Способ избавиться от барботажа пара в баке при приготовлении горячей воды.
Подписаться на разделЧасто на многих небольших предприятиях при малом потреблении горячей воды используют барботаж пара в баке для получения горячей воды. Коэффициент полезного действия такого способа обычно не превышает 85% (зависит от многих факторов: давления пара, диаметра паропровода, глубины погружения и т.д.) и сопровождается большими потерями тепла. В зависимости от условий подачи пара при барботаже происходит ряд термодинамических процессов в толще воды. Если скорость выхода пузырьков пара невысокая, то паровые пузырьки не достигают слоя воды и лопаются в толще её. При этом происходит сначала, взрыв пузырька пара - разрушение пленки воды, окружающей пар, - это дает толчок стремительному движению воды вовнутрь пузырька со всех сторон его поверхности. В этот момент и возникает так называемый гидроудар – столкновение гидравлических струй воды, попадающих вовнутрь пузырьков. Внешне это может проявляться как шум, вибрация и наконец сильный стук, могущий разрушить подводящий паропровод. Если скорость пузырьков достаточно высокая, то они достигают поверхности воды в баке, не разрушаясь в толще воды. Разрыв оболочек паровых пузырей при выходе пара на поверхность паро-жидкостного слоя происходит практически мгновенно. Поэтому образующийся пенный слой является динамическим: он стабилен только при подаче пара и разрушается после прекращения последней через малый промежуток времени. При выходе пузырьков пара из паро-жидкостного слоя и разрушении их оболочек образуются брызги; они поднимаются над слоем на некоторую высоту в зависимости от их размеров и скорости пара. Внешне это брызги, шум и вибрация, впрочем меньше, чем в первом случае.
Многолетний опыт показывает: решением задачи повышения эффективности систем горячего водоснабжения основанных на смешении пара с нагреваемой водой является применение способа конденсации пара на струе воды, реализованных конструктивно в виде паро-водяных смешивающих теплообменников струйного типа ,например универсальных магистральных пароэжекторных установок (УМПЭУ), разработанных в городе Миассе [1-2]. Принцип действия теплообменника УМПЭУ основан на смешении насыщенного греющего пара и нагреваемой холодной (водопроводной) воды. Процесс конденсации в таких теплообменниках протекает без ударов вследствие постоянного обновления взаимодействующего с паром слоя воды, а также за счет предварительной подготовки пара перед смешением.Так, давление греющего пара снижают до давления потока воды, а нагреваемый поток воды, поступающий в теплообменник УМПЭУ ( рис.1), разделяется на две части: одна часть направляется в водяное сопло и служит для создания зоны локального разрежения в потоке воды, а вторая часть (в объеме до 10%) смешивается с потоком греющего пара в специальной камере предварительного смешения (конденсационной колонне) с использованием генераторов вихрей и диспергированием воды. Полученная пароводяная смесь, имеющая вихревую структуру, затем поступает в зону локального разрежения, где завершается процесс конденсации пара на турбулентной водяной струе. Для исключения пульсаций давления нагретого потока служит специальный гаситель, устанавливаемый после УМПЭУ. Отсутствие в УМПЭУ теплообменных поверхностей, разделяющих греющий пар и нагреваемую воду, высокие скорости потоков воды и пара, создание вихревых потоков, не позволяют взвешенным частицам и шламу прилипнуть к поверхностям теплообменника, что предопределяет возможность их применения для нагревания жесткой воды.
Теплообменники УМПЭУ изготовляют из бесшовных труб и штампованных элементов трубопроводов, поэтому они долговечны, надежны, ремонтопригодны и не требуют затрат на чистку от накипи и ремонт. Ростехнадзором России выдано разрешение на применение теплообменников УМПЭУ на трубопроводах пара и горячей воды при давлении теплоносителей до 4,0 МПа (40,0кгс/см2) и температуре до 350С.
Следует отметить, что смешивающие пароводяные теплообменники диаметрами свыше 300 мм (производительностью 700-1700 т/час нагреваемой воды) созданы впервые в мировой практике. На фотографии для иллюстрации представлена УМПЭУ условным диаметром Ду500мм, работающая на подогрев воды расходом 1700 т/час на предприятии ООО «Балаковские минеральные удобрения».
Единичная мощность тепловых пунктов для разных городов России различна. Для оптимального покрытия таких нагрузок имеется широкий типоразмерный ряд теплообменников УМПЭУ , различных по диаметру проходных сечений от Ду40мм до Ду500мм, что позволяет нагреть одним аппаратом практически любой объем воды. При применении двух последовательно установленных теплообменников мощность удваивается (один УМПЭУ обеспечивает интервал подогрева текущего потока воды на 30 градусов Цельсия).
Говоря об энергоэффективности пароводяных теплообменников УМПЭУ, мы имеем в виду то, что паровая фаза полностью конденсируется в таких теплообменниках в результате смешения пара с водой с выделением содержащейся в паре скрытой теплоты парообразования и получением на выходе горячей воды. Потери тепла в теплообменниках УМПЭУ, обуславливаемые рассеиванием тепловой энергии излучением наружной поверхности УМПЭУ, пренебрежимо малы. Например, для теплообменника УМПЭУ Ду125мм тепловой мощностью 2,1 Гкал/ч расчетные потери тепла составляют с оценкой сверху не более 3,7 кВт, а коэффициент полезного действия такого теплообменника составляет не менее ηУМПЭУ =99,7% даже без теплоизоляции наружных поверхностей.По опыту применения барботажных схем КПД барботажа для целей нагрева воды не превышает 85%, поэтому применение теплообменника УМПЭУ позволяет существенно снизить расход греющего пара.
Безусловно, что применение теплообменников смешивающего типа, как и барботажных нагревателей, возможно при условии, что используемый греющий пар по своим характеристикам соответствует требованиям санитарных норм и правил. Такой нагрев воды может иметь место на объектах, которые оснащены паровыми котельными, питающимися водой питьевого качества и имеющими Na- катионитовую химводоочистку.
На практике хорошо зарекомендовали себя две схемы ГВС с применением теплообменников УМПЭУ и баков-аккумуляторов. Первая выполнена на базе бака-аккумулятора, УМПЭУ и циркуляционного насоса с созданием рециркуляции нагреваемой воды, заполняющей бак (вариант 1). Подача горячей воды потребителям из бака производится отдельным насосом. Наличие бака-аккумулятора горячей воды позволяет обеспечить равномерную работу котельного оборудования в течение суток и сгладить пики и провалы в потреблении горячей воды. Такая локальная схема ГВС применяется зачастую на отдельных производствах (цехах) при относительно малых расходах горячей воды (3-20 м3/ч).
При расходах горячей воды более 20 м3/ч применяется вторая схема ГВС (вариант 2), выполненная также с применением бака-аккумулятора, УМПЭУ и насоса, причем насос обеспечивает циркуляцию воды в системе и подачу ее потребителям. Такая схема включения УМПЭУ была применена в котельной Миасского инструментального завода, обеспечивающей горячей водой южную часть города Миасс. В процессе эксплуатации теплообменника модели УМПЭУ 04.00.000-01 (с двухступенчатым вводом пара в поток воды) была подтверждена высокая надежность и эффективность предлагаемых в статье решений. Указанный теплообменник с условным диаметром Ду80 мм обеспечивал подогрев питьевой воды 45-50 м3/ч с 50С до 65-700С в течение 9 лет. При этом было отмечено снижение жесткости горячей воды (что безусловно порадовало жителей), внутри теплообменника отсутствовала накипь, теплообменник не требовал какого-либо обслуживания или ремонта.
Регулирование температуры подогрева воды в УМПЭУ производится изменением расхода греющего пара с помощью регулирующего парового дросселя роль которого выполняет паровая задвижка (при ручном регулировании), либо регулирующий клапан с электрическим исполнительным механизмом (автоматическое регулирование). Выбор типоразмера регулирующего клапана для УМПЭУ имеет ту особенность, что при определении коэффициента пропускной способности регулирующего клапана (Kv) необходимо давление пара после клапана принимать равным давлению среды в локальной зоне разрежения УМПЭУ. Регулирование расхода пара может выполняться как изменением давления пара перед регулирующим дросселем, так и изменением критического сечения парового дросселя.
Литература
1.Недугов А.ф., Куркулов М.А. Водоструйный паровой эжектор с камерой предварительного смешения //Промышленная энергетика. -2007. -№1.
2.Куркулов М.А., Недугов А.Ф. Применение смешивающих пароводяных подогревателей воды УМПЭУ //Энергетик. -2009.- №4.
Фотогалерея статьи
Многолетний опыт показывает: решением задачи повышения эффективности систем горячего водоснабжения основанных на смешении пара с нагреваемой водой является применение способа конденсации пара на струе воды, реализованных конструктивно в виде паро-водяных смешивающих теплообменников струйного типа ,например универсальных магистральных пароэжекторных установок (УМПЭУ), разработанных в городе Миассе [1-2]. Принцип действия теплообменника УМПЭУ основан на смешении насыщенного греющего пара и нагреваемой холодной (водопроводной) воды. Процесс конденсации в таких теплообменниках протекает без ударов вследствие постоянного обновления взаимодействующего с паром слоя воды, а также за счет предварительной подготовки пара перед смешением.Так, давление греющего пара снижают до давления потока воды, а нагреваемый поток воды, поступающий в теплообменник УМПЭУ ( рис.1), разделяется на две части: одна часть направляется в водяное сопло и служит для создания зоны локального разрежения в потоке воды, а вторая часть (в объеме до 10%) смешивается с потоком греющего пара в специальной камере предварительного смешения (конденсационной колонне) с использованием генераторов вихрей и диспергированием воды. Полученная пароводяная смесь, имеющая вихревую структуру, затем поступает в зону локального разрежения, где завершается процесс конденсации пара на турбулентной водяной струе. Для исключения пульсаций давления нагретого потока служит специальный гаситель, устанавливаемый после УМПЭУ. Отсутствие в УМПЭУ теплообменных поверхностей, разделяющих греющий пар и нагреваемую воду, высокие скорости потоков воды и пара, создание вихревых потоков, не позволяют взвешенным частицам и шламу прилипнуть к поверхностям теплообменника, что предопределяет возможность их применения для нагревания жесткой воды.
Теплообменники УМПЭУ изготовляют из бесшовных труб и штампованных элементов трубопроводов, поэтому они долговечны, надежны, ремонтопригодны и не требуют затрат на чистку от накипи и ремонт. Ростехнадзором России выдано разрешение на применение теплообменников УМПЭУ на трубопроводах пара и горячей воды при давлении теплоносителей до 4,0 МПа (40,0кгс/см2) и температуре до 350С.
Следует отметить, что смешивающие пароводяные теплообменники диаметрами свыше 300 мм (производительностью 700-1700 т/час нагреваемой воды) созданы впервые в мировой практике. На фотографии для иллюстрации представлена УМПЭУ условным диаметром Ду500мм, работающая на подогрев воды расходом 1700 т/час на предприятии ООО «Балаковские минеральные удобрения».
Единичная мощность тепловых пунктов для разных городов России различна. Для оптимального покрытия таких нагрузок имеется широкий типоразмерный ряд теплообменников УМПЭУ , различных по диаметру проходных сечений от Ду40мм до Ду500мм, что позволяет нагреть одним аппаратом практически любой объем воды. При применении двух последовательно установленных теплообменников мощность удваивается (один УМПЭУ обеспечивает интервал подогрева текущего потока воды на 30 градусов Цельсия).
Говоря об энергоэффективности пароводяных теплообменников УМПЭУ, мы имеем в виду то, что паровая фаза полностью конденсируется в таких теплообменниках в результате смешения пара с водой с выделением содержащейся в паре скрытой теплоты парообразования и получением на выходе горячей воды. Потери тепла в теплообменниках УМПЭУ, обуславливаемые рассеиванием тепловой энергии излучением наружной поверхности УМПЭУ, пренебрежимо малы. Например, для теплообменника УМПЭУ Ду125мм тепловой мощностью 2,1 Гкал/ч расчетные потери тепла составляют с оценкой сверху не более 3,7 кВт, а коэффициент полезного действия такого теплообменника составляет не менее ηУМПЭУ =99,7% даже без теплоизоляции наружных поверхностей.По опыту применения барботажных схем КПД барботажа для целей нагрева воды не превышает 85%, поэтому применение теплообменника УМПЭУ позволяет существенно снизить расход греющего пара.
Безусловно, что применение теплообменников смешивающего типа, как и барботажных нагревателей, возможно при условии, что используемый греющий пар по своим характеристикам соответствует требованиям санитарных норм и правил. Такой нагрев воды может иметь место на объектах, которые оснащены паровыми котельными, питающимися водой питьевого качества и имеющими Na- катионитовую химводоочистку.
На практике хорошо зарекомендовали себя две схемы ГВС с применением теплообменников УМПЭУ и баков-аккумуляторов. Первая выполнена на базе бака-аккумулятора, УМПЭУ и циркуляционного насоса с созданием рециркуляции нагреваемой воды, заполняющей бак (вариант 1). Подача горячей воды потребителям из бака производится отдельным насосом. Наличие бака-аккумулятора горячей воды позволяет обеспечить равномерную работу котельного оборудования в течение суток и сгладить пики и провалы в потреблении горячей воды. Такая локальная схема ГВС применяется зачастую на отдельных производствах (цехах) при относительно малых расходах горячей воды (3-20 м3/ч).
При расходах горячей воды более 20 м3/ч применяется вторая схема ГВС (вариант 2), выполненная также с применением бака-аккумулятора, УМПЭУ и насоса, причем насос обеспечивает циркуляцию воды в системе и подачу ее потребителям. Такая схема включения УМПЭУ была применена в котельной Миасского инструментального завода, обеспечивающей горячей водой южную часть города Миасс. В процессе эксплуатации теплообменника модели УМПЭУ 04.00.000-01 (с двухступенчатым вводом пара в поток воды) была подтверждена высокая надежность и эффективность предлагаемых в статье решений. Указанный теплообменник с условным диаметром Ду80 мм обеспечивал подогрев питьевой воды 45-50 м3/ч с 50С до 65-700С в течение 9 лет. При этом было отмечено снижение жесткости горячей воды (что безусловно порадовало жителей), внутри теплообменника отсутствовала накипь, теплообменник не требовал какого-либо обслуживания или ремонта.
Регулирование температуры подогрева воды в УМПЭУ производится изменением расхода греющего пара с помощью регулирующего парового дросселя роль которого выполняет паровая задвижка (при ручном регулировании), либо регулирующий клапан с электрическим исполнительным механизмом (автоматическое регулирование). Выбор типоразмера регулирующего клапана для УМПЭУ имеет ту особенность, что при определении коэффициента пропускной способности регулирующего клапана (Kv) необходимо давление пара после клапана принимать равным давлению среды в локальной зоне разрежения УМПЭУ. Регулирование расхода пара может выполняться как изменением давления пара перед регулирующим дросселем, так и изменением критического сечения парового дросселя.
Литература
1.Недугов А.ф., Куркулов М.А. Водоструйный паровой эжектор с камерой предварительного смешения //Промышленная энергетика. -2007. -№1.
2.Куркулов М.А., Недугов А.Ф. Применение смешивающих пароводяных подогревателей воды УМПЭУ //Энергетик. -2009.- №4.
| Разместил: | Куркулов М.А. |
| Источник: | Собственная информация |
| Учетная запись: | Прессмаш |
| Дата: | 17.04.13 |
| Теплообменник УМПЭУ04.00.000-01 с двухступенчатым вводом пара в поток нагреваемой воды.Производительность 40-45 т/ч. |
