденсату в парових системах: як підібрати й установити конденсатопровідне обладнання
- Як розміщувати трубопроводи та дренажі?
- Які види конденсатовідвідників використовувати?
- Чому краще не застосовувати ручних клапанів?
- Навіщо встановлювати конденсатовідвідники?
Грамотно підібраний пристрій системи відведення конденсату в парогенераторах зменшує експлуатаційні витрати і збільшує термін служби обладнання.
Конденсація
Завдяки перевагам пари як теплоносія парові системи суттєво поширилися
в різних галузях промисловості. Неминучий супутник пари – конденсат.
Важлива проблема, яку слід урахувати, проєктуючи системи розподілу пари, – це конденсація, що відбувається через теплові втрати в паропроводі. Швидкість конденсації особливо висока під час запуску установки, коли температура паропроводу низька. Потім швидкість утворення конденсату знижується,
але є достатнім обсягом, навіть якщо труби добре ізольовані.
Конденсат утворює на внутрішніх стінках паропроводу краплі, які можуть зливатися у плівку в міру того, як їх захоплює потік пари. Під дією сил тяжіння вода стікає
в нижню частину труби. Якщо накопичений конденсат не видалити якнайшвидше, можуть утворитися об’єми води (пробки), які відносить пара, і спричинити гідравлічні удари.
Щоб уникнути гідроударів, унаслідок чого може виникнути пошкодження обладання, потрібно встановлювати конденсатовідвідники.
Розміщення трубопроводів
та дренажів
Трубопровід потрібно встановлювати з нахилом у напрямку руху. Найбільш доцільно знижувати трубопровід на 40 мм на кожні 10 м його довжини, тобто
з ухилом 0,004, завдяки чому конденсат переноситься на місце дренажу.
Між точками дренажу слід витримувати певну відстань, яка зазвичай становить від 30 до 50 м, залежно від розмірів трубопроводу, його розміщення і частоти пусків.
Придатними для встановлення дренажів уважають місця, де трубопровід змінює напрямок. Щоб відводити конденсат на протяжних горизонтальних ділянках, потрібно періодично виконувати повороти трубопроводу у вертикальній площині (рисунок 1). Повороти, після яких починається підйом, – ідеальне місце встановлення дренажів.
Штуцер для відведення пари потрібно встановити на верхній твірній паровій магістралі, інакше користувач отримуватиме надто вологу пару. Якщо обладнання, що використовує пару, міститься нижче від паропроводу, штуцер все одно має бути вгорі; від нього лінія для подавання пари повертає донизу. У нижній її точці зазвичай установлюють запірний або регулювальний клапан.
Конденсат накопичуватиметься перед закритим клапаном, а видалятиме його конденсатовідвідник (рисунок 2).
Конденсатовідвідники, їх види
Конденсатовідвідники, що використовують для дренування паропроводів, розраховані на роботу з максимальним тиском пари в головному паропроводі. Вони мають достатню пропускну спроможність, щоб передавати ту кількість конденсату за перепаду тиску, яка утворюється в цей момент.
Конденсатовідвідники – невід’ємна частина обладнання, яке встановлюють, щоб безперервно відводити конденсат з апаратів, що обігріваються парою. Після них конденсат потрапляє до лінії повернення.
Американський національний інститут стандартів дає таке визначення. Конденсатовідвідники – це автономні клапани, що автоматично відокремлюють конденсат від пари. Вони утримують пару або дають змогу їй просуватися
з контрольованою чи бажаною швидкістю.
Більшість конденсатовідвідників також можуть фільтрувати гази,
що не конденсуються, при цьому утримуючи пару.
У схемах теплопостачання найчастіше встановлюють термостатичні, механічні
й термодинамічні конденсатовідвідники.
Термостатичний конденсатовідвідник – біметалічний пристрій або наповнений водою сильфон, здатні завдяки своїй конструкції «відчувати» різницю між температурою конденсату і пари. Відкритий для протікання води конденсатовідвідник закривається, коли до нього надходить середовище з вищою температурою – пара.
Робота механічних конденсатовідвідників ґрунтується на різниці густин пари
та води. У деяких із них використовується кулястий поплавець (рисунок 3), який піднімається за наявності конденсату і відкриває клапан, завдяки чому конденсат проходить через відвідник конденсату.
Інші конструкції містять перевернуту склянку, що змінює положення клапана, коли в конденсатовідвідник надходить пара.
У термодинамічних конденсатовідвідниках підвищується швидкість потоку під час пароутворення. Якщо конденсат і пара мають приблизно однакову температуру,
зі зниженням тиску конденсату в діафрагмі відбувається миттєве пароутворення. Унаслідок швидкісного напору закривається диск, розміщений навпроти сідла клапана (рисунок 4).
Зазвичай навіть якщо виконати всі вимоги щодо дренування конденсату, в парі все одно залишається волога. Щоб її видалити, використовують сепаратори – ряд відбивних екранів, розміщених так, щоб змусити пару змінювати напрямок.
За таких умов краплі вологи випадають із потоку і видаляються через конденсатовідвідник.
Продукти корозії, частинки відкладень, а також будь-яке сміття, що залишилося після монтажу, можуть легко порушити роботу регулювального обладнання, пошкодити робочі поверхні клапанів за тих швидкостей, з якими рухається пара.
З огляду на це у паропроводах до клапанів, конденсатовідвідників та іншого обладнання зазвичай установлюють фільтри. Традиційний метод контролю справності конденсатовідвідників – установити оглядове скло після кожного з них, щоб спостерігати за витратами конденсату.
Новинкою в цій галузі стають електронні пристрої, які використовують електропровідність конденсату, щоб визначити справність відвідника конденсату. Їх вимірювальні прилади можна змонтувати в одному місці, на деякій відстані
від датчиків, що особливо зручно за утрудненого доступу до конденсатовідвідників.
Коли з увімкненням установки пара починає надходити в паропровід, вона заповнена повітрям. Його видаляють автоматичні повітряні клапани. Повітряники
з урівноваженим тиском установлюють на кінці будь-якого паропроводу, тоді
як відвідні патрубки містяться вище за рівень конденсату. Вихлоп із повітряника прямує в безпечне місце.
Повернення конденсату
Важливо правильно спроєктувати систему конденсату, щоб не допускати надмірного зворотного тиску в відвідниках конденсату. Розміри труб мають бути такими, щоб забезпечити максимальну витрату конденсату; їх слід розміщувати
з ухилом, щоб вода стікала під впливом сили тяжіння.
Утім, рідко є можливість таким чином повернути в котел весь конденсат,
що утворився в паророзподільній системі. Зазвичай рідина спочатку прямує
до збірних резервуарів, а вже з них перекачується в котельню.
Під час пуску устаткування паропроводи мають температуру навколишнього повітря. Пара, що надходить у них, швидко конденсується, і її витрачається
у 2–3 рази більше, ніж за нормальної роботи установки. У стільки ж разів більше конденсату має пропустити лінія повернення.
У міру прогрівання всього обладнання витрата конденсату знижуватиметься
до номінального навантаження. Розміри труб мають бути з достатньою пропускною спроможністю, щоб перекачувати конденсат за будь-яких режимів.
Для тиску пари до 10 бар потрібно вибрати таке пускове навантаження, щоб витрата перевищувала номінальну не більше ніж удвічі. Натомість за вищого тиску лінії повернення конденсату може знадобитися додаткова пропускна спроможність.
Отже, конденсат видаляється з конденсатовідвідника завдяки силі тяжіння, але трапляється, що цей конденсат потрібно подати на більш високий рівень. Тоді
на виході з відвідника конденсату має бути надлишковий тиск, який створює додаткове обладнання.
Під час проєктування системи повернення конденсату слід ураховувати, що кожні 0,11 мбар тиску в конденсатовідвіднику дають змогу підняти конденсат на висоту
1 м. У схемах із підйомом конденсату неминучими є гідравлічні удари,
що підвищують ризик механічних пошкоджень.
Зазвичай трубопроводи повернення за нормальної роботи заповнені конденсатом, що перекачується. Витрата цієї рідини залежить від того, як змінюється навантаження парових магістралей. У разі введення в заповнений трубопровід свіжих порцій конденсату за вищих значень тиску і температури частина вологи миттєво знову перетворюється на пару. Унаслідок цього бульбашки пари можуть швидко руйнуватися порівняно з холодним конденсатом, спричиняючи сильні гідравлічні удари.
Переміщення конденсату
Резервуари, в які збирається конденсат, містяться зазвичай нижче за задню стінку котла. З огляду на це конденсат доводиться перекачувати на рівні, розміщені вище від місця встановлення збірних резервуарів. Для цього використовують насоси конденсату здатні перекачувати воду з температурою 105°С, з електронним керуванням.
У разі використання насоса об’ємного типу, які робоче тіло зазвичай використовується пара. Альтернативою приводу такого насоса може стати стиснене повітря від компресора, але цей варіант загрожує прискореною корозією через аерацію. У цих установках вентильований ресивер для конденсату розміщують вище за насос, що гарантує постійний напір, коли корпус насоса заповнюється завдяки силі тяжіння. Крім того, насос відіграє роль резервуара,
коли поршень вичавлює конденсат.
Важливими перевагами насосів об’ємного типу є те, що не відбувається кавітації та конденсат можна перекачувати у зону кипіння, якщо це потрібно. Завдяки тому, що такі насоси не мають електродвигуна, вони можуть працювати за високої вологості й навіть якщо їх занурити у воду.
Насоси з електронним керуванням мають більший ресивер (рисунок 5),
але можуть виникнути проблеми, коли потрібно перекачувати киплячий
конденсат, – за високої температури він може перетворюватися на пару. Це значно знижує ефективність агрегату і може призвести до пошкодження його робочих коліс. Насоси, які працюють із негативним натиском на всмоктувальній лінії, здатні в цих умовах функціонувати без поломів.
Поршневі насоси перекачують конденсат безперервно, що потрібно враховувати під час вибору напірної труби. Дотримуйте емпіричного правила: для насоса об’ємного типу розмір напірного трубопроводу слід вибирати залежно
від витрати, яка перевищує номінальну в 3 рази, а для насоса з електронним керуванням – у 1,5 разу.
Слід також приділити достатньо уваги зниженню протитиску, пов’язаного з тертям
у трубах. Велике значення має і конструкція трубопроводу: потрібно уникати довгих горизонтальних ділянок.
Найбільш доцільно створити, вертикальний підйом одразу ж за установкою,
з подальшим падінням завдяки силі тяжіння назад до котла. Довга горизонтальна ділянка після кінцевого вертикального підйому матиме негативний результ – повністю затоплену лінію повернення.
Недоліки ручних клапанів
Деякі інженери теплотехніки та керівники котелень уважають, що надлишок конденсату слід контролювати за допомогою не конденсатовідвідника, а ручного регулювального клапана, просто періодично відкриваючи його в міру утворення конденсату.
Теоретично це можливо. Проте на практиці для цього знадобиться низка умов, дотримати яких разом просто нереально.
Найбільший недолік такого способу полягає в тому, що немає коливань під час утворення конденсату в момент відкриття клапана для скидання певної його кількості.
Насправді визначити точно кількість конденсату не можна, оскільки утворення конденсату в устаткуванні відрізняється на стадіях запуску та нормальної роботи
і залежить від кількості продукту. У парових трубопроводах утворення конденсату безпосередньо пов’язане з коливаннями температури зовнішнього повітря,
з дощем або снігом.
Якщо пристрій не реагує на коливання кількості конденсату, який слід відвести, цей конденсат накопичуватиметься в обладнанні або трубопроводі, знижуючи ефективність нагрівання.
Натомість коли кількість конденсату зменшується, відбувається витік і марнування пари, знижується ефективність нагрівання.
Переваги конденсатовідвідників
Пара утворюється, коли вода випаровується та переходить у газоподібний стан. Щоб вода почала випаровуватися, її молекули мають отримати достатню кількість енергії, щоб розірвати молекулярні зв’язки, наприклад водневі. Цю енергію,
що отримується під час перетворення рідини на газ, називають прихованою теплотою.
Парові процеси нагрівання використовують приховану теплоту і передають
її якомусь конкретному продукту. Коли роботу закінчено, тобто пара передала всю приховану теплоту, вона сама стає конденсатом. Інакше кажучи, конденсат
не спроможний виконувати ті самі функції, що й пара.
Отже, ефективність нагрівання буде нижчою, якщо не видалити конденсату
з парового трубопроводу або теплообмінника якнайшвидше.
