что такое конденсат пара

spirax_sarco

Пароконденсатные системы для промышленных предприятий

Базовая теория теплообмена утверждает, что чем больше разница между температурой пара и температурой нагреваемой среды, тем интенсивнее будет теплоперенос. Для того чтобы изменить количество передаваемой от конденсирующегося пара теплоты, нужно изменить его температуру, а значит, и давление.

Например, если в теплообменнике используется пар при температуре 160ºС при максимальной нагрузке, и нагрузка уменьшается на 50%, то нужно будет, чтобы температура пара уменьшилась. Для этого нужно уменьшить давление пара, которое в таких случаях может стать меньше, чем противодавление.

Пример:
Теплообменник на полной нагрузке использует насыщенный пар давлением 1 бари (120ºС) для нагревания воды с 40ºС до 60ºС. Таким образом, повышение температуры на полной нагрузке соответствует 20ºС и средняя температура воды будет равна:

Средняя температура воды на полной нагрузке = (40ºС+60ºС)/2=50ºС

Рассмотрим ситуацию, когда нагрузка падает до 2/3 от полной нагрузки.

Если нагрузка будет равна 2/3 от полной нагрузки, а температура выходящей из теплообменника воды останется равной 60ºС, значит, повышение температуры будет равно 2/3 от 20ºС.

Таким образом:
При 2/3 нагрузки: повышение температуры = 2/3 от 20ºС = 13,3ºС
Значит, температура на входе = 60ºС – 13,3ºС = 46,7ºС
Следовательно, температура воды на входе в теплообменник повысится до 46,7ºС, поэтому средняя температура воды теперь равна:
Средняя температура воды при 2/3 нагрузки = (47,6ºС+60ºС)/2=53,3ºС

При 2/3 нагрузки количество передаваемого воде тепла должно составлять 2/3 от его количества при полной нагрузке, следовательно, САРТ тоже будет равна 2/3 от САРТ при полной нагрузке, то есть:
САРТ при 2/3 нагрузки = 2/3 х 70ºС = 46,7ºС
Значит, температура пара при 2/3 нагрузки будет равна средней температуре воды при 2/3 нагрузки плюс САРТ при 2/3 нагрузки, то есть:

Температура пара при 2/3 нагрузки = 53,3ºС + 46,7ºС = 100ºС
Поскольку температура насыщенного пара при атмосферном давлении равна 100ºС, давление в паровом пространстве становится равным атмосферному.

Следовательно, в паровом пространстве не будет давления пара, которое могло бы проталкивать конденсат через конденсатоотводчик. Даже если конденсатная линия будет идти к конденсатоотводчику, за которым нет никакого противодавления, конденсат не сможет течь естественным образом. Если не принять специальных мер, он будет скапливаться перед конденсатоотводчиком и затапливать теплообменник.

Если конденсат скапливается в теплообменнике, поверхность теплообмена уменьшается, уменьшается количество передаваемого тепла, и температура воды на выходе из теплообменника начинает падать. Датчик температуры сообщит об этом контроллеру, который, в свою очередь, выдаст регулирующему клапану сигнал на открытие. Клапан откроется, увеличив расход пара и повысив давление пара в паровом пространстве. Давление пара в теплообменнике станет выше атмосферного (в данном случае), и достигнет уровня, достаточного для того, чтобы конденсат начал течь через конденсатоотводчик. Уровень конденсата в теплообменнике упадёт, но давление в паровом пространстве теперь будет выше атмосферного давления, которого в этих условиях достаточно для нагрева воды до 60ºС. Температура воды на выходе начинает повышаться. Это опять будет обнаружено датчиком, и контроллер чуть прикроет регулирующий клапан. Давление в паровом пространстве понизится до атмосферного, и затопление начнётся снова.

В результате температура воды будет циклически колебаться около 60ºС. В некоторых технологических процессах такие колебания абсолютно недопустимы.

Больше интересной информации вы сможете найти на сайте Spirax Sarco в разделе Академия Пара.

Источник

Считаем экономию: возврат конденсата в котел

Передавая свое тепло, пар превращается в жидкость — конденсат. То, что конденсат при этом остается ценным теплоносителем, известно всем. Однако масштаб экономии, которую приносит его повторное вовлечение в процесс, часто недооценивают. Мы знаем, что энергетика — наука точная, а потому предлагаем читателям «Клуба ПИ» посмотреть на процесс возврата конденсата в котел «в цифрах».

Возвращение горячего конденсата в котел имеет смысл по нескольким причинам:

Пусть:
hc = энтальпия конденсата при температуре 80°С = 80,12 ккал/кг
hm = энтальпия подпиточной воды при температуре 12°С = 12,2 ккал/кг
hs = энтальпия пара при давлении 0,6 МПа = 660 ккал/кг
Содержащееся в конденсате тепло относительно тепла содержащегося в исходном паре выраженное в процентах):
= (hc – hm) / (hs – hm) x 100
= (80,12 — 12,2) / (660 – 12,2) x 100 = 10,4%

Советы «Клуба ПИ»

Сократите эксплуатационные расходы за счет максимально возможного возврата горячего конденсата в котел. Как это сделать?

Рассмотрим пароконденсатную систему, в которой осуществляется возврат дополнительного конденсата в количестве 5,0 м3/час при температуре 80°С, после проведённой модернизации.

Предположим, что система работает 8000 часов ежегодно со средним КПД котла 80% и температуре подпиточной воды 12°С. Расходы на воду и ее отвод в канализацию составляют 50 руб/м3, а стоимость обработки воды составляет 40 руб/м3.*

* Для расчета приняты усредненные ценовые показатели за 2018 год для предприятий центрального региона РФ, использующие для подпитки речную воду. Используя показатели вашего региона, вы легко можете оценить потенциал экономии на вашем предприятии.

Стоимость природного газа составляет 4,7 руб/м3, низшая теплота сгорания газа составляет 8200 ккал/м3.

Предположив, что потери пара вторичного вскипания составляют 12%, вычислим суммарную экономию.

Считаем экономию

Ежегодная экономия на воде, канализации и химикатах
= (1 – Количество пара вторичного вскипания) x (Расход конденсата, м3/час) x Количество часов работы (час/год) x (Суммарная стоимость воды, руб/м3)
= (1 – 0.12) x 5,0 x 8000 x 90= 3 168 000 рублей в год

Ежегодная экономия на топливе
= (1 – Количество пара вторичного вскипания) x (Расход конденсата, кг/час) x Количество часов работы (час/год) x (Повышение температуры подпиточной воды, °С) x (Стоимость топлива, руб/м3) x (Удельная теплоемкость подпиточной воды, ккал/кг°С) / (КПД котла, % х низшая теплота сгорания газа, ккал/м3)
= (1 – 0.12) x 5000,0 x 8000 x (80 – 12) x 4,7 x 1 / (0,8 х 8200) = 1 714 926 рублей в год

Суммарная ежегодная экономия благодаря возврату дополнительных 5,0 м3/час конденсата
= 3 168 000 + 1 714 926 = 4 882 926 рублей в год

Возврат конденсата позволяет экономить средства

Предприятие, потребляющее пар, сегодня чаще всего представляет разветвленную сеть потребителей. Схему возврата конденсата в котел стоит определять исходя из экономической целесообразности возврата с каждого потребителя. Чем больше будет ее «охват», тем выше общий экономический эффект. В целом, наша практика показывает, что возможно достичь сокращения объема подпиточной воды на 20-50%. Экономия в денежном выражении, конечно, определяется масштабом производства, и на крупных предприятиях бывает довольно заметной. Один из последних примеров в практике ПИ: возврат конденсата в котел на крупном НПЗ позволил сократить расход подпиточной воды блока производства пара с примерно 40% вырабатываемого пара до 20% за счет возврата дополнительного конденсата. Годовая экономия составила более 10 миллионов рублей.

Источник

Парообразование: насыщенный и перегретый пар

В начале процесса нагрева воды, при достижении температуры 100°С на дне емкости (сосуда, прибора, котла) постепенно образуются пузырьки пара, которые поднимаясь вверх, не достигая поверхности, конденсируются в верхних более холодных, еще не прогретых до 100°С слоях воды. Через некоторое время, когда температура всего объема воды в сосуде повышается до 100°С, пузырьки пара начинают достигать верхнего слоя воды. То есть начинает происходить процесс кипения и испарения. При этом температура исходящего пара также составляет 100°С.

Вода на стадии испарения (при достижении температуры 100°С в атмосферных условиях) не может более принимать энергию, не изменив свое агрегатное состояние. Энтальпия (теплосодержание) воды, находящейся в данном состоянии определяется, как ее тепловая энергия насыщения и обозначается как h’.

1 кг пара при температуре 100°С обладает тепловой энергией примерно в 6 раз большей, чем 1 кг воды при 100°С. Когда пар с температурой 100°С отдает тепловую энергию, образуется конденсат. То есть процесс конденсации 1 кг пара, имеющего температуру 100°С, будет сопровождаться высвобождением тепловой энергии, которая будет в 6 раз больше, чем присутствует в воде с теми же параметрами. Количество теплоты, выделяемое при конденсации пара, называется тепловой энергией парообразования. Полученный при этом конденсат имеет такую же температуру, как и пар, из которого он был получен.

Значение температуры насыщения пара находится в прямой зависимости от давления пара в сосуде. От давления пара также зависят такие величины, как тепловая энергия насыщения и парообразования, энтальпия и удельный объем. Значения указанных параметров, соответствующих определенному давлению пара, приведены в Таблице насыщенного пара.

Для наглядности приведем пример расчета:

Удельная теплоемкость воды – 4,2 кДж/кг х К.

Сделаем расчет требуемого количества тепловой энергии:

Б) Требуемое количество пара для нагрева воды: 3150000 / 2085 = 1511 кг. При этом температура конденсата, который будет отводиться через конденсатоотводчик из паровой сети, составит 159°С.

Пар, который имеет температуру и энтальпию при определенном давлении выше указанного в Таблице насыщенного пара, называется перегретым. Например, пар с давлением 9 бар и температурой 190°С является перегретым. Перегретый пар обладает меньшими теплопередающими свойствами по сравнению с насыщенным паром. Если перегретый пар используется в качестве теплоносителя, то значительная часть поверхности теплообмена будет использована для его охлаждения до температуры насыщенного пара. Как правило, перегретый пар используется в качестве энергоносителя паровых турбин.

При равном давлении удельный объем насыщенного пара значительно меньше, чем перегретого. Поэтому при переходе пара из насыщенного состояния в перегретое необходимо обращать внимание на уменьшение пропускной способности трубопроводов. Редуцируя (снижая) давление, насыщенный пар с давлением меньше 31 бар может перейти в перегретое состояние. При этом обмена тепловой энергии не происходит и никакая работа не производится.

С помощью h-t-p диаграммы, представленной ниже можно наглядно показать процессы испарения, конденсации, парообразования и т.д

Источник

Трубопровод для сбора конденсата

Содержание:

Конденсат, сбрасываемый из конденсатоотводчиков, обрабатывается одним из двух способов. Он либо сливается из системы в канализацию, что может привести к потере тепловой энергии и воды, либо перетекает в трубопровод для транспортировки в другое место, в идеале для рекуперации.

Трубопровод для двухфазного потока

Трубопровод, используемый для транспортировки конденсата, обычно называют «трубопроводом сбора конденсата» или «трубопроводом возврата конденсата». Расчет размеров таких трубопроводов требует значительного опыта, поскольку он должен быть рассчитан на двухфазный поток. Проектирование не должно основываться на расчетах для трубопровода, по которому транспортируется только вода, потому что он не подходит для двухфазного потока.

Двухфазный поток — это поток, в котором пар (выпар, острый пар или их смесь) протекает через трубопровод вместе с жидким конденсатом. Несмотря на то, что они текут вместе, это не обязательно означает, что жидкость и пар текут отдельными, непересекающимися слоями. Схема потока в трубопроводе также может быть смешанной, как показано на анимации ниже.

Особенности трубопровода для режимов двухфазного потока

Почему пар присутствует в трубопроводе сбора конденсата?

Учитывать пар при проектировании трубопроводов для сбора конденсата на первый взгляд может показаться нелогичным, но на самом деле это необходимо.

Это происходит из-за явления, известного как выпар, которое происходит, когда высокотемпературный конденсат, образовавшийся при высоком давлении, внезапно попадает в систему низкого давления, такую как линия сбора конденсата на выходной стороне конденсатоотводчика. При выпуске через конденсатоотводчик высокотемпературный конденсат со входа теперь подвергается более низкому давлению и, следовательно, содержит слишком много тепловой энергии, чтобы оставаться в жидкой фазе. Из-за этого избыточного физического тепла часть конденсата мгновенно испаряется или «выпаривается». Термин «выпар» просто описывает способ создания пара, в остальном он ничем не отличается от «рабочего пара».

Как количество выпара влияет на размер трубы

При более низких давлениях в трубопроводе сбора конденсата удельный объем насыщенного пара может превышать объем насыщенного конденсата более чем в 1000 раз. Часто это соотношение может составлять более 90:1. Следовательно, объемное соотношение пара к конденсату будет варьироваться в зависимости от количества образовавшегося выпара, что, в свою очередь, может сильно повлиять на требования к выбору размеров труб.

Если мгновенного выпара не происходит, расчет скорости и падения давления в трубопроводе может быть аналогичен расчетам для однофазного водопровода. Однако отсутствие выпара может возникнуть только в том случае, если конденсат значительно переохлажден до температуры, меньшей, чем температура насыщенной воды, связанная с давлением в линиисбора. Если количество выпара велико, требуемый размер трубопровода становится почти идентичным размеру трубопровода пара. Таким образом, проектирование трубопровода для сбора конденсата сначала требует расчета количества выпара, а затем подбора размеров трубы, чтобы учесть удельные объемные отношения как для потока воды, так и для потока пара, с соответствующими расчетными параметрами скорости и перепада давления.

Пример трубопровода для сбора конденсата

Пример сбора конденсата с использованием испарительного резервуара

Установка испарительного резервуара дает множество преимуществ. Выпар можно использовать для оборудования низкого давления или для предварительного нагрева, в то время как горячий жидкий конденсат без выпара может быть возвращен в котел, где его тепло будет повторно использовано, что повысит общую эффективность.

Конденсат высокой энергии можно использовать либо в котле, либо в другом месте на транспортной линии. Если энергию выпара можно использовать локально, разработчик системы может взвесить относительные преимущества: а) возврата конденсата в котел, используя трубопровод меньшего размера, но требующего насосной системы, или б) использования трубопровода большего размера для возврата конденсата без локализованой системы. Транспортировка быстро вскипающего конденсата на большие расстояния требует определенных конструктивных ограничений для возврата под действием силы тяжести, чтобы минимизировать появление гидравлического удара.

Способы проектирования трубопроводов для сбора конденсата

Как указывалось ранее, TLV рекомендует подбирать размеры трубопроводов для сбора конденсата в зависимости от количества выпара и жидкого конденсата, которые могут присутствовать в системе обратных трубопроводов.

Мы рекомендуем использовать определенные объемы каждой фазы для определения объемных соотношений конденсата и пара при заданном давлении, а затем рассчитывать максимально допустимую скорость потока. Затем следует выбрать размер трубопровода в соответствии с допустимыми параметрами скорости и перепада давления.

Другими факторами, которые можно учитывать при выборе размеров трубопроводов для сбора конденсата, являются:

Оба обстоятельства могут иметь выражаться в увеличении скорости, падении давления и противодавлении в системе. Для более подробного объяснения расчета размеров трубопроводов для сбора конденсата читатели могут обратиться к техническим справочникам TLV «Отвод и повторное использование конденсата» и «Эффективное использование технологического пара».

Источник

Конденсация

Из Википедии — свободной энциклопедии

Конденса́ция паров (лат. condense «накопляю, уплотняю, сгущаю») — переход вещества в жидкое или твёрдое [1] состояние из газообразного (обратный последнему процессу называется сублимация). Максимальная температура, ниже которой происходит конденсация, называется критической. Пар, из которого может происходить конденсация, бывает насыщенным или ненасыщенным.

Конденсация имеет место во многих теплообменных аппаратах (например, в мазутоподогревателях на ТЭС), в опреснительных установках, технологических аппаратах (перегонные аппараты). Важнейшее применение на ТЭС — конденсаторы паровых турбин. В них конденсация происходит на охлаждаемых водой трубах. Для повышения КПД термодинамического цикла ТЭС важно снижать температуру конденсации (за счёт понижения давления), и обычно она близка к температуре охлаждающей воды (до 25÷30 °C).

Энциклопедичный YouTube

Субтитры

Содержание

Виды конденсации

Конденсация может происходить в объёме (туман, дождь) и на охлаждаемой поверхности. В теплообменных аппаратах — конденсация на охлаждаемой поверхности. При такой конденсации температура поверхности стенки Tw должна быть меньше температуры насыщения Ts, то есть Tw [2] :

При плёночной конденсации теплоотдача намного меньше из-за термического сопротивления плёнки (плёнка мешает отводу тепла от пара к стенке). Реализовать капельную конденсацию сложно — несмачиваемые материалы и покрытия (типа фторопласта) сами плохо проводят тепло. А использование добавок — гидрофобизаторов (для воды типа масла, керосина) оказалось неэффективным. Поэтому обычно в теплообменных аппаратах имеет место пленочная конденсация. Гидрофобизатор, гидрофобность — от греческих «hydör» — «вода» и «phóbos» — страх. То есть гидрофобный — то же, что водоотталкивающий, несмачиваемый. Такие добавки для произвольных жидкостей называются лиофобизаторами.

Термин «неподвижный пар» в данном случае подразумевает отсутствие существенного вынужденного движения (разумеется, свободно-конвективное движение будет иметь место).

На поверхности стенки образуется плёнка конденсата. Она стекает вниз, при этом её толщина растёт благодаря продолжающейся конденсации (рис. …). Из-за термического сопротивления плёнки температура стенки заметно меньше температуры поверхности плёнки, причём на этой поверхности имеется небольшой скачок температур конденсата и пара (для воды скачок обычно порядка 0,02–0,04 К). Температура пара в объёме несколько выше температуры насыщения.

Сначала плёнка движется стабильно ламинарно — это ламинарный режим. Затем на ней появляются волны (со сравнительно большим шагом, пробегающие по плёнке и собирающие накапливающийся конденсат, так как в более толстом слое в волне скорость движения больше, и такой режим стекания энергетически выгоднее установившегося). Это ламинарно-волновой режим. Далее при большом количестве конденсата режим может стать турбулентным.

На вертикальных трубах картина аналогична случаю вертикальной стенки.

На горизонтальной трубе теплоотдача конденсации выше, чем на вертикальной (из-за меньшей в среднем толщины плёнки). При движущемся паре теплоотдача растёт, особенно при сдуве плёнки.

В случае пучков труб (в частности, в конденсаторах) имеют место особенности:

Интенсификация теплообмена в конденсаторах

Основной путь интенсификации — уменьшать толщину плёнки, удаляя её с поверхности теплообмена. С этой целью на вертикальных трубах устанавливают конденсатоотводные колпачки или закрученные рёбра. Например, колпачки, установленные с шагом 10 см, увеличивают теплообмен в 2÷3 раза. На горизонтальных трубах ставят невысокие рёбра, по которым конденсат быстро стекает. Эффективна подача пара тонкими струйками, разрушающими плёнку (теплообмен увеличивается в 3÷10 раз).

Влияние примеси газов на конденсацию

При содержании в паре даже небольшой примеси неконденсирующихся газов теплоотдача резко уменьшается, так как газ остаётся у стенки после конденсации пара и, накапливаясь, препятствует продвижению пара к стенке. Так, при содержании в паре 1 % воздуха теплоотдача снижается в 2,5 раза, 2 % — более чем в 3 раза.

При движении пара это влияние много меньше, но всё равно в промышленных установках воздух приходится откачивать из конденсаторов (иначе он занимает объём аппарата). И стараются вообще исключить его присутствие в паре.

Так как конденсация — процесс, обратный к кипению, то основная расчётная формула по существу та же, что при кипении:

где G — количество образующегося конденсата (конденсирующегося пара), кг/с;

Q — отводимый от стенки тепловой поток, Вт;

γ — теплота фазового перехода, Дж/кг.

Эта формула не учитывает теплоту охлаждения пара до температуры насыщения t_s и последующего охлаждения конденсата. Их нетрудно учесть при известных температурах пара на входе и конденсата на выходе. Но, в отличие от случая кипения, здесь сложно оценить даже приближенно величину Q из-за небольшого температурного напора теплопередачи (от пара к теплоносителю, охлаждающему стенку). Формулы для различных случаев конденсации имеются в учебниках и справочниках.

Конденсация насыщенных паров

При наличии жидкой фазы вещества конденсация происходит при сколь угодно малых пересыщениях и очень быстро. В этом случае возникает подвижное равновесие между испаряющейся жидкостью и конденсирующимися парами. Уравнение Клапейрона — Клаузиуса определяет параметры этого равновесия — в частности, выделение тепла при конденсации и охлаждение при испарении.

Конденсация перенасыщенного пара

Наличие перенасыщенного пара возможно в следующих случаях:

Прибор ядерной физики — камера Вильсона — основана на явлении конденсации на ионах.

При отсутствии ядер конденсации пересыщение может достигать 800—1000 и более процентов. В этом случае конденсация начинается во флуктуациях плотности пара (точках случайного уплотнения вещества).

Конденсация ненасыщенного пара

Конденсация ненасыщенного пара возможна в присутствии порошкообразных или твёрдых пористых тел. Кривая (в данном случае вогнутая) поверхность изменяет равновесное давление и инициирует капиллярную конденсацию.

Конденсация в твёрдую фазу

Конденсация, минуя жидкую фазу, происходит через образование мелких кристалликов (десублимация). Это возможно в случае давления паров ниже давления в тройной точке при пониженной температуре.

Конденсат на окнах

Образование конденсата на стёклах происходит в холодное время года. Образование конденсата на окнах происходит из-за понижения температуры поверхности ниже температуры точки росы. Температура точки росы зависит от температуры и влажности воздуха в помещении. Причина образования конденсата на окнах может состоять как в чрезмерном повышении влажности внутри помещения, вызванном нарушением вентиляции, так и в невысоких теплоизолирующих свойствах стеклопакета, металлопластиковой рамы, оконной коробки, в неправильной глубине монтажа окна в однородной стене, неправильной глубине монтажа относительно слоя стенового утеплителя, в полном отсутствии, либо в некачественном утеплении оконных откосов.

Конденсация пара в трубах

По мере прохождения по трубе пар постепенно конденсируется и на стенках образуется плёнка конденсата. При этом расход пара G» и его скорость в связи с уменьшением массы пара уменьшаются по длине трубы, а расход конденсата G увеличивается. Основной особенностью процесса конденсации в трубах является наличие динамического взаимодействия между паровым потоком и плёнкой. На плёнку конденсата действует также сила тяжести. В итоге в зависимости от ориентации трубы в пространстве и скорости пара характер движения конденсата может быть различным. В вертикальных трубах при движении пара сверху вниз силы тяжести и динамического воздействия парового потока совпадают по направлению и плёнка конденсата стекает вниз. В коротких трубах при небольшой скорости парового потока течение плёнки в основном определяется силой тяжести аналогично случаю конденсации неподвижного пара на вертикальной стенке. Такой же оказывается и интенсивность теплоотдачи. При увеличении скорости пара интенсивность теплоотдачи растет. Это объясняется уменьшением толщины конденсатной плёнки, которая под воздействием парового потока течёт быстрее. В длинных трубах при больших скоростях движения пара картина процесса усложняется. В этих условиях наблюдаются частичный срыв жидкости с поверхности плёнки и образование парожидкостной смеси в ядре потока. При этом влияние силы тяжести постепенно утрачивается, и закономерности процесса перестают зависеть от ориентации трубы в пространстве. В горизонтальных трубах при не очень больших скоростях парового потока взаимодействие сил тяжести и трения пара о плёнку приводит к иной картине течения. Под влиянием силы тяжести плёнка конденсата стекает по внутренней поверхности трубы вниз. Здесь конденсат накапливается и образует ручей. На это движение накладывается движение конденсата в продольном направлении под воздействием парового потока. В итоге интенсивность теплоотдачи оказывается переменной по окружности трубы: в верхней части более высокая, чем в нижней. Из-за затопления нижней части сечения горизонтальной трубы конденсатом средняя интенсивность теплоотдачи при небольших скоростях пара может оказываться даже более низкой, чем при конденсации неподвижного пара снаружи горизонтальной трубы того же диаметра.

Источник