Расход пара технологическим оборудованием

Расход пара для других распространенных видов оборудования, включая воздушные калориферы, водонагреватели, сушильные цилиндры, прессы и спутниковые паровые линии.

Примеры в следующих разделах этого модуля представляют собой развитие ранее упомянутого оборудования и показывают расход пара для других часто встречающихся типов установок.

#Воздушные калориферы

Большинство производителей unit heaters и воздушных калориферов указывают тепловую мощность своего оборудования в кВт. Скорость конденсации можно определить, разделив номинальную мощность оборудования в кВт на энтальпию испарения пара при рабочем давлении в кДж/кг, чтобы получить расход пара в кг/с. Умножение результата на 3 600 дает значение в кг/ч. Если данные производителя отсутствуют, но известны:

• объемный расход воздуха;
• повышение температуры;
• давление пара. Тогда скорость конденсации можно определить по уравнению 2.12.3: Пример 2.14.1 Воздушный нагреватель, рассчитанный на повышение температуры воздуха от -5 до 30 °C, установлен в воздуховоде размером 2 м x 2 м. Скорость воздуха в воздуховоде составляет 3 м/с, пар подается в калорифер при 3 бар изб., а удельная теплоемкость воздуха принимается равной 1,3 кДж/м³ °C.

#Отопительные водонагреватели

Как и в случае с воздушными нагревателями, большинство производителей отопительных водонагревателей обычно указывают мощность своего оборудования, а расход пара можно определить, разделив мощность в кВт на энтальпию пара при рабочем давлении, чтобы получить результат в кг/с, см. уравнение 2.8.1. Однако водонагреватели нередко оказываются слишком большими для обслуживаемых ими систем, поскольку:

• первоначальные расчеты тепловой нагрузки здания включали многочисленные и чрезмерно осторожные коэффициенты запаса;
• сам водонагреватель был выбран из стандартного ряда, поэтому взяли ближайший больший типоразмер по сравнению с расчетной нагрузкой;
• производитель водонагревателя добавил собственный коэффициент запаса для оборудования. Оценку фактической нагрузки в любой момент времени можно получить, если известны температуры подачи и обратки, а также производительность насоса. Однако следует помнить, что напор на стороне нагнетания влияет на подачу насоса, и этот параметр может быть как постоянным, так и непостоянным. Пример 2.14.2 По системе отопления циркулирует 4 л/с низкотемпературной горячей воды, flow/return = 82/71 °C. Определите тепловую мощность:
• тепловая мощность = расход воды x удельная теплоемкость воды x изменение температуры;
• тепловая мощность = 4 л/с x 4,19 кДж/кг °C x (82 - 71 °C);
• тепловая мощность = 184 кВт. Альтернативный способ оценки нагрузки на отопительный водонагреватель - рассмотреть само отапливаемое здание. Расчеты тепловой нагрузки могут осложняться такими факторами, как:
• воздухообмен;
• скорость теплопередачи через стены, окна и крышу. Тем не менее разумную оценку можно получить, если взять объем здания и принять тепловую мощность 30 Вт/м³. Это даст рабочую нагрузку для внутренней температуры около 20 °C при наружной температуре около -1 °C. Типичные температуры подачи и обратки для:
• систем низкотемпературной горячей воды (LTHW) составляют 82 °C и 71 °C, ΔT = 11 °C;
• систем среднетемпературной горячей воды (MTHW) составляют 94 °C и 72 °C, ΔT = 22 °C. Показатели для систем высокотемпературной горячей воды (HTHW) существенно различаются и должны проверяться для каждого конкретного применения. Пример 2.14.3 Расход пара на отопительный водонагреватель измерен и составляет 227 кг/ч, когда наружная температура равна 7 °C, а внутренняя температура - 18 °C. Если наружная температура снизится до -1 °C, а внутренняя температура составит 19 °C, определите приблизительный расход пара. Это можно рассчитать по пропорции.

#Аккумуляционные водонагреватели горячей воды

Аккумуляционные водонагреватели рассчитаны на то, чтобы поднять температуру всего объема воды от холодного состояния до температуры хранения за заданный период времени. Типичные значения для Великобритании:

• температура холодной воды 10 °C;
• температура горячей воды 60 °C;
• время нагрева, также называемое recovery time, = 1 час. Массу нагреваемой воды можно определить по объему сосуда. Для воды плотность ρ = 1 000 кг/м³, а удельная теплоемкость cp = 4,19 кДж/кг °C. Пример 2.14.4 Аккумуляционный водонагреватель представляет собой цилиндрический сосуд диаметром 1,5 м и высотой 2 м. Содержимое сосуда необходимо нагреть до 60 °C за 1 час.

Температура поступающей воды составляет 10 °C, а давление пара - 7 бар изб. Определите расход пара:

#Сушильные цилиндры

Сушильные цилиндры значительно различаются по компоновке и применению, а следовательно, и по расходу пара. Помимо больших различий по размеру, давлению пара и рабочей скорости, цилиндры могут дренироваться через раму машин, как в текстильных сушилках, либо с помощью blow-through systems в высокоскоростных бумагоделательных машинах. Напротив, пленочные сушилки и тихоходные бумагоделательные машины могут использовать отдельные steam traps на каждом цилиндре. Нагрузка может варьироваться от небольших потерь на холостом ходу у цилиндра, сушащего хлопковую нить, до тяжелых нагрузок на мокром конце бумагоделательной машины или в пленочной сушилке. Поэтому точные значения можно получить только измерением. Однако существуют проверенные формулы, позволяющие оценить расход пара в разумных пределах. Для текстильных цилиндровых сушильных машин подсчет количества цилиндров и измерение длины окружности и ширины каждого из них позволяют определить общую площадь поверхности нагрева. Следует учитывать оба торца каждого цилиндра и добавлять по 0,75 м² на цилиндр для учета головок и рам, кроме случаев, когда используется индивидуальный конденсатоотвод. Потери излучением от стоящей машины, выраженные в кг пара в час, можно оценить, умножив общую площадь на коэффициент 2,44. Рабочая нагрузка в кг/ч определяется с использованием коэффициента 8,3. В имперских единицах площадь измеряется в квадратных футах, а соответствующие коэффициенты составляют 0,5 и 1,7 соответственно. Это основано на машине, сушащей ткань со скоростью 64 - 73 м/мин, 70 - 80 ярдов в минуту, но при внесении поправок может использоваться и для машин, работающих в других условиях. Коэффициенты в приведенном выше уравнении являются эмпирически полученными константами: 1.5 = коэффициент для цилиндровых сушилок. 2 550 = средняя энтальпия воды + энтальпия испарения, необходимая для удаления влаги. 1.26 = средняя удельная теплоемкость материала. Сушильные цилиндры обычно имеют высокую пусковую нагрузку из-за большого объема парового пространства и массы металла, которую необходимо нагреть, поэтому при подборе steam traps следует принимать коэффициент, равный трем рабочим нагрузкам. Также нужно помнить, что воздух может вызывать особые проблемы, например длительное время прогрева и неравномерную температуру поверхности. Поэтому необходимо предусмотреть специальные меры по удалению воздуха из цилиндров.

#Прессы

Прессы, как и сушильные цилиндры, бывают самых разных форм, размеров и рабочих давлений и используются для множества задач, например для формования пластиковых порошков, подготовки ламинатов, производства автомобильных шин, см. рисунок 2.14.4, и изготовления фанеры. Иногда они также включают цикл охлаждения. Очевидно, что точно рассчитать паровые нагрузки для такого оборудования сложно, и единственный способ получить достоверные результаты - это измерение. Оборудование этого типа может быть "открытым", когда есть потери тепла излучением в атмосферу, или "закрытым", когда две нагревательные поверхности фактически изолированы друг от друга продуктом. Хотя часть тепла поглощается продуктом, в целом расход пара почти одинаков, работает установка или простаивает, хотя при открытии и закрытии могут возникать колебания. Иногда расход пара можно оценить с помощью базового уравнения теплопередачи 2.5.3: Значения U, показанные на рисунке 2.9.1, в некоторых случаях можно использовать. Они дают достаточно разумные результаты для больших плиточных прессов, но менее точны, когда рассматривается небольшое количество форм сложной конфигурации, главным образом из-за трудности оценки площади поверхности. Особенность такого оборудования - малый объем парового пространства и относительно высокая паровая нагрузка при прогреве с холодного состояния. Чтобы учесть это и колебания нагрузки, steam traps следует подбирать с коэффициентом, равным двум рабочим нагрузкам. Очень точное регулирование температуры может обеспечиваться с помощью pilot operated direct acting reducing valves, поддерживающих постоянное и стабильное давление пара, соответствующее требуемой температуре поверхности. Их подбирают просто по расчетной паровой нагрузке.

#Спутниковые паровые линии

Трубопроводы, транспортирующие вязкие жидкости, часто поддерживаются при повышенной температуре с помощью спутниковых паровых линий. Обычно это одна или несколько паровых линий малого диаметра, проложенных вдоль продуктопровода, причем вся конструкция покрыта теплоизоляцией. Теоретически точный расчет расхода пара затруднен, поскольку он зависит от:

• степени контакта между двумя линиями и того, используются ли теплопроводящие пасты;
• температуры продукта;
• длины, температуры и перепада давления вдоль спутниковых линий;
• температуры окружающей среды;
• скорости ветра;
• излучательной способности наружной обшивки. На практике обычно безопасно предполагать, что спутниковая линия просто компенсирует потери тепла излучением от самого продуктопровода. На этой основе расход пара спутниковой линии можно принять равным рабочей нагрузке, то есть потерям тепла от продуктопровода. Таблица 2.14.1 показывает теплопотери от изолированных труб при толщине изоляции 50 или 100 мм. Пример 2.14.5 Труба длиной 50 м и диаметром 200 мм содержит жидкий продукт при 120 °C. Температура окружающей среды составляет 20 °C, на трубе имеется 50 мм изоляции, а пар на спутниковую линию или линии подается при 7 бар изб. Определите расход пара: Для рубашечных линий потери тепла можно принять такими же, как у паровой магистрали с диаметром, равным диаметру рубашки, также с учетом любой изоляции. При подборе steam traps следует использовать коэффициент, равный двум рабочим нагрузкам, чтобы покрыть пусковые условия, тогда как любой клапан регулирования температуры может подбираться только на расчетную нагрузку. Подбор спутниковой линии В примере 2.14.5 паровая нагрузка спутниковой линии рассчитывается на основании теплопотерь трубопровода. На практике спутниковая линия не будет точно подобрана для полного соответствия этим теплопотерям. Таблица 2.14.2 показывает полезную тепловую мощность стальных и медных спутниковых линий диаметром 15 мм и 20 мм, работающих при различных давлениях рядом с продуктопроводами разной температуры. Таблица учитывает теплопотери самих спутниковых линий в окружающий воздух через изоляцию. В примере 2.14.5 теплопотери от трубы составляли 97 Вт/м. Спутниковая линия должна обеспечивать как минимум такой уровень теплопередачи. Таблица 2.14.2 показывает, что по интерполяции полезная тепловая мощность стальной спутниковой линии диаметром 15 мм составляет 33 Вт/м при температуре продукта 120 °C и давлении пара 5 бар изб. Следовательно, число спутниковых линий, необходимых для поддержания температуры продукта 120 °C, составляет: Следовательно, для этого применения потребуются три стальные спутниковые линии диаметром 15 мм, как показано на рисунке 2.14.9.