Нагрев ванн и резервуаров впрыском пара

Прямой впрыск пара предполагает подачу пузырьков пара в жидкость с более низкой температурой для передачи тепла. В этом материале объясняются сам процесс и применяемые методы, включая соответствующие расчеты теплопередачи.

Прямой впрыск пара предполагает подачу серии пузырьков пара в жидкость с более низкой температурой. Пузырьки пара конденсируются и отдают тепло окружающей жидкости. Тепло передается за счет прямого контакта между паром и жидкостью, поэтому этот метод используется только тогда, когда допустимы разбавление и увеличение массы жидкости. Следовательно, нагреваемой жидкостью обычно является вода. Прямой впрыск пара редко применяется для нагрева растворов, в которых протекает химическая реакция, так как разбавление раствора снижало бы скорость реакции и уменьшало производительность. Прямой впрыск пара является наиболее широко используемым способом нагрева питательных баков котлов в промышленности. Этот метод часто выбирают из-за его простоты. Не требуется поверхность теплообмена или узел steam trap, и нет необходимости учитывать систему возврата конденсата.

#Расчет расхода пара

При прямом впрыске пара тепло передается иначе, чем при непрямом теплообмене. Поскольку тепло не передается через поверхность, а пар свободно смешивается с нагреваемой технологической жидкостью, количество полезной теплоты в паре нужно рассчитывать иначе. Это можно сделать с помощью уравнения 2.11.1:

#Факторы, влияющие на скорость теплопередачи

В уравнении 2.11.1 расход пара напрямую связан с потребностью в тепле. Если система впрыска пара не спроектирована так, чтобы все условия способствовали максимальной теплопередаче, пузырьки пара могут просто достигать поверхности жидкости и уходить в атмосферу; часть теплоты, содержащейся в паре, будет теряться в атмосферу, и фактическая скорость теплопередачи воде окажется ниже ожидаемой. В случае погружного змеевика максимальная скорость теплопередачи в начале периода прогрева зависит от максимального расхода пара, который допускают регулирующий клапан и связанный с ним трубопровод, а также от максимальной тепловой мощности, допускаемой площадью поверхности змеевика. При прямом впрыске пара можно было бы ожидать, что максимальная скорость теплопередачи в самом начале прогрева зависит от максимального расхода через регулирующий клапан и от самой трубы или инжектора. Однако, как отмечалось выше, она также зависит и от других факторов, таких как:

• Размер парового пузырька Конденсация парового пузырька зависит от теплопередачи через его поверхность. Чтобы пузырек полностью конденсировался, отношение площади поверхности к объему должно быть как можно больше. Меньшие пузырьки имеют большую площадь поверхности на единицу объема, чем крупные, поэтому желательно формировать очень мелкие пузырьки. Перепад давления между паропроводом и точкой выхода пара в воду в момент образования пузырька также влияет на его размер. Удельный объем пара увеличивается при снижении давления, поэтому падение давления увеличивает размер пузырька, выходящего в жидкость. Даже если паровой пузырек выходит из очень маленького отверстия, он может заметно увеличиться в размере при высоком давлении пара. Следовательно, более низкое давление в sparge pipe предпочтительнее.
• Столб жидкости над точкой впрыска Столб жидкости над точкой впрыска создает противодавление, поэтому перепад давления будет меньше давления пара. Если столб жидкости велик, а давление пара в sparge pipe низкое, изменение давления может быть очень небольшим, и тогда размер образующихся пузырьков остается минимальным. Больший столб жидкости над точкой впрыска дает пузырькам пара максимум времени для конденсации до достижения поверхности.
• Скорость движения пузырька Скорость пузырька в точке впрыска также зависит от разности между давлением пара и гидростатическим напором жидкости. Желательно поддерживать этот перепад давления как можно меньшим, чтобы скорости пузырьков также были как можно ниже и у них было максимум времени на конденсацию до выхода на поверхность.
• Температура жидкости Скорость конденсации пара прямо пропорциональна разности температур между паром и нагреваемой жидкостью. Как и во всех процессах теплопередачи, скорость теплообмена прямо пропорциональна температурному перепаду. Всегда рекомендуется обеспечивать правильное регулирование температуры жидкости и поддерживать ее на минимально необходимом для применения уровне, чтобы сохранялась максимальная скорость теплопередачи и не происходило лишнего расхода энергии.

Это просто труба, установленная внутри резервуара, с отверстиями, просверленными через равные интервалы, обычно в положениях 4 часа и 8 часов, если смотреть с торца, равномерно по длине трубы, а торец трубы заглушен. Пар выходит через эти отверстия в виде мелких пузырьков, которые либо конденсируются, как и задумано, либо достигают поверхности жидкости, см. рисунок 2.11.1.

Барботажные трубы недороги в изготовлении и просты в установке, но склонны вызывать высокий уровень вибрации и шума. Намного более эффективным решением является использование правильно спроектированного парового инжектора.

#Пример 2.11.1 - Определите паровую нагрузку для нагрева резервуара с водой впрыском пара

#Шаг 2 - найдите средний расход пара для нагрева воды, используя уравнение 2.11.1:

#Шаг 4 - найдите средний расход пара для компенсации теплопотерь резервуара во время прогрева. Из примера 2.9.1:

#Шаг 5 - Определите паровую нагрузку для нагрева резервуара с водой впрыском пара. Общий средний расход пара можно рассчитать следующим образом:

Более эффективной альтернативой барботажной трубе является паровой инжектор, показанный на рисунке 2.11.3. Инжектор подсасывает холодную жидкость и смешивает ее с паром внутри себя, распределяя нагретую жидкость по резервуару.

#Шумы, связанные с паровыми инжекторами

При использовании паровых инжекторов высокого давления наблюдаются три отчетливых уровня шума при следующих условиях:

• Нормальная работа Если давление пара на входе в инжектор выше 2 бар изб., шум при нормальной работе можно описать как мягкий гул. Шум вызывается конденсацией пара внутри выпускной трубы по мере его смешения с циркулирующей водой, поступающей через отверстия в литой корпус. В нормальных условиях поток, выходящий из инжекторной трубы, примерно на 10 °C горячее поступающей воды. Такой тип шума усиливается с ростом давления пара, температуры воды и числа инжекторов, но при давлении пара ниже 8 бар изб. он редко бывает неприемлемым. Хотя при давлениях выше 8 бар изб. возникает интенсивная циркуляция содержимого резервуара, сильной вибрации обычно быть не должно.
• Неполная конденсация Она характеризуется мягким глухим стуком и иногда сопровождается сильной вибрацией. Это происходит, когда температура жидкости слишком высока, обычно выше 90 °C. Когда жидкость слишком горячая, инжектор становится менее эффективным, и часть пара выходит из выпускной трубы. При более высоких давлениях пара его конденсация может вызывать вибрацию, что не рекомендуется для атмосферных резервуаров. Однако в прочных цилиндрических сосудах под давлением это может не создавать проблем.
• Низкие расходы Когда давление пара на входе в инжектор падает ниже 1,5 бар изб., слышится характерное потрескивание. В этих условиях пар не успевает отдать свою энтальпию испарения до выхода из инжекторной трубы. При низких расходах пар движется с меньшей скоростью, чем в других режимах, и схлопывающиеся паровые пузырьки возникают на корпусе и в присоединенном трубопроводе, вызывая кавитацию. Такой шум часто считается неприемлемым и может наблюдаться, если система паровых инжекторов завышена по размеру. Шум может также быть вызван плохим монтажом инжектора. Боковые стенки прямоугольного резервуара могут быть выполнены из достаточно гибких панелей. Установка инжектора по центру гибкой панели может вызвать вибрацию и шум. Часто лучше устанавливать инжектор ближе к углу резервуара, где конструкция жестче.

#Пример 2.11.2

На основе данных примера 2.11.1 предложите систему впрыска пара. Требуемый расход впрыскиваемого пара = 569 кг/ч. Давление впрыска пара = 1,0 бар.

#Альтернативный метод расчета нагрузки по впрыскиваемому пару

Предыдущий метод, использованный в этом модуле для расчета среднего расхода пара, требует сначала определить среднюю тепловую нагрузку. Это показано уравнением 2.11.1:

#Пример 2.11.3

Рассмотрим те же условия, что и в примере 2.11.1.