Перегретый пар

Перегретый пар применяется, например, в турбинах, где пар через сопла направляется на ротор. Это заставляет ротор вращаться. Энергия для этого может поступать только из пара, поэтому после прохождения через ротор турбины у пара логически остается меньше энергии. Если бы пар находился при температуре насыщения, такая потеря энергии вызвала бы конденсацию части пара.

Турбины имеют несколько ступеней: отработавший пар после первого ротора направляется на второй ротор на том же валу. Это означает, что насыщенный пар становился бы все более влажным по мере прохождения через последовательные ступени. Это не только способствовало бы гидроударам, но и вызывало бы сильную эрозию внутри турбины. Решение состоит в том, чтобы подавать на вход турбины перегретый пар и использовать энергию перегретой части для привода ротора до тех пор, пока условия температуры и давления не приблизятся к насыщению, а затем выпускать пар.

Еще одна очень важная причина использования перегретого пара в турбинах состоит в повышении тепловой эффективности.

Термодинамическую эффективность тепловой машины, такой как турбина, можно определить по одной из двух теорий:

(Примечание: значения температуры и теплосодержания в следующих примерах взяты из паровых таблиц.)

2.3.1.2 Определите эффективность Ренкина (ηR)

Для теоретического цикла Ренкина, показанного на рисунке 2.3.2, предполагается отсутствие потерь на трение в турбине, идеальное расширение пара в турбине (изоэнтропическое) и игнорируется энергия, добавляемая питательным насосом при возврате конденсата в котел.

Используя данные примера 2.3.1, где:

• на турбину подается перегретый пар при 90 бар а и 450 °C;
• давление на выпуске составляет 0.06 бар а (частичный вакуум), пар влажностью 10%;
• температура насыщения = 36.2 °C.

Эти данные можно нанести на температурно-энтальпийную кривую, как показано на рисунке 2.3.3:

Абсолютное давление, бар а

Единицы Температура (°C)

1.013

150 200 250 300 400 500

vg (m3/kg) 1.912 2.145 2.375 2.604 3.062 3.519

ug (kJ/kg) 2 583 2 659 2 734 2 811 2 968 3 131

hg (kJ/kg) 2 777 2 876 2 975 3 075 3 278 3 488

sg (kJ/kg K) 7.608 7.828 8.027 8.209 8.537 8.828

Это может звучать как полезное увеличение энергии, но на практике это лишь усложняет жизнь инженеру, который хочет использовать пар для отопления или технологического нагрева.

По показанному количеству энергии перегрева можно определить удельную теплоемкость, разделив это значение на разность между температурой насыщения (100 °C) и температурой перегретого пара (400 °C):

Однако, в отличие от удельной теплоемкости воды, удельная теплоемкость перегретого пара значительно изменяется в зависимости от давления и температуры и не может считаться постоянной.

Поэтому значение 2.0 kJ/kg °C, приведенное выше, является лишь средней удельной теплоемкостью в указанном температурном диапазоне при данном давлении.

Прямой зависимости между температурой, давлением и удельной теплоемкостью перегретого пара нет. Однако существует общая тенденция к увеличению удельной теплоемкости с ростом давления при небольшой степени перегрева, хотя это правило работает не всегда.

Можно ли использовать перегретый пар в технологических теплообменниках и других нагревательных процессах?

Хотя перегретый пар не является идеальной средой для передачи тепла, его иногда используют для технологического нагрева на многих паровых установках по всему миру, особенно в HPI (Hydrocarbon Processing Industries), выпускающих масла и нефтехимическую продукцию. Чаще всего это связано не с его преимуществами для нагрева, а с тем, что перегретый пар уже имеется на площадке для выработки энергии и является предпочтительным источником энергии для турбин. Чтобы прояснить этот момент: в большинстве случаев для процессов теплопередачи следует использовать насыщенный пар, даже если для этого требуется охлаждать перегретый пар до насыщенного состояния. В HPI пар часто десупернагревают примерно до десяти градусов перегрева. Такая небольшая степень перегрева легко снимается в первой части поверхности нагрева. Большие степени перегрева труднее компенсировать и часто это экономически нецелесообразно, поэтому для нагрева их лучше избегать.

Существует несколько причин, почему перегретый пар хуже подходит для технологического нагрева, чем насыщенный:

Перегретый пар должен сначала охладиться до температуры насыщения, прежде чем он сможет конденсироваться и отдать свою скрытую теплоту (энтальпию испарения). Количество тепла, отдаваемое перегретым паром при охлаждении до температуры насыщения, относительно невелико по сравнению с его энтальпией испарения.

Если пар имеет лишь небольшую степень перегрева, это малое количество тепла быстро отдается до начала конденсации. Однако если степень перегрева велика, охлаждение может занять сравнительно много времени, в течение которого пар отдает очень мало энергии.

В отличие от насыщенного пара, температура перегретого пара не является равномерной. Перегретый пар должен охлаждаться, чтобы отдавать тепло, тогда как насыщенный пар меняет фазу. Это означает, что при использовании перегретого пара на поверхности теплопередачи могут возникать температурные градиенты.

В теплообменнике использование перегретого пара может приводить к образованию зоны сухого кипения у стенки рядом с трубной решеткой. Эта сухая зона быстро покрывается накипью или загрязнениями, а возникающая высокая температура стенки трубы может вызвать ее разрушение.

Это ясно показывает, что в задачах теплопередачи пар с высокой степенью перегрева мало полезен, поскольку он:

• Отдает мало тепла, пока не охладится до температуры насыщения.
• Создает температурные градиенты на поверхности теплопередачи при охлаждении до температуры насыщения.
• Обеспечивает более низкие коэффициенты теплопередачи, пока остается перегретым.
• Требует большей площади поверхности теплопередачи.

Следовательно, в задачах теплопередачи перегретый пар менее эффективен, чем насыщенный пар. Это может показаться странным, поскольку скорость теплопередачи через нагревательную поверхность прямо пропорциональна перепаду температур на ней. Если перегретый пар при том же давлении имеет более высокую температуру, чем насыщенный, разве он не должен передавать больше тепла? Ответ - нет. Сейчас рассмотрим это подробнее.

Действительно, перепад температур влияет на скорость теплопередачи через поверхность нагрева, что ясно показано в уравнении 2.5.3.

Уравнение 2.5.3 также показывает, что теплопередача зависит от общего коэффициента теплопередачи U и площади теплообмена A.

Для конкретного применения площадь теплообмена может быть фиксированной. Однако этого нельзя сказать о значении U; и именно здесь заключается главное различие между насыщенным и перегретым паром.

Общее значение U для перегретого пара меняется по ходу процесса, но всегда остается значительно ниже, чем для насыщенного пара. Прогнозировать значения U для перегретого пара трудно, поскольку они зависят от многих факторов, но в целом чем выше степень перегрева, тем ниже U.

Обычно для горизонтального парового змеевика, окруженного водой, U для перегретого пара может составлять всего 50 - 100 W/m² °C, тогда как для насыщенного пара около 1 200 W/m² °C, как показано на рисунке 2.3.4.

Для процессов передачи тепла от пара к маслу значения U могут быть еще ниже: порядка 20 W/m² °C для перегретого пара и 150 W/m² °C для насыщенного.

В кожухотрубном теплообменнике можно ожидать примерно 100 W/m² °C для перегретого пара и 500 W/m² °C для насыщенного. Это типичные значения; фактические будут зависеть от других конструктивных и эксплуатационных факторов.

Таким образом, хотя температура перегретого пара всегда выше температуры насыщенного пара при том же давлении, его способность передавать тепло значительно ниже. В совокупности это означает, что перегретый пар заметно менее эффективен для теплопередачи, чем насыщенный пар при том же давлении. Следующий раздел "Загрязнение" рассматривает это подробнее.

Перегретый пар не только менее эффективен для теплопередачи, но и очень трудно поддается количественной оценке с помощью уравнения 2.5.3, Q̇ = U A ΔT, поскольку температура пара падает по мере отдачи тепла вдоль поверхности нагрева.

Прогнозирование размера поверхностей теплопередачи, работающих на перегретом паре, сложно и трудоемко. На практике исходные данные, необходимые для таких расчетов, либо неизвестны, либо получены эмпирически, что ставит под сомнение их надежность и точность.

Очевидно, что если перегретый пар менее эффективен для теплопередачи, чем насыщенный, то любая поверхность нагрева, использующая перегретый пар, должна быть больше, чем поверхность для насыщенного пара при том же давлении, чтобы обеспечить тот же тепловой поток.

Если выбора нет и приходится использовать перегретый пар, невозможно поддерживать его в перегретом состоянии на протяжении всего змеевика или теплообменника, поскольку, отдавая часть теплосодержания вторичной среде, он охлаждается к температуре насыщения. Количество тепла сверх насыщения довольно мало по сравнению с большим количеством тепла, доступным при конденсации.

Пар должен достичь состояния насыщения сравнительно рано в процессе; это позволит ему конденсироваться, обеспечивая более высокие коэффициенты теплопередачи и более высокое общее значение U для всего змеевика, как показано на рисунке 2.3.5.

Чтобы этого добиться, перегретый пар, используемый для теплопередачи, не должен иметь более примерно 10 °C перегрева.

Если это условие выполняется, то спроектировать теплообменник или змеевик становится относительно просто: площадь поверхности можно рассчитывать как для насыщенного пара при том же давлении, добавив определенную надбавку на перегрев. В соответствии с этим правилом первая часть змеевика будет использоваться исключительно для снижения температуры перегретого пара до точки насыщения. Остальная часть змеевика затем сможет воспользоваться более высокой способностью насыщенного пара передавать тепло. В результате общее значение U может быть ненамного ниже, чем если бы в змеевик подавался насыщенный пар.

Практический опыт показывает, что если дополнительная поверхность нагрева для перегретого пара принимается из расчета 1% на каждые 2 °C перегрева, то змеевик (или теплообменник) будет иметь достаточный размер. Это правило работает примерно до 10 °C перегрева. Использовать для нагрева перегретый пар с перегревом свыше 10 °C не рекомендуется из-за вероятного непропорционального и экономически невыгодного увеличения поверхности нагрева, склонности к загрязнению и риска порчи продукта из-за высокой и неравномерной температуры перегрева.

Поскольку фактическая энтальпия пара при 1 бар g меньше энтальпии сухого насыщенного пара при 1 бар g, пар не является перегретым и все еще содержит некоторое количество влаги.

Поскольку полная энтальпия после редукционного клапана меньше полной энтальпии пара при 1 бар g, пар остается влажным.

Определите степень перегрева после клапана.

Как и в предыдущем примере (2.3.4), удельная энтальпия сухого насыщенного пара (hg) при 1 бар g составляет 2 706.7 kJ/kg.

Фактическая полная энтальпия пара больше полной энтальпии (hg) сухого насыщенного пара при 1 бар g. Следовательно, пар не только сухой на 100%, но и имеет некоторую степень перегрева.

Избыточная энергия = 2 741.7 - 2 706.7 = 35 kJ/kg, и она используется для повышения температуры пара от температуры насыщения 120 °C до 136 °C.

Степень перегрева можно определить либо по таблицам перегретого пара, либо по диаграмме Молье.

На рисунке 2.3.7 показана упрощенная небольшая версия диаграммы Молье. Диаграмма Молье отображает множество различных взаимосвязей между энтальпией, энтропией, температурой, давлением и степенью сухости. Из-за большого числа линий она может показаться довольно сложной:

Линии постоянной энтальпии (горизонтальные). Линии постоянной энтропии (вертикальные). Кривая насыщения пара в центре диаграммы делит ее на область перегретого пара и область влажного пара. В любой точке выше кривой насыщения пар является перегретым, а в любой точке ниже кривой насыщения - влажным. Сама кривая насыщения соответствует состоянию сухого насыщенного пара при различных давлениях. Линии постоянного давления в обеих областях. Линии постоянной температуры в области перегрева. Линии постоянной степени сухости (χ) в области влажного пара.

Идеальное расширение, например в паровой турбине или паровой машине, представляет собой процесс с постоянной энтропией и может быть показано на диаграмме вертикальным перемещением вниз от точки начального состояния к точке конечного состояния.

Идеальный процесс дросселирования, например на редукционном клапане, представляет собой процесс с постоянной энтальпией. На диаграмме он изображается горизонтальным перемещением слева направо от точки начального состояния к точке конечного состояния.

Оба этих процесса связаны со снижением давления, но различаются тем, каким образом оно достигается.

Два примера на рисунке 2.3.8 показывают преимущество использования диаграммы для анализа паровых процессов: она дает их наглядное представление. Однако паровые процессы можно также описывать численно, используя значения из таблиц перегретого пара.

Поскольку энтропия сухого насыщенного пара при 0.04 бар а (8.473 kJ/kg °C) больше энтропии перегретого пара при 50 бар а / 300 °C (6.212 kJ/kg °C), следует, что для сохранения постоянной энтропии часть сухого насыщенного пара должна сконденсироваться.

Поскольку энтропия остается постоянной, в конечном состоянии:

Эти ответы хорошо согласуются с результатами, полученными по диаграмме Молье. Небольшая разница между двумя наборами результатов ожидаема, учитывая погрешности, возникающие при считывании значений с подобной диаграммы.