Рассмотрим на примере поплавкового конденсатоотводчика физику процессов при отводе конденсата.
Перед тем как попасть из конденсатоотводчика в конденсатопровод, конденсат проходит через седло. Самый маленький диаметр отверстия седла составляет порядка 1,5 миллиметров. Для одного типоразмера (диаметра подключения) диаметр седла может быть разный. Так как расход пропорционален корню квадратному из перепада давления, то наибольший диаметр седла будет у конденсатоотводчика, предназначенного на наименьший перепад. Например, при перепаде 4,5 бар диаметр может быть 4,0 мм, при 10 бар – 2,6 мм, при 14 бар – 2,0 мм, при 32 бара – 1,6 мм.
Почему расход пропорционален корню квадратному из перепада давления?
Попробуем разобраться в этом даже без помощи старины Бернулли.
Формулу для расхода можно записать в простом виде:
Площадь сечения седла пропорциональна
. Диаметр седла d удобно измерять в мм, а расход 
получать в тоннах в час. Поэтому нужен коэффициент размерности k. Кроме диаметра есть и другие геометрические характеристики седла – форма кромок, сужение-расширение канала, и т.д. Их влияние учитывает коэффициент расхода С. И теперь самое интересное, перепад давления. Под воздействием перепада давления увеличивается энергия потока в сопле 
. И если выразить перепад давления через энергию 
, то при извлечении квадратного корня получим кроме всего прочего скорость v. А произведение скорости на площадь сечения седла даст расход. Бинго.
Простой пример. Если расход конденсата увеличится в два раза, то перепад должен увеличиться в 4 раза. Проверим это по графику (Рис. 1) из паспорта конкретного конденсатоотводчика. В логарифмических координатах графики степенной зависимости расхода конденсата 
от 
отображены прямыми с номерами седел, соответствующих номинальному перепаду давления. При увеличении перепада с 1 до 4 бар расход для седла 21 увеличился с 50 почти до 100 кг/ч, а для седла 5 со 140 почти до 300 кг/ч
Рис. 1. Рабочие характеристики конденсатоотводчика
Попутно можно заметить, что диаметр седла 21 меньше диаметра седла 5, но не в два раза.
Это видно по перепаду при одинаковом расходе 200 кг/час. Для седла 5 он составит 2 бара, а для седла 21 уже 20 бар (но не 32 бара). Если бы диаметр сечения седла был меньше в два раза, площадь проходного сечения была в 4 раза меньше и при том же расходе скорость должна бы увеличиться в 4 раза. Соответственно перепад давления должен стать больше в 16 раз, а в нашем примере он больше только в 10 раз.
Что будет, если установить конденсатоотводчик, рассчитанный на больший перепад вместо необходимого? Он будет открываться и пропускать конденсат. Но при этом расход конденсата будет значительно меньше, в нашем примере меньше в три раза.
Что будет, если установить конденсатоотводчик, рассчитанный на меньший перепад? Он не будет открываться и не будет пропускать конденсат. Потому, что у него будет диаметр седла больше, чем допустимо. Посмотрим на схему, рис. 2.
Рис. 2. Механическая схема обычного конденсатоотводчика
При одинаковом перепаде давления 
с увеличением диаметра седла d растет усилие F, с которым шарик прижимается к седлу. Конденсатоотводчик, рассчитанный на меньший перепад будет иметь поплавок, который не сможет открыть седло и выпустить конденсат.
Поплавок сможет открыть седло в двух случаях: либо его диаметр должен стать больше, либо увеличена длина плеча L2. Плечо L1 уже не уменьшить, слишком тесно, оно и так маленькое.
Что будет, если взять конденсатоотводчик с большим запасом по расходу? Посмотрим на график, рис. 3.
Рис. 3. Зависимость усилия на поплавке и на шарике седла от перемещения
Разница в динамике усилия на поплавке (рыжая кривая) и на шарике седла (фиолетовая кривая) приводит к практически мгновенному открытию кондесатоотводчика. При заполнении конденсатом и всплытии поплавка на шарике усилие падает очень круто, на поплавке плавно снижается. Результирующее усилие резко возрастает. Далее после открытия происходит вытеснение конденсата из корпуса КО до уровня седла. Для этого требуется вполне определенное время. Затем цикл повторяется. От соотношения времени открытия к времени опорожнения зависит частота циклов при работе КО. Частота циклов у конденсатоотводчика с большим запасом по расходу будет на порядок выше чем у «нормального» КО. В то время, как «нормальный» конденсатоотводчик будет потихоньку выпускать конденсат, переразмеренный будет «частить». К чему это приведет? Смотрим рис. 4.
Рис. 4. Нарушение герметичности седла при износе
Износ подвижных деталей обычного КО пропорционален числу циклов открытия-закрытия. Результатом износа становится нарушение плотности закрытия седла и появление утечки. Далее к износу от трения добавляется эрозионный износ в месте утечки. Неприятная ситуация. Вместо 7 лет конденсатоотводчик прослужит только 1 год.
Можно ли избежать подобной проблемы износа в принципе? Отказы механических конденсатоотводчиков связаны с износом их движущихся частей. Чтобы снизить износ, нужно чтобы точки соприкосновения трущихся поверхностей не повторялись при контакте. Эта идея была реализована в конденсатоотводчиках со свободноплавающим поплавком, рис. 5.
По сравнению с обычным поплавковым конденсатоотводчиком или КО с перевернутым стаканом, в котором имеется сложный механизм, включающий в себя стакан, рычаг и шарнир, КО со свободноплавающим поплавком, имеющий только одну движущуюся часть, гарантирует длительный срок службы и надежность.
Рис. 5 Устройство конденсатоотводчика со свободноплавающим поплавком
А – встроенный воздушник; В – седло с соплом
Для реализации идеи потребовалось создать высококачественный производственный процесс, чтобы поплавки обладали почти идеальной сферической формой. Только прецизионная шлифовка поплавка могла обеспечить бесконечное количество точек контакта его поверхности с седлом, гарантируя герметичность, небольшой износ и долговечную безотказную работу.
Результатом является конденсатоотводчик с непревзойденными характеристиками уплотнения пары поплавок-седло. Даже при работе в условиях низкого расхода конденсата при высоком давлении и температуре утечки пара исключены.
Среди физических процессов, протекающих в конденсатоотводчике, есть один, незаслуженно обойденный вниманием. Для начала вспомним, что отношение массы сухого насыщенного пара к суммарной массе смеси пар — жидкость обозначается X и называется массовой долей сухого насыщенного пара, или степенью сухости пара, или паросодержанием. Для жидкости при температуре насыщения X = 0 , а для сухого насыщенного пара X =1, следовательно, степень сухости может меняться в пределах от 0 до 1.
Посмотрим с этой точки зрения еще раз внимательно на рис. 5. Объем внизу вокруг поплавка занят жидкостью при температуре насыщения примерно на ¼. Вверху ¾ объема занимает пар. С учетом разницы в плотности жидкости и пара, степень сухости такой системы будет примерно 0,01. На диаграмме T-S соответствующая точка будет лежать в левой нижней четверти, рис. 6.
Рис. 6. Диаграмма T-S для водяного пара
В этом смысле поступление конденсата в замкнутый объем КО справедливо рассматривать как адиабатическое сжатие, процесс которого на диаграмме T-S, будет изображаться вертикальным отрезком, идущим снизу вверх.
Другими словами, конденсат под действием гидростатического давления будет беспрепятственно стекать вниз, заполняя корпус КО, и такое заполнение будет сопровождаться конденсацией пара из верхней части корпуса с понижением степени сухости.
Стоит заметить, что в правой части диаграммы T-S такое невозможно. Там адиабатическое сжатие приводит к осушению смеси, образованию паровой пробки и блокированию кондесатоотводчика. Из этого следует важный вывод: конструкция корпуса КО должна исключать его полное опорожнение. В нижней части корпуса всегда должно оставаться достаточное количество конденсата.
Теперь рассмотрим процесс образования пара вторичного вскипания за КО, рис.7. Это потребуется для того, чтобы определить какого диаметра должен быть конденсатопровод.
Рис. 7. Вскипание конденсата за седлом конденсатоотводчика
Снижение давления за соплом КО приводит к мгновенному вскипанию конденсата, который оказывается перегретым и расходует тепло перегрева на образование вторичного пара.
Количество вторичного пара в процентах по массе можно оценить с помощью диаграммы на рис. 8. Пользоваться диаграммой просто. От значения давления до конденсатоотводчика по стрелке двигаясь вверх к линии давления за КО, а затем горизонтально влево до значения в %.
Рис. 8. Диаграмма для расчета количества пара вторичного вскипания
Самое сложное при этом – узнать, на какое давление в конденсатной линии рассчитывать?
Лучшим ответом на вопрос о том, откуда появилось значение этого давления будет такой: по показаниям манометров. Это значит, что давление контролируют, манометров не один а несколько, они исправны, и известны их показания при всех нагрузках и режимах работы.
Определив расход пара вторичного вскипания, далее проверяют диаметр трубопровода исходя из его скорости 8 метров в секунду. При такой скорости двухфазный поток движется по трубе без образования волн и риск возникновения гидроударов сводится к минимуму.
Особого внимания заслуживают вновь проектируемые конденсатопроводы. Вот факторы, которые нужно учитывать при рассмотрении движения в них двухфазного потока.
- Сколько времени оборудование использующее пар работает на нагрузках, меньших номинальной?
- Какая теплоизоляция применяется и каковы тепловые потери, в результате которых вторичный пар конденсируется в конденсатопроводе?
- Имеет ли конденсат до конденсатоотводчика температуру ниже температуры насыщения?
- Какой уклон возможно обеспечить для трубопровода за конденсатоотводчиком?
- Если ли за конденсатоотводчиком участки трубопровода, которые поднимается вверх?
- Есть ли врезки конденсатных линий с другими параметрами конденсата?
Очевидно, что таким непростым вопросам требуется уделить должное внимание, и нужно привлечь опытных специалистов. Это лучше, чем исправление ошибок проектирования при эксплуатации оборудования.