автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение энергоэффективности использования технологического пара на основе разработки новых конденсатоотводчиков

На правах рукописи

Косов Андрей Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПАРА НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ КОНДЕНСАТООТВОДЧИКОВ

Специальность: 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Печенегов Юрий Яковлевич

Официальные оппоненты: Кудинов Анатолий Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции»

Тверской Алексей Константинович,

кандидат технических наук, доцент, заместитель директора по научной работе ООО «Научно-производственная фирма «Русь», г. Саратов

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный

аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Защита состоится « 28 » мая 2012 г. в 10по часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

Ларин Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с переходом к рыночным отношениям с 90-х годов прошлого столетия, в нашей стране произошли коренные изменения в отношениях к проблеме энергосбережения на всех уровнях хозяйственной деятельности. В настоящее время проблема энергосбережения является одной из приоритетных государственных задач, от решения которой во многом зависит успех экономического развития и подъема промышленности на основе инноваций, использования новых технологий и оборудования.

В промышленных технологиях в качестве греющего теплоносителя широко используется водяной пар. Вторичным энергоресурсом при этом является конденсат пара. Конденсат из пароиспользующих аппаратов удаляется через устанавливаемые за ними конденсатоотводчики, препятствующие проходу не-сконденсировавшегося (пролетного) пара и работающие в автоматическом режиме. Решение задач энергосбережения и совершенствования пароконден-сатного хозяйства предприятий в значительной степени зависит от характеристик используемых конденсатоотводчиков.

Отечественной промышленностью конденсатоотводчики освоены недостаточно и эффективность их использования на практике пока невысока. Ни один из используемых в настоящее время типов конденсатоотводчиков, различающихся по принципу действия и по конструкции, не удовлетворяет полностью предъявляемым к ним требованиям. На многих предприятиях конденсатоотводчики часто демонтируются по причине их ненадежной работы и в этом случае из теплообменных аппаратов вместе с конденсатом выходит в больших количествах пролетный пар. Чаще всего на предприятиях применяют открытые системы сбора конденсата, в которых пролетный пар выпускается в атмосферу и его потери оцениваются в среднем по стране величиной 25% количества потребляемого пара.

Хотя мировая история использования конденсатоотводчиков насчитывает более 100 лет, но до настоящего времени не создано достаточно полной теоретической основы их работы, что обусловлено сложностью протекающих в них гидродинамических и неравновесных термодинамических процессов. Отсюда вытекает важность и актуальность решаемых в диссертации задач.

Целью диссертационной работы является повышение энергоэффективности использования технологического пара на основе разработки новых конденсатоотводчиков с улучшенными характеристиками.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи.

• разработка нового эффективного двухкамерного конденсатоотводчика с закрытым поплавком и инверсным клапанным узлом;

• разработка новых эффективных конденсатоотводчиков поплавкового типа с разгруженными от действия давления клапанными узлами;

• разработка нового эффективного конденсатоотводчика с дросселирующим элементом и аккумулирующим объемом;

ГО'ЛПГЙПКЛЯ......

Г0СУ«/.1Ч;|[Ш1НЛЯ

Ь№»|>И01ЕКА _ 20 12

• экспериментальное исследование гидравлических характеристик нового конденсатоотводчика с дросселирующим элементом в виде набора шайб;

• экспериментальное исследование пропускной способности инверсного клапанного узла;

• разработка математических моделей и создание на их основе методик расчета предложенных новых конденсатоотводчиков;

• промышленные испытания новых конденсатоотводчиков с дросселирующими элементами и поплавкового типа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• получены новые экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению дросселирующих элементов и инверсных клапанных узлов конденсатоотводчиков при истечении недогретой и самовскипающей жидкости;

• построены математические модели новых конденсатоотводчиков, включающие в себя связи между кинематическими параметрами изучаемых объектов, теоретические и новые, полученные автором, эмпирические соотношения для характеристик течения одно-и двухфазных (пар-жидкость) потоков в клапанных узлах;

• разработаны методики и алгоритмы машинного расчета предложенных новых эффективных конденсатоотводчиков;

• решена задача определения оптимальных конструктивных характеристик открытых снизу поплавков.

Практическая значимость работы заключается в создании новых конденсатоотводчиков (патенты № 111608 и № 2441182, решения о выдаче патентов по заявкам на изобретения № 2010145555/06, № 2011117470/06), отличающихся простотой конструкции, изготовления и эксплуатации, высокой функциональной эффективностью в широких интервалах изменения давления и расхода пропускаемого конденсата. Предложенные и исследованные кон-денсатоотводчики по показателю эффективности и своим технико-экономическим характеристикам превосходят имеющиеся аналоги. Они внедрены на многих промышленных предприятиях, где практически полностью исключили выход пролетного пара из паропотребляющего оборудования, за которым они установлены. В диссертации выполнен анапнз экономической эффективности использования вторичного пара, образующегося из удаляемого конденсата, по внутренней схеме утилизации за счет сжатия пара. Даны рекомендации и предложены способы повышения эффективности использования водяного пара в некоторых отраслях промышленности.

Полученные в работе результаты могут быть использованы на предприятиях и объектах, где в качестве греющего теплоносителя используется глухой водяной пар. Помимо этого, исследованные конструкции конденсатоотводчиков найдут применение в качестве простых и эффективных фазоразделяющих устройств в целом ряде промышленных технологий и, в частности, при подго-

товке и переработке на промыслах углеводородных газов, в ректификационных установках химической, пищевой и других отраслей промышленности.

Результаты исследования используются в Саратовском ГТУ имени Гагарина Ю.А. при чтении учебных дисциплин «Теоретические основы энерго-и ресурсосбережения в химической технологии» и «Способы и средства энерго-и ресурсосбережения в химической промышленности» для студентов 4-го и 5-го курсов специальности МАХП, организации научно-исследовательской работы аспирантов и студентов, в дипломном проектировании.

На защиту выносятся:

• разработанные конструкции новых конденсатоотводчиков (патенты № 111608, № 2441182 и решения о выдаче патентов по заявкам на изобретения № 2010145555/06, № 2011117470/06) с дросселирующим элементом и аккумулирующим объемом, и поплавкового типа;

• результаты экспериментального исследования гидравлических характеристик нового конденсатоотводчика с дросселирующим элементом в виде набора шайб при истечении охлажденного и самоиспаряющегося конденсата;

• результаты экспериментального исследования пропускной способности инверсного клапанного узла при истечении охлажденного и самоиспаряющегося конденсата;

• математические модели и методики расчета новых конденсатоотводчиков с дросселирующими элементами в виде слоя твердых частиц и набора шайб, с закрытым и открытым сверху или снизу поплавками и инверсным клапанным узлом, а также с уравновешенным клапанным узлом;

• результаты расчетного анализа характеристик новых конденсатоотводчиков;

• результаты промышленных испытаний новых конденсатоотводчиков с дросселирующими элементами и поплавкового типа;

• результаты сравнительного технико-экономического анализа предложенных новых конденсатоотводчиков и известных аналогов;

• рекомендации по повышению эффективности использования водяного пара в отраслях промышленности, по использованию вторичного пара путем его сжатия струйным или винтовым компрессорами.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обосновывается использованием фундаментальных закономерностей механики, технической термодинамики и теплопередачи. Разработанные математические модели и методики расчета прошли проверку на адекватность путем сравнения результатов расчетов с опытными данными других авторов и с данными, получеными путем прямых измерений на изготовленных в натуральную величину образцах конденсатоотводчиков, установленных за действующим паро-использующим промышленным оборудованием.

Апробация работы.Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на: Третьей Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Улья-

новск, апрель 2001); Международной научно-технической конференции «Энергосбережение в теплоэнергетических системах» (Вологда, апрель 2001); Международной конференции «Технические, экономические и экологические проблемы энергосбережения» (Саратов, октябрь 2001); Международной научно-технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (Вологда, октябрь 2001); Первой международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2002» (Москва, сентябрь 2002); Международном научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов» (Воронеж, май 2010); VII школе-семинаре молодых ученых и специалистов акад. РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассоб-мена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, сентябрь 2010); Седьмой Международной теплофизической школе «Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг» (Тамбов, сентябрь 2010); Пятой Международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, октябрь 2010); Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, октябрь 2010); Четвертой международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2011» (Москва, сентябрь 2011); образцы разработанных новых кон-денсатоотводчиков экспонировались на 12-й специализированной выставке с международным участием «Энергетика. Энергоэффективность.2010» в г. Саратове (получен диплом выставки) и на Шестом Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций в 2011 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено два патента РФ на изобретение № 111608 и полезную модель № 2441182.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографии из 123 наименований, из них 19 зарубежных работ, изложена на 161 странице, содержит 70 рисунков, 4 таблицы, 9 приложений. Общий объем работы составляет 185 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы направление и цель настоящей работы, названы научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» показана роль конденсатоотводчиков в решении задач энергосбережения. Приведен анализ конструкций известных конденсатоотводчиков, предъявляемых к ним требований, практического опыта эксплуатации и выявленных при этом недостатков и преимуществ. Органическим недостатком известных конденса-

тоотводчиков является их низкая надежность, что обусловлено тяжелыми условиями работы. На основе анализа определены концепции разработки новых конденсатоотводчиков с улучшенными характеристиками. Для кон-денсатоотводчиков дроссельного типа, конструктивно простых и не имеющих движущихся деталей, к разработке принят принцип множественности проточных каналов, размещаемых либо параллельно, либо последовательно. Для конденсатоотводчиков поплавкового типа, обладающих наилучшими функциональными показателями, к разработке принят принцип инверсного клапанного узла, использование которого дает целый ряд преимуществ. Обсуждается изученность характеристик течения адиабатных парожидкостных систем и истечения через сужающие (клапанные) устройства. Делается вывод о необходимости опытного изучения пропускной способности проточных элементов новых конденсатоотводчиков.

Во второй главе «Новые конденсатоотводчики с дросселирующим элементом в виде слоя твердых частиц» дано описание слоевых конденсатоотводчиков со ступенями расширения (рис.1,а) и с незаторможенной частью слоя (рис. 1,6). Проточная часть здесь представляет собой систему извилистых, условно параллельных каналов с переменной площадью поперечного сечения в засыпке (насадке) твердых частиц. На основе представлений гомогенной модели течения фильтрующегося через засыпку самовскипающего потока насыщенного конденсата, с использованием обобщенного уравнения Аэрова для коэффициента сопротивления слоя шаровых частиц, связей для геометрических характеристик каналов, получены расчетные соотношения, позволяющие определять пропускную способность конденсатоотводчиков и потерю давления парожидкостного потока. Сравнение результатов выполненных расчетов с опытными данными разных авторов для одно- и двухфазных потоков показало удовлетворительную их сходимость.

Разработана методика расчета конденсатоотводчиков со ступенчатым расширением слоя засыпки по направлению движения конденсата, обеспечивающем пропуск образующегося вторичного пара без большого увеличения скорости потока и исключающем критические явления. Расчетный алгоритм позволяет учитывать переменность физических свойств потока в условиях нелинейного изменения его давления по длине засыпки. Для турбулентной об-

а б в

Рис. 1. Конденсатоотводчики дроссельного типа с насадком в виде слоя твердых частиц (а), с частично незаторможенным слоем (б) и с набором шайб (в): 1 - гайка; 2 - сетка; 3 - корпус; 4 - насадка; 5 - диск; 6 - отверстие; 7 - аккумулирующая емкость

ласти фильтрации, когда вязкостные силы становятся малозначимыми, инженерный расчет конденсатоотводчиков может проводиться по упрощенной методике. Разработаны программы расчета на ЭВМ режимных и конструктивных параметров конденсатоотводчиков, а также количества пропускаемого пролетного пара при отклонениях от номинальных рабочих условий.

Конденсатоотводчики с 1, 2, 3 ступенями насадки установлены и успешно работают на многих промышленных предприятиях. Детальным испытаниям были подвергнуты конденсатоотводчики установленные за паровыми калориферами шахтных сушилок фирмы КАОЕМА «Конти-родтер» (Германия) на Ульяновской кондитерской фабрике «Волжанка». Одновременно с сушкой идет обжарка бобов какао при температурах до 150°С. Сушилки работают при постоянном давлении греющего парар\-\ МПа, а подача бобов какао является переменной величиной. Некоторые результаты испытаний приведены на рис. 2. Видно, что расчет по разработанному алгоритму (линия) находится в хорошем соответствии с опытными измерениями (точки). Снижение производительности сушилки и уменьшение в связи с этим количества поступающего в конденсато-отводчик конденсата приводит к появлению потерь с пролетным паром. Так, при снижении производительности по отношению к номинальной на 20%, количество пролетного пара в отводимом потоке составляет 1 %.

Для сравнения производились испытания дроссельной шайбы с отверстием диаметром 2 мм, но-обжарочной установки (б): точки - опыт; соответствующим пропуску номи-линин - расчет; р,=1 МПа;/72=0,105 МПа нального расхода конденсата. Измерения показали, что шайба в большей степени пропускает пролетный пар, чем слоевой конденсатоот-водчик. Так, при расходе бобов какао через установку 437 кг/ч пролет первичного пара через шайбу составил 15,3 %. Через слоевой конденсатоот-водчик пролет пара при таком расходе бобов вдвое меньше (рис. 2).

Разработана методика расчета слоевых конденсатоотводчиков с незаторможенной частью слоя (рис. 1,6), которые могут пропускать большие пусковые расходы конденсата. При повышенных расходах конденсата незаторможенная часть слоя переходит в псевдоожиженное состояние с неизменяющимся, по мере роста расхода, гидравлическим сопротивлением.

рпсход какао-бобов, кг/ч

100 125 150 175 200

расход поро-кпнленсатноЛ смссм. кг/ч б

Рис. 2. Схема испытуемого конденсатоот-водчика (а) и зависимость выхода пролетного пара от производительности сушиль-

В третьей главе «Новые конденсатоотводчики с дросселирующим элементом в виде набора шайб» рассмотрены конденсатоотводчики с проточной частью из дисков с отверстиями, установленными последовательно по направлению движения пропускаемого потока (рис. 1,в). Зазоры между смежными дисками образуют камеры расширения.

При построении математической модели для новых конденсатоот-водчиков на рис. 1,в принималось, что вторичный пар из потока насыщенного конденсата выходит не в отверстии шайбы, а за шайбой. Через отверстие в первой по ходу потока шайбе проходит только конденсат и падение давления потока

где С - расход конденсата; с1„ - диаметр отверстий в шайбах; <1 - диаметр шайб; р - плотность конденсата; ^ - коэффициент сопротивления; е„ - коэффициент заполнения сечения отверстия струей конденсата; -коэффициент сопротивления перетеканию через отверстие. Для е„ и^в диссертации получены аппроксимирующие зависимости.

В каждой последующей шайбе, начиная со второй, потеря давления потока в соответствии с гомогенной моделью течения определится выражением

где х - доля вторичного пара в потоке; р" - плотность пара.

Математическая модель, включающая уравнения (1), (2), другие параметрические связи, и разработанная на основе модели методика расчета конденсатоотводчиков использовались для анализа их рабочих характеристик, в том числе при отклонениях от номинального режима в условиях снижения и повышения тепловой нагрузки предвключенного теплообмен-ного оборудования.

Данные, полученные при испытаниях конденсатоотводчиков, находятся в хорошем согласии с расчетом по разработанной методике для потоков охлажденного конденсата. Данные, полученные для пароконденсатной смеси, представлены на рис. 3 в виде зависимости относительного расхода смеси С/Стах от паросодержания х (среднеарифметическое от значений на входе и выходе потока), кг/кг смеси. Значение расхода охлажденного конденсата С|ШХ в отношении С/СП111Х соответствует перепаду давления потока в конденсатоотводчике &р=р\ -рг, при котором измерен расход смеси О. Па-росодержание х для потока на выходе из конденсатоотводчика учитывает расход как вторичного, так и пролетного пара при его наличии.

Результаты опытов для интервала х = 0,05 -г 0,25 аппроксимированы зависимостью

(1)

Ар=Ар, {1,26( 1 -а)+[ 1 +х(р/р "-1)]0'5)2,

(2)

С/Стах | ист - 0,023 X

(3)

При х > 0,25 опытные точки ложатся возле кривой (пунктирная линия на рис. 3), соответствующей гомогенной модели течения парожидкостной смеси.

В области малых значений паросодержания (х < 0,25), когда в потоке в основном вторичный пар, расчет по гомогенной модели течения дает заниженную величину С/Стх по отношению к опытным данным.

Полученные результаты показывают, что конденсатоотводчики дроссельного типа нормально функционируют при колебаниях давления греющего пара и тепловой мощности предвключенного паропотребляющего оборудования относительно номинальных значений в интервале ±15-г20%.

В четвертой главе «Новые конденсатоотводчики поплавкового типа» приводятся результаты экспериментального исследования истечения через инверсный клапанный узел, выполненный по типу трубы Вентури. Опытные данные, полученные для охлажденного конденсата, обобщены уравнением для коэффициента сопротивления клапанного узла

=0,9 (Шгу0А\ (4) где I и с!г - длина и гидравлический диаметр клапанного отверстия. Уравнение (4) рекомендуется для области Шг = 0,754-2,5.

По результатам экспериментов при истечении насыщенного конденсата получена зависимость для пропускной способности клапанного узла

— = 1,054^—1"" —— ~ кг/(м2-с), (5)

где / - площадь сечения для прохода конденсата в клапанном отверстии; р - плотность конденсата на линии насыщения; Рг= н^ /(£/) - число Фруда, определяет степень равновесности жидкой и паровой фаз двухфазного потока в клапанном узле; уу0 — скорость циркуляции; Х2 - равновесное паросо-держание потока при давлениир2 за клапанным узлом.

Соотношения (4) и (5) использованы в разработанном алгоритме расчета инверсного клапанного узла. Проведен анализ результатов выполненных расчетов истечения охлажденного и насыщенного потоков конденсата

Рис. 3. Зависимости относительной пропускной способности СЮ„ш конденсатоотводчиков

от содержания пара л- в потоке: Др=р>1-#2=0,2-г0,51 МПа; С1пах соответствует расходу охлажденного конденсата - воды;

--- осредненная кривая;.....-расчет

по гомогенной модели течения; 1 - с/о=0,5 мм, количество шайб 1; 2 - 1 мм, 1; 3 - 1 мм, 4; 4-2 мм, 1; 5 - 2 мм, 3; 6 - 2 мм, 5; 7 - 2 мм, 8; 8-2 мм, 10; 9 - 3 мм, 1; 10-3 мм, 5; 11-3 мм, 10; 12-4 мм, I; 13-4мм,5; 14-4мм, 10

через узел; установлены особенности влияния Шг и р, на расход насыщенного конденсата.

В основу математической модели нового конденсатоотводчика с инверсным клапанным узлом и закрытым тонущим поплавком (рис.4) положен баланс моментов действующих сил в системе «поплавок - рычаг - клапан». Для кажущейся плотности поплавка установлена связь

рп = р'/(1 - Арт[п/Артм), (6)

где р соответствует давлению р\ на входе; Ар^ и Арт]П - максимальная и минимальная величины рабочих перепадов давления потока в клапанном узле.

С ростом отношения Ар^/Ар^п величина р„ асимптотически приближается к р\ При Д/)пш/Дргпш> 5 рекомендовано принимать р„ = (1,15ч-1,1) р'.

31 23 22 7

а б

Рис.4. Конденсатоотводчик с инверсным клапанным узлом и толстостенным закрытым поплавком: а - с верхним расположении клапанного узла; б - с нижним расположении

клапанного узла: 1 - камера поплавка; 2 - поплавок; 3 - камера рычага; 4 - рычаг; 5 - клапанный узел; 6 - патрубок входной; 7 - крышка; 8 - патрубок выходной; 9 - седло клапана; 10 - отверстие клапанное; 11 - клапан; 12 - шток клапана; 13 - опора; 14 - шток поплавка; 15, 16 - боковые крышки; 17 - отбойник; 18 - воздушник; 19 - вентиль; 20 - пробка; 21 - газовая трубка; 22 - сопло; 23 - пробка резьбовая

На кондитерской фабрике концерна «Покровск» были проведены испытания конденсатоотводчиков (рис.4,б), установленных за котлами типа 27А для упаривания сахарного сиропа. На рис. 5 сравниваются рассчитанные по разработанной методике и измеренные при испытаниях расходы конденсата. Видно, что разработанные математическая модель и методика расчета адекватно отражают реальный процесс выпуска конденсата.

Расчетные схемы конденсатоотводчиков с инверсными клапанными узлами и открытыми поплавками приведены на рис. 6. На основании баланса моментов сил, действующих в системах «поплавок - рычаг - клапан», получены связи и соотношения, составляющие математические модели конденсатоотводчиков. С использованием математических моделей, установленных эмпирических связей для инверсного клапанного узла, разработаны методики расчета данных конденсатоотводчиков.

0,3 Др.МПа

Рис. 5. Зависимость пропускной способности конденсатоотводчика

от разности давлений потока на входе и выходе: Ло=5 мм; <УШЛ=3 мм; /ЛУг=1,6; кружки - опытные точки; линии - расчет; 1 - охлажденный конденсат; 2 - насыщенный конденсат

Для конденсатоотводчика на рис.6,б предельный рабочий перепад давления потока конденсата на клапанном узле

-/>')! (7)

Здесь рм - плотность материала поплавка; п = Яп / Бп. При превышении Д/?тах и заполнении объема поплавка паром, выталкивающей поплавок архимедовой силы будет недостаточно для закрытия клапанного узла. В этом случае нарушится гидравлический затвор в корпусе, пар из полости поплавка будет переходить в корпус и далее - в открытый клапанный узел.

/

■Ч?

д. I

0 е

Рис. 6. Расчетные схемы конденсатоотводчиков с поплавками открытым сверху (а) н снизу (б): I - корпус; 2 - впускной патрубок; 3 - выпускной патрубок; 4 - затворный (клапанный) узел; 5 - шаровой клапан; 6 - шток клапана; 7 - опора; 8 - рычаг; 9 - шарниры; 10- дренажное отверстие; 11 - поплавок

Следовательно, для недопущения потерь с пролетным паром должно быть Др < Дрта,.

Решена задача определения оптимального соотношения между Ьг и соответствующего минимальному объему корпуса конденсатоотводчика. Задача состоит в поиске минимума функционала

представляющего собой площадь 5 прямоугольника шириной в=12+0,5Бп и высотой И=Н„+0,01, где 0,01 - принятая длина штока поплавка, м. Методом

дифференцирования для оптимального значения диаметра поплавка получено

1 о.эзз

ей-с

в 0,0 Л ЪвР-2с х " п ) 0(вй — с)

п

0ШОЧ . (9)

где обозначено: а= Дрты и в=п(р'-р"У, с=4(0,25+«)<5(рм-р').

Приведено описание устройства и работы новых конденсатоотводчиков с уравновешенным клапанным узлом и опрокинутым, либо закрытым поплавками. Разработаны методики их расчета. Конденсатоотводчики отличаются высокой компактностью, малым весом, большой пропускной способностью и могут работать при любых перепадах давления Ар = р\ - р2, как при очень малых, близких к нулю, так и при высоких. Технологически значимые конструктивные размеры их основных элементов при изменении р] остаются постоянными.

В пятой главе «Вопросы практического применения конденсатоотводчиков и повышения эффективности использования водяного пара» рекомендованы области применения исследованных конденсатоотводчиков. Показано, что новые поплавковые конденсатоотводчики экономически более эффективны, чем известные аналоги. Для повышения эффективности работы конденсатоотводчиков дроссельного типа в условиях переменной нагрузки предложено оснащать их дополнительным аккумулирующим объемом. Показана эффективность использования вторичного пара путем его сжатия до давления р\ на входе в предвключенный теплообменник. Рекомендовано сжатие осуществлять струйным компрессором. Показано, что использование винтового компрессора для сжатия вторичного пара экономически целесообразно только при р\ < 1,7 МПа. Предложены способы повышения эффективности использования водяного пара в производствах силикатного кирпича, вискозного волокна, в швейном производстве. На примере конкретных предприятий приведены технико-экономические показатели, достигаемые при реализации предложенных способов.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны новые конструкции конденсатоотводчиков с дросселирующей насадкой и поплавкового типа с инверсным и уравновешенным клапанными узлами (патенты № 111608 и № 2441182, решения о выдаче патентов по заявкам на изобретения № 2010145555/06, № 2011117470/06), обладающие улучшенными характеристиками. Выполнены экспериментальные исследования течения охлажденного и самовскипающего потоков конденсата в проточных частях новых конденсатоотводчиков. Построены математические модели и на их основе разработаны методики, алгоритмы и программы расчета новых конденсатоотводчиков. Проведены промышленные испытания предложенных конденсатоотводчиков.

2. Для конденсатоотводчиков с дросселирующим элементом в виде неподвижного слоя твердых частиц со ступенями расширения определены

области параметров при которых работа сопровождается накоплением конденсата в предвключенном теплообменнике и пропуском пролетного пара. Сравнение результатов измерений при испытании конденсатоотводчиков с данными расчетов по разработанной методике показало их соответствие.

3. По результатам промышленных испытаний конденсатоотводчиков с дросселирующим элементом в виде набора шайб построена эмпирическая зависимость для пропускной способности. Установлено, что при паросодержа-ниях потока х > 0,25 опытные данные удовлетворяют гомогенной модели течения. При х < 0,25 расчет по гомогенной модели дает заниженные величины расхода по отношению к опытным. Предложено графическое представление рабочей области характеристик конденсатоотводчиков без пропуска пролетного пара при заданных давлениях входа р\ и выхода р2 потока.

4. Выполнено экспериментальное исследование истечения через инверсный клапанный узел конденсатоотводчиков поплавкового типа. По результатам исследования получены корреляционные связи для расчета пропускной способности конденсатоотводчиков Показано, что течение насыщенного конденсата в выпускном отверстии клапанного узла, имеющего профиль трубы Вентури, является метастабильным. Степень равновесности фаз во вскипающем адиабатном потоке сильно зависит от относительной длины отверстия.

5. Сравнение результатов промышленных испытаний конденсатоотводчиков с закрытым поплавком и инверсным клапанным узлом с расчетом подтвердили адекватность разработанной математической модели. Решена задача определения оптимального соотношения высоты и диаметра открытого снизу поплавка, которое соответствует минимальному объему корпуса конденсатоотводчика. Даны рекомендации по проектированию поплавковых конденсатоотводчиков.

6. Показано, что предложенные новые конденсатоотводчики по своим рабочим характеристикам закрывают все области параметров пара, используемого в промышленной теплоэнергетике в качестве греющего теплоносителя. Поплавковые конденсатоотводчики полностью исключают потери с пролетным паром и по своей эффективности превосходят известные аналоги, что подтверждается опытом их использования на многих промышленных предприятиях.

7. Выполнен технико-экономический анализ использования теплоты вторичного пара, образующегося за конденсатоотводчиками, путем его сжатия до давления исходного греющего пара. Рассмотрены способы повышения эффективности использования водяного пара в типовых тепло-технологиях и тепловом оборудовании. Приведены экономические показатели предложенных мероприятий по энергосбережению.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Косов A.B. Выбор конденсатоотводчиков и их экономическая эффективность / Ю.Я. Печенегов, A.B. Косов и др. // Промышленная энергетика. 2002. №4. С. 30-31.

2. Косов A.B. Характеристики конденсатоотводчиков дроссельного типа / Ю.Я. Печенегов, A.B. Косов и др. // Промышленная энергетика. 2009. №7. С. 42-44.

3. Косов A.B. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления клапанного узла, выполненного по типу трубы Вентури / A.B. Косов, Ю.Я. Печенегов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №4 (59). Вып. 1.С. 183-187.

4. Косов A.B. Методика расчета конденсатоотводчиков с дросселирующими шайбами / Ю.Я. Печенегов, A.B. Косов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №4 (59). Вып. 1. С. 154-157.

В других изданиях

5. Косов A.B. Пути повышения эффективности работы пароконденсатных систем предприятий / Ю.Я. Печенегов, О.Ю. Косова, A.B. Косов, Р.В. Богатенко // Энергосбережение в теплоэнергетических системах: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Вологда: ВолГТУ, 2001. С. 21-24.

6. Косов A.B. Энергосбережение в пароконденсатных системах промышленных предприятий / Ю.Я. Печенегов, О.Ю. Косова, A.B. Косов, Р.В. Богатенко II Научно-технический калейдоскоп. Сер. Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности. 2001. №4. С. 68-71.

7. Косов A.B. Эффективность оснащения конденсатоотводчиками парового теп-лообменного оборудования / Ю.Я. Печенегов, О.Ю. Косова, A.B. Косов, Р.В. Богатенко // Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем: материалы Междунар. науч.- техн. конф. Вологда: ВолГТУ, 2001. С. 97-99.

8. Косов A.B. Расчет экономической эффективности оснащения конденсатоотводчиками парового теплообменного оборудования / Ю.Я. Печенегов, О.Ю. Косова, A.B. Косов, Р.В. Богатенко//Технические, экономические и экологические проблемы энергосбережения: материалы Междунар. конф. Саратов: СГТУ, 2001. С. 33-35.

9. Косов A.B. Энергосбережение в пароконденсатных системах промышленных предприятий / Ю.Я. Печенегов, О.Ю. Косова, A.B. Косов, Р.В. Богатенко // Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности: материалы Третьей Рос. науч.-техн. конф. Ульяновск: УлГТУ, 2001. С. 165-168.

Ю.Косов A.B. Повышение эффективности использования водяного пара в сушильных установках / Ю.Я. Печенегов, О.Ю. Косова, A.B. Косов, Р.В. Богатенко // Современные энергосберегающие технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов): тр. Первой Междунар. науч.-практ. конф. М.: МГАУ им. В.П. Горячки-на, 2002. Т. 4. С. 177-179.

11.Косов A.B. Энергосбережение при обработке водяным паром кирпича - сырца в автоклавах / Ю.Я. Печенегов, С.А. Шишинин, A.B. Косов // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С. 162-165.

1 2-15965

12.Косов A.B. Улучшение рабочих характеристик конденсатоотводчиков дроссельного типа / A.B. Косов, Ю.Я. Печенегов // Прогрессивные технологии, материалы и режущие инструменты в машиностроении: межвуз. сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С. 43-44.

13.Косов A.B. Экспериментальное исследование пропускной способности конденсатоотводчиков дроссельного типа / A.B. Косов, Ю.Я. Печенегов // Проблемы те-пломассобмена и гидродинамики в энергомашиностроении: материалы докл. VII школы-семинара молодых ученых и специалистов акад. РАН В.Е. Алемасова. Казань: Изд-во Казан, ун-та, 2010. С. 382-384.

14.Косов A.B. Повышение эффективности использования водяного пара при тер-мовлажностной обработке кирпича-сырца в автоклавах / Ю.Я. Печенегов. A.B. Косов // Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов: труды Междунар. науч.-техн. семинара Воронеж: ВГЛТА, 2010. С. 460-463.

15.Косов A.B. Методика расчета конденсатоотводчиков с переменной площадью проходного сечения дросселирующей насадки / A.B. Косов, Ю.Я. Печенегов // Теп-лофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг: материалы Седьмой Междунар. теплофиз. школы. Ч. II. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2010. С. 257-260.

16.Косов A.B. Математическое моделирование и расчет конденсатоотводчиков дроссельного типа со слоем насадки / A.B. Косов, Ю.Я. Печенегов // Труды Пятой междун. школы - семинара молодых ученых и специалистов «Энергосбережение -теория и практика». - М.: Изд. дом МЭИ, 2010. - С. 91-93.

17.Косов A.B. Высокоэффективные конденсатоотводчики нового поколения / Ю.Я. Печенегов, A.B. Косов, A.A. Аксенов // Шестой Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций. 4.1. Саратов: СГАУ, 2011.С. 123-124.

18.Косов A.B. Использование вторичных тепловых ресурсов при термовлажностной обработке кирпича-сырца / Ю.Я. Печенегов, A.B. Косов // Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2011: тр. Четвертой Междунар. науч.-практ. конф. М.: МГАУ им. В.П. Горячкина, 2011. Т. 2. С. 265-268.

19. Патент на полезную модель 111608 Российская Федерация МПК F16T 1/30. Конденсатоотводчик / Печенегов Ю.Я., Косов A.B. Бюл. №35 от 20.12.2011.

20. Патент на изобретение 2441182 Российская Федерация МПК F16T 1/24. Конденсатоотводчик / Печенегов Ю.Я., Косов A.B. Бюл. №3 от 27.01.2012.

Подписано в печать 25.04.12 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-иэд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 78 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

2011355419

61 12-5/3668

Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.

На правах рукописи

Косов Андрей Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПАРА НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ КОНДЕНСАТООТВОДЧИКОВ

Специальность: 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ю.Я. Печенегов

Саратов 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр. 5 7

10 16

22

24

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10

1.1. Конденсатоотводчики - как средство повышения энергоэффективности при использовании водяного пара в промышленных технологиях

1.2. Достоинства и недостатки известных конденсатоотводчиков

1.3. Концепции разработки новых конденсатоотводчиков

1.4. О выборе и расчете конденсатоотводчиков. Особенности течения адиабатных парожидкостных систем через сужающие (клапанные) устройства конденсатоотводчиков

1.5. Выводы. Постановка задач исследования 33 ГЛАВА 2.НОВЫЕ КОНДЕНСАТООТВОДЧИКИ С ДРОССЕЛИРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ В ВИДЕ СЛОЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ 3 5

2.1. Устройство и работа конденсатоотводчиков 3 5

2.2. Математическая модель, методика и алгоритм

расчета конденсатоотводчиков со ступенями расширения 37

2.3. Промышленные испытания конденсатоотводчиков

49

с неподвижным слоем частиц ^

2.4. Методика расчета конденсатоотводчиков с незаторможенной частью слоя

2.5. Выводы 58 ГЛАВА 3. НОВЫЕ КОНДЕНСАТООТВОДЧИКИ С ДРОССЕЛИРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ В ВИДЕ НАБОРА ШАЙБ 60 3.1 .Устройство и работа конденсатоотводчиков 60 3.2. Математическая модель, методика и алгоритм расчета конденсатоотводчиков

69

3.3.Результаты испытаний конденсатоотводчиков

ов

75

3.4. Рабочие характеристики конденсатоотводчиков 74

3.5.Выводы

ГЛАВА 4. НОВЫЕ КОНДЕНСАТООТВОДЧИКИ

ПОПЛАВКОВОГО ТИПА 77

4.1. Устройство и работа конденсатоотводчиков 77

4.2. Экспериментальное исследование истечения через инверсный

86

клапанный узел

4.3 Расчет характеристик инверсного клапанного узла 94

4.4. Математическая модель конденсатоотводчиков с закрытым поплавком 97 4.5 Алгоритм расчета конденсатоотводчиков с закрытым поплавком 100

4.6. Результаты промышленных испытаний конденсатоотводчиков

102

с закрытым поплавком

4.7. Математическая модель и алгоритм расчета конденсатоотводчиков

107

с поплавком открытым сверху

4.8. Математическая модель, оптимизация и алгоритм расчета конденсатоотводчиков с поплавком открытым снизу 112

4.9.0 расчете конденсатоотводчиков с уравновешенным клапанным узлом 117

4.10. Выводы 120

ГЛАВА 5. ВОПРОСЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ КОНДЕНСАТООТВОДЧИКОВ И ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА 123

5.1. Области применения новых конденсатоотводчиков

и их экономическая эффективность 123

5.2.Работа новых конденсатоотводчиков дроссельного типа

в условиях переменной нагрузки 126

131

5.3. Использование теплоты конденсата 1J1

5.4. Повышение эффективности использования водяного пара

в производстве силикатного кирпича 13 6

5.5. Повышение эффективности использования водяного пара в производстве вискозного волокна

5.6. Повышение эффективности использования водяного пара

145

в швейном производстве

5.7. Выводы 147

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 149

БИБЛИОГРАФИЯ 151

ПРИЛОЖЕНИЯ 162

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

2/ 3

а - удельная площадь частиц в слое, м /м ; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); Д - диаметр, м;

.г 2

/ - площадь, м ; Т7 - сила, Н;

g - ускорение в поле тяготения, м/с2; (7 - расход, кг/с, кг/ч; Н - высота, м;

к - энтальпия, Дж/кг, кДж/кг; к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м -К); 1,Ь - длина рычага, м, мм; М- вес, кг;

п - отношение высоты к диаметру цилиндрического поплавка; показатель

адиабаты; Р - сила, Н; р - давление, Па; Ар - перепад давления, Па; <2 - тепловая мощность, Вт, кВт; г - теплота конденсации пара, кДж/кг; Т, t - температура, К, °С;

V - объем, м3;

V - удельный объем, м /кг;

•и; - среднерасходная скорость, м/с;

м?о — скорость циркуляции двухфазного потока, м/с;

х - расходное массовое паросодержание двухфазного потока;

а - коэффициент теплообмена, Вт/(м -К); угол, град.;

д - толщина, м;

Б - порозность слоя;

¡л - коэффициент расхода; динамический коэффициент вязкости, Па-с; V - кинематический коэффициент вязкости, м/с; р - плотность, кг/м ;

коэффициент гидравлического сопротивления.

Числа подобия: = —; Яе =— - Рейнольдса;

V сл ш

Аг=я^г (рт-р)/(ур) - Архимеда; - Фруда.

Индексы: 1 - параметр на входе; 2 - параметр на выходе; ср, черта сверху -средняя величина; ' - жидкая фаза (конденсат); " - паровая фаза; г - гидравлический; п - поплавок; ц - цилиндр; кл - клапан; ок - клапанное отверстие; кр - критический; сл - слой твердых частиц; т - твердые частицы; шах - максимальный пропуск конденсата; в - состояние насыщения; э -эквивалентный; шт - шток.

ВВЕДЕНИЕ

В связи с переходом к рыночным отношениям с 90-х годов прошлого столетия, в нашей стране произошли коренные изменения в отношениях к проблеме энергосбережения на всех уровнях хозяйственной деятельности. В настоящее время проблема энергосбережения является одной из приоритетных государственных задач, от решения которой во многом зависит успех экономического развития и подъема промышленности на основе инноваций, использования новых технологий и оборудования.

Всемерная экономия энергетических ресурсов является наиболее действенным и эффективным направлением решения обострившихся проблем энергоснабжения народного хозяйства и охраны окружающей среды. Имеющийся мировой опыт показывает, что затраты на проведение энергосберегающих мероприятий, как правило, в 2-3 раза меньше расходов на создание новых энер-

гогенерирующих мощностей.

Для России актуальным является повышение организационно-технического уровня использования первичных и вторичных энергоресурсов. Наиболее широко используемым энергоносителем в промышленных технологиях является водяной пар. Он применяется главным образом как греющий теплоноситель. Вторичным энергоресурсом при этом является конденсат греющего водяного пара. Для решения задач энергосбережения и совершенствования пароконденсатного хозяйства предприятий весьма актуальной является задача разработки новых, надежно и эффективно работающих конденсато-отводчиков. Конденсатоотводчики устанавливаются за паропотребляющими установками и теплообменными аппаратами и обеспечивают удаление из них конденсата, одновременно препятствуя выходу пролетного пара.

Более 40 фирм США, Канады, Японии и Германии выпускают конденсатоотводчики. Отечественной промышленностью конденсатоотводчики освоены недостаточно и эффективность их использования на практике пока невысока. Ни один из разработанных и используемых в настоящее время типов конден-

денсатоотводчиков, различающихся по принципу действия и по конструкции, не удовлетворяет полностью предъявляемым к ним требованиям.

Выпускаемые промышленностью конденсатоотводчики имеют целый ряд недостатков, затрудняющих их эксплуатацию и приводящих к пропуску пролетного пара. На многих предприятиях конденсатоотводчики часто демонтируются по причине их ненадежной работы и в этом случае из теплообмен-ных аппаратов вместе с конденсатом выходит в больших количествах пролетный пар. Чаще всего на предприятиях применяют открытые системы сбора конденсата, в которых пролетный пар выпускается в атмосферу и его потери, согласно различным литературным источникам, оцениваются в среднем по стране величиной 25% количества потребляемого пара.

История использования конденсатоотводчиков насчитывает более 100 лет, но до сих пор не создано достаточно полной теоретической основы их работы, что обусловлено сложностью протекающих в них неравновесных гидродинамических и термодинамических процессов. При отсутствии научно обоснованных методик расчета, конденсатоотводчики часто проектируются на основе интуитивных представлений и ограниченных эмпирических данных, что часто приводит к промахам в практике конструирования и эксплуатации.

Важной и актуальной является задача создания эффективных конструкций конденсатоотводчиков и научно обоснованных методик их расчета.

В связи с этим, основная цель настоящей работы состоит в повышении энергоэффективности использования технологического пара на основе разработки новых конденсатоотводчиков с улучшенными характеристиками.

Научная новизна выполненной работы заключается в создании математических моделей, включающих в себя теоретические и эмпирические связи и соотношения, и в разработке на этой основе методик и алгоритмов расчета на ЭВМ предложенных новых эффективных конденсатоотводчиков. Получены новые экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению дросселирующих элементов и инверсных клапанных узлов конденсатоотводчиков.

Определены оптимальные конструктивные характеристики открытых снизу поплавков.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны новые конденсатоотводчики (патенты №111608 и № 2441182, положительные решения по заявкам на изобретения № 2010145555/06 и № 2011117470/06), отличающиеся простотой конструкции, изготовления и эксплуатации, высокой функциональной эффективностью в широких интервалах изменения давления и расхода пропускаемого конденсата. Предложенные и исследованные конденсатоотводчики внедрены на многих промышленных предприятиях, где практически полностью исключили выход пролетного пара из паропотребляющего оборудования, за которым они установлены.

Полученные в работе результаты могут быть использованы на предприятиях и объектах, где в качестве греющего теплоносителя используется глухой водяной пар. Помимо этого, исследованные конструкции конденсатоотводчи-ков найдут применение в качестве простых и эффективных фазоразделяющих устройств в целом ряде промышленных технологий и, в частности, при подготовке и переработке на промыслах углеводородных газов, в ректификационных установках химической, пищевой и других отраслей промышленности.

Содержание работы изложено в последующих пяти главах. В приложении приведены таблицы с опытными данными, программы расчета на ЭВМ, акт испытаний.

Автор благодарит научного руководителя работы, д.т.н., профессора Ю.Я. Печенегова за предоставленную тему, действенную помощь и постоянное внимание при проведении исследований.

Автор выражает признательность сотрудникам кафедр "Машины и аппараты химических производств" и "Промышленная теплотехника" за участие в обсуждении работы на различных этапах ее выполнения, а также работникам ОАО «Элегант» и кондитерской фабрики концерна «Покровский» за техническую помощь при проведении промышленных испытаний конденсатоотводчи-ков.

10

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Конденсатоотводчики - как средство повышения энергоэффективности при использовании водяного пара в промышленных технологиях

В теплотехнологиях многих отраслей промышленности водяной пар является основным греющим теплоносителем [97]. Так, в химической промышленности с помощью пара покрывается 75% потребности в тепловой энергии. Наиболее часто применяется сухой насыщенный или слабо перегретый пар (величина перегрева (¿-^<5^10 °С) давлением до 1,4 МПа. На стадии потребления в теплообменных устройствах чаще всего требуется пар давлением 0,4-Ю,6 МПа, поэтому поступающий от источника пар большего давления редуцируют. В теплотехнологиях химических и нефтехимических промышленных предприятий используется также перегретый пар давлением от 3 до 9 МПа.

Образующийся при конденсации пара конденсат выходит из теплообменников с температурой насыщения соответствующей давлению греющего пара в аппарате, либо с более низкой, если в установке предусматривается охлаждение конденсата. Температура конденсата может достигать 150-180 °С. Возврат его в котельную или на теплоэлектростанцию для питания паровых котлов позволяет экономить до 20 кг условного топлива на одну тонну возвращаемого конденсата.

Уменьшение количества возвращаемого конденсата по отношению к количеству потребляемого пара и снижение его температуры относительно регламентного уровня приводят к пропорциональному росту расхода теплоты на технологические нужды химводоочистки, нагрев питательной воды, процессы деаэрации и продувку паровых котлов. При этом возрастают капитальные и эксплуатационные затраты на пароконденсатное хозяйство и содержание оборудования завышенной производительности [58, 97]. Неполный возврат конденсата приводит к большим потерям теплоты и в

и

значительной мере снижает преимущества пара как теплоносителя. Расчеты [102] по ценам 2002 года показали, что экономия при возврате 1 т/ч конденсата с температурой 30°С составляет 114 тыс. руб/год, при температуре конденсата 90°С она увеличивается до 174 тыс. руб/год. При других количествах возвращаемого конденсата экономия пропорционально изменяется. В расчетах [102] учтены затраты на водоподготовку, забор воды из источника, стоимость тепловой энергии в конденсате. Таким образом, сбор и возврат конденсата представляют собой важный источник экономии ресурсов и задачей работников предприятий является улучшение работы действующих или создание новых конденсатосборных систем с целью увеличения количества возвращаемого конденсата.

Важнейшим этапом сбора и возврата конденсата является его отвод от пароприемников и паропроводов. Выпуск конденсата из теплоиспользующих установок без пропуска пара (так называемого - пролетного пара) достигается за счет конденсатоотводчиков. Конденсатоотводчики составляют вид фазоразделяющей арматуры [24, 25], работают в автоматическом режиме и устанавливаются на линии выпуска конденсата непосредственно у пароиспользующего оборудования. Применение конденсатоотводчиков на паропроводах дает возможность своевременно отводить из последних образующийся конденсат в дренажные линии, что предохраняет трубопроводы и оборудование от разрушающих гидравлических ударов и сохраняет конденсат для дальнейшего его использования.

Во многих литературных источниках [12, 20, 21, 25, 29, 48, 50, 53, 56, 58, 61, 77, 97, 100, 104 и др.] указывается на исключительно большую, определяющую, роль конденсатоотводчиков в решении задач энергосбережения при использовании водяного пара в качестве теплоносителя. По данным [21, 50], например, где приведены результаты анализа многих энергетических обследований, без значительных капитальных затрат на предприятиях химической, пищевой и легкой промышленности, строительных материалов и машиностроения можно

устранить от 10 до 50% и более непроизводительных потерь пара за счет упорядочения организации сбора конденсата, правильным подбором и установкой конденсатоотводчиков.

Эффективность любой пароконденсатной системы зависит от того, насколько полезно используется энтальпия пара и от количества возвращаемого в систему конденсата этого пара. Системы пароснабжения и паропотребления не будут работать эффективно, если они не оборудованы конденсатоотводчиками, функциональная задача которых состоит в задержке пара в системе до его полной конденсации и отводе конденсата из парового пространства. Анализ многих энергетических обследований [12, 29, 100] показывает, что конденсатоотводчик - именно тот элемент энергетического оборудования, который без значительных капитальных затрат на предприятии позволяет сократить непроизводственные потери пара.

Потери пара из-за низкокачественных и плохо работающих конденсатоотводчиков значительно повышают затраты производства, а также негативно влияют на другие элементы трубопроводов и арматуры, вызывая их преждевременный износ вследствие кавитации и эрозии, рост давления в линиях и емкостях сбора конденсата. Заблокированные конденсатоотводчики снижают эффективность теплопередачи, приводят к гидроударам и возможному разрушению трубопроводов. Если система полностью лишена конденсатоотводчиков (в настоящее время на российских предприятиях такое встречается), вероятность возникновения вышеназванных проблем многократно возрастает и усложняется контроль над тепловыми процессами в пароконденсатной системе.

Традиционная схема установки конденсатоотводчиков представлена на рис 1.1. Обводная линия используется в пусковой период работы теплообменника, когда требуется пропустить большой расход конденсата, а также для возможности проведения профилактических и ремонтных работ с конденсатоотводчиком без отключения теплообменника. Ссылаясь на положительный многолетний опыт пусконаладочных работ и испытаний

пароиспользующих аппаратов, автор [76] считает целесообразным отказаться от обводной линии.

пар

7

нагреваемый

\

\

5

8

продукт

Ы}

/

"4 б,

г

конденсат

Рис. 1.1. Схема установки конденсатоотводчика [104]: 1 - теплообменник; 2- обводная линия (байпас