Основные типы десуперподогревателей

#Десуперподогреватели

Простейший тип десуперподогревателя представляет собой неизолированный участок трубы, от которого тепло может излучаться в окружающую среду. Однако, помимо очевидного риска травмирования персонала из-за столь горячего элемента установки и дорогостоящих потерь энергии, такой подход не способен компенсировать изменения условий окружающей среды, температуры пара или его расхода. Существует несколько конструкций десуперподогревателей, и при подборе и выборе подходящей станции для конкретного применения рекомендуется учитывать следующие свойства:

• Диапазон регулирования - turndown используется для описания диапазона расходов, в котором может работать десуперподогреватель, как показано в Уравнении 4.2.1. Это важный параметр, поскольку любое изменение входного давления, температуры или расхода вызывает изменение потребности в охлаждающей жидкости.

В общем случае для конкретного десуперподогревателя могут задаваться два значения диапазона регулирования:

Диапазон регулирования по пару - отражает диапазон расходов пара, в котором устройство может эффективно выполнять десуперподогрев.

Диапазон регулирования по охлаждающей воде - отражает диапазон расходов охлаждающей воды, который можно использовать.

Хотя это напрямую влияет на диапазон регулирования по пару, фактическая зависимость определяется температурами перегретого пара, охлаждающей воды и получаемого десуперподогретого пара. Уравнение 15.1.1 является уравнением теплового и массового баланса для этого применения: Следует отметить, что расходы пара и воды прямо пропорциональны друг другу; коэффициент пропорциональности k зависит от энтальпии перегретого пара, охлаждающей воды и требуемого десуперподогретого пара. Если требуемый диапазон регулирования невозможно обеспечить одним десуперподогревателем, можно установить два устройства параллельно с переключением работы с одного на другое либо с одновременной работой обоих в зависимости от потребности в паре. Следует помнить, что сам десуперподогреватель - лишь одна часть станции десуперподогрева, которая также включает необходимую систему управления для корректной работы.

• Рабочие давления и температуры.
• Расход пара и воды.
• Величина перегрева до процесса и требуемое состояние десуперподогретого пара после процесса.
• Доступное давление воды (может потребоваться повышающий насос).
• Требуемая точность конечной температуры.
• В случае линейных десуперподогревателей также важно расстояние, которое проходит пар до полного завершения десуперподогрева. Оно называется длиной поглощения. В следующих разделах приведены описания распространенных типов десуперподогревателей, их ограничений и типовых применений.

#Десуперподогреватели непрямого контакта

Десуперподогреватели с трубным пучком Этот тип десуперподогревателя (Рисунок 15.2.2) представляет собой теплообменник, обычно кожухотрубный, где с одной стороны находится перегретый пар, а с другой - охлаждающая среда. Кожух первого теплообменника (содержащего охлаждающую воду) жестко закреплен на стороне входа с обоих концов, тогда как на стороне выхода он закреплен снизу и открыт сверху. Плавающая головка позволяет выравнивать давление в двух секциях кожуха. Охлаждающей средой служит вода при температуре и давлении насыщения. Когда перегретый пар проходит сначала через первый, а затем через второй набор труб, он отдает тепло воде, часть которой испаряется за счет подведенной энергии. Испарившаяся охлаждающая вода проходит через плавающую головку и накапливается в выходной части кожуха. Затем она проходит через открытый конец кожуха, где смешивается с десуперподогретым паром. Преимущества:

1. Диапазон регулирования ограничен только установленной системой управления.
2. Такая конструкция позволяет получать десуперподогретый пар с температурой в пределах 5°C от температуры насыщения.
3. Высокие максимальные рабочие температуры и давления, обычно около 60 bar и 450°C.
4. Быстрый отклик. Недостатки:
5. Громоздкость - поскольку сегодня доступны многочисленные линейные устройства, такие конструкции в значительной степени были вытеснены.
6. Стоимость.
7. Важной проблемой для данного типа десуперподогревателя является эффективность процесса теплообмена. Образование воздушных или накипных пленок на поверхности теплообмена может действовать как чрезвычайно эффективный барьер для теплопередачи. Применения:
8. Применения с широкими колебаниями нагрузки.

#Десуперподогреватели прямого контакта

Десуперподогреватель ванного типа Это простейшая форма десуперподогревателя прямого контакта. Перегретый пар впрыскивается в водяную ванну. Дополнительное тепло вызывает испарение насыщенного пара с поверхности ванны. Регулятор давления поддерживает постоянное давление в сосуде, а следовательно, и температуру с давлением насыщенного пара в трубопроводе после него. Поскольку перегретый пар содержит больше энергии на единицу массы, чем насыщенный пар, испарится больше пара, чем фактически поступает в десуперподогреватель. Вследствие этого уровень воды будет снижаться, и необходимо предусмотреть его поддержание. Обычно для этого требуется насос, аналогичный по конструкции насосу питательной воды котла, так как воду приходится подавать против давления в сосуде.

На линии подачи перегретого пара необходим надежный обратный клапан, чтобы при падении давления в магистрали перегретого пара вода из ванны не могла быть втянута обратно в систему. Преимущества:

1. Простота.
2. Пар вырабатывается при температуре насыщения.
3. Можно получать пар со степенью сухости 0.98.
4. Диапазон регулирования ограничен только установленной системой управления.

Недостатки:

1. Громоздкость.
2. Непрактичность для высоких температур.

Применения:

1. Широкие изменения расхода.
2. Случаи, когда недопустим даже небольшой остаточный перегрев.

#Десуперподогрев распылением воды

Этот тип десуперподогрева применяется в подавляющем большинстве случаев. В десуперподогревателях распылительного типа перегретый пар проходит через участок трубопровода, снабженный одной или несколькими форсунками. Они впрыскивают мелкодисперсный распыл охлаждающей воды в поток перегретого пара, что вызывает испарение воды и уменьшает величину перегрева. Охлаждающая вода может вводиться в перегретый пар несколькими способами; соответственно существует несколько различных типов распылительных десуперподогревателей.

Несмотря на это, на большинство распылительных десуперподогревателей влияют следующие факторы:

• Размер частиц - чем меньше размер водяных частиц, тем больше отношение площади поверхности к массе и тем выше скорость теплопередачи. Поскольку вода впрыскивается непосредственно в движущийся перегретый пар, чем меньше размер частиц, тем короче расстояние, необходимое для теплообмена. Вода дробится на мелкие частицы либо механическим устройством (например, форсункой с переменным или фиксированным отверстием), либо парораспыляющими форсунками.
• Турбулентность - чем более турбулентен поток в трубопроводе, тем дольше отдельные увлеченные частицы воды остаются в десуперподогревателе, что способствует большей теплопередаче. Кроме того, турбулентность улучшает смешение охлаждающей воды и перегретого пара. Повышение турбулентности сокращает расстояние, необходимое для полного завершения десуперподогрева. Турбулентность можно создать двумя способами:
• Перепад давления на форсунке - если подвергнуть охлаждающую воду большему перепаду давления, ее скорость возрастет, что вызовет более интенсивную турбулентность.
• Скорость - при увеличении общей скорости водяно-паровой смеси уровень турбулентности естественным образом возрастает. Увеличение скорости обычно достигается созданием сужения в пути пара, что дополнительно генерирует турбулентность за счет срыва вихрей. Помимо этих высоких скоростей, при плохой практике проектирования трубопроводов скорость перегретого пара теоретически может приблизиться к числу Маха 1. На таких скоростях возникнет ряд проблем, включая появление ударных волн. Однако это значительно превышает скорости, используемые при грамотном проектировании трубопроводов. Типичные скорости пара на входе в десуперподогреватель должны составлять около 40 - 60 m/s.
• Расход охлаждающей воды - скорость, с которой охлаждающая вода может добавляться к перегретому пару, зависит от ряда факторов, связанных Уравнением 4.2.11: Учитывая, что C и g являются постоянными, анализ Уравнения 4.2.11 показывает, что для изменения расхода охлаждающей воды qv можно воздействовать только на два фактора:

Изменение перепада давления на отверстии (форсунке), h - выражая расход как функцию перепада давления на форсунке: Это означает, что если, например, расход нужно увеличить в 5 раз, доступное давление должно увеличиться в 5² = 25 раз. Следствием такой зависимости является существенное ограничение диапазона регулирования. Помимо влияния на расход охлаждающей воды, при определении необходимого давления охлаждающей воды следует учитывать еще два важных обстоятельства:

1. Давление охлаждающей воды должно быть выше давления перегретого пара в точке впрыска.
2. Чем больше перепад давления на форсунке, тем лучше распыление охлаждающей воды. Изменение площади отверстия A - выражая расход как функцию площади отверстия: V ∝ A Эта прямая зависимость означает, что если, например, расход нужно увеличить в 5 раз, доступная площадь также должна увеличиться в 5 раз. Такое изменение можно реализовать либо отверстием с изменяемой площадью (см. Рисунок 15.2.4), либо изменением количества отверстий, через которые проходит охлаждающая среда.

• Термические гильзы - необходимо тщательно управлять распылом, чтобы вода не выпадала из взвешенного состояния, так как это может вызывать термические напряжения в трубопроводе и приводить к трещинообразованию. Однако в некоторых случаях для защиты можно использовать внутреннюю термическую гильзу. Термическая гильза также обеспечивает циркуляцию перегретого пара в кольцевом пространстве между гильзой и внутренним диаметром трубы. Это создает горячую поверхность, на которой может испаряться впрыскиваемая вода, в отличие от стенок десуперподогревателя, которые неизбежно холоднее.

#Десуперподогреватели распылительного типа

Распылительные десуперподогреватели с радиальным впрыском из одной точки Самый простой способ подачи охлаждающей воды - ввести форсунку через стенку трубы. Частицы охлаждающей воды распыляются поперек потока перегретого пара. Количество впрыскиваемой охлаждающей воды регулируется изменением положения клапана в центре форсунки. Преимущества:

1. Простота в работе.
2. Экономичность.
3. Минимальное падение давления пара. Недостатки:
4. Низкий диапазон регулирования, обычно максимум 3:1 как по пару, так и по охлаждающей воде.
5. Температуру десуперподогретого пара можно снизить только до 10°C выше температуры насыщения.
6. Более длинная длина поглощения, чем у парораспыляющего типа.
7. Наиболее склонен вызывать эрозионное повреждение внутренней поверхности трубопровода. Это можно устранить использованием термической гильзы.
8. Ограниченный диапазон размеров труб. Применения:
9. Постоянная паровая нагрузка.
10. Постоянная температура пара.
11. Постоянная температура охлаждающей среды. Все это означает сравнительно постоянную потребность в охлаждающей воде. Распылительные десуперподогреватели с радиальным впрыском из нескольких точек ****Это развитие конструкции с радиальным впрыском из одной точки. Охлаждающая вода распыляется из нескольких отверстий по периметру трубы.

#Распылительные десуперподогреватели с осевым впрыском

Это также простой линейный распылительный десуперподогреватель, но точка впрыска перенесена на ось трубопровода. Охлаждающая вода впрыскивается в поток пара через одну или несколько распыляющих форсунок (см. Рисунок 15.2.8). Устройство обычно оснащается термической гильзой. Осевой впрыск охлаждающей воды улучшает смешение воды и перегретого пара двумя способами:

1. Поскольку вода впрыскивается вдоль центра трубопровода, она более равномерно распределяется по всему потоку перегретого пара.
2. Трубка подачи охлаждающей воды, введенная в трубопровод, действует как препятствие, создавая дополнительную турбулентность в точке впрыска за счет срыва вихрей. Одна из модификаций этой базовой схемы заключается в развороте форсунки так, чтобы охлаждающая вода распылялась навстречу потоку пара, вверх по потоку. Высокая скорость перегретого пара разворачивает поток распыляемой воды и направляет его обратно через смесительную камеру. Это обеспечивает более эффективное смешение воды и пара на короткой длине поглощения. Преимущества:
3. Простота в работе.
4. Отсутствие движущихся частей.
5. Экономичность во всем диапазоне размеров.
6. Минимальное падение давления пара. Недостатки:
7. Низкий диапазон регулирования, обычно максимум 3:1 как по пару, так и по охлаждающей воде.
8. Температуру десуперподогретого пара можно снизить только до 10°C выше температуры насыщения.
9. Длина поглощения больше, чем у парораспыляющего типа, но меньше, чем у десуперподогревателей радиального типа.
10. Наиболее склонен вызывать эрозионное повреждение внутренней поверхности трубопровода. Это можно устранить использованием термической гильзы. Применения:
11. Постоянная паровая нагрузка.
12. Постоянная температура пара.
13. Постоянная температура охлаждающей среды. Все это означает сравнительно постоянную потребность в охлаждающей воде.

#Десуперподогреватели с осевым впрыском через несколько форсунок

Вместо одной форсунки десуперподогреватель с несколькими форсунками осевого впрыска использует ряд форсунок поперек потока перегретого пара. Это обеспечивает хорошее распределение капель воды. Существует три основных типа десуперподогревателей с несколькими форсунками осевого впрыска:

1. Тип с фиксированной площадью - при работе десуперподогревателя открыты все форсунки, а подача охлаждающей воды регулируется клапаном управления распыляемой водой.
2. Тип с переменным распылом - температура после десуперподогревателя определяет количество открытых форсунок. Охлаждающая вода поступает в десуперподогреватель через водяную рубашку в зону уплотнения над диском (см. Рисунок 15.2.12). Когда связанная система регулирования температуры фиксирует рост температуры пара после устройства, привод перемещает шток вниз, постепенно открывая больше форсунок. При изменении потребности в охлаждающей воде узел штока и диска перемещается вверх и вниз по мере необходимости. Это приводит к изменению суммарной площади отверстий.
3. Тип с подпружиненной помощью - по сути это комбинация двух предыдущих типов. Вместо того чтобы узел штока и диска управлялся приводом, подпружиненный тип содержит подпружиненный расходный плунжер, который перемещается в ответ на изменение перепада давления между охлаждающей средой и перегретым паром. Перемещающийся плунжер изменяет количество открытых форсунок, тем самым регулируя поток в основной трубопровод. Кроме того, подача охлаждающей воды регулируется клапаном управления распыляемой водой.

Возможность управлять как давлением, так и расходом охлаждающей воды обеспечивает точный контроль количества воды, впрыскиваемой в перегретый пар. Однако для этого типа требуется высокое давление охлаждающей воды. Преимущества:

1. Возможны диапазоны регулирования до 8:1 для типа с фиксированной площадью, до 9:1 для подпружиненного типа и до 12:1 для типа с переменной площадью.
2. Более хорошее распределение капель воды означает, что длина поглощения меньше, чем у устройств с одной форсункой.
3. Минимальное падение давления пара. Недостатки:
4. Температуру десуперподогретого пара можно снизить только до 8°C выше температуры насыщения.
5. Длина поглощения больше, чем у парораспыляющего типа.
6. Наиболее склонен вызывать эрозионное повреждение внутренней поверхности трубопровода, если не используется термическая гильза.
7. Не подходит для труб малого диаметра.
8. Требует охлаждающей воды высокого давления (особенно это характерно для подпружиненного типа).
9. Типы с переменной площадью и подпружиненный тип могут быть дорогими. Применения:
10. Применения, требующие большего диапазона регулирования, чем у устройств с одной форсункой, но где затраты на более сложные устройства не оправданы.
11. Постоянная паровая нагрузка.
12. Постоянная температура пара.
13. Постоянная температура охлаждающей среды. Все это требует сравнительно постоянной нагрузки на десуперподогрев.