Качество пара

Пар должен поступать в точку использования в нужном количестве, при нужном давлении, быть чистым, сухим и не содержать воздуха и других неконденсируемых газов. В этом материале объясняется, почему это важно и как обеспечивается качество пара.

#Правильное количество пара

Для любого процесса нагрева необходимо обеспечить правильное количество пара, чтобы создать достаточный тепловой поток для теплопередачи. Аналогично должен обеспечиваться и правильный расход, чтобы не происходила порча продукта и не снижалась производительность. Паровые нагрузки должны быть корректно рассчитаны, а трубопроводы правильно подобраны по размеру, чтобы обеспечить требуемый расход.

#Правильное давление и температура пара

Пар должен достигать точки использования при требуемом давлении и обеспечивать нужную температуру для каждого применения, иначе характеристики процесса ухудшатся. Этого позволяет добиться правильный подбор трубопровода и линейной арматуры. Однако даже если манометр правильно показывает требуемое давление, соответствующая температура насыщения может быть недоступна, если в паре содержится воздух и/или другие неконденсируемые газы.

#Воздух и другие неконденсируемые газы

При пуске воздух присутствует в паропроводах и оборудовании. Даже если в прошлый раз система была заполнена чистым паром, при остановке пар сконденсируется, а образовавшийся вакуум втянет воздух внутрь. Когда пар поступает в систему, он вытесняет воздух либо к точке дренажа, либо к самой удаленной от парового входа точке, называемой удаленной точкой. Поэтому в этих дренажных точках должны быть установлены steam traps с достаточной способностью отводить воздух, а на всех удаленных точках должны устанавливаться автоматические воздухоотводчики. Однако при наличии турбулентности пар и воздух смешиваются, и воздух переносится к поверхности теплообмена. По мере конденсации пара на поверхности остается изолирующий слой воздуха, действующий как барьер для теплопередачи.

#Смеси пара и воздуха

В смеси воздуха и пара присутствие воздуха приводит к тому, что температура оказывается ниже ожидаемой. Полное давление газовой смеси складывается из суммы парциальных давлений ее компонентов. Это известно как закон Дальтона о парциальных давлениях. Парциальное давление - это давление, которое создавал бы каждый компонент, если бы занимал тот же объем, что и вся смесь:

#Пример 2.4.1

Рассмотрим паровоздушную смесь, состоящую по объему из ¾ пара и ¼ воздуха. Полное давление составляет 4 бар абс.

#Другие источники воздуха в пароконденсатном контуре

Воздух также может попадать в систему в растворенном виде вместе с питательной водой котла. Подпиточная вода и конденсат, контактирующие с атмосферой, легко поглощают азот, кислород и углекислый газ - основные компоненты атмосферного воздуха. Когда вода нагревается в котле, эти газы выделяются вместе с паром и уносятся в распределительную систему. Атмосферный воздух по объемному составу содержит 78% азота, 21% кислорода и 0,03% углекислого газа. Однако растворимость кислорода примерно вдвое выше, чем у азота, тогда как растворимость углекислого газа примерно в 30 раз выше, чем у кислорода. Это означает, что "воздух", растворенный в питательной воде котла, будет содержать значительно большие доли углекислого газа и кислорода, оба из которых вызывают коррозию в котле и трубопроводе. Температуру питательного бака обычно поддерживают не ниже 80 °C, чтобы кислород и углекислый газ могли выделяться обратно в атмосферу, поскольку растворимость этих газов снижается с ростом температуры.

Концентрацию растворенного углекислого газа также поддерживают на минимальном уровне путем деминерализации и дегазации подпиточной воды на внешней стадии водоподготовки. Концентрацию растворенного газа в воде можно определить с помощью закона Генри. Он гласит, что масса газа, которая может раствориться в заданном объеме жидкости, прямо пропорциональна парциальному давлению этого газа. Однако это справедливо только при постоянной температуре и отсутствии химической реакции между жидкостью и газом.

#Чистота пара

Слой накипи на стенках труб может образовываться либо из-за появления ржавчины в старых паровых системах, либо из-за карбонатных отложений в районах с жесткой водой. К другим видам загрязнений, которые могут присутствовать в линии подачи пара, относятся сварочный шлак и плохо нанесенный либо избыточный уплотнительный материал, оставшийся в системе после монтажа трубопровода. Эти частицы увеличивают скорость эрозии в отводах трубопровода и в малых проходных сечениях steam traps и клапанов. Поэтому хорошей инженерной практикой считается установка линейного фильтра, как показано на рисунке 2.4.2. Его следует устанавливать перед каждым steam trap, расходомером, редукционным клапаном и регулирующим клапаном.

#Сухость пара

Неправильная химическая обработка питательной воды и периоды пиковых нагрузок могут вызывать вспенивание и унос котловой воды в паровые магистрали, что приводит к осаждению химических веществ и других материалов на поверхностях теплообмена. Со временем эти отложения накапливаются и постепенно снижают эффективность установки. Кроме того, когда пар выходит из котла, часть его неизбежно конденсируется из-за теплопотерь через стенки трубы. Хотя трубы могут быть хорошо изолированы, полностью исключить этот процесс невозможно. В результате пар, поступающий к оборудованию, оказывается относительно влажным, а капли влаги, переносимые вместе с паром, могут вызывать эрозию труб, фитингов и клапанов, особенно при высоких скоростях. Уже было показано, что присутствие капель воды в паре снижает фактическую энтальпию испарения, а также приводит к образованию накипи на стенках труб и поверхности теплообмена. Унесенные паром капли воды также могут усиливать пленку воды, возникающую при конденсации пара, создавая еще один барьер для процесса теплопередачи. Сепаратор, установленный в паровой линии, удаляет капли влаги, увлекаемые потоком пара, а также конденсат, который стек к нижней части трубы. В сепараторе, показанном на рисунке 2.4.3, пар при прохождении через корпус несколько раз меняет направление. Перегородки создают препятствие для более тяжелых капель воды, в то время как более легкий сухой пар свободно проходит через сепаратор. Капли влаги стекают по перегородкам и отводятся через нижнее соединение сепаратора к steam trap. Это позволяет удалять конденсат из системы, не пропуская пар.

#Гидроудар

Когда пар начинает конденсироваться из-за теплопотерь в трубе, конденсат образует капли на внутренней поверхности стенок. По мере того как поток пара увлекает их дальше, капли сливаются в пленку. Затем конденсат стекает к нижней части трубы, где толщина пленки начинает увеличиваться. Накопление капель конденсата вдоль участка паропровода со временем может привести к образованию водяной пробки, как показано на рисунке 2.4.4, которая будет переноситься по трубопроводу со скоростью пара (25 - 30 м/с).