Читать статью в формате PDF... Назначение пароутилизаторов - нагрев потока воды путем инжектирования пара в водяную магистраль, то есть использование энергии, выделяемой при конденсации пара. Как правило, доля этой энергии составляет до 70 % от общей внутренней энергии пара. Области применения пароутилизаторов: подогрев воды для резервирования водогрейного котла, подогрев воды в трубопроводе, центральной котельной, конденсатопроводе, химводоочистка, утилизация пара, горячее водоснабжение душевых, теплоснабжение, теплофикация и т.д. Принцип действия Установка состоит из тройника, соединяющего трубопровод подачи пара и нагреваемой воды, водяного сопла, камеры смешения и напорной камеры, перепускных трубопроводов с задвижками на них (рис. 1). В установку подается поток нагреваемой воды. Основная часть расхода воды поступает через водяное сопло, диаметр которого рассчитан таким образом, что в нем за счет сужения потока происходит снижение статического давления воды до величины меньшей, чем давление в камере смешения. Другая часть потока по перепускному трубопроводу поступает в напорную камеру и распыляется через форсуночные отверстия в камере смешения. Поток пара, пройдя через дросселирующую шайбу, поступает также в камеру предварительного смешения, в которой, перемешиваясь с распыляемой водой, превращается в пароводяную смесь. Эта смесь поступает в зону разряжения, создаваемую соплом, через кольцевой зазор в тройнике за счет перепада давления между давлением в камере смешения и статическим давлением на срезе сопла. Размеры дросселирующей шайбы и величина кольцевого зазора выбираются расчетным путем таким образом, чтобы давление в камере смешения было меньше давления воды на входе в установку и больше статического давления в потоке на срезе сопла. Для уменьшения пульсаций давления потока применена предварительная подготовка пара в камере смешения. После установки до ближайшей запорной арматуры должен быть прямолинейный участок трубопровода длиной 10-15 диаметров подводящей магистрали для дальнейшего перемешивания пароводяной смеси и воды, конденсации пара и увеличения за счет этого температуры подаваемой в установку воды. Монтаж ПУ и его подключение занимает 16 н/ч рабочего времени. Устройство врезается непосредственно в паровую и водяную магистрали, при помощи стандартных фланцевых соединений. Уровень сложности монтажа сравним с установкой задвижек и водяных элеваторов. Возможно использование существующей (установленной вокруг бойлера) трубопроводной арматуры и КИП (рис. 2). Преимущества пароутилизаторов Основное преимущество пароутилизаторов от предыдущих версий пароводяных инжекционных теплообменников - возможность оперативного регулирования давления в зоне смешения пара с водой. Это значительно расширяет диапазон использования пароутилизаторов при утилизации низкопотенциального пара за счет расширения допускаемого разброса по расходу нагреваемой воды и снижения потерь напора воды. Конструктивно пароутилизатор отличается смесительным устройством на подводящем паропроводе, благодаря которому обеспечиваются требуемые параметры пароводяной смеси. Такая предварительная подготовка подаваемого пара обеспечивает возможность реализации широкого диапазона расходов, давлений, температур и диаметров трубопроводов. При этом давление пара может быть ниже на 2-4 атм, чем в водяной магистрали системы отопления. Основная трудность при создании пароутилизаторов заключалась в исключении вибраций, неизбежно возникающих при подаче пара в воду. В отличие от схожих по назначению аппаратов (самый популярный из них "Трансоник", разработанных профессором В. Фисенко), в пароутилизаторе по прямой магистрали направляется не пар, а вода. Таким образом создается местное разрежение и в эту область направляется предварительно орошенный водой сильно завихренный пар. Совместными усилиями центра энергосберегающих технологий Магнитогорского металлургического комбината, кафедрой автоматики и управления Южно-Уральского государственного университета и инженерным коллективом "Химсталькомплект" создан пароутилизатор следующего поколения с автоматической регулировкой температуры нагреваемой воды. Он позволяет уменьшить диапазон разброса температуры воды до±1°С (для предыдущих версий характерен показатель ±7°С) и обеспечить адаптацию пароутилизаторов к существующим на предприятиях системам автоматического учета и контроля потребления энергоресурсов. Пароутилизаторы могут работать на неочищенной воде с различными взвесями, не требуя периодической чистки и переработки, и обеспечивают стабильность характеристик в процессе эксплуатации. То есть пароутилизаторы, в отличие от бойлеров и своих предшественников, практически не требуют обслуживания, кроме того, при их внедрении становится ненужной система возврата конденсата (табл. 1). Экономические особенности пароводяного теплообмена В обычных пароводяных теплообменниках, включая самые эффективные пластинчатые, используется до 25 % внутренней энергии пара. Остальное теряется при конденсации или выбросе пара в атмосферу. Пароутилизатор использует 100 % вышеупомянутой энергии (внутренней энергии пара). При использовании пара для нагрева теплоносителя, в частности воды, давление пара часто падает (максимум с 10-12, а чаще с 4,0-7,0 до 0,2-1,0 атм - свободный выпар). Далее, когда низкопотенциальный пар поступает в конденсатосборники или выбрасывается в атмосферу, энерго содержание пара (энтальпия) падает с 0,664 Гкал/т (давление пара 12 атм) до 0,640 (давление пара 0,2 атм). Это пример наиболее полного использования пара в теплообменнике. При повышении температуры пара энтальпия растет незначительно. Энергосодержание конденсата при температуре 100°С - 0,1 Гкал/т. Таким образом, мы видим, что затраты энергии на нагрев многократно меньше (в нашем примере в 22,5 раз), чем количество энергии, потерянной при конденсации или сбросе низкопотенциального пара. Пароутилизатор возвращает ее в процесс теплообмена, тем самым сокращая потребление пара от источника и экономя топливные ресурсы. Это дает очень весомый экономический эффект. Пароутилизатор намного выгоднее водоводяных теплообменников в системе нагрева воды.Энергосодержание обратной (холодной нагреваемой) воды 40-70°С - 0,04-0,07 Гкал/т соответственно; прямой (горячей нагревающей) воды - максимум 0,10 Гкал/т (конденсат при атмосферном давлении). При повышении давления нагревающей воды энергосодержание меняется незначительно при 7-0,15 Гкал/т. Дальнейшее повышение давления в теплообменнике нерентабельно по техническим соображениям. Отданная энергия единицы массы воды максимум 0,115 Гкал/т (из расчета для максимальных параметров греющего теплоносителя на входе и минимальных на выходе: Тпр. = 150°С, Рпр. =7, Тобр. = 35°С, Рнагр. = 1). При тех же условиях энергия единицы массы пара самых низких параметров (0,2-1,0, свободный выпар) равна 0,640 Гкал/т. Мы видим, что нагревание воды даже самым низкопотенциальным паром выгоднее минимум в 5,5 раза, чем горячей водой. Хотя транспортировка массовой единицы пара гораздо дороже, аналогичного параметра для горячей воды, но за счет многократно большего энергосодержания пара, каждая Гкалл тепла, поступающая с паром, обходится потребителю дешевле, чем Гкалл горячей воды. Сравнительный анализ применения пароутилизаторов и бойлеров Для нагрева воды в системах водоснабжения и химводоочистки в основном используются пароводяные кожухотрубные аппараты (бойлеры). В них вода прокачивается через большое количество тонкостенных трубок, наружная поверхность которых омывается высокопотенциальным паром. Недостаткибойлеров: высокая стоимость, дорогой ремонт и большая зависимость от качества нагреваемой воды, т.к. повышенная жесткость воды является следствием образования накипи - мелкие трубки забиваются, что резко снижает КПД установки. Снижение КПД ведет к увеличению расхода топлива в котельных для обеспечения требуемой температуры нагреваемой воды. Переборка и очистка трубок - дорогостоящий и трудоемкий процесс. При использовании ПУ передача тепла осуществляется так называемым "прямым" способом, т.е. пар смешивается с теплоносителем (водой) и тепловая энергия передается непосредственно воде. При этом КПД ПУ 99,5 % сохраняется в течение всего срока эксплуатации. Давление пара может быть ниже на 2-4 атм, чем в водяной магистрали системы отопления. Конструкция ПУ предусматривает возможность эффективного устранения возможных пульсаций давления. Для уменьшения разбросов температуры воды (которые составляют обычно ±7°С) и обеспечения адаптации пароутилизаторов к существующим на предприятиях системам автоматического учета и контроля потребления энергоресурсов создан пароутилизатор с автоматической регулировкой температуры нагреваемой воды. Диапазон разброса температуры воды при его установке ±1°С. Пароутилизатор может эксплуатироваться вне помещений, что также снижает эксплуатационные затраты. Сравнительный расчет расхода пара пароутилизатором и кожухотрубным подогревателем Расчет расхода пара на кожухотрубный подогреватель Расчетная максимальная тепловая нагрузка на сетевые подогреватели равна: Q = Gпп tпр - tобрС, где Gпп - расход воды, т/ч; tпр - температура воды в прямой линии, °С; tобр - температура воды в обратной линии, °С; С - теплоемкость воды, Гкал/(т•°С). Требуемый расход пара на кожухотрубный подогреватель: Dпп = QI - Iкhпп, где I - энтальпия насыщенного пара при данном давлении пара, Гкал/т; Iк - энтальпия конденсата, Гкал/т; hпп - средний КПД кожухотрубного подогревателя, учитывающий потери тепла от стенок установки, потери тепла с поверхностей конденсатопровода, потери тепла с пролетным паром. Расчет расхода пара на пароэжекторное устройство Так как пароэжекторное устройство - теплообменник смешивающего типа, то расход воды на выходе из ПУ равен сумме расходов воды на входе в ПУ и расхода пара, а температура конденсата пара в устройстве равна температуре нагретой воды на выходе из устройства. Система уравнений теплового баланса имеет вид: Gвых = Gвх + Dпу; Dпу I - tвых С= = Gвх С tвых - tвх, где Gвх, Gвых - расход воды на входе и выходе, т/ч; Dпу - расход пара на ПУ, т/ч; tвх, tвых - температура воды на входе и выходе, °С; С - теплоемкость воды, Гкал/(т•°С). Решая систему уравнений, получаем выражение для расхода пара на ПУ с учетом КПД: Dпу = QI - tвх Сhпу, где hпу - КПД ПУ, учитывающий потери тепла от стенок устройства. Таким образом, применение ПУ по сравнению с кожухотрубными подогревателями (при равной тепловой нагрузке) за счет уменьшения потерь тепла с наружных поверхностей в окружающую среду позволит уменьшить расчетный расход пара, а значит и потребляемую тепловую мощность на величину: dQ = Dпп I - tк C- - Dпу I - tвх C. Экономия тепла за год составит: Qэк = dQ n, Пароутилизатор где n = 5232 ч - продолжительность работы системы отопления в году (218 дней). Определение годового экономического эффекта от применения пароэжекторных устройствПрямой экономический эффект от применения ПУ достигается за счет экономии тепла в результате исключения его потерь через наружные поверхности ввиду их малогабаритности и за счет исключения затрат на регулярное техническое обслуживание и ремонт подогревателей. Общий экономический эффект можно подсчитать по формуле: Эпр = Эт + Эр, где Эт - эффект от снижения расхода тепла; Эр - эффект от снижения затрат на ремонт. Эффект от экономии тепла: Эт = S Qэк, где Qэк - годовая экономия тепловой энергии; S - стоимость 1 Гкал тепла, руб/Гкал. В качестве примера возьмем пароэжекторное устройство ПУ 02.00.000-01 (Ду = 50 мм с 2-ступенчатой схемой подогрева), имеющее следующие характеристики: ❏давление воды перед ПУ - 0,3 МПа; ❏давление греющего пара - 0,5-0,8 МПа; ❏расход воды - 12 т/ч; ❏температура воды на входе в ПУ -5°С; ❏температура воды на выходе из ПУ - 55-65°С. Подставляя в систему уравнений значения техпараметров, получаем экономический эффект для различных ДУ и расходов воды через пароутилизатор (табл. 2). Пароструйные компрессоры (ПСК) В технологических процессах предприятий, особенно в нефтехимической отрасли, широко используют пар в качестве источника тепловой энергии. При этом вначале в паровых котлах получают пар с давлением порядка 40 кгс/см2 и температурой 350-450°С, который затем пропускается через редукционноохлаждающие устройства (РОУ) для получениязаданных параметров, ис пользуемых далее в различных технологических установках. Например: � кгс/см2, 400°С- - � кгс/см2, 320°С- � кгс/см2, 250°Си т.д. Такого рода процессы характеризуются потерями тепловой энергии и сопровождаются достаточно высоким уровнем шума. К тому же образуется низкопотенциальный пар, дальнейшее использование которого затруднительно ввиду его низкого давления и температуры, поэтому такой пар зачастую выбрасывается в атмосферу. С созданием пароструйного компрессора, который совмещает в себе функции РОУ и пароутилизатора, стало возможным избежать этих проблем. Он позволяет повысить давление низкопотенциального пара, исключить выброс низкопотенциального пара и исключить из схемы пароснабжения РОУ. В ПСК высоко потенциальный пар подается из профилированного сопла, создавая разрежение 0,2-0,4 атм, зона пониженного давления соединяется со сборной емкостью (где собирается низкопотенциальный пар и конденсат) под действием разрежения конденсат вскипает, температура в нем понижается, создавая более благоприятные условия для конденсатных насосов. В результате исключается выброс пара в атмосферу через дренажный клапан и снижается потребление пара от ТЭЦ на эту величину. РИСУНКИ: 1~1~,2~2~ ТАБЛИЦЫ: 1~3~,2~4~