Методы оценки расхода пара
Как рассчитывать потребность в паре для проточных и непроточных процессов, включая прогрев, теплопотери и рабочие нагрузки.
Оптимальная конструкция паровой системы во многом зависит от того, насколько точно определен расход пара. Это позволяет рассчитать размеры трубопроводов, а также подобрать вспомогательное оборудование, такое как регулирующие клапаны и steam traps, чтобы получить наилучший результат. Потребность установки в паре можно определить несколькими способами: Расчет
Анализируя тепловую мощность оборудования с помощью уравнений теплопередачи, можно получить оценку расхода пара. Хотя теплопередача не является точной наукой и в расчетах может присутствовать много неизвестных переменных, возможно использовать предыдущие экспериментальные данные по схожим применениям. Результаты, полученные таким методом, обычно достаточно точны для большинства задач. Измерение
Расход пара можно определить прямым измерением с помощью расходомерного оборудования. Это дает достаточно точные данные для уже существующей установки. Однако для объекта, который еще находится на стадии проектирования или еще не введен в эксплуатацию, этот метод мало полезен. Тепловой рейтинг
Тепловой рейтинг, или расчетная тепловая мощность, часто указывается на шильдике отдельной единицы оборудования производителем. Обычно он выражает ожидаемую тепловую мощность в кВт, но требуемый расход пара в кг/ч будет зависеть от рекомендованного давления пара. Если меняется любой параметр, способный повлиять на ожидаемую тепловую мощность, то тепловой рейтинг и подключенная нагрузка, то есть фактический расход пара, уже не будут совпадать. Рейтинг производителя показывает идеальную производительность оборудования и не обязательно равен реальной подключенной нагрузке.
Расчет
В большинстве случаев теплота пара требуется для двух задач:
- Создать изменение температуры продукта, то есть обеспечить составляющую прогрева.
- Поддерживать температуру продукта по мере потерь тепла естественным образом или по условиям процесса, то есть обеспечивать составляющую теплопотерь. В любом процессе нагрева составляющая прогрева уменьшается по мере повышения температуры продукта и снижения разности температур между нагревательной поверхностью и продуктом. Однако составляющая теплопотерь возрастает по мере повышения температуры продукта, когда сосуд или трубопровод теряют больше тепла в окружающую среду. Суммарная тепловая потребность в любой момент времени представляет собой сумму этих двух составляющих. Уравнение, используемое для определения количества теплоты, необходимой для повышения температуры вещества (уравнение 2.1.4 из модуля 2), можно развить так, чтобы оно применялось к различным процессам теплопередачи.
В исходной форме это уравнение позволяет определить общее количество тепловой энергии за весь процесс. Однако в текущем виде оно не учитывает скорость теплопередачи. Чтобы определить скорость теплопередачи, различные типы теплообменных процессов можно разделить на две большие категории: Непроточные применения
где нагреваемый продукт представляет собой фиксированную массу и находится одной партией в пределах сосуда. Проточные применения
где нагреваемая среда непрерывно проходит через поверхность теплообмена.
Непроточные применения
В непроточных применениях технологическая среда удерживается в сосуде как одна партия. Нагревательной поверхностью может служить паровой змеевик внутри сосуда или паровая рубашка вокруг него. Типичные примеры включают аккумуляционные водонагреватели, показанные на рисунке 2.6.1, и резервуары для хранения масла, где большой цилиндрический стальной бак заполнен вязким маслом, требующим нагрева перед перекачкой. В некоторых процессах нагреваются твердые материалы; типичные примеры: шинные прессы, гладильные машины прачечных, вулканизаторы и автоклавы.
В некоторых непроточных применениях время прогрева несущественно и им пренебрегают. В других, например в резервуарах и вулканизаторах, оно может быть не просто важным, а критически значимым для всего процесса.
Рассмотрим два непроточных процесса нагрева, которым требуется одно и то же количество тепловой энергии, но разное время на прогрев. Скорость теплопередачи будет различаться, хотя общее количество переданной теплоты останется одинаковым.
Среднюю скорость теплопередачи для таких применений можно получить, преобразовав уравнение 2.1.4 в уравнение 2.6.1:
Пример 2.6.1
Пример 2.6.1
Расчет средней скорости теплопередачи в непроточном применении. Количество масла нагревается от 35 °C до 120 °C за 10 минут (600 секунд). Объем масла составляет 35 литров, его относительная плотность равна 0,9, а удельная теплоемкость в этом диапазоне температур составляет 1,9 кДж/кг °C. Определите требуемую скорость теплопередачи: Поскольку плотность воды при стандартных температуре и давлении (STP) равна 1 000 кг/м³,
Уравнение 2.6.1 можно применять независимо от того, нагревается ли твердое вещество, жидкость или газ.
Однако оно не учитывает передачу теплоты, связанную с фазовым переходом. Количество теплоты, передаваемое при конденсации пара, можно определить по уравнению 2.6.2:
Следовательно, расход пара можно определить по скорости теплопередачи и наоборот, используя уравнение 2.6.3.
Если на этом этапе предположить, что теплопередача имеет 100% эффективность, то теплота, отдаваемая паром, должна быть равна тепловой потребности нагреваемой среды. Это позволяет составить тепловой баланс, в котором приравниваются подводимая и требуемая тепловая энергия:
Пример 2.6.2
Пример 2.6.2
Резервуар, содержащий 400 кг керосина, необходимо нагреть от 10 °C до 40 °C за 20 минут (1 200 секунд), используя пар 4 бар изб. Удельная теплоемкость керосина в этом диапазоне температур составляет 2,0 кДж/кг °C. Значение hfg при 4,0 бар изб. равно 2 108,1 кДж/кг. Резервуар хорошо изолирован, и теплопотерями можно пренебречь.
В некоторых непроточных применениях продолжительность пакетного процесса может быть некритичной, и более длительное время прогрева оказывается приемлемым. Это уменьшает мгновенный расход пара и требуемый размер оборудования.
Проточные применения
Типичные примеры включают кожухотрубные теплообменники, см. рисунок 2.6.2, которые также называют проточными водонагревателями, и пластинчатые теплообменники, обеспечивающие горячую воду для систем отопления или промышленных процессов. Еще один пример - воздушный калорифер, где пар отдает тепло воздуху, непрерывно проходящему через него.
На рисунке 2.6.3 показан типичный температурный профиль в теплообменнике при постоянном расходе вторичной среды. Температура конденсации (TS) остается постоянной по всей длине теплообменника.
Среда нагревается от T1 на входе до TS на выходе из теплообменника.
При фиксированном расходе вторичной среды требуемая тепловая нагрузка (Q̇) пропорциональна повышению температуры продукта (ΔT). Используя уравнение 2.6.1:
Средний расход пара
Средний расход пара
Средний расход пара для проточного применения, такого как технологический теплообменник или отопительный калорифер, можно определить по уравнению 2.6.6, как показано в уравнении 2.6.7.
Но поскольку средняя скорость теплопередачи сама рассчитывается по массовому расходу, удельной теплоемкости и повышению температуры, проще использовать уравнение 2.6.7.
Пример 2.6.3
Пример 2.6.3
Сухой насыщенный пар при 3 бар изб. используется для нагрева воды, которая течет с постоянным расходом 1,5 л/с, от 10 °C до 60 °C. Значение hfg при 3 бар изб. равно 2 133,4 кДж/кг, а удельная теплоемкость воды составляет 4,19 кДж/кг °C. Определите расход пара по уравнению 2.6.7: Поскольку 1 литр воды имеет массу 1 кг, массовый расход = 1,5 кг/с.
При пуске входная температура T1 может быть ниже температуры, ожидаемой при полной рабочей нагрузке, что вызывает более высокий спрос на тепло. Если время прогрева важно для процесса, теплообменник должен быть рассчитан на обеспечение этой повышенной тепловой нагрузки. Однако в расчетах для проточных применений пусковые нагрузки обычно игнорируют, поскольку пуски происходят нечасто, а время выхода на расчетные условия не столь важно. Поэтому поверхность теплообменника обычно подбирается по условиям рабочей нагрузки.
В проточных применениях теплопотери системы, как правило, существенно меньше, чем потребность в нагреве, и ими обычно пренебрегают. Однако если теплопотери велики, при расчете площади поверхности теплообмена следует учитывать средние потери тепла, главным образом от распределительного трубопровода.
Составляющие прогрева и теплопотерь
Составляющие прогрева и теплопотерь
В любом процессе нагрева составляющая прогрева уменьшается по мере роста температуры продукта, а перепад температур через нагревательную поверхность снижается. Однако составляющая теплопотерь возрастает по мере роста температуры продукта и сосуда, поскольку сосуд или трубопровод теряют больше тепла в окружающую среду. Суммарная тепловая потребность в любой момент времени представляет собой сумму этих двух составляющих. Если поверхность нагрева выбирается только с учетом составляющей прогрева, возможно, для достижения ожидаемой температуры процессу не хватит тепла. Нагревательный элемент, выбранный по сумме средних значений обеих составляющих, обычно способен покрыть общую тепловую потребность применения. Иногда, например для очень больших резервуаров хранения масла, имеет смысл поддерживать температуру хранения ниже требуемой температуры перекачки, так как это снижает теплопотери с поверхности резервуара. В таком случае можно использовать другой способ нагрева, например проточный подогреватель, как показано на рисунке 2.6.4.
Нагревательные элементы заключены в металлический кожух, выступающий внутрь резервуара, и спроектированы так, чтобы втягивалось и нагревалось до температуры перекачки только масло в непосредственной близости. Поэтому тепло требуется только тогда, когда масло отбирается, а поскольку температура в резервуаре ниже, от теплоизоляции часто можно отказаться. Размер проточного подогревателя будет зависеть от температуры основного объема масла, температуры перекачки и скорости перекачки.
Добавление материалов в открытые технологические резервуары также можно рассматривать как составляющую теплопотерь, увеличивающую тепловую нагрузку. Эти материалы будут работать как поглотитель тепла при погружении, и их необходимо учитывать при расчете площади поверхности нагрева. Независимо от применения, когда требуется рассчитать поверхность теплообмена, сначала необходимо определить полную среднюю скорость теплопередачи. На ее основе можно определить тепловую потребность и паровую нагрузку для полной рабочей нагрузки и для пуска. Это позволит подобрать размер регулирующего клапана по одному из этих двух режимов, в зависимости от принятого решения.