Теплообменники с избыточным запасом по размеру

Предыдущие расчёты (модуль 13.2) исходили из предположения, что теплообменник был подобран по идеально необходимой площади нагрева для выполнения требований спецификации. Это означало бы, что теплообменник точно соответствует требуемой нагрузке.

На практике это маловероятно, поскольку проектировщик или составитель спецификации обычно закладывает дополнительные факторы, включая загрязнение поверхностей и неопределённость максимальных рабочих нагрузок. Кроме того, производители редко могут поставить теплообменник, идеально совпадающий со спецификацией. Поскольку недоразмеренные теплообменники непрактичны, обычно их приобретают с запасом.

Рабочие условия, заданные в примере 13.2.1, часть C, в примере 13.3.1 пересматриваются с добавлением 15% к требуемой площади нагрева для учёта возможных отклонений.

Расчётная площадь нагрева составляет 1.09 м² (пример 13.2.1, часть C), следовательно, требуемая площадь для примера 13.3.1 будет равна 1.09 + 15% = 1.254 м².

Минимальный размер, который может поставить производитель, имеет площадь нагрева 1.31 м², то есть фактическая площадь примерно на 20% больше требуемой. Большая площадь нагрева требует меньшего давления пара для той же интенсивности теплопередачи, поэтому в избыточно крупном теплообменнике давление пара при той же тепловой нагрузке будет ниже.

Поскольку давление пара меньше, ниже будет и температура пара, а также LMTD теплообменника, то есть логарифмическая средняя разность температур.

Чтобы определить температуру пара для расчётного режима, сначала нужно найти новое значение LMTD (ΔTLM) для увеличенной площади нагрева (см. пример 13.3.1).

Пример 13.3.1

Значение ΔTLM можно найти, преобразовав уравнение 13.2.1 к виду уравнения 13.3.1. Из примера 13.2.2, при полной нагрузке: Температура вторичной среды на входе (T1) = 10°C

Температура вторичной среды на выходе (T2) = 60°C

Теперь новая расчётная температура пара может быть определена по уравнению 2.5.5: Эта температура соответствует давлению пара 1.95 бар изб. Когда в модуле 13.2 теплообменник был идеально подобран по размеру, давление пара составляло 4 бар изб. В данном примере при теплообменнике с запасом по площади около 20% давление пара на 51% ниже.

Теперь, когда давление пара при полной нагрузке определено, можно рассчитать расход пара в этом режиме. Используя уравнение 2.8.1, найдём расход пара при полной тепловой нагрузке 314.25 кВт. При 1.95 бар изб. по таблицам пара теплота парообразования составляет 2 164.6 кДж/кг. В идеально подобранном теплообменнике (пример 13.2.1) расход пара составлял 536.6 кг/ч, поэтому видно, что массовый расход немного снижается — на 2.5%. Это происходит потому, что в более крупном теплообменнике при меньшем давлении пар имеет немного большую теплоту парообразования.

Определение TDC для большего теплообменника Теперь, когда температура пара для избыточно крупного теплообменника определена с использованием уравнения LMTD [уравнение 2.5.5], можно найти его TDC по уравнению 13.2.2. При минимальной тепловой нагрузке: Когда теплообменник был идеально подобран в примере 13.2.1, температура пара при минимальной нагрузке 188.5 кВт составляла 115.2°C.

Поскольку в этом примере теплообменник примерно на 20% больше, температура пара при минимальной нагрузке тоже будет ниже. Минимальная тепловая нагрузка остаётся такой же, как в примере 13.2.1, и возникает, когда температура вторичной среды на входе поднимается до 30°C. Из уравнения 13.2.3: Если сравнить два теплообменника при минимальной нагрузке, температура пара падает с 115.2°C в идеально подобранном теплообменнике до 103.8°C в теплообменнике с запасом по размеру.

Согласно таблицам пара, этой температуре соответствует давление около 0.15 бар изб., а hfg = 2 247 кДж/кг. В идеально подобранном теплообменнике давление пара при 115.2°C составляло 0.7 бар изб.

Используя уравнение 2.8.1, можно найти расход пара при минимальной тепловой нагрузке 188.5 кВт. Минимальный расход пара в идеально подобранном теплообменнике (пример 3.2.1) составлял 306 кг/ч, поэтому видно, что при минимальной нагрузке массовый расход в увеличенном теплообменнике немного ниже. Причина снова в том, что при меньшем давлении пар имеет чуть большую теплоту парообразования.

Давление пара, steam trap и эффективный отвод конденсата

По мере того как пар отдаёт тепло через поверхность теплообмена вторичной среде, он конденсируется в паровом пространстве. Конденсат выходит через выпуск теплообменника и проходит через steam trap, который удерживает пар в паровом пространстве, одновременно свободно пропуская конденсат.

Если теплообменник не был специально спроектирован для работы с затоплением парового пространства конденсатом, давление пара нужно оценивать особенно внимательно, чтобы обеспечить правильный отвод конденсата. Любое затопление парового пространства уменьшает эффективную площадь нагрева, и требуемая теплопередача может сохраняться только если теплообменник достаточно, иногда случайно, переразмерен.

Пропускная способность steam trap зависит от его типа, размера проходного сечения и перепада давления на нём. Именно перепад давления даёт энергию для проталкивания конденсата через отводчик и определяется как разница между давлением пара в теплообменнике и противодавлением на выходе отводчика со стороны конденсатной системы.

Если steam trap отводит конденсат самотёком по правильно подобранной трубе в вентилируемую конденсатную ёмкость или в открытую точку, противодавление должно быть очень близким к атмосферному. В этих условиях перепад давления на диаграмме подбора можно просто принимать равным избыточному давлению в теплообменнике.

Однако если после отводчика есть подъём линии, линия отвода конденсата занижена по размеру либо находится под давлением по другой причине, противодавление временами может оказаться выше давления в паровом пространстве. В этом случае перепад давления на отводчике становится обратным и считается «отрицательным перепадом давления». Пропускная способность отводчика в такой ситуации равна нулю.

Как видно из приведённых выше расчётов, давление пара в любом теплообменнике определяется его размером и условиями на вторичной стороне. Поскольку пропускная способность steam trap зависит от перепада давления, любое изменение давления пара и противодавления постоянно влияет на его работу. По мере уменьшения перепада давления пропускная способность падает. Пока перепад давления остаётся положительным, а steam trap выбран и подобран с учётом этого условия, затопления и связанных с ним проблем не возникнет.

Подбор steam trap для теплообменника с избыточным запасом по размеру Условия, которые нужно учитывать:

• полная нагрузка: 523 кг/ч при 1.95 бар изб. в паровом пространстве;
• минимальная нагрузка: 302 кг/ч при 0.15 бар изб. в паровом пространстве;
• противодавление: атмосферное давление (0 бар изб.). Рассмотрим на диаграмме пропускной способности поплавкового отводчика на рисунке 13.3.2 шаровой поплавковый steam trap FT14-4.5 DN25 (1"). Из диаграммы видно, что при перепаде давления 1.95 бар он пропускает 850 кг/ч. Также видно, что при перепаде 0.15 бар его пропускная способность составляет около 370 кг/ч. В этом примере предполагается, что отводчик установлен на теплообменнике с запасом по размеру и отводит конденсат самотёком в вентилируемую конденсатную ёмкость, как показано на рисунке 13.3.1.

Чтобы обеспечить надёжный дренаж, steam trap должен справляться со всеми режимами между полной и минимальной нагрузкой.

Так как в этом примере противодавление со стороны конденсата атмосферное, минимальное давление в паровом пространстве 0.15 бар изб. всегда выше противодавления. Из диаграммы пропускной способности (рисунок 13.3.2) видно, что отводчик имеет достаточную пропускную способность и при минимальной, и при максимальной нагрузке, следовательно шаровой поплавковый steam trap FT14-4.5 DN25 (1") подходит по размеру.

Однако если бы в этом примере противодавление оказалось выше минимального давления пара 0.15 бар изб., система вошла бы в stall в каком-то участке нормального рабочего диапазона. Для этого достаточно было бы подъёма линии после отводчика всего чуть более чем на 1.5 метра. Соответственно, отводчик пришлось бы выбирать и подбирать уже с учётом величины противодавления. При большем противодавлении может понадобиться установка pump-trap.

Рекомендации по выбору правильного trap для теплообменника приведены в модуле 13.4.