Пример выбора устройства отвода конденсата

Пример 13.4.1. Выбор устройства отвода конденсата

На предприятии требуется пароводяной теплообменник, работающий при номинальном давлении 4 бар изб., чтобы нагревать технологическую воду с постоянным расходом 1 л/с (1 кг/с) от 10°C до 80°C, что даёт расчётную нагрузку 293 кВт. Особенность процесса такова, что минимальная тепловая нагрузка составляет 60% от полной. Это постоянно работающая технологическая линия без планируемого роста нагрузки. Двум поставщикам предложено подобрать теплообменник. Для выбора важна следующая информация:

• поставщик X может предложить теплообменник с площадью нагрева 2 м2, значением U 2 500 Вт/м2 °C и производительностью 350 кВт при работе на паре 4 бар изб. и расходе воды 1 л/с;
• поставщик Y может предложить теплообменник с меньшей площадью нагрева, лучше соответствующей расчётной нагрузке 293 кВт, при работе на паре 4 бар изб. и расходе воды 1 л/с. Значение U равно 2500 Вт/м2 °C;
• линия отвода конденсата от теплообменника будет подниматься на 5 метров до трубопровода возврата конденсата, который затем идёт к вентилируемой приёмной ёмкости, при общем противодавлении 0.5 бар изб. Примечание: столб воды высотой 1 метр при атмосферном давлении создаёт давление у основания примерно 10 кПа или 0.1 бар изб. Любой подъём линии отвода конденсата создаёт статический напор за счёт столба конденсата в линии помимо любого давления в самой конденсатной системе.

Необходимо определить рабочие условия системы, чтобы правильно выбрать и подобрать устройство отвода конденсата для надёжного удаления конденсата от обоих теплообменников при любом рабочем режиме.

Для корректного отвода конденсата нужно ответить на следующие вопросы:

(A) Возникнет ли stall при нормальной эксплуатации?

(B) При какой нагрузке возникнет stall?

Проверим тепловую нагрузку процесса в расчётном режиме.

Из уравнения теплопередачи (уравнение 2.6.5): Рассмотрим поставщика X

Теплообменник 350 кВт с площадью нагрева 2 м2.

Каково будет давление в паровом пространстве этого аппарата при данной расчётной нагрузке?

Сначала нужно определить LMTD (ΔTLM) для площади нагрева 2 м2.

Из уравнения 13.2.1: Теперь расчётную температуру пара можно определить по уравнению 2.5.5: Эта температура насыщения соответствует давлению пара 0.45 бар изб. Это давление ниже противодавления 0.5 бар изб., следовательно система будет постоянно находиться в режиме stall.

В таком случае, если установить шаровой поплавковый конденсатоотводчик, конденсат будет постоянно затапливать теплообменник, а его уровень будет меняться вместе с нагрузкой. Рабочие характеристики могут быть неудовлетворительными, поскольку температура на выходе вторичной стороны будет стремиться к колебаниям, а сам теплообменник может преждевременно выйти из строя из-за коррозии.

Если система постоянно работает в условиях stall, шаровой поплавковый конденсатоотводчик является неверным выбором для этой задачи, и вместо него нужно устанавливать pump-trap.

Рассмотрим поставщика Y

Чтобы производитель мог подобрать площадь нагрева, наилучшим образом соответствующую расчётному режиму, необходимо определить минимальную площадь нагрева, которая обеспечит работу на полной нагрузке. Сначала нужно определить расчётное LMTD для теплообменника с давлением в паровом пространстве 4 бар изб. (TS = 152°C).

Из уравнения 2.5.5: Из стандартного ряда поставщик Y может предложить пластинчатый теплообменник, удовлетворяющий спецификации, с площадью нагрева 1.198 м2. Он имеет небольшой запас по размеру, примерно 5%, поэтому при полной рабочей нагрузке давление пара будет ниже 4 бар изб.

На практике теплообменники часто задаются как минимум с 10% запасом по мощности. Именно поэтому перед выбором и подбором устройства отвода конденсата всегда следует определять рабочее давление пара, а не ориентироваться только на указанное номинальное рабочее давление. Надёжный производитель должен предоставить эту информацию либо как минимум площадь нагрева, значение U и тепловую мощность. По этим данным можно вычислить расчётное LMTD, а затем определить рабочее давление.

Найдём LMTD для теплообменника с площадью нагрева 1.198 м²: Эта температура насыщения соответствует давлению пара 3.4 бар изб. в расчётном режиме. Поскольку это давление выше постоянного противодавления 0.5 бар изб., система не войдёт в stall при полной нагрузке.

Каков расход пара (ṁs) при полной нагрузке?

Массовый расход пара будет зависеть от давления в паровом пространстве, которое при полной нагрузке равно 3.4 бар изб., а теплота парообразования составляет 2122 кДж/кг.

Из уравнения 2.8.1:

Что такое TDC?

Теперь нужно определить тепловую нагрузку, при которой система войдёт в stall. Для этого необходимо вычислить TDC данного теплообменника из расчётных условий.

Из уравнения 13.2.2: Условие stall

При stall давление в паровом пространстве будет равно противодавлению 0.5 бар изб.

Температура насыщения пара при 0.5 бар изб. составляет 111.6°C.

Из уравнения 13.2.4 можно найти температуру на входе:

Какова тепловая нагрузка при stall?

Из уравнения теплопередачи (уравнение 2.6.5): Выбор устройства отвода конденсата будет зависеть от того, выше или ниже минимальная тепловая нагрузка относительно нагрузки stall.

Минимальная нагрузка задана как 60% от полной нагрузки 293 кВт, следовательно:

Минимальная нагрузка = 0.6 x 293 кВт = 176 кВт

Нагрузка stall = 138 кВт

Так как минимальная нагрузка выше нагрузки stall, система никогда не войдёт в stall. Следовательно, здесь допустимо использовать шаровой поплавковый конденсатоотводчик, поскольку на нём всегда будет положительный перепад давления.

Однако шаровой поплавковый конденсатоотводчик должен быть подобран так, чтобы пропускать как полную, так и минимальную нагрузку, поэтому необходимо рассчитать расходы пара и соответствующие давления в паровом пространстве для обоих режимов.

Сначала нужно определить температуру вторичной среды на входе при минимальной нагрузке. Это можно предсказать с помощью уравнения 13.4.1: Режим минимальной нагрузки

Из уравнения 13.2.3:

Это температура пара при минимальной нагрузке 176 кВт, соответствующая давлению пара 1.0 бар изб. Давление конденсата равно 0.5 бар изб. Следовательно, перепад давления на шаровом поплавковом конденсатоотводчике при минимальной нагрузке составляет 1.0 бар изб. - 0.5 бар изб. = 0.5 бар.

Каков расход пара (ṁ (min)) при минимальной тепловой нагрузке 176 кВт?

Минимальный расход пара будет зависеть от давления в паровом пространстве, которое равно 1.0 бар изб., при теплоте парообразования 2201.1 кДж/кг.

Из уравнения 2.8.1: Поскольку установлено, что эта система не будет входить в stall, шаровой поплавковый конденсатоотводчик здесь подходит. Теперь нужно подобрать его на работу при максимальном перепаде давления системы 3.5 бар и обеспечить пропуск:

a) полной нагрузки 498 кг/ч при перепаде давления 3.4 бар изб. - 0.5 бар изб. = 2.9 бар изб.

b) минимальной нагрузки 288 кг/ч при перепаде давления 1.0 бар изб. - 0.5 бар изб. = 0.5 бар изб.

Из диаграммы подбора шарового поплавкового конденсатоотводчика (рисунок 13.4.1) видно, что FT14-4.5 DN25 (1") удовлетворяет обоим условиям и может быть выбран. Однако если бы минимальная тепловая нагрузка была ниже нагрузки stall, пришлось бы выбирать pump-trap.

Методы выбора устройства отвода конденсата далее рассматриваются в модуле 13.8, Практические методы предотвращения stall.