Основы теории десуперподогрева
Перегретый пар имеет важные преимущества в ряде применений, например при использовании на электростанциях для привода турбин. Однако для эффективного использования в нагревательных применениях пар должен быть десуперподогрет. В этом руководстве рассматриваются базовая теория и расчеты десуперподогрева.
Перегретый пар - это пар, температура которого выше температуры насыщения при данном давлении. Например, пар под давлением 3 bar g имеет температуру насыщения 143.762°C. Если к этому пару подводить дополнительное тепло и давление останется равным 3 bar g, он станет перегретым. Это дополнительное тепло приводит к тому, что пар:
- Имеет температуру выше температуры насыщения.
- Содержит больше энергии, чем насыщенный пар.
- Имеет больший удельный объем, чем насыщенный пар.
Связи между этими тремя свойствами хорошо задокументированы и могут быть найдены в большинстве источников, посвященных термодинамическим свойствам пара.
Перегретый пар в основном используется на энергетических установках как рабочее тело для турбин.
Обзор цикла Rankine gas cycle показывает, что для привода турбин перегретый пар термически эффективнее насыщенного.
Перегрев пара дает и другие важные преимущества:
Перегрев пара дает и другие важные преимущества:
- Влажный пар в турбине приводил бы к образованию капель воды и эрозии лопаток турбины, а также к увеличению трения.
- Можно использовать более высокие скорости в трубопроводах (до 100 m/s). Это означает, что можно применять распределительные трубопроводы меньшего диаметра, если падение давления не становится чрезмерным.
- Для непрерывно работающих установок перегретый пар означает отсутствие конденсации в трубопроводах, поэтому конденсатоотвод необходим только при пуске.
Использование перегретого пара имеет и ряд недостатков:
Использование перегретого пара имеет и ряд недостатков:
Хотя перегретый пар содержит большое количество тепловой энергии, эта энергия присутствует в трех формах: энтальпия воды, энтальпия парообразования (скрытая теплота) и энтальпия перегрева. Основная часть энергии сосредоточена в энтальпии парообразования, а энергия перегрева составляет меньшую долю. Например, для перегретого пара при 10 bar a и 300°C:
Enthalpy of water = 763 kJ/kg
Enthalpy of evaporation = 2 015 kJ/kg
Enthalpy of superheat = 274 kJ/kg
- Коэффициент теплопередачи при использовании перегретого пара в качестве нагревающей среды является переменным, низким и трудным для точного определения. Это затрудняет точный расчет размеров и управление теплообменным оборудованием, а также приводит к необходимости более крупного и дорогостоящего теплообменника. После охлаждения перегретого пара до температуры насыщения коэффициент теплопередачи резко возрастает, а температура, при которой пар снова конденсируется в воду, становится постоянной. Это существенно облегчает точный расчет и управление теплообменным оборудованием. Высокие коэффициенты теплопередачи, характерные для насыщенного пара, позволяют применять меньшие и более дешевые теплообменники по сравнению с теми, что работают на перегретом паре.
- Некоторые процессы, например дистилляционные колонны, работают менее эффективно при подаче перегретого пара.
- Более высокие температуры перегретого пара могут означать необходимость применения оборудования с более высоким классом температуры, а значит, и более дорогого.
- Более высокая температура перегретого пара может повреждать чувствительное оборудование. Эти недостатки означают, что для тепловых технологических применений перегретый пар обычно нежелателен. Однако существуют объекты, где перегретый пар получают для выработки электроэнергии, и с экономической точки зрения разумно десуперподогревать часть этого пара на одном из участков энергетического цикла, а затем использовать его в технологических применениях. (Более подробную информацию о перегретом паре можно найти в Модуле 2.3).
Существуют и объекты, где в качестве топлива для котла используются большие объемы отходов. Если количество отходов достаточно велико, перегретый пар может вырабатываться для целей генерации электроэнергии.
Примеры таких установок можно найти в бумажной и сахарорафинадной промышленности.
На предприятиях, где перегретый пар доступен для технологического использования, имеет смысл распределять его к удаленным точкам установки, так как это помогает гарантировать, что пар останется сухим.
Это особенно важно, если точка генерации и точка использования разделены значительной длиной трубопровода.
Основы десуперподогрева пара
Основы десуперподогрева пара
Десуперподогрев - это процесс, при котором перегретый пар возвращается в состояние насыщения либо температура перегрева уменьшается. Большинство десуперподогревателей, используемых для возврата к состоянию насыщения, обеспечивают температуру на выходе, близкую к температуре насыщения (обычно не менее чем в пределах 3°C от температуры насыщения). Также возможны и часто применяются конструкции для температур на выходе более чем на 3°C выше температуры насыщения. В основном существуют два широких типа десуперподогревателей:
- Тип непрямого контакта - среда, используемая для охлаждения перегретого пара, не вступает с ним в прямой контакт. В качестве охлаждающей среды может использоваться более холодная жидкость или газ, например окружающий воздух. Примеры такого типа десуперподогревателя - кожухотрубные теплообменники. В этом случае перегретый пар подается на одну сторону теплообменника, а более холодная среда - на другую. По мере прохождения перегретого пара через теплообменник он теряет тепло, а охлаждающая среда это тепло получает. Температура десуперподогретого пара может регулироваться либо давлением перегретого пара на входе, либо расходом охлаждающей воды. Регулировать для этой цели расход перегретого пара обычно непрактично, и в большинстве систем изменяют расход охлаждающей среды.
- Тип прямого контакта - среда, используемая для охлаждения перегретого пара, вступает с ним в прямой контакт. В большинстве случаев охлаждающая среда - это та же жидкость, что и десуперподогреваемый пар, но в жидком состоянии. Например, для паровых десуперподогревателей используется вода. Типичная станция десуперподогрева прямого контакта показана на Рисунке 15.1.3. Когда десуперподогреватель работает, дозированное количество воды подается в перегретый пар через смесительное устройство внутри десуперподогревателя. При попадании в десуперподогреватель охлаждающая вода испаряется, поглощая тепло у перегретого пара. В результате температура пара снижается.
Управление количеством подаваемой воды обычно осуществляется путем измерения температуры пара после десуперподогревателя. Заданная температура десуперподогретого пара обычно составляет 3°C выше температуры насыщения. Поэтому в таких схемах давление перегретого пара на входе следует поддерживать постоянным.
Расчеты десуперподогрева
Расчеты десуперподогрева
Количество добавляемой воды должно быть достаточным для охлаждения пара до требуемой температуры; если воды слишком мало, пар не будет достаточно охлажден, если слишком много - образуется влажный насыщенный пар, который придется осушать в сепараторе.
Используя Уравнение 15.1.1, основанное на законе сохранения энергии, можно легко и быстро определить потребность в охлаждающей жидкости:
Пример 15.1.1
Определите требуемый расход охлаждающей воды для условий, приведенных в следующей таблице:
Решение:
Решение:
Необходимую информацию можно получить или интерполировать по печатным таблицам пара; соответствующие выдержки показаны в Таблице 15.1.1 и Таблице 15.1.2. В качестве альтернативы можно использовать онлайн-таблицы пара Spirax Sarco.
Следовательно, информация, необходимая для применения Уравнения 15.1.1, такова:
m_dot - body text.jpgs = Массовый расход перегретого пара = 10 000 kg/h
hs = Энтальпия в состоянии перегрева (по таблицам пара 300°C при 10 bar a) = 3 052 kJ/kg
hcw = Энтальпия охлаждающей жидкости = 4.2 kJ/kg°C x 150°C =630 kJ/kg
Определение энтальпии в состоянии десуперподогрева, hd:
По таблицам пара температура насыщения (Ts) при 10 bar a составляет 180°C, следовательно, при требуемом состоянии десуперподогретого пара температура будет:
Ts + 5°C = 185°C
Интерполируя между энтальпией пара при 10 bar a и температуре насыщения и энтальпией пара при 10 bar a и 200°C:
Энтальпия при 10 bar a, Ts (таблицы насыщенного пара) = 2 778 kJ/kg
Энтальпия при 10 bar a, 200°C (таблицы перегретого пара) = 2 829 kJ/kg
Интерполяция энтальпии для 10 bar a и 185°C:
Наконец, применяем Уравнение 15.1.1:
Обратите внимание, что десуперподогретый пар подается с расходом: 10 000 + 1 208 kg/h = 11 208 kg/h
Если бы требовалось получить 10 000 kg/h десуперподогретого пара, исходный расход перегретого пара можно было бы определить простым пропорциональным методом:
