Надежная работа оборудования при редуцировании пара
Установки снижения давления пара встречаются практически в каждой пароконденсатной системе. После редуцирования, в зависимости от влажности пара и состояния теплоизоляции, пар может оказаться как насыщенным, так и слегка перегретым.
В статье "Влияние редуцирования пара на его перегрев" рассматривался пример снижения давления пара с 8 до 4 бар изб. при степени сухости до редукционного клапана 99%. Воспользуемся HS диаграммой.
Итак, температура пара в первой точке при избыточном давлении 8 бар равна 175оС, а удельный объём пара составляет 0,22 м3/кг. Температура во второй точке (4 бари) равна 162оС, удельный объём 0,38 м3/кг. Попутно заметим, что в области перегретого пара при дросселировании пара эффект Джоуля-Томсона проявляется в снижении температуры.
Рисунок 1. График процесса на HS диаграмме
Изобразим наш процесс на диаграмме HS. Для этого проведем горизонтальную прямую из первой точки до пересечения с изобарой 5 бар (на диаграмме показано абсолютное давление). Видно, что степень сухости при этом меняется от 0,99 до 1. Процесс завершается небольшим перегревом. Изображать процесс редуцирования горизонтальной линией допустимо в том случае, когда скорости потока в трубе до клапана и в трубе за клапаном примерно равны. Это условие будет выполнено, если трубопровод за редукционным клапаном большего диаметра. Найдем этот диаметр. Для этого необходимо извлечь корень из отношения удельных объемов 0,38/0,22. Получается, что диаметр трубопровода за клапаном должен быть в 1,3 раза больше диаметра трубопровода до клапана. Что произойдет, если за редукционным клапаном оставить диаметр трубопровода таким же, как и до клапана? Сначала посмотрим на скорость пара. Если предположить, что при давлении 8 бар до клапана она была 25 м/с, то за клапаном при давлении 4 бар ее значение будет приблизительно 43м/с. Действительно, чтобы пропустить пар меньшей плотности, скорость должна вырасти в 1,7 раза. При движении влажного пара со скоростью более 40 м/с на поверхностях труб и арматуры начинаются эрозионные процессы. Поэтому скорость 40 м/с считается максимальной рекомендованной для влажного пара. При таких условиях влажный пар представляет серьезную опасность для оборудования. Взаимодействуя с деталями арматуры, капли влаги вызывают микроповреждения, и на поверхности через некоторое время появляются эрозионные разрушения.
Рисунок 2. Эрозионные повреждения поверхности
Теперь рассмотрим процесс с точки зрения энергии. При этом будем иметь в виду кинетическую энергию, которой обладает 1 кг пара при движении по трубе. Кинетическая энергия определяется в соответствии с квадратичной зависимостью
.
Для одного килограмма пара при скорости потока до клапана 25 м/с её величина составит 312 Дж (Для сравнения: дульная энергия патрона к пистолету Макарова - 303 Дж), а за клапаном 924 Дж (дульная энергия патрона к автомату Калашникова 2019 Дж). Увеличение кинетической энергии потока произошло за счет уменьшения его энтальпии, «теплоперепад» составляет всего 0,6 кДж/кг, что соответствует уменьшению температуры приблизительно на 0,8оС При этом происходит снижение тепловой скорости молекул. Покажем это.
Если в некотором объеме скорость теплового движения молекул распределена по нормальному закону, то связь между среднеквадратичной скоростью молекул и абсолютной температурой T выражается зависимостью
. Тогда несложно найти V2 при Т=0,8oС. Для приблизительного расчета вполне допустимо вместо среднеквадратичной скорости взять скорость звука. Она составляет примерно 505 м/с для пара с параметрами в точке 2, в которой абсолютная температура равна 425оK. В результате расчета получается новое значение скорости V2=504,5 м/с. Произошло снижение тепловой скорости молекул на 0,5 м/с, и при этом на 18 м/с выросла скорость потока. Увеличение кинетической энергии потока произошло за счет части тепловой энергии пара, которая пошла на его ускорение. При этом если бы пар был насыщенным, то небольшое его количество сконденсировалось бы, и его степень сухости уменьшилась.
Интересно отметить, что процесс аналогичный рассмотренному, происходит при движении пара в трубе даже без дроссельных устройств, что объясняется наличием трения. Его влияние проявляется в постепенном снижении давления пара, увеличении его удельного объёма и повышении скорости, а следовательно, кинетической энергии потока.
Как было показано выше, увеличение кинетической энергии потока происходит за счет внутренней энергии и проявляется в дополнительном снижении температуры, причем независимо от эффекта Джоуля-Томсона. В этом примечательное отличие проявления трения в газодинамике по сравнению с гидравликой. Если из-за трения температура воды, протекающей по трубе, постепенно повышается, то температура пара наоборот, постепенно снижается, и при этом образуется некоторое количество конденсата, если пар был насыщенным. Причем это будет происходить даже при наличии «идеальной» теплоизоляции, когда теплопотери в окружающую среду равны нулю.
На рассмотренном примере можно еще раз убедиться, насколько обоснованными и важными являются наши рекомендации, относящиеся к устройству пароконденсатных систем. Не лишним будет еще раз указать на некоторые из них:
1. Обоснованный выбор диаметра подводящих и отводящих паропроводов, в том числе в составе редукционных станций, исключает предпосылки эрозионного разрушения оборудования.
2. Для надежной работы оборудования даже при «идеальной» теплоизоляции паропроводы должны оснащаться устройствами дренажа конденсата.
3. Сепараторы в составе редукционных станций являются обязательным элементом. Оборудование, не защищенное сепаратором, работает в условиях, не соответствующих гарантийным обязательствам, со всеми вытекающими из этого последствиями.
В статье "Влияние редуцирования пара на его перегрев" рассматривался пример снижения давления пара с 8 до 4 бар изб. при степени сухости до редукционного клапана 99%. Воспользуемся HS диаграммой.
Итак, температура пара в первой точке при избыточном давлении 8 бар равна 175оС, а удельный объём пара составляет 0,22 м3/кг. Температура во второй точке (4 бари) равна 162оС, удельный объём 0,38 м3/кг. Попутно заметим, что в области перегретого пара при дросселировании пара эффект Джоуля-Томсона проявляется в снижении температуры.
Рисунок 1. График процесса на HS диаграмме
Изобразим наш процесс на диаграмме HS. Для этого проведем горизонтальную прямую из первой точки до пересечения с изобарой 5 бар (на диаграмме показано абсолютное давление). Видно, что степень сухости при этом меняется от 0,99 до 1. Процесс завершается небольшим перегревом. Изображать процесс редуцирования горизонтальной линией допустимо в том случае, когда скорости потока в трубе до клапана и в трубе за клапаном примерно равны. Это условие будет выполнено, если трубопровод за редукционным клапаном большего диаметра. Найдем этот диаметр. Для этого необходимо извлечь корень из отношения удельных объемов 0,38/0,22. Получается, что диаметр трубопровода за клапаном должен быть в 1,3 раза больше диаметра трубопровода до клапана. Что произойдет, если за редукционным клапаном оставить диаметр трубопровода таким же, как и до клапана? Сначала посмотрим на скорость пара. Если предположить, что при давлении 8 бар до клапана она была 25 м/с, то за клапаном при давлении 4 бар ее значение будет приблизительно 43м/с. Действительно, чтобы пропустить пар меньшей плотности, скорость должна вырасти в 1,7 раза. При движении влажного пара со скоростью более 40 м/с на поверхностях труб и арматуры начинаются эрозионные процессы. Поэтому скорость 40 м/с считается максимальной рекомендованной для влажного пара. При таких условиях влажный пар представляет серьезную опасность для оборудования. Взаимодействуя с деталями арматуры, капли влаги вызывают микроповреждения, и на поверхности через некоторое время появляются эрозионные разрушения.
Рисунок 2. Эрозионные повреждения поверхности
Теперь рассмотрим процесс с точки зрения энергии. При этом будем иметь в виду кинетическую энергию, которой обладает 1 кг пара при движении по трубе. Кинетическая энергия определяется в соответствии с квадратичной зависимостью
.
Для одного килограмма пара при скорости потока до клапана 25 м/с её величина составит 312 Дж (Для сравнения: дульная энергия патрона к пистолету Макарова - 303 Дж), а за клапаном 924 Дж (дульная энергия патрона к автомату Калашникова 2019 Дж). Увеличение кинетической энергии потока произошло за счет уменьшения его энтальпии, «теплоперепад» составляет всего 0,6 кДж/кг, что соответствует уменьшению температуры приблизительно на 0,8оС При этом происходит снижение тепловой скорости молекул. Покажем это.
Если в некотором объеме скорость теплового движения молекул распределена по нормальному закону, то связь между среднеквадратичной скоростью молекул и абсолютной температурой T выражается зависимостью
. Тогда несложно найти V2 при Т=0,8oС. Для приблизительного расчета вполне допустимо вместо среднеквадратичной скорости взять скорость звука. Она составляет примерно 505 м/с для пара с параметрами в точке 2, в которой абсолютная температура равна 425оK. В результате расчета получается новое значение скорости V2=504,5 м/с. Произошло снижение тепловой скорости молекул на 0,5 м/с, и при этом на 18 м/с выросла скорость потока. Увеличение кинетической энергии потока произошло за счет части тепловой энергии пара, которая пошла на его ускорение. При этом если бы пар был насыщенным, то небольшое его количество сконденсировалось бы, и его степень сухости уменьшилась.
Интересно отметить, что процесс аналогичный рассмотренному, происходит при движении пара в трубе даже без дроссельных устройств, что объясняется наличием трения. Его влияние проявляется в постепенном снижении давления пара, увеличении его удельного объёма и повышении скорости, а следовательно, кинетической энергии потока.
Как было показано выше, увеличение кинетической энергии потока происходит за счет внутренней энергии и проявляется в дополнительном снижении температуры, причем независимо от эффекта Джоуля-Томсона. В этом примечательное отличие проявления трения в газодинамике по сравнению с гидравликой. Если из-за трения температура воды, протекающей по трубе, постепенно повышается, то температура пара наоборот, постепенно снижается, и при этом образуется некоторое количество конденсата, если пар был насыщенным. Причем это будет происходить даже при наличии «идеальной» теплоизоляции, когда теплопотери в окружающую среду равны нулю.
На рассмотренном примере можно еще раз убедиться, насколько обоснованными и важными являются наши рекомендации, относящиеся к устройству пароконденсатных систем. Не лишним будет еще раз указать на некоторые из них:
1. Обоснованный выбор диаметра подводящих и отводящих паропроводов, в том числе в составе редукционных станций, исключает предпосылки эрозионного разрушения оборудования.
2. Для надежной работы оборудования даже при «идеальной» теплоизоляции паропроводы должны оснащаться устройствами дренажа конденсата.
3. Сепараторы в составе редукционных станций являются обязательным элементом. Оборудование, не защищенное сепаратором, работает в условиях, не соответствующих гарантийным обязательствам, со всеми вытекающими из этого последствиями.