Рассмотрим вопрос отвод конденсата от теплообменников. Так как к теплообменникам относится разнообразное оборудования из очень широкого перечня, введем некоторые ограничения. Будем иметь ввиду только устройства для бесконтактного теплообмена между паром и водой, которые входят в комплекс оборудования, предназначенного для распределения тепла, поступающего из паровой тепловой сети на технологические нужды. То есть теплообменники паровых теплопунктов и технологических установок. Типичные значения температуры будут при этом для воды горячего водоснабжения (ГВС) 5-65 °С и для отопления 95-70 °С, для технологии – по технологической карте.
Существует разница в характере изменения нагрузки ГВС и отопления. Нагрузка ГВС как правило резко возрастает в начале и в конце дня. Относительно резкие изменения нагрузки отопления происходят значительно реже, один или два раза в месяц, при смене атмосферного фронта. Этим объясняется разница технических решений, обеспечивающих работу паровых теплообменников в составе тепловых пунктов. В первую очередь (по ходу движения греющей среды) это относится к скорости приводов регулирующих клапанов и выбору между пневмоприводом и электроприводом. Во втору очередь – к способу отвода конденсата из теплообменника.
Сначала остановимся подробно на теплообменнике, рассчитанном на нагрузку отопления, в котором регулирование осуществляется «по пару». Она нашла широкое применение в индивидуальных тепловых пунктах небольшой мощности.
Рис. 1. Схема нагрева сетевой воды с регулированием давления пара в теплообменнике
Регулирующий клапан с помощью «медленного» привода пропускает в теплообменник столько пара, сколько требуется для нагрева сетевой воды по температурному графику в зависимости от температуры наружного воздуха. От количества поступающего в теплообменник пара и скорости его конденсации будет зависеть давление пара в теплообменнике. Вопрос в следующем: как выбрать теплообменник требуемой мощности? Ведь ее можно достичь при разном давлении пара. Площадь поверхности теплообмена при этом, конечно, тоже будет разная. Можно порекомендовать действовать следующим образом – выбрать давление пара по температуре. Ведь для насыщенного пара они связаны однозначно. А для выбора температуры нужно иметь результаты анализа сетевой воды и значения карбонатного индекса, Ик таб. 1.
Нормативные значения Ик при нагреве сетевой воды в сетевых подогревателях в зависимости от pH воды
Таблица 1
|
Температура нагрева сетевой воды, °С |
Ик (мг-экв/дм3)2 при значениях pH |
|||
|
не выше 8,5 |
8,51 - 8,8 |
8,81 - 9,2 |
выше 9,2 |
|
|
70 - 100 |
4,0 |
2,6 |
2,0 |
1,6 |
|
101 - 120 |
3,0 |
2,1 |
1,6 |
1,4 |
|
121 - 140 |
2,5 |
1,9 |
1,4 |
1,2 |
|
141 - 150 |
2,0 |
1,5 |
1,2 |
0,9 |
|
151 - 200 |
1,0 |
0,8 |
0,6 |
0,4 |
Другие определяющие параметры при выборе теплообменника – допустимая частота обслуживания (очистки, промывки) теплообменника, температурный напор – разница температуры пара и температуры воды вблизи поверхности теплообмена, рис.2, схема теплопункта (наличие трехходовых регулирующих клапанов по воде, резервирование теплообменников).
Рис. 2. Разница температуры пар-вода ΔТ
На графике температуры вблизи поверхности теплообмена отображены три важных особенности. Первая – температура воды у стенки всегда будет выше температуры в центре потока. Вторая – температура конденсата у стенки всегда будет ниже температуры пара. Почему это происходит? Вода и конденсат движутся вдоль стенки в турбулентном режиме. У стенки скорость движения воды всегда будет минимальная, а температура – максимальная. И третья особенность. Она касается температуры пара. На границе раздела она снижается из-за повышения концентрации воздуха на фоне конденсации молекул воды из газовой смеси пар-воздух.
Рассмотрев условия образования конденсата, перейдем к вопросам, связанным с его отводом конденсатоотводчиком.
Проблемы с отводом конденсата в схеме с регулированием «по пару» могут быть по одной из трех причин:
- Неправильно выбран конденсатоотводчик
- Неправильно спроектирована конденсатная линия перед конденсатоотводчиком
- Неправильно спроектирована конденсатная система за конденсатоотводчиком
Наилучшим выбором в данном случае будет поплавковый конденсатоотводчик со встроенным воздушником. При правильном выборе он будет соответствовать по расходу и перепаду давления условиям образования конденсата.
Чтобы конденсат беспрепятственно поступал в конденсатоотводчик трубопровод перед ним не должен быть слишком длинным и слишком узким. В противном случае возрастает вероятность образования паровой пробки и блокирования конденсатоотводчика.
При проектировании конденсатной системы за конденсатоотводчиком следует исходить из того, что для двухфазной системы пар-конденсат расчет следует вести по скорости движения паровой фазы.
Для центральных тепловых пунктов целесообразно применять схему регулирования по конденсату, рис. 3.
Рис. 3. Схема нагрева сетевой воды с регулированием уровня конденсата в теплообменнике
Преимуществ конденсатного регулирования сразу несколько: это и небольшой Ду конденсатной линии, и возможность использования тепла конденсата (особенно актуально, если он не возвращается), и очень важное преимущество-возможность устойчивого регулирования в условиях низкой нагрузки. Конденсатное регулирование тем дешевле, по сравнению с паровым, чем выше мощность теплового пункта. Потому что, конденстоотводчик на большие расходы сильно превосходят по цене регулирующий клапан для конденсата. Особенно, если конденсатоотводчика два. А регулирующий клапан всегда один, даже если подключены 4 теплообменника параллельно.
При этой схеме пар поступает в теплообменник при постоянном давлении и соответственно с постоянной температурой, независимо от температуры сетевой воды. Регулирующий клапан на конденсатной линии под управлением контроллера занимает такое положение, при котором уровень конденсата в теплообменнике и соответственно площадь поверхности теплообмена пар-вода будут соответствовать текущей нагрузке и требуемой температуре сетевой воды. Для реализации в полной мере всех данной схемы нужно учесть важный момент.
Все портит один существенный недостаток. При такой схеме регулирования теплообменник превращается в ловушку неконденсирующихся газов. В схеме с конденсатоотводчиком эти газы свободно удалялись через встроенный в него воздушник. При регулировании по конденсату такой возможности нет, что наглядно видно на примере пластинчатого теплообменника, рис. 4.
Рис. 4. Завоздушивание пластинчатого теплообменника
Так как теплообменник подтоплен конденсатом, то воздух и неконденсирующиеся газы уже не могут выйти из теплообменника через линию отвода конденсата.
Воздух накапливается в теплообменнике и уменьшает полезную площадь теплообмена. Это продолжается до тех пор, пока уровень конденсата не опустится полностью. В этом момент весь воздух выдувается паром и полезная площадь теплообмена внезапно увеличивается. В результате, возникают большие колебания температуры нагреваемой жидкости и также могут возникнуть механические проблемы усталости металла пластин. Во-первых, в завоздушенном пластинчатом теплообменнике температура пластин не будет одинаковая и возникнет температурный перекос. Во-вторых, при «продувке» теплообменника происходит циклическое резкое изменение температуры пластин. От таких тяжелых условий можно не только «заплакать» но и «лопнуть».
Для того, чтобы избежать этих проблем можно рекомендовать использовать вертикальный кожухотрубный теплообменник с воздушником, установленным по схеме, как показано на рис. 5.
Рис. 5. Отвод воздуха их вертикального кожухотрубного теплообменника
В любом случае схему с регулированием «по конденсату» можно применять только если процесс стабильный и непрерывный, тогда и уровень конденсата может стабилизироваться и температура может правильно поддерживаться.
Именно по этой причине такая схеме не может быть рекомендована для ГВС. В этом случае необходимо регулирование «по пару». И тогда, как уже было сказано, регулирующий клапан с «быстрым» приводом будет пропускать в теплообменник столько пара, сколько требуется для нагрева воды при текущей нагрузке. А вся теплообменная поверхность будет задействована для конденсации при передаче тепла от пара к воде. При этом важно, чтобы привод клапана успевал реагировать на колебания нагрузки и не создавал условий для колебаний температуры.
Для понимания дальнейшего описания, нужно вспомнить, что такое давление. Для этого посмотрим на формулу ниже:
Не обращая внимания на постоянную К и на энергию отдельной молекулы воды 
мы увидим, что давление P в теплообменнике напрямую зависит от числа молекул в единице объема 
.
При этом важно заметить, то это давление будет, пока есть хоть одна молекула воды (пара) в паровом пространстве теплообменника. При этом молекулам все равно, абсолютное это давление или избыточное. Они этого не знают. Но мы то знаем.
При нагреве воды для ГВС, когда теплообменники с регулированием по «пару» работают в широком диапазоне тепловых нагрузок давление в паровом пространстве изменяется от вакуума до максимального рабочего значения и обычные конденсатоотводчики не могут обеспечить стабильный отвод конденсата. В этом случае рекомендуется применять специальные перекачивающие конденсатоотводчики, рис. 6.
Рис. 6. Схема с перекачивающим конденсатоотводчиком Power Trap
Перекачивающие конденсатоотводчики работают в двух режимах: при достаточном перепаде давления – как нормальный поплавковый конденсатоотводчик, при недостаточном перепаде давления – как механический конденсатный насос. Переключение из одного режима в другой происходит автоматически в зависимости от уровня конденсата внутри конденсатоотводчика.
Их особенности: отсутствие заметного подтопления конденсатом во всем диапазоне рабочих давлений; относительно высокая пропускная способность при низких давлениях пара; безупречная работа конденсатоотводчика даже при вакууме; автоматический отвод воздуха и неконденсируемых газов как при запусках, так и во время работы. Если возможна ситуация, когда давление после конденсатоотводчика будет выше, чем давление перед конденсатоотводчиком, то необходимо применять перекачивающий конденсатоотводчик.
Чтобы перекачивающий конденсатоотводчик обеспечивал нужную производительность важно правильно выбрать диаметр отводящего конденсатопровода. Производительность насоса указана в паспорте в тоннах в час. Если выбрать диаметр трубы по этому расходу, он окажется недостаточным. Дело в том, что это насос циклического действия. Средняя производительность в несколько раз меньше пиковой. Вот на нее то и должен быть рассчитан конденсатопровод. Разумеется, его длину, профиль и местные сопротивления тоже необходимо учесть.
В заключении приведем некоторые соображения по поводу отводу конденсата от технологических установок с особыми требованиями, пример одной из них на рис. 7.
Рис. 7. Схема управления технологическим реактором.
Наилучшим образом обеспечить требуемую точность в поддержании заданных значений технологических параметров и возможность менять их в зависимости от изменения технологических карт может только система, в которой нет конденсатоотводчиков. Клапаны с интеллектуальным приводом в этом случае – наилучший выбор. Они полностью интегрируются в SCADA систему, имеют функцию самодиагностирования и сигнализации, позволяют настраивать расходную характеристику, выходят на связь с мобильными гаджетами. Другими словами, обладают всеми возможностями, присущими высокотехнологичному оборудованию.
Как пример такого оборудования можно привести Вакуумайзер, рис. 8, специально предназначенный для нагрева и охлаждения в установках для чистых технологий.
Рис. 8. Вакуумайзер TLV
Во всех остальных случаях, для «традиционных» технологических установок, для отвода конденсата с успехом может быть применен один из старых добрых конденсатоотводчиков.