Введение - зачем нужны конденсатоотводчики?
Задача конденсатоотводчика - отводить конденсат, воздух и другие неконденсируемые газы из паровой системы, не допуская при этом утечки острого пара. В этом материале рассматриваются необходимость применения конденсатоотводчиков, особенности их работы, основные принципы действия и соответствующие стандарты.
На протяжении всей истории использования пара компания Spirax Sarco находилась в авангарде решений по повышению эффективности пароконденсатных систем. С 1935 года ассортимент продукции Spirax Sarco значительно расширился, и сегодня это оборудование применяется по всему миру на самых разных установках, использующих пар. В настоящее время почти не осталось производственных процессов, где пар не участвовал бы в получении конечного продукта.
Конденсатоотводчик является неотъемлемой частью любой паровой системы. Это важнейшее звено между эффективным использованием пара и грамотным возвратом конденсата: он удерживает пар в процессе для максимального использования тепла и в нужный момент удаляет конденсат и неконденсируемые газы. Хотя нередко конденсатоотводчики рассматривают изолированно, их влияние на работу всей паровой системы часто недооценивают. Именно поэтому становятся важны следующие вопросы.
Часто бывает так, что при выборе неподходящего конденсатоотводчика для конкретного применения сразу не наблюдается явных негативных последствий. Иногда конденсатоотводчики вообще полностью перекрывают, и заметных проблем тоже будто бы не возникает, например на паропроводе, где неполный дренаж в одной точке зачастую лишь означает, что оставшийся конденсат дойдет до следующей. Однако это легко превращается в проблему, если следующая дренажная точка засорена или тоже перекрыта.
Внимательный инженер заметит, что износ регулирующих клапанов, утечки и снижение производительности установки во многих случаях устраняются при правильной организации отвода конденсата. Любой механизм подвержен износу, и конденсатоотводчики не исключение. Когда конденсатоотводчик отказывает в открытом положении, некоторое количество пара может попадать в систему конденсата, хотя часто это меньше, чем предполагают. К счастью, сегодня у пользователей пара имеются быстрые способы выявления и устранения таких отказов.
Зачем нужны конденсатоотводчики?
'Задача конденсатоотводчика - отводить конденсат, не допуская утечки острого пара'
Ни одна паровая система не может считаться полной без этого ключевого элемента - конденсатоотводчика. Это важнейшее звено в контуре конденсата, поскольку именно оно связывает использование пара с возвратом конденсата.
Конденсатоотводчик буквально "выводит" конденсат, а также воздух и другие неконденсируемые газы, из системы, позволяя пару достигать точки потребления в максимально сухом состоянии и выполнять свою задачу эффективно и экономично. Количество конденсата, с которым должен работать конденсатоотводчик, может сильно различаться. Ему может потребоваться отводить конденсат при температуре пара, то есть сразу после его образования в паровом пространстве, либо сбрасывать его уже при температуре ниже температуры насыщения, отдавая часть своего "явного" тепла. Диапазон давлений, при которых работают конденсатоотводчики, простирается от вакуума до значительно более ста бар. Для таких разных условий разработано множество типов, каждый со своими преимуществами и недостатками. Практика показывает, что конденсатоотводчики работают наиболее эффективно тогда, когда их характеристики соответствуют конкретному применению. Крайне важно выбрать правильный тип для выполнения определенной функции в заданных условиях. На первый взгляд эти условия могут быть неочевидны. Они могут включать изменения рабочего давления, тепловой нагрузки или давления конденсата. Конденсатоотводчик может подвергаться воздействию экстремальных температур и даже гидроударов. Он также должен быть устойчив к коррозии и загрязнениям. Каковы бы ни были условия, правильный выбор конденсатоотводчика критически важен для эффективности системы. Становится очевидно, что один тип конденсатоотводчика не может быть правильным выбором для всех применений.
Что учитывать при выборе конденсатоотводчика
Что учитывать при выборе конденсатоотводчика
Удаление воздуха При пуске, то есть в начале процесса, пространство нагревателя заполнено воздухом, который, если его не удалить, уменьшит теплопередачу и увеличит время разогрева. Время выхода на режим возрастает, а эффективность установки снижается. Желательно удалить воздух как можно быстрее, пока он не успел смешаться с поступающим паром. Если воздух и пар уже смешались, разделить их можно только путем конденсации пара, после чего воздух необходимо отвести в безопасное место. На больших или неудобных по форме паровых пространствах могут понадобиться отдельные воздухоотводчики, но в большинстве случаев воздух из системы удаляется через конденсатоотводчики. Здесь термостатические конденсатоотводчики имеют явное преимущество перед некоторыми другими типами, поскольку на пуске они полностью открыты. Особенно полезны поплавковые конденсатоотводчики со встроенным термостатическим воздухоотводчиком, хотя многие термодинамические конденсатоотводчики тоже способны справляться с умеренным количеством воздуха. Однако маленькое отверстие в дренажах с фиксированным отверстием и продувочное отверстие в конденсатоотводчиках с перевернутым стаканом удаляют воздух медленно. Это может увеличить производственные циклы, время разогрева и скорость коррозии. Удаление конденсата После удаления воздуха конденсатоотводчик должен пропускать конденсат, но не пар. Утечка пара на этом этапе неэффективна и неэкономична. Конденсатоотводчик должен отводить конденсат, удерживая при этом пар внутри процесса. Если для процесса критична хорошая теплопередача, конденсат необходимо удалять немедленно и при температуре пара. Затопление парового пространства конденсатом является одной из главных причин неэффективной работы паровой системы из-за неправильного выбора конденсатоотводчика. Работа оборудования Когда базовые требования по удалению воздуха и конденсата уже учтены, можно перейти к вопросу "работы оборудования". Проще говоря, если теплообменник специально не рассчитан на затопление, то для наилучшей работы его паровое пространство должно быть заполнено чистым сухим паром. На это влияет тип конденсатоотводчика. Например, термостатические конденсатоотводчики удерживают конденсат до тех пор, пока он не охладится ниже температуры насыщения. Если такой конденсат остается в паровом пространстве, площадь теплопередачи уменьшается, а эффективность нагревателя падает. Сброс конденсата при как можно более низкой температуре может казаться привлекательным, но большинству применений в действительности требуется удаление конденсата из парового пространства при температуре пара. Для этого нужен конденсатоотводчик с другими рабочими характеристиками, чем у термостатического типа, а значит обычно выбирают механический или термодинамический тип. Перед выбором конкретного конденсатоотводчика необходимо учесть требования процесса. Обычно именно они определяют необходимый тип устройства. Далее способ подключения процесса к паровой и конденсатной системе помогает определить предпочтительный тип, который лучше всего справится с задачей в данных условиях. После выбора типоразмер конденсатоотводчика должен быть рассчитан. Он определяется условиями системы и такими параметрами процесса, как:
- максимальное давление пара и конденсата;
- рабочее давление пара и конденсата;
- температура и расход;
- наличие температурного регулирования процесса. Эти параметры будут подробнее рассмотрены в следующих модулях данного раздела. Надежность Практика показывает, что "хороший отвод конденсата" неразрывно связан с надежностью, то есть с оптимальной работой при минимальном внимании обслуживающего персонала. Причины ненадежности часто связаны со следующим:
- коррозия, обусловленная состоянием конденсата. С ней можно бороться правильным выбором материалов конструкции и качественной подготовкой питательной воды;
- гидроудар, нередко возникающий из-за подъема трубопровода после конденсатоотводчика. Эту особенность иногда упускают на стадии проектирования, и именно она часто становится причиной ненужных повреждений у вполне надежных устройств;
- загрязнения, поступающие из системы, когда реагенты водоподготовки уносятся из котла, либо когда трубный мусор мешает работе конденсатоотводчика.
Основная задача конденсатоотводчика - правильное удаление конденсата и воздуха, а для этого необходимо четко понимать принципы его работы.
Вспышечный пар
При сбросе горячего конденсата из системы высокого давления в систему низкого давления возникает естественное явление образования вспышечного пара. Это может ввести наблюдателя в заблуждение при оценке состояния конденсатоотводчика.
Рассмотрим энтальпию только что образовавшегося конденсата при давлении и температуре пара, которую можно определить по паровым таблицам. Например, при давлении 7 bar g конденсат содержит 721 kJ/kg при температуре 170.5°C. Если этот конденсат сбрасывается в атмосферу, он может существовать только в виде воды при 100°C, содержащей 419 kJ/kg энтальпии насыщенной воды. Избыточная энтальпия 721 - 419, то есть 302 kJ/kg, вызовет вскипание части воды и образование определенного количества пара при атмосферном давлении.
Образующийся пар низкого давления обычно называют "вспышечным паром". Количество выделяющегося вспышечного пара можно рассчитать следующим образом:
Если бы конденсатоотводчик сбрасывал 500 kg/h конденсата при 7 bar g в атмосферу, количество образующегося вспышечного пара составило бы 500 x 0.134 = 67 kg/h, что эквивалентно примерно 38 kW потерь энергии.
Это весьма значительное количество полезной энергии, которое слишком часто теряется в тепловом балансе пароконденсатного контура, хотя при его улавливании и использовании можно сравнительно просто повысить эффективность системы.
Как работают конденсатоотводчики
Как работают конденсатоотводчики
Существует три основных типа конденсатоотводчиков, к которым относятся все разновидности; все три типа классифицируются международным стандартом ISO 6704:1982. Типы конденсатоотводчиков:
- Термостатические (работают по изменению температуры среды) Температура насыщенного пара определяется его давлением. В паровом пространстве пар отдает энтальпию испарения, то есть тепло, образуя конденсат при температуре пара. При дальнейшем теплоотводе температура конденсата падает. Термостатический конденсатоотводчик пропускает конденсат, когда фиксирует эту более низкую температуру. Когда к устройству подходит пар, температура повышается, и конденсатоотводчик закрывается.
- Механические (работают по изменению плотности среды) Эта группа конденсатоотводчиков работает за счет разницы плотности пара и конденсата. К ней относятся шаровые поплавковые конденсатоотводчики и конденсатоотводчики с перевернутым стаканом. В шаровом поплавковом конденсатоотводчике шар поднимается при поступлении конденсата, открывая клапан и выпуская более плотный конденсат. В конденсатоотводчике с перевернутым стаканом сам стакан всплывает, когда к устройству подходит пар, и поднимается, закрывая клапан. Оба типа по своей сути являются механическими по принципу работы.
- Термодинамические (работают по изменению динамики потока) Термодинамические конденсатоотводчики частично используют образование вспышечного пара из конденсата. К этой группе относятся термодинамические, дисковые, импульсные и лабиринтные конденсатоотводчики. К этому типу также условно относят конденсатоотводчики с фиксированным отверстием, которые сложно однозначно назвать автоматическими устройствами, поскольку фактически они представляют собой отверстие постоянного диаметра, рассчитанное на пропуск определенного количества конденсата только при одном наборе условий. Все они основаны на том, что горячий конденсат, выходящий под динамическим давлением, мгновенно вскипает, образуя смесь пара и воды. В следующих модулях будут рассмотрены эти типы конденсатоотводчиков.
Международные и европейские стандарты, относящиеся к конденсатоотводчикам
ISO 6552:1980
Глоссарий технических терминов для автоматических конденсатоотводчиков. **ISO 6553:2016
EN ISO 6553:2017**
Маркировка автоматических конденсатоотводчиков. ISO 6554:1980
Строительные длины фланцевых автоматических конденсатоотводчиков. EN 558:2017
Промышленные клапаны. Строительные длины и расстояния от оси до торца металлических клапанов для фланцевых трубопроводных систем. Клапаны с обозначением PN и Class.
(Хотя ISO 6554:1980 по-прежнему действует, в Европе его требования включены в общий стандарт на промышленную арматуру EN 558:2017, который имеет гораздо более широкий охват, чем ISO 6554:1980, и по-другому определяет серии строительных длин по сравнению с EN 26554:1991). **ISO 6704:1982
EN 26704:1991**
Классификация автоматических конденсатоотводчиков. ISO 5117 :2023
Испытания автоматических конденсатоотводчиков на производственные и эксплуатационные характеристики.
(Заменяет ISO 6948:1981, ISO 7841:1988 и ISO 7842:1988, объединяя методы определения потерь пара и методы определения пропускной способности автоматических конденсатоотводчиков в виде приложений к основному тексту стандарта, посвященному испытаниям на производственные и эксплуатационные характеристики автоматических конденсатоотводчиков).