Úvod
Znalosti - klíč k úspěchu Materiál přeložil a připravil Ing. Martin NEUŽIL, Ph.D. SPIRAX SARCO spol. s r.o. V Korytech (areál nádraží ČD) 100 00 Praha 10 - Strašnice tel.: 274 00 13 51, fax: 274 00 13 52, mobil: 602 696 266
Provozování paroparo-kondenzátních sítí
• • • •
Výroba páry - kotelna, teplárna, elektrárna Rozvod páry do místa spotřeby páry Využívání y páry p y v místě spotřeby p y Vracení kondenzátu do místa výroby páry
Výroba páry • • • • • •
Energeticky E ti k náročná á č á Spotřeba paliva Produkce tuhých a kapalných odpadů Znečišťování ovzduší P d k oxidu Produkce id uhličitého hliči éh Přispívá ke skleníkovému efektu
Nehospodárné provozování paro--kondenzátních soustav paro • Zvýšená spotřeba paliva - souvisí se spotřebou neobnovitelných zdrojů energie • Zvýšená spotřeba paliva - vliv na poškozování životního prostředí při těžbě, úpravě a zušlechťování paliv • Zvýšená ý spotřeba p ppaliva - souvisí se znečišťováním životního prostředí (plynné, kapalné a pevné odpady) • Snížená životnost všech částí soustavy - vysoké náklady na údržbu, časté rekonstrukce
Šetření energií při provozování paro - kondenzátních sítí • Hospodárná výroba páry - správné parametry páry, využívání tepla z odluhu a odkalu • Hospodárný rozvod páry do místa spotřeby páry - dimenze potrubí, tep. izolace, odvodnění • Hospodárné p využívání y ppáry y v místě spotřeby p yodvaděče kondenzátu, regulace • Hospodárné vracení kondenzátu do místa výroby páry - zvedání kondenzátu, využití zbytkové páry
Výroba páry • • • •
Vyrábět páru sytou nebo přehřátou ? Správný tlak páry Správná teplota páry Správné množství páry
Parní rozvody • • • • •
Správná dimenze Dostatečné spádování Vhodně navržené odvodnění Správná volba odvaděčů kondenzátu S á é zaústění Správné ú tě í odváděného d ádě éh kondenzátu k de át do potrubí vratného kondenzátu (čerpaný kondenzát)
Spotřeba páry • • • • • •
Kvalita páry (suchá pára) Správné parametry páry Správné množství páry Vhodná regulace parního spotřebiče S á á volba Správná lb odvaděče d děče kondenzátu k de át Správný odvod kondenzátu
Vracení kondenzátu • • • •
Teplo obsažené v kondenzátu Náklad na úpravu Náklady úpra napájecí vody od Využití zbytkové páry Správná volba dimenze kondenzátního potrubí, spádování, atd. • Správné zaústění kondenzátního potrubí do potrubí vratného kondenzátu • Čerpání kondenzátu - použití vhodných čerpadel
Paro--kondenzátní soustavy Paro
Znalosti - klíč k úspěchu Materiál přeložil a připravil ing. Martin NEUŽIL, MSc. SPIRAX-SARCO s.r.o. V Korytech (areál nádraží ČD) 100 00 Praha 10 - Strašnice tel.: 02/782 28 03, fax: 02/781 80 51
Výhody páry • •
•
•
1. Voda jje běžně dostupná p tekutina na Zemi, a p proto jje jjejíj cena nízká. Voda je chemicky stálá a není nebezpečná lidskému zdraví. 2. Voda se vypařuje a mění na páru při teplotách, které jsou pod maximálními dovolenými teplotami ocelí, ze kterých jsou vyráběny parní kotle. 3. Voda a pára jsou výbornými nosiči tepla a proces přeměny vody na páru spotřebuje mnoho tepla. Proto vycházejí rozměry potrubí a zařízení relativně malé, z čehož plynou i nízké pořizovací náklady. 4 4. Teplo obsažené v páře se uvolňuje při kondenzaci páry v technologických spotřebičích. Kondenzace probíhá při konstantní teplotě a součinitele přestupu tepla při kondenzaci jsou velmi vysoké. Stálá teplota kondenzace vylučuje vznik teplotních gradientů na teplosměnné ploše.
Měření tlaku
Absolutní tlak
x Bar
Přetlak
1 Bar
Atmosférický tlak
0 Bar
Dokonalé vakuum
Přetlak = Absolutní tlak - Atmosférický tlak
Co je to pára? Přetlak (bar)
Teplota (°C)
0 1 2 3 4 5 6 7
100 120 134 144 152 159 165 170
MĚRNÝ TEPELNÝ OBSAH (kJ/kg) Měrné výparné Voda teplo Pára (hf) (hfg) (hg) 419 506 562 605 671 641 697 721
2257 2201 2163 2133 2108 2086 2066 2048
Měrný objem (m3/kg)
2676 2707 2725 2738 2749 2757 2763 2769
1.673 0.881 0.603 0.461 0.374 0.315 0.272 0.24
Grafické vyjádření parních tabulek Izotermy
p
Oblast přehřáté páry
Kritický bod
T2 > T1 Voda Křivka vroucí vody
Oblast mokré páry
T2 Křivka syté páry
T1
v
Skutečná entalpie • ‘Skutečné’ Skutečné výparné teplo mokré páry je součin měrného výparného tepla páry (hfg) odečteného z parních tabulek a suchosti páry. Výparné t l teplo páry
Skutečné výparné teplo páry
Suchost á páry
Závislost teplota sytosti páry - tlak 200 180 Teplota oC
160 Křivka sytosti páry
140 120 100 80 60 40 20 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Přetlak (bar, 1 bar = 0,1 MPa)
12
13
14
Závislost měrný objem páry - tlak 2 15 1,5 Měrný objem
1
páry (m3/kg)
0,5 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14
Přetlak (bar, 1 bar = 0,1 MPa)
Přehřátá pára • Přehřátá p pára se někdyy používá p jjako medium p pro p přenos tepla. p • Pára o přetlaku 6 bar přehřátá na teplotu 175 °C se před kondenzací musí ochladit na teplotu sytosti při přetlaku 6 bar, tj. 165 °C. • Uvažujme měrnou tepelnou kapacitu přehřáté páry (při teplotě 175 °C) 2.4 kJ/(kg.K). Teplo získané ochlazením 1 kg páry na 165 °C, než pára zkondenzuje je: • = 1 kg x 2.4 kJ/(kg.K) x 10 K • = 24.1 kJ • Porovnejte tuto hodnotu s hodnotou tepla získaného při kondenzaci 1 kg suché syté páry o přetlaku 6 bar a teplotě sytosti 165 oC = 2066 kJ (tabulková hodnota)
Přehřátá pára • má nízký tepelný obsah ve srovnání se sytou párou • přestup tepla je nízký při ochlazení přehřáté páry • může snížit výkon výrobního zařízení
Pára •
Pára má vysoký tepelný obsah.
•
Pára proudí potrubím na úkor své vnitřní energie a nepotřebuje oběhové čerpadlo.
•
Dodávka tepelného výkonu v páře je velmi pružná a špičkové odběry mohou být bez problémů pokryty.
•
Parní rozvodná síť je relativně lehká (malé průměry potrubí).
•
Součinitele přestupu tepla na straně páry jsou dvojnásobné než součinitele přestupu tepla na straně vody.
•
Podél teplosměnné plochy vznikne teplotní gradient.
•
Je nutná údržba parní soustavy.
Průtok potřebný pro přenos 1 kW tepelné energie Voda Průtok kg/s
=
1000W
=
0.0217 kg/s
=
0.091 kg/s
4187J/kg K (82 - 71)K Termický olej Průtok kg/s
=
1000W 550J/kg K (300 - 280)K
Pára Při přetlaku 6 bar je měrné kondenzační teplo 2066 kJ/kg. Uvažujme 1 kW = 1kJ/s. Potom potřebný průtok pro přenos 1kW energie =
1
=
0.00048 kg/s
2066 Porovnání jasně ukazuje přednosti páry při přenosu tepla !
Kvalita páry • Pro bezproblémový provoz parních spotřebičů je nutno splnit níže uvedené podmínky: • 1) Pára musí být ve správném množství. • 2) Pára musí mít správnou teplotu a tlak a nesmí obsahovat vzduch a nezkondenzovatelné plyny plyny. • 3) Pára musí být čistá. • 4) Pára musí být suchá.
Daltonův zákon parciálních tlaků • ‘Ve směsi p plynů y nebo směsi p par ((např. p p pára a vzduch)) p případně p směsi plynů a par, je celkový tlak směsi součet parciálních tlaků všech složek směsi, tj. každého plynu nebo páry.’ •
Tedy každá složka ve směsi plynů nebo par se chová stejně, jako by sama zaujímala celý objem směsi a nezávisle na přítomnosti ostatních složek.
•
Tlak každé samostatné složky ve směsi plynů nebo par se nazývá parciální tlak. Pro směs páry a vzduchu platí: Tlak směsi = parciální tlak páry + parciální tlak vzduchu
Příklad použití Daltonova zákona Pokud je celkový přetlak směsi páry se vzduchem 1 bar (2 bary abs) a směs se skládá ze tří objemových dílů páry a jednoho dílu vzduchu, pak platí: Parciální tlak vzduchu Parciální tlak páry =
= 0.25 0 25 x 2 bar abs = 0.5 0 5 bar abs 0.75 x 2 bar abs = 1.5 bar abs
Z parních tabulek: • Teplota syté páry při absolutním tlaku 1.5 bar abs (0.5 bar p) je 111.6 °C. • Očekávaná teplota pouze syté páry, tj. bez vzduchu, odpovídající údaji tlakoměru (1 bar p) by byla dle parních tabulek 120 °C. Pokud přichází do parního výměníku směs páry a vzduchu, tak výměník dává výkon, který odpovídá páře o přetlaku 0.5 bar, i když tlakoměr ukazuje přetlak 1 bar. Výkon výměníku projektovaný na přetlak páry 1 bar nebude dosažen.
Zdroje vzduchu a nezkondenzovatelných plynů • Vzduch vniklý do kotle po odstavení kotle (vakuum) • Vzduch rozpuštěný v napájecí vodě • Vzduch obsažený v chemicky upravené napájecí proniklý ý do kondenzátu v otevřené vodě nebo p kondenzátní nádrži
Henryho zákon ‘Množství plynu rozpuštěného v určitém množství kapaliny při dané teplotě je přímo úměrné parciálnímu tlaku plynu’
•
Výše uvedené platí přesně pro plyny, které chemicky nereagují s kapalinou, tj. například kyslík nebo dusík.
•
Při praktických výpočtech se používá převrácená hodnota konstanty úměrnosti nazývaná Henryho konstanta, která je teplotně závislá. Plyny jsou méně rozpustné v kapalině při vyšších teplotách kapaliny. Rozpustnost plynů je také ovlivněna množstvím solí obsažených v kapalině. Většina plynů je méně rozpustná ve slané vodě.
Čistota Nečistoty •
přestřiky vody z kotle
•
usazeniny v potrubí
•
struska ze svařování
•
uvolněný spojovací materiál
•
špatně provedené závitové a přírubové spoje
Pára musí být suchá • Voda svojí přítomností v páře snižuje tepelný páry y vztažený ý na jjednotku hmotnosti obsah p páry. • Kapičky vody unášené párou přispívají k tvorbě vodního filmu na teplosměnné ploše, který svým p omezuje j p prostup p tepla. p odporem
Faktory omezující prostup tepla teplosměnnou plochou
Ohřívaná voda
Kovová stěna
Pára
Vrstva usazenin Vrstva vzduchu Vrstva kondenzátu
Mezní vrstva vody
Praktické důsledky vrstvičky vzduchu a kondenzátu na teplosměnné ploše 121o C Ohřívaná voda 99 o C Tlak páry 1.0 bar 1
2
3
4
116o C
Obr. 1 Ohřívaná voda 99 o C
Tlak páry 0.7 bar 1
2
3
4
Obr. 2
1 - Vrstva vzduchu 2 - Vrstva kondenzátu 3 - Teplosměnná plocha 4 - Mezní vrstva vody
Přehřátá pára • 1) Přehřátá pára je pára pára, jejíž teplota je nad teplotou sytosti odpovídající danému tlaku páry. • 2) Přehřátí lze dosáhnout průtokem páry podél teplosměnné plochy, která má vyšší teplotu. • 3) Přehřátí lze také dosáhnout snížením tlaku páry (dodávaná pára je suchá).
Příklad stupně přehřátí 6
Bar p
1
165o C
Bar p
150o C
2764 kJ/kg
2764 kJ/kg
Clona nebo b redukční ventil
Skutečnost •
1))
Pára není nikdy y 100% suchá.
•
2)
Daleko účinější než přehřívat páru je odstranit kapičky vlhkosti obsažené v páře.
•
3)
Při výpočtu stupně přehřátí je nutné uvažovat koeficient suchosti páry.
Tepelný obsah páry = hf + (koeficient suchosti x hfg)
Mollierův diagram Měrná entalpie kJ/kg 3800
400bar
200bar
100bar
50bar
20bar
10bar
5bar
2bar 650oC
Teplota o C
Měrná entalpie kJ/kg
600oC
3600
1bar 374.15
550oC o
500 C
3400
o
450 C
0.5bar
400oC
3200
350oC
0.2bar
300oC
3000
250oC
0.1bar
200oC 150oC
2800 100oC
Křivka sytosti
2600
350 300 250
900
0.01bar
700
150
x=0.95
2200
x=0 90 x=0.90
100
Zdroj: "Steam Tables in SI units" CEGB, 1970. Kreslil: D.H.Bacon
x=0.85
2000
x=0.80
6.5
7.0
600 500 400 200 100
x=0.70
6.0
800
300 50
x=0.75
1800
1400 1300 1200 1100 1000
0.04bar 200
50oC
2400
1800 1600
7.5 Měrná entropie kJ/kg
8.0
8.5
9.0
0 0 Voda při bodu varu
Zbytková pára
Přetlak (bar)
Teplota (şC)
0 1 2 3 4 5 6 7
100 120 134 144 152 159 165 170
TEPELNÝ OBSAH kJ/kg Měrné výparné Voda teplo Pára (hf) (hfg) (hg) 419 506 562 605 671 641 697 721
2257 2201 2163 2133 2108 2086 2066 2048
Měrný objem (m3/kg)
2676 2707 2725 2738 2749 2757 2763 2769
1.673 0.881 0.603 0.461 0 374 0.374 0.315 0.272 0.24
Výběr pracovního tlaku Přetlak páry bar 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
kPa 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
Teplota sytosti 100 şC 120 134 144 152 159 165 170 175 180 184 188 192 195 198
Měrný tepelný obsah kJ/kg Výparné Voda teplo Pára vody ody hfg hg hf 419 2257 2676 506 2201 2707 562 2163 2725 605 2133 2738 671 2108 2749 641 2086 2757 697 2066 2763 721 2048 2769 743 2031 2774 763 2015 2778 782 2000 2782 799 1986 2785 815 1973 2788 830 1960 2790 845 1947 2792
Měrný objem m3/kg 1.673 0.881 0.603 0.461 0.374 0.315 0.272 0.24 0.215 0 194 0.194 0.177 0.163 0.151 0.141 0.132
Vysokotlaký rozvod • Vysokotlaký rozvod má následující výhody: l Je potřeba potrubí malého průměru, které má malý povrch a tím i tepelné ztráty. l l
Menší investiční a montážní náklady na potrubí, armatury, podpěry potrubí, atd. Menší investiční a montážní náklady na tepelnou izolaci.
l
Pára u konečného spotřebitele je sušší, neboť při redukci z vyššího tlaku na nižší dochází k vysušení páry.
l
Parní kotel může být provozován na vyšším tlaku, kdy je účinnost výroby páry vyšší a rozměry kotle nižší.
l
Tepelná kapacita parního kotle je zvýšena, což pomáhá překonat problémy spojené s proměnlivým odběrem páry, kdy velmi často dochází k přestřiku kotlové vody do parního potrubí (vodní rázy v potrubí).
Dimenzování potrubí • Vyšší investiční náklady y tepelné p ztráty y • Vyšší potrubí • Vyšší množství vznikajícího kondenzátu • Nižší tlak páry u odběratelů nebo • Nedostatečné množství páry • Nebezpečí vzniku eroze a vodního rázu
Jak navrhovat velikost potrubí? Spirax Customer
• Na základě: • Rychlosti proudění • Tlakové ztráty
Kapacity potrubí při různých rychlostech proudění Přetlak bar
Rychlost m/s
15mm
20mm
25mm
32mm
kg/h 40mm
50mm
65mm
80mm
100mm
125mm
150mm
15 25 40
7 10 17
14 25 35
24 40 64
37 62 102
52 92 142
99 162 265
145 265 403
213 384 576
394 675 1037
648 972 1670
917 1457 2303
04 0.4
15 25 40
7 12 18
16 25 37
25 45 68
40 72 106
59 100 167
109 182 298
166 287 428
250 430 630
431 716 1108
680 1145 1712
1006 1575 2417
0.7
15 25 40
8 12 19
17 26 39
29 48 71
43 72 112
65 100 172
112 193 311
182 300 465
260 445 640
470 730 1150
694 1160 1800
1020 1660 2500
1.0
15 25 40
12 19 30
25 43 64
45 70 115
70 112 178
100 162 275
182 295 475
280 428 745
410 656 1010
715 1215 1895
1125 1755 2925
1580 2520 4175
2.0
15 25 40
16 26 41
37 56 87
60 100 157
93 152 250
127 225 375
245 425 595
385 632 1025
535 910 1460
925 1580 2540
1505 2480 4050
2040 3440 5940
3.0
Odbočky • Pro krátké odbočky je možné zanedbat tlakovou ztrátu a světlost potrubí navrhnout dle doporučené rychlosti proudění páry v potrubí. • * Při pochybnostech je nutné použít obě metody, tj. určit dimenzi potrubí dle rychlosti a dle tlakové ztráty.
Spádování a odvodnění potrubí Separátor
6 6
6 6 6 6
Vodní ráz Průhyb potrubí
Kondenzát
Hluk a vibrace způsobené vodním rázem Vodní zátka (kondenzát)
Odvodnění potrubí a spád potrubí
Spád 1/25
Pára
Vztaženo k nejvyš. bodu potrubí
30 - 50 m
Odvodňovací místa
Správné a nesprávné odvodnění Řez Pára
Správně
Kondenzát Odvaděč kondenzátu
Odvodňovací kapsa 25/30 mm
Řez Pára
Špatně
Redukce parního potrubí Správně Pára
Kondenzát
Š t ě Špatně Pára
Filtry
Odbočky parního potrubí Pára
Pára
Kondenzát
Špatně
Správně
Parní odbočka Páteřní parní potrubí
Uzavírací ventil
Sestava odvaděče kondenzátu
Sklon potrubí proti směru proudění páry Zvýšení průměru potrubí S ád Spád
Spád Spád Rychlost proudění >40 m/s
15 m 15 m 30- 50m
Odvaděče kondenzátu pro hlavní parní rozvody
Tvorba kondenzátu při najíždění a běžném provozu (kg/50 m potrubí) Přetlak páry (bar)
Světlost potrubí
50
65
80
100
125
150
200
250
300
350
400 450 500 600
9
9.5 9.3
15.1 11.3
19.7 14.1
28.1 16.5
38.1 20.6
49.4 74 24.5 31.5
105 39
139 46.5
164 51.5
216 272 320 436 60 64 72 88
10
9.9 9.8
15.7 11.9
20.4 14.6
29.2 16.9
39.6 21.3
51.3 77 25 33
109 41
144 49
171 54
224 282 332 463 62 67 75 90
12
10.4 10 9 10.9
16.5 13 0 13.0
21.6 15 7 15.7
30.7 17 7 17.7
41.7 22 5 22.5
54.1 81.1 26 36
115 45
152 53
180 59
236 298 350 488 67 73 81 97
Čísla psaná tučně udávají tvorbu kondenzátu při najíždění Teplota okolí 20 0C, volná konvekce, účinnost tepelné izolace 80%
Typy odvaděčů kondenzátu • Termodynamické • Plovákové/termické • Zvonové • Termické
Termodynamické odvaděče kondenzátu
Termodynamický odvaděč kondenzátu H B
C
E
G
D F
A
Plovákové odvaděče kondenzátu
Plovákový odvaděč kondenzátu s automatickým odvzdušněním F
E G
Zvonové odvaděče kondenzátu
Zvonový odvaděč kondenzátu
C B A
Hrníčkový odvaděč kondenzátu E
D
C
A
B
F
Termostatický odvaděč kondenzátu
Moderní tlakově vyvážený termický odvaděč kondenzátu
Tlakově vyvážená k kapsle l
Tlakově vyvážená termická kapsle
Bimetalový odvaděč kondenzátu s ventilem na výstupu
Ventil otevřen
Bimetalová hvězdice
Termický kapalinový odvaděč kondenzátu (tlakově nevyvážený) A
B
F
Ventil otevřen
C
G
E
D
Doporučené vzdálenosti podpěr ocelového a měděného potrubí Průměr potrubí ocel/měď
Vzdálenosti podpěr vodorovné potrubí (m)
Uhlíková ocel
Měd
Vzdálenosti podpěr svislé potrubí (m)
Di
De
12 15
15 18
-2.0
1.0 1.2
Uhlíková ocel -2.4
Měď 1.2 1.4
20 25
22 28
2.4 2.7
1.4 1.7
3.0 3.0
1.7 2.0
32 40
35 42
2.7 3.0
1.7 2.0
3.0 3.6
2.0 2.4
50 65
54 67
3.4 3.7
2.0 2.0
4.1 4.4
2.4 2.4
80 100
76 108
3.7 4.1
2.4 2.7
4.4 4.9
2.9 3.2
125 150
133 159
4.4 4.8
3.0 3.4
5.3 5.7
3.6 4.1
200 250
194 267
5.1 5.8
---
6.0 5.9
---
Kluzné podpěry potrubí
Kluzná podpěra
Kluzná podpěra s objímkou
Dvojitý závěs
Odvzdušnění
Automatický odvzdušňovací ventil tlakově vyvážený Páteřní parní potrubí
Termodynamický odvaděč kondenzátu s možností kontinuálního odkalování a konektorem p pro snadné připojení p p j Vzduch
Tepelné ztráty neizolovaného potrubí Teplotní rozdíl pára - vzduch o
Průměr potrubí 15 mm 20 mm 25 mm 32 mm 40 mm 50 mm 65 mm 80 mm 100 mm 150 mm
C
W/m
56
54
65
79
103
108
132
155
188
233
324
67
68
82
100
122
136
168
198
236
296
410
78
83
100
122
149
166
203
241
298
360
500
89
99
120
146
179
205
246
289
346
434
601
100
116
140
169
208
234
285
337
400
501
696
111
134
164
198
241
271
334
392
469
598
816
125
159
191
233
285
321
394
464
555
698
969
139
184
224
272
333
373
458
540
622
815
1133
153
210
255
312
382
429
528
623
747
939
1305
167
241
292
357
437
489
602
713
838
1093
1492
180
274
329
408
494
556
676
808
959
1190
1660
194
309
372
461
566
634
758
909
1080
1303
1852
