Теория отвода воздуха

#Влияние воздуха

Если воздух смешивается с паром и движется вместе с ним, карманы воздуха остаются у поверхностей теплообмена, где пар конденсируется. Постепенно образуется тонкий изолирующий слой, препятствующий теплопередаче, как показано на рисунке 11.12.1. Воздух широко используется как изолятор из-за своей низкой теплопроводности. Например, стеклопакеты в современных окнах представляют собой два слоя стекла с изолирующим слоем воздуха между ними. Аналогично воздух используется для снижения теплопотерь паропроводов. Большинство теплоизоляционных материалов состоит из миллионов микроскопических воздушных ячеек в матрице из стекловолокна, минеральной ваты или полимерного материала. Изолятором является именно воздух, а твёрдый материал лишь удерживает его на месте. Точно так же воздушная плёнка на паровой стороне поверхности теплопередачи сопротивляется потоку тепла, снижая интенсивность теплопередачи.

Теплопроводность воздуха составляет 0.025 Вт/м °C, тогда как для воды этот показатель обычно равен 0.6 Вт/м °C, для железа около 75 Вт/м °C, а для меди около 390 Вт/м °C. Воздушная плёнка толщиной всего 1 мм создаёт примерно такое же сопротивление теплопередаче, как медная стенка толщиной около 15 метров! Маловероятно, что воздух внутри теплообменника существует в виде равномерной плёнки. Гораздо вероятнее, что его концентрация выше вблизи поверхности конденсации и ниже дальше от неё. Однако для наглядного показа сопротивления теплопередаче удобно рассматривать его как однородный слой.

Когда к пару добавляется воздух, теплосодержание заданного объёма смеси оказывается ниже, чем у такого же объёма чистого пара, поэтому температура смеси снижается.

Закон Дальтона о парциальных давлениях гласит: «В смеси пара и воздуха общее давление равно сумме парциальных давлений, которые каждый газ создавал бы, занимая весь объём самостоятельно».

Например, если общее давление паровоздушной смеси при 2 барах (абс.) складывается по объёму из 3 частей пара и 1 части воздуха, то:

Парциальное давление воздуха = ¼ x 2 бар абс. = 0.5 бар абс.

Парциальное давление пара = ¾ x 2 бар абс. = 1.5 бар абс.

Общее давление смеси = 0.5 + 1.5 бар абс. = 2 бар абс. (1 бар изб.)

Манометр покажет давление 1 бар изб., из чего наблюдатель сделает вывод о соответствующей температуре 120°C. Однако парциальное давление, создаваемое присутствующим в смеси паром, составляет всего 0.5 бар изб. (1.5 бар абс.), что соответствует температуре лишь 112°C. Следовательно, присутствие воздуха оказывает двойной эффект:

• оно создаёт сопротивление теплопередаче из-за образования изолирующего слоя;
• оно снижает температуру парового пространства, уменьшая тем самым температурный напор на поверхности теплопередачи.

Общий эффект состоит в снижении интенсивности теплопередачи ниже той, которая может требоваться для критического процесса, а в худших случаях может даже не позволить достичь требуемой конечной температуры процесса.

Во многих процессах минимальная температура необходима для протекания химических или физических изменений продукта, так же как минимальная температура крайне важна в стерилизаторе. Присутствие воздуха особенно проблематично потому, что оно вводит в заблуждение по показаниям манометра. Следовательно, температуру нельзя определять по давлению.

#Воздух в системе

Воздух присутствует в паропроводах и паровом оборудовании при пуске. Даже если бы при работе система была полностью заполнена чистым паром, конденсация пара при остановке создала бы вакуум и втянула бы воздух в трубы.

Воздух может также попадать в систему в растворённом виде с питательной водой. При 80°C вода может растворять около 0.6% своего объёма воздуха. Растворимость кислорода примерно вдвое выше растворимости азота, поэтому «воздух», растворённый в воде, содержит почти одну часть кислорода на две части азота, а не одну часть к четырём, как атмосферный воздух. Углекислый газ растворяется ещё лучше, примерно в 30 раз сильнее кислорода.

Питательная вода котла и конденсат, контактирующий с атмосферой, легко поглощают эти газы. Когда вода нагревается в котле, газы выделяются вместе с паром и уносятся в распределительную систему. Если подпиточная вода котла не полностью деминерализована и не деаэрирована, она часто содержит растворимый карбонат натрия, образующийся при химическом умягчении воды. Карбонат натрия может в некоторой степени разлагаться в котле, и при этом снова образуется углекислый газ.

В котлах более высокого давления питательная вода часто проходит через деаэратор перед подачей в котёл. Лучшие деаэраторы могут снизить содержание кислорода в воде до 3 частей на миллион (ppm). Остаточный кислород затем можно удалить химической обработкой. Однако такое количество кислорода будет сопровождаться примерно 6 ppm азота, на который химическая обработка не действует. Если котёл среднего размера производит 10 000 кг пара в час, он потребляет около 10 000 литров воды в час, что, в свою очередь, даёт 60 см³ азота. Если этот газ не удалять из системы, он будет накапливаться со временем и заметно ухудшать теплопередачу.

Даже лучшие физические и химические методы подготовки всё равно позволяют части необработанных неконденсирующихся газов выходить из котла вместе с паром. Воздух, часто остающийся незамеченным, присутствует в паровых системах гораздо шире, чем принято считать, и является причиной как ограничения производительности, так и коррозии оборудования.

#Признаки наличия воздуха

1. Постепенное снижение производительности любого оборудования с паровым нагревом.
2. Пузырьки воздуха в конденсате.
3. Коррозия.

Удаление воздуха из паровых систем имеет первостепенное значение. Следующие страницы посвящены этому вопросу и рассматривают применение воздухоотводчиков.

#Удаление воздуха

Наиболее эффективный способ удаления воздуха - использование автоматического устройства. Воздух, смешанный с паром, снижает температуру смеси. Это позволяет термостатическому устройству, работающему по принципу уравновешенного давления или биметалла, удалять воздух из паровой системы. Воздухоотводчик, установленный на паровом пространстве аппарата (рисунок 11.12.3) или в конце паропровода (рисунок 11.12.4), будет открываться при наличии воздуха. Для максимально полного удаления воздуха сброс должен быть как можно более свободным. Часто устанавливают трубку для отвода сброса в безопасное место, желательно не в линию возврата конденсата, так как это может ограничивать свободный выпуск воздуха и способствовать коррозии. Если воздухоотводчик установлен в байпас конденсатоотводчика (рисунок 11.12.5), то после удаления воздуха он будет работать как конденсатоотводчик и время от времени может сбрасывать конденсат. В таких случаях необходимо снова подключить воздухоотводчик к линии конденсата после конденсатоотводчика.

Если линия отвода конденсата после конденсатоотводчика поднимается на высокий уровень, заполненная жидкостью линия создаёт противодавление на конденсатоотводчик и воздухоотводчик. Способность воздухоотводчика сбрасывать воздух снижается, особенно при пуске. Это в равной мере относится и к случаям, когда воздухоотводчик встроен в конденсатоотводчик. Когда форма парового пространства и расположение входа пара таковы, что основная часть воздуха выходит через выход конденсата, предпочтительно, чтобы линии сброса от конденсатоотводчика и воздухоотводчика не поднимались на высокий уровень.

#Расположение воздухоотводчика

Если змеевик или аппарат имеют сравнительно небольшое поперечное сечение, подаваемый в них пар действует как поршень, вытесняя воздух в удалённую от входа пара точку. Эта «удалённая точка» обычно является лучшим местом для воздухоотводчика. В случае паропотребителя формы, показанной на рисунке 11.12.6, часть воздуха будет выходить через выход конденсата - в зависимости от того, какие средства предусмотрены в конденсатоотводчике или байпасе для удаления воздуха. Остальной воздух может скапливаться так, как показано на рисунке, образуя холодную зону на поверхности нагрева. Аппарат не сможет прогреваться равномерно, и в некотором оборудовании, например в гладильных машинах прачечных, это может привести к деформации. Поскольку смесь воздуха и пара плотнее чистого пара при том же давлении, обычно достаточно предусмотреть возможность отвода воздуха в расположенном ниже конденсатоотводчике. Однако из-за принципа работы конденсатоотводчика на его входе иногда образуется водяной затвор, препятствующий поступлению воздуха к нему. В таких случаях может потребоваться автоматический воздухоотводчик, подключённый к паровому пространству выше уровня возможного скопления конденсата. Часто удобно и достаточно эффективно подключать его к верхней части парового пространства, как показано на рисунке 11.12.6.

Однако в случае двух паровых пространств одинакового размера и формы, но с разным расположением входов пара, место установки воздухоотводчика может отличаться. На рисунках 11.12.7 и 11.12.8 конденсат отводится снизу аппарата, но при нижнем входе пара во время пуска воздух будет стремиться вытесняться в удалённую точку в верхней части. В этом случае может оказаться лучше установить воздухоотводчик сверху, а поплавково-термостатический конденсатоотводчик будет удалять остаточный воздух, собравшийся в нижней части аппарата.