Пар используется во множестве промышленных процессов. Однако обычно пар вырабатывается в одной части предприятия, а используется в другой. Это означает, что для получения пользы от его тепловой энергии пар необходимо перемещать по площадке.
В этой статье мы рассмотрим, как распределяется пар, и в чем заключаются преимущества его транспортировки по сравнению с такими альтернативами, как низкотемпературная горячая вода (LTHW).
Почему пар нужно перемещать?
По соображениям безопасности и удобства обслуживания пар обычно вырабатывается на некотором расстоянии от тех участков, где он нужен. Хотя пар1 производится в котельной (A), процессы (B), использующие его тепловую энергию, могут находиться за сотни метров.
Если у вас есть несколько процессов, которым требуется тепло, пар должен доходить до каждого из них вне зависимости от того, где именно на площадке он расположен. Паропроводы (C) распределяют пар из котельной к этим процессам.
Например, на пищевом производстве процессы, зависящие от тепловой энергии пара, могут включать стерилизацию, пастеризацию, приготовление, сушку и обезвоживание. И каждый из этих процессов может происходить в отдельной части завода.
Как распределяется пар?
Пар является газом, поэтому он движется за счет собственной энергии при перепаде давления. Поэтому, если в котельной (A) пар производится под высоким давлением, а затем давление на процессах (B), где происходит теплопередача2, понижается, пар естественным образом течет по трубопроводам из котельной к потребителям. В отличие от LTHW, пар не нужно перекачивать насосами.
Помимо паропроводов, требуется и отдельная система труб (D) для возврата жидкого конденсата от процесса обратно в котельную. Поскольку пар передает полезную тепловую энергию в процесс через конденсацию, этот жидкий конденсат необходимо удалять, потому что он уже не может отдать больше тепла.
Связь давления и объема у пара
Давление не только позволяет распределять пар, но и влияет на его удельный объем, потому что пар является сжимаемым газом.
При повышении давления в котле объем пара уменьшается. Однако при снижении давления на процессе объем снова увеличивается. Понимая зависимость между давлением и объемом, можно рассчитывать, как изменение давления влияет на объем пара.
Поскольку под давлением объем пара уменьшается, это напрямую влияет на размеры трубопроводов, необходимых для его транспортировки.
Как давление влияет на размер паропровода?
Правильный выбор диаметра паропроводов позволяет распределять необходимую массу пара максимально эффективно. Когда пар сжимается и его объем уменьшается, для подачи пара из котельной к процессу можно использовать трубы меньшего диаметра.
Например, чтобы распределять 1 000 кг/ч сухого насыщенного пара при 2 бар изб., потребуются трубы диаметром DN100. Но если поднять давление до 10 бар изб., объем пара уменьшится, и для тех же 1 000 кг/ч уже будет достаточно труб DN50.
Почему трубы меньшего диаметра выгодны?
Перемещение пара по трубам меньшего диаметра имеет ряд преимуществ по сравнению с жидкостными альтернативами, такими как LTHW.
Более эффективное использование пространства
Использование труб меньшего диаметра для пара и конденсата помогает эффективнее использовать пространство на площадке. Такие трубопроводы занимают меньше места и легче размещаются в технических помещениях и других зонах прокладки.
Более легкие трубопроводы
Поскольку трубы меньшего диаметра легче, для их крепления требуется меньше кронштейнов и опор.
Меньшие затраты на монтаж
Монтаж паропроводов меньшего диаметра обходится дешевле, чем крупных трубопроводов. Экономия достигается не только на самих трубах и опорной инфраструктуре, но и на объеме теплоизоляции и трудозатратах на установку.
Меньшие потери тепла из-за излучения
Поскольку пар при конденсации на более холодной поверхности отдает тепло, часть энергии теряется через трубопроводы из-за теплового излучения. Хотя изоляция снижает эти потери, размер трубы также имеет значение.
Трубы большего диаметра дают большую поверхность, на которой пар может конденсироваться и отдавать тепловую энергию. Соответственно, уменьшение диаметра труб снижает площадь, через которую может уходить тепло.
Сколько энергии нужно для выработки и распределения пара?
На выработку пара требуется больше энергии, чем на генерацию LTHW, потому что пар производится при более высоких температурах и давлениях. Однако на распределение пара уходит значительно меньше энергии, чем на распределение LTHW.
LTHW требует энергии для насосов, которые прокачивают ее по предприятию. Пар же насосов не требует, потому что это газ, который течет естественно при перепаде давления.
Например, теплопотери в трубопроводах при передаче 2 МВт энергии через систему LTHW с температурным графиком 70-90℃ составят 9.6 кВт. Потери при передаче эквивалентной энергии паром составят 14.6 кВт. Однако для прокачки LTHW понадобится 6.5 кВт электроэнергии, тогда как паровой системе требуется лишь около 0.7 кВт для насоса, подающего воду в котельную.
Если учитывать и генерацию, и распределение, суммарное энергопотребление у пара и LTHW оказывается сопоставимым.
Преимущества распределения пара
Перемещение пара по предприятию имеет ряд преимуществ по сравнению с альтернативными источниками тепловой энергии. Как сжимаемый газ, пар занимает меньший объем и может распределяться по трубам меньшего диаметра, что делает такую систему более эффективной с точки зрения пространства и энергии. В отличие от LTHW, пар не нужно перекачивать насосами, поэтому на этапе распределения он требует меньше энергии. Для движения по паропроводам ему нужен только перепад давления.