Тепломассообмен МУ. Методические указания и задания к выполнению курсового проекта Расчет и проектирование вакуумной деаэрационной установки

• Название: Методические указания и задания к выполнению курсового проекта Расчет и проектирование вакуумной деаэрационной установки
• Дата: 17.08.2021
• Размер: 0.71 Mb.
• Имя файла: Тепломассообмен МУ.docx
• Тип: Методические указания; #227131

1. Введение

Целью курсового проекта «Расчет и проектирование вакуумного деаэратора» является закрепление теоретического материала по основным вопросам дисциплины «Тепломассообмен», а также получение навыков  самостоятельной работы в области проектирования теплообменного оборудования.

Деаэрационные установки располагаются на различных предприятиях теплоэнергетики и являются последней ступенью удаления из воды растворенных в ней коррозионно-активных газов (кислорода и диоксида углерода). После деаэраторов содержание в воде коррозионно-активных газов не должно превышать определенных стандартами величин.

В курсовом проекте предусматривается проектирование струйно-барботажного вакуумного деаэратора вертикального типа. Вакуумные деаэраторы вертикального типа имеют единичную производительность от 5 до 300 м³/ч и распространены преимущественно в котельных различного назначения. На крупных котельных применяются горизонтальные вакуумные деаэраторы производительностью от 400 до 1200 м³/ч. Вертикальные вакуумные деаэраторы отличаются относительной простотой конструкции и могут быть изготовлены непосредственно на том предприятии, где планируется их установка, поэтому для инженера-теплоэнергетика очень важно уметь грамотно подобрать, рассчитать, установить деаэратор и правильно его эксплуатировать.

Методические указания и задания к выполнению курсового проекта «Расчет и проектирование вакуумной деаэрационной установки» разработаны в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Тепломассообмен» для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 280700 – Строительство по профилю «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Содержат задания и необходимую информацию для выполнения курсового проекта.

2. Основные условные обозначения и индексы

Q – количество теплоты, Вт, ккал/ч;

G – расход среды, т/ч, кг/с;

C – массовая концентрация компонента в воде, кг/м³, мг/кг;

F – площадь поверхности, м²;

D, d – диаметр, м;

L – длина струи, м;

H – высота, м;

N – количество отверстий, шт.;

t – температура, °С;

p – давление, МПа, кгс/см²;

i – удельная энтальпия, кДж/кг, ккал/кг;

h – уровень воды на тарелке, м вод. ст.;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

v – удельный объем, м³/кг;

Ω – площадь живого сечения, м²;

Индексы:

п – пар;

в – вода;

о – отверстие;

н – начальный;

к – конечный;

s – в состоянии насыщения;

д – в деаэраторе;

ср – средний;

пр – производительность;

н.п – некипящий поток;

к.п – кипящий поток;

д.в – деаэрированная вода;

и.в – вода, подаваемая в деаэратор;

вып – выпар;

дин – динамический;

гс – гидростатический;

вх – на входе;

вых – на выходе;

гор – в горловине тарелки;

п.т – перепускная тарелка;

б.л – барботажный лист;

max – максимальный;

min – минимальный.

ρ – плотность, кг/м³;

ω – скорость, м/с;

О2 – кислород;

СО2 – диоксид углерода.

3. Исходные данные. Cодержание и объем работы

В задании на курсовой проект указываются:

1. 
   теплоэнергетическое предприятие, где планируется установка деаэратора;
   
2. 
   назначение вакуумного деаэратора;
   
3. 
   греющий агент деаэратора;
   
4. 
   номинальное абсолютное давление в деаэраторе;
   
5. 
   номинальная производительность;
   
6. 
   температура деаэрированной воды;
   
7. 
   содержание растворенного кислорода в исходной и деаэрированной воде;
   
8. 
   содержание свободного диоксида углерода в исходной и деаэрированной воде;
   
9. 
   расход и температура химически умягченной деаэрируемой (исходной) воды;
   
10. 
    давление и температура греющей среды.
    

Варианты задания на курсовой проект определяются преподавателем и приводятся в прил. А настоящих методических указаний.

В содержание проекта входят:

1. 
   Расчетно-пояснительная записка (объем 15-20 стр.), которая должна содержать введение, расчет условий теплового баланса деаэратора, тепловой и гидравлический расчеты струйного отсека, расчет перепускной тарелки, расчет процесса дегазации воды, гидравлический расчет барботажного устройства, выводы, библиографический список, содержание.
   
2. 
   Графическая часть (объем 2 листа формата А4), в которой должны быть представлены конструктивная схема вакуумного деаэратора (продольный и поперечный разрезы, чертежи элементов деаэрационной установки) Приложение Е и принципиальная схема включения спроектированного деаэратора на теплоисточнике в соответствии с вариантом задания.
   

В заключении студент должен сделать выводы по результатам расчетов.

По окончании выполнения курсового проекта производится ее защита в сроки, назначенные преподавателем. При защите студент должен показать уверенное владение теоретическим материалом, необходимым для выполнения данной работы, и четко обосновать все принятые в ней решения.

4. Классификация и особенности конструкций вакуумных деаэраторов

Вакуумные деаэраторы предназначены для удаления из воды коррозионно-активных газов кислорода и диоксида углерода (О₂ и СО₂) при рабочем давлении в аппарате 0,015-0,08 МПа. Классификация деаэраторов и основные требования к их проектированию содержатся в нормативных материалах [1, 2].

По способу распределения воды в паре деаэраторы подразделяются на пленочные, струйные и капельные. Деаэраторы с барботажем воды паром называются барботажными. В случае применения в деаэраторе одного из указанных способов деаэратор считается одноступенчатым, при комбинации нескольких способов – двух- или трехступенчатым. В настоящее время в котельных применяются в основном двухступенчатые струйно-барботажные деаэраторы. Однако в эксплуатации находится значительное число одноступенчатых (пленочных и струйных) аппаратов.

Широкое распространение струйно-барботажных деаэраторов обусловлено требованиями глубокой дегазации воды и полного удаления СО₂. Кроме того, применение двухступенчатых деаэраторов позволяет также сократить высоту деаэрационной колонки.

По конструкции серийно выпускаемые струйно-барботажные вакуумные деаэраторы бывают вертикальными (рисунок 2.1) и горизонтальными (рисунок 2.2).

Конструкция струйно-барботажного вакуумного деаэратора вертикального типа, разработанная научно-производственным объединением по исследованию и проектированию энергетического оборудования имени И. Н. Ползунова (НПО ЦКТИ), приведена на рисунке 2.1. Вода, направляемая на дегазацию по трубе 1, попадает на верхнюю 9 тарелку 2. Пройдя струйную часть, вода поступает на перепускную тарелку 3. Она предназначена для сбора и перепуска воды на начальный участок расположенного ниже барботажного листа 5. Перепускная тарелка имеет отверстие 4 в виде сектора, который с одной стороны примыкает к сплошной вертикальной перегородке 6, идущей вниз до основания корпуса колонки.

Вода с перепускной тарелки направляется на непровальный барботажный лист 5, выполненный в виде кольца со щелями или отверстиями 7, ориентированными перпендикулярно потоку воды. В конце барботажного листа имеется водосливной порог 8, который проходит до нижнего основания деаэратора. Вода протекает по барботажному листу, переливается через порог 8 и попадает в сектор, образуемый порогом 8 и перегородкой 6, а затем самотеком отводится в трубу 9.

Весь пар (или перегретая вода) подводится в колонку под барботажный лист 5 по трубе 10. Под листом устанавливается паровая подушка, и пар, проходя через щели 7, барботирует воду. С увеличением нагрузки деаэратора, а следовательно, и расхода пара, высота паровой подушки увеличивается, и избыточный пар перепускается в обвод барботажного листа 5 через отверстия 12 и 13 в трубах 11. Затем пар проходит через горловину в перепускной тарелке 3 и поступает в струйный отсек, где большая часть пара конденсируется. Паровоздушная смесь отводится по трубе 14. При необходимости подачи в деаэратор горячего конденсата его следует вводить через штуцер 15 на перепускную тарелку.



Рисунок 2.1 - Вакуумный струйно-барботажный деаэратор вертикального типа конструкции ЦКТИ:
1 - патрубок подвода исходной воды; 2 - верхняя тарелка; 3 - перепускная тарелка; 4 - сектор для слива воды; 5 - барботажный лист;
6 - вертикальная перегородка; 7 - щели для прохода пара; 8 - водосливной порог; 9 - патрубок отвода деаэрированной воды;
10 - патрубок подвода греющей среды; 11 - перепускная труба; 12, 13 - отверстия для перепуска пара; 10 - труба отвода выпара;
15 - штуцер для подвода конденсата; 16 - водоперепускная труба

При отсутствии пара к деаэратору в качестве греющей среды подводится деаэрированная перегретая вода. Она также направляется под барботажный лист по трубе 10. Попадая в область давления ниже атмосферного, вода вскипает, образуя под листом паровую подушку.

Вода, оставшаяся после вскипания, по трубе 16 удаляется на начальный участок барботажного листа, где проходит обработку совместно с исходным потоком воды.

Вся колонка изготавливается цельносварной. Для возможности разъема предусматривается монтажный стык, расположенный выше перепускной тарелки. Производительность вертикальных вакуумных деаэраторов составляет от 5 до 300 м³/ч. Другие технические характеристики струйно-барботажных деаэраторов вертикального типа приведены в прил. Б, В.

На рисунке 2.2 представлена принципиальная схема струйно- барботажного вакуумного деаэратора горизонтального типа. Исходная вода через штуцер 10 поступает в распределительный коллектор 9 и далее на первую тарелку 8. Перфорация первой тарелки рассчитана на пропуск 30% воды при номинальной нагрузке деаэратора. Остальная часть через порог сливается на вторую тарелку 11, куда сливается и вода, прошедшая сквозь отверстия первой тарелки. Такая конструкция первой тарелки объясняется тем, что она выполняет функцию встроенного охладителя выпара и должна обеспечить конденсацию необходимого расхода выпара в расчетном диапазоне изменения гидравлических нагрузок деаэратора.



Рисунок 2.2 - Схема вакуумного струйно-барботажного деаэратора горизонтального типа конструкции ЦКТИ – СЗЭМ:
а, б - модели 1968 и 1985 гг.;
а) 1 - барботажный лист; 2 - канал для прохода неиспарившейся перегретой воды; распределительный коллектор; 3 - труба отвода деаэрированной воды; 4 - пароперепускная труба; 5 - перепускная тарелка; 6 - водоперепускной короб; 7 - труба отвода выпара;
8, 11, 12 - первая, вторая и третья тарелки; 10 - штуцер подвода исходной воды; 13 - патрубки подвода греющей среды;
14 - жалюзи; 15 - испарительный отсек; 16 - разделительная перегородка; 17 - деаэрационный отсек.
б) 1 – барботажный лист; 2 – канал для прохода неиспарившейся перегретой воды; 3 – отвод деаэрированной воды;
4 – пароперепускной короб; 5, 6, 7 – тарелки соответственно первая, вторая и третья;
8 – отвод выпара; 9 – распределительный коллектор;
10 – подвод исходной воды; 11 – подвод греющего агента; 12 – испарительный отсек; 13 – деаэрационный отсек

Вторая тарелка 11 является основной, после нее вода стекает струями на третью тарелку 12, которая служит в основном для организации подачи воды на начало барботажного листа 1. Обработанная на непровальном барботажном листе вода отводится из деаэратора по трубе 3.

Деаэратор разделен барботажным листом и перегородкой надеаэрационный и испарительный отсеки. В испарительный отсек по трубопроводам 13 подается греющая среда – деаэрированная перегретая вода или пар. Выделившийся из перегретой воды пар образует паровую подушку и проходит через отверстия барботажного листа, а неиспарившаяся вода по каналу 2 вытесняется на уровень барботажного листа 1 и вместе с деаэрированной водой отводится из деаэратора. Для перепуска избытка пара из паровой подушки в деаэрационный отсек служит труба 4. Выпар отводится из деаэратора по трубопроводу 7 с помощью эжектора или вакуумного насоса. Деаэраторы горизонтального типа выпускаются производительностью 400, 800 и 1200 м³/ч. Эти деаэраторы вне зависимости от производительности имеют одинаковый диаметр корпуса 3 м и отличаются друг от друга его длиной. Основные технические характеристики струйно-барботажных деаэраторов горизонтального типа приведены в прил. Г.

В последние годы широко рекламируются как новое чудо техники, позволяющее «решить» все проблемы деаэрации воды, струйные деаэраторы «КВАРК» и «АВАКС». Даже из рекламных материалов этих аппаратов видно, что указанные струйные деаэраторы по многим характеристикам уступают серийным аппаратам традиционных конструкций, прошедшим длительный эволюционный отбор.

Анализ массообменной эффективности вакуумных деаэраторов показал, что из применяемых в настоящее время конструкций лучшие показатели имеют серийные струйно-барботажные аппараты [3].

5. Тепловой баланс вакуумного деаэратора

Тепловой баланс деаэрационной установки составляется для определения полного расхода пара, подводимого к деаэратору. В зависимости от тепловой схемы энергоустановки в деаэратор вводится то или иное количество потоков воды и пара.

В общем виде уравнение теплового баланса деаэратора записывается как равенство потоков теплоты, введенных в деаэратор и вышедших из него:

Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ = Q₅ + Q₆ + Q₇,

(5.1)

где Q₁ – теплота, внесенная с основным потоком греющего пара;

Q₂ – теплота, внесенная с некипящими потоками воды;

Q₃ – теплота, внесенная с кипящими потоками воды;

Q₄ – теплота, внесенная с прочими потоками пара;

Q₅ – теплота, отведенная с деаэрированной водой;

Q₆ – теплота выпара;

Q₇ – теплопотери деаэратора в окружающую среду.

Если в соответствии с заданием какие-либо из указанных выше потоков теплоты не поступают в деаэрационную установку и не отводятся из нее, то при составлении теплового баланса их не учитывают.

Составляющие теплового баланса определяются по следующим формулам.

Количество теплоты, подведенной с основным потоком греющего пара:

Q₁ = G_min

(5.2)

Энтальпия пара i_nопределяется по его давлению и температуре на входе в деаэратор, согласно [4].

Количество теплоты, подведенной с некипящими потоками воды:

(5.3)

Количество теплоты, подведенной с кипящими потоками воды:

(5.4)

Количество теплоты, подведенной с прочими потоками пара:

(5.5)

Количество теплоты, отводимой с деаэрированной водой:

Q₅ = G_д.вiд.в

(5.6)

Производительность деаэратора (расход деаэрированной воды) определяется по формуле:

(5.7)

где G'_п - количество сконденсированного пара в деаэраторе, кг/ч;

r_д– теплота парообразования при давлении в деаэраторе, ккал/кг.

Величина G'_п определяется из соотношения:

(5.8)

где i_cp– средняя энтальпия пара, ккал/кг;

G_noc– расход пара на покрытие потерь в окружающую среду.

Величина i_cpопределяется по формуле:

(5.9)

Теплота, отводимая с выпаром:

Q₆ = G_выпi_вып

(5.10)

Расход выпара G_вып, кг/ч, принимается из расчета 3 – 5 кг на 1 т деаэрированной воды

G_вып=(3 ÷ 5)G_д.в.

(5.11)

Энтальпия паровоздушной смеси выпара условно может быть принята равной энтальпии насыщенного пара при давлении в деаэраторе, т. е. i_вып= i_s.

Теплопотери в окружающую среду определяется по формуле:

Q₇ = αF(t_из - t_воз)

(5.12)

где α – коэффициент теплоотдачи от изоляции к окружающему воздуху, равный 9,3 – 11,6 Вт/(м²·°С);

F – поверхность корпуса деаэратора, включая бак-аккумулятор, м²;

t_из – температура поверхности изоляции, принимаемая равной 50 °С;

t_воз – температура окружающего воздуха.

Расход пара на покрытие теплопотерь в окружающую среду определяется по формуле:

G_пос = Q₇/r

(5.13)

Теплопотери в окружающую среду должны специально определяться в случае расположения деаэраторов вне зданий. Во всех остальных случаях они могут приниматься равными 1 – 2 % общего расхода теплоты на деаэрационную установку.

Расход пара на деаэрационную установку определяется по уравнению:

(5.14)

Уравнение (3.14) справедливо, если теплота выпара в пределах деаэрационной установки не используется. При его использовании с возвратом конденсата величина Q₆ не учитывается в связи с рециркуляцией этой теплоты в установке.

Расчет теплового баланса необходимо произвести для трех режимов работы вакуумного деаэратора: при 30 %-ной нагрузке, при номинальной нагрузке и при 120 %-ной нагрузке. Пример расчета теплового баланса вакуумного деаэратора приведен в прил. Д.

6. Тепловой и гидравлический расчет струйного отсека

В объем теплового расчета струйного отсека входит определение температуры на тарелках и расхода пара в отсеке. Тепловой расчет начинается выбора геометрических параметров пучка струй. Под геометрическими характеристиками пучка струй понимается длина струй, их начальный диаметр и шаг (диаметр и шаг отверстий на тарелке).

Тепловой расчет струйного отсека производится при одновременном выполнении конструктивной схемы этого отсека, включая разметку отверстий на тарелке, что связано с необходимостью определения средней скорости пара в пучке струй (отсеке). Пример схемы струйного отсека приведен на рисунке 6.1.



Рисунок 6.1 - Схема струйного отсека

В задачи гидродинамического расчета входят определение гидравлических характеристик и проверка гидродинамической устойчивости струйного отсека при различных режимах работы. Гидравлически устойчивым называется такой режим работы струйного отсека, при котором не появляется местной рециркуляции воды под воздействием потока пара. Нарушение гидродинамической устойчивости может быть вызвано недопустимо высокими скоростями пара в отдельных сечениях деаэрационной колонки.

Диаметр отверстий d_oна тарелках по условиям развития поверхности струй и эксплуатационным условиям следует принимать равным 5 - 8 мм. Шаг отверстий на тарелке должен приниматься равным не менее 18 - 20 мм при расположении их в вершинах равностороннего треугольника [2]. Длина струй L принимается равной расстоянию между нижней плоскостью вышерасположенной тарелки и видимым (динамическим) уровнем воды h_динна нижележащей тарелке того же отсека. При производительности деаэрационной установки до 400 т/ч длину струй L рекомендуется принимать равной 350 - 500 мм, а для более крупных деаэрационных установок целесообразно увеличивать ее до 800 - 900 мм с целью ограничить скорость пара и предотвратить таким путем унос капельной влаги [2]. Расстояние между тарелками (высота отсека Н) равно:

Н = L + h_дин

(6.1)

Динамический уровень воды на тарелке определяется суммой гидростатического уровня воды h_гс и перепада давлений по паровой стороне между смежными отсеками δр:

h_дин= h_гс+ δp.

(6.2)

Величины h_гс и δр определяются в ходе гидродинамического расчета отсека.

Скорость воды w₀, м/с, на выходе из отверстия тарелки определяется по формуле:

w₀ = a₁μ₀2gh_гс.

(6.3)

где a₁ - коэффициент, учитывающий влияние движения воды по тарелке на коэффициент расхода;

μ₀- коэффициент расхода для перфорированного листа;

h_гс - гидростатический уровень воды, м.

При диаметре отверстий 5 - 8 мм и толщине днища тарелок 4 - 6 мм коэффициент μ₀ принимается равным 0,75. Коэффициент a₁ для практических расчетов можно принимать равным 0,9 [2].

Для определения скорости w₀ предварительно задаются величиной h_гс, которая для равномерного распределения воды по всем отверстиям тарелки при номинальной гидравлической нагрузке должна находиться в пределах 60 - 80 мм.

Число отверстий на тарелке N при номинальном режиме определяется предварительно по формуле

(6.4)

где G_в - полный расход воды через данную тарелку, т/ч;

v_в - удельный объем воды при температуре ее на тарелке, м³/кг;

a₂ - коэффициент запаса на загрязнение перфорации тарелки (a₂ = 1,0 - 1,1);

d₀ - диаметр отверстий на тарелке, м.

Верхняя тарелка секционирована с таким расчетом, что при минимальной (30 %-ной) нагрузке работает только часть отверстий во внутреннем секторе примерно 0,3N. При увеличении нагрузки в работу включаются остальные отверстия.

Гидростатический уровень воды h_гс, м, при заданных расходах, числе и диаметрах отверстий на тарелке определяется по формуле:

(6.5)

Для определения действительной средней скорости пара в струйномпучке рекомендуется пользоваться методом последовательных приближений. В первом варианте расчета струйного отсека деаэратора значение w_n ориентировочно принимается равным 0,5 - 1,0 м/с. После выбора по указанным выше рекомендациям значений L и d₀ определяют температуру воды t_выхв конце струйного потока по формуле:

(6.6)

где А₁ - коэффициент, зависящий от давления в деаэраторе и от температуры исходной воды, определяется по номограмме (рисунок 4.2).



Рисунок 4.2 - Зависимость коэффициентов А₁ и В₁ от
абсолютного давления и температуры исходной воды

Затем определяют количество пара, конденсирующегося на струях первого отсека, при найденной величине подогрева воды в них по формуле:

(6.7)

где i_вых - удельная энтальпия воды при температуре t_вых, ккал/кг.

Для уточнения принятой средней скорости пара в струйном пучке сначала подсчитываются скорости пара w_вх и w_выхсоответственно на входе в  пучок струй и на выходе из него.

(6.8)

(6.9)

где Ω_вх, Ω_вых - живые сечения для прохода пара на входе в пучок струй и на выходе из него.

Величины Ω_вхи Ω_выхопределяются по формулам:

Ω_вх = L(πD₁ − n₁d₀) 

(6.10)

Ω_вых = L(πD₂ − n₂d₀),  

(6.11)

где D₁, D₂ - диаметры условной окружности по наружному и внутреннему диаметрам пучка, м (см. рисунко 4.1);

n₁, n₂ - число отверстий, вынесенных соответственно на условную окружность диаметром D₁ и D₂ шт. Значения величины внутреннего диаметра пучка D₂ содержатся в прил. В или [5, табл. 4]. Значения величин D₁, n₁, n₂ выбираются из геометрических соображений.

Средняя скорость пара в струйном отсеке при w_вх/w_вых < 1,25 подсчитывается по формуле:

(6.12)

при w_вх/w_вых> 1,25 - по формуле:

(6.13)

Полученная средняя скорость пара в первом отсеке сопоставляется с принятой в начале расчета. В случае, если расхождение между ними превышает 0,1 м/с, расчет повторяется при новом исходном значении скорости.

7. Расчет перепускной тарелки

Целью расчета является определение геометрических характеристик перепускной тарелки и скорости пара в горловине тарелки. Высота борта тарелки Н_б, мм, и максимальный уровень воды на тарелке h_max, мм, принимаются на основании предварительных расчетов равными соответственно 200 мм и 70 мм [2].

Допустимое значение скорости пара в горловине тарелки  , м/с, определяется по формуле:

(7.1)

где ζ - коэффициент сопротивления горловины тарелки изменяется в пределах 3,5 ÷ 4,0.

Диаметр горловины для прохода пара D_гор, м, принимается по прил. В, а площадь горловины для прохода пара F_гор, м², вычисляется по формуле:

(7.2)

Расход пара в горловине тарелки  , м/с, вычисляется по формуле:

(7.3)

Скорость пара в горловине тарелки  , м/с, определяется по формуле:

(7.4)

Площадь отверстия для слива воды с перепускной тарелки при максимальном уровне воды F_n.m, м², вычисляется по уравнению:

(7.5)

где μ_р- коэффициент расхода для перепускной тарелки, принимается равным 0,55.

Центральный угол выреза в перепускной тарелке α_у принимается по прил. В.

Фактический уровень воды на перепускной тарелке   , м, вычисляется по формуле:

(7.6)

где (R² - r²) - разность квадратов наружного и внутреннего диаметров перепускной тарелки, м², принимается по прил. В.

8. Расчет процесса дегазации воды

Расчет процесса дегазации воды основан на определении коэффициентов десорбции О₂ и СО₂ и вычислении необходимой площади барботажного листа для удаления этих газов из воды до значений, требуемых по заданию.

Расчет концентраций кислорода  и свободного диоксида углерода  , мг/кг, на верхней тарелке производится с помощью эмпирических формул:

(8.1)

(8.2)

В отсеках вакуумных деаэраторов с поперечным омыванием пучка струй концентрация кислорода  , мг/кг, в конце струйного потока вычисляется по формуле:

(8.3)

где В₁ - эмпирический коэффициент, зависит от температуры исходной воды и давления в деаэраторе, определяется по номограмме (рисунок 4.2).

Концентрация свободного диоксида углерода  , мг/кг, в конце струйного потока вычисляется по формуле:

(8.4)

где t_вх, t_вых - температуры воды в начале и в конце струйного потока, °С;

Е - коэффициент, зависящий от давления в деаэраторе и температуры исходной воды, определяется по номограмме (рисунок 6.1).

Далее производится расчет процесса дегазации на барботажном листе.

Исследование непровальных барботажных листов показало, что процесс дегазации воды происходит за счет двух факторов: увлечения газовых пузырьков потоком пара и турбулентной диффузии.

Интенсивность потока жидкости на барботажном листе J, м³/(м·ч), вычисляется по формуле:

J = V_в/ a,

(8.5)

где V_в - объемный расход воды на входе в барботажное устройство, м³/ч;

а - длина переливного порога, м.

Расход воды на входе в барботажное устройство представляет собой сумму расходов исходной воды и пара, сконденсировавшегося в струйном отсеке:

(8.6)

где ρ_в- плотность воды на входе в барботажное устройство, кг/м³. Величина а, м, находится как разность между радиусом барботажного листа R_б и радиусом водоподводящей трубы r_прд, м.

Геометрические характеристики деаэрационной колонки указаны в прил В.



Рисунок 6.1 - Зависимость коэффициента Е от абсолютного
давления в деаэраторе и температуры исходной воды

Скорость течения жидкости по барботажному листу w_в, м/ч, определяется по формуле:

w_в= J / h_дин

(8.7)

где h_дин - высота динамического слоя жидкости, который остался бы на барботажном листе после разрушения двухфазного потока, м.

Одной из основных характеристик, определяющих эффект дегазации на непровальном барботажном листе, является динамический напор водяного пара в рабочем сечении барботажного листа ρ_пw_п2, кгс/см². Увеличение эффекта дегазации происходит до определенных значений динамического напора потока водяного пара. Оптимальными значениями, используемыми для расчетов, можно считать: для кислорода ρ_пw_п2 = 95·10^-3 кгс/см², для диоксида углерода 115·10^-3 кгс/см² [2].

В общем случае величина ρ_пw_п2определяется по графикам в зависимости от отношения концентраций газа на входе и на выходе с барботажного листа [2].

В диапазоне изменения ρ_пw_п2 15·10^-3 до 150·10^-3 кгс/см² высоту динамического слоя жидкости рекомендуется определять по формуле:



(8.8)

где h₀ - высота слоя жидкости на листе при отсутствии барботажа, м.

(8.9)

где h_п.п- высота переливного порога, принимается равной 0,1 м.

Для определения коэффициентов десорбции (массопередачи) кислорода и диоксида углерода в [2] рекомендуются следующие формулы:

(8.10)

(8.11)

где d₀ - ширина щели или диаметр отверстий на барботажном листе, рекомендуется принимать для щелей 0,03 - 0,05 см, для отверстий 0,05 - 0,08 см;

σ - коэффициент поверхностного натяжения системы вода-пар, принимается равным 0,07 кгс/см.

Средний концентрационный напор газа на барботажном листе δС_cp, мг/кг, определяется по формуле:

(8.12)

где С_н, С_к - концентрации О₂ или СО₂ в воде при входе и при выходе с барботажного листа, мг/кг;

С_н.р, С_к.р - концентрации удаляемого газа в жидкости, равновесные с начальной и конечной концентрацией газа на барботажном листе, мг/кг.

Так как расход пара, покидающего барботажный лист, значительно превосходит расход выделившихся газов, то величины С_н.р и С_к.роказываются равными практически нулю и в расчетах ими можно пренебречь.

В расчетах по формуле (6.12) конечную концентрацию диоксида углерода на барботажном листе СО₂ С_кпринять равной 0,01 мг/кг.

Необходимая площадь барботажного листа для удаляемого газа находится из уравнения массопередачи:

(8.13)

где G_г - количество удаляемого газа, кг/ч;

K - коэффициент массопередачи для соответствующего газа, м/ч;

δС_cp - средний концентрационный напор газа на барботажном листе, кг/м³;

ρ_в- средняя плотность воды на барботажном листе, кг/м³;

F - площадь барботажного листа, м².

Количество удаляемого газа можно определить исходя из расхода воды на входе в барботажное устройство (G_и.в+ G'_n), т/ч, и разности начальной С_н и конечной С_к, мг/кг, концентраций этого газа на барботажном листе:

(8.14)

Фактическое значение рабочей площади барботажного листа F_p, м², не должно быть меньше наибольшего из необходимых значений для О₂ и СО₂, а также должно выбираться исходя из конструктивных соображений, т.е. учитывать принятый диаметр барботажного листа, размер сектора для удаления воды, диаметр перепускных труб и т. д.

9. Гидравлический расчет барботажного устройства

В ходе гидравлического расчета барботажного устройства определяются скорости пара и воды в отверстиях барботажного листа. С этой целью сначала определяется необходимая площадь отверстий на барботажном листе F_o, м², по формуле:

(9.1)

где F_р- фактическое значение рабочей площади барботажного листа, м².

Фактическая площадь отверстий на барботажном листе F_oф, м², определяется по прил. В. Далее определяется минимально допустимая скорость пара w_min, м/с, в отверстиях барботажного листа:

w_min = 20,6/ρ_п.

(9.2)

Расход пара через барботажный лист G_б.л, т/ч, представляет собой разность между расходами пара, подводимого к барботажному устройству и отводимого в перепускные трубы:

G_б.л=G_n-G_пер

(9.3)

где G_n,G_пер - расходы пара, подводимого к барботажному устройству и отводимого в пароперепускные трубы, т/ч.

Расход пара G_пер, т/ч, отводимого в пароперепускные трубы, определяется как разность расхода пара в горловине перепускной тарелки и расхода пара, идущего собственно на барботаж:

(9.4)

где G_п.б- расход пара на собственно барботаж, т/ч.

Величина G_п.б, т/ч, определяется по формуле:

G_п.б = 3,6w_пγ_пF_p,

(9.5)

где w_пγ_п приведенная весовая скорость пара принимается равной 0,15 ÷ 0,20 кг/(м²·с).

Скорости пара в отверстиях барботажного листаwл и в перепускных трубах w_пер, м/с, определяются по соответствующим формулам:

(9.6)

(9.7)

где F_пер - общая площадь сечения перепускных труб, м², определяется по прил. В.

Скорость пара в отверстиях барботажного листа, рассчитанная по формулам (9.6), не должна быть меньше минимально допустимой скорости пара, определенной по формуле (9.2).

Гидравлическим расчетом барботажного устройства завершается расчет основных рабочих параметров вакуумного деаэратора.

10. Применение вакуумных деаэраторов на теплоэнергетических предприятиях

Вакуумные деаэраторы как вертикального, так и горизонтального типов применяются на различных теплоэнергетических предприятиях: на тепловых электростанциях, в водогрейных и промышленно-отопительных котельных, в центральных тепловых пунктах. На ТЭС и в крупных котельных применяются, как правило, деаэраторы горизонтального типа, а в небольших котельных и центральных тепловых пунктах – вертикального типа.

Расчет вакуумного деаэратора является приближенным, поскольку в нем используется ряд допущений и эмпирических зависимостей. В связи с этим при выборе типа, единичной производительности и количества вакуумных деаэраторов для предприятий теплоэнергетики необходимо предусматривать достаточный запас деаэрационной установки по производительности. Это позволит обеспечить работу деаэраторов в более широком диапазоне технологических режимов, с более высоким качеством подпиточной воды и при меньших температурах участвующих в деаэрации теплоносителей.

Отраслевыми рекомендациями по выбору схем теплоэнергетических установок с вакуумными деаэраторами [6] установлен минимальный запас по производительности: для установок с деаэраторами вертикального типа 50%, а горизонтального типа 30%.

Рекомендуемый запас по производительности для этих аппаратов составляет соответственно 100 и 50%. Следует отметить, что применение вакуумных деаэраторов на ТЭЦ и в районных котельных имеет существенные различия. Их применение на ТЭЦ обусловлено прежде всего стремлением получить выигрыш в термодинамической эффективности процесса в теплофикационных установках, т.к. температурный режим вакуумной деаэрации существенно влияет на параметры пара отборов турбин, используемого для подогрева теплоносителей перед деаэраторами, а значит, и на экономичность ТЭЦ [7].

Применение вакуумных деаэраторов в водогрейных котельных связано в основном с возможностью работы этих аппаратов без источников пара. В качестве греющего агента для деаэрации используется перегретая относительно давления в деаэраторах сетевая вода. Температурные режимы вакуумной деаэрации в малой степени сказываются на тепловой экономичности таких котельных, в отличие от ТЭЦ. Поэтому, как правило, в стоящих отдельно от ТЭЦ водогрейных котельных для повышения качества деаэрации теплоносители перед подачей в вакуумные деаэраторы должны подогреваться до максимально возможной по условиям эксплуатации температуры [8].

В центральных тепловых пунктах вакуумный деаэратор предназначен для обработки воды, поступающей в систему горячего водоснабжения. Традиционная схема включения вакуумного деаэратора на ЦТП показана в [9].

Подробному исследованию вопросов применения вакуумных деаэраторов для подготовки подпиточной воды систем теплоснабжения и питательной воды паровых котлов посвящены монографии [10, 11].

Технологии вакуумной деаэрации и тепловые схемы теплоисточников, где они применяются, приведены также в [2, 4, 7–12].

11. Заключение

Надежность и экономичность систем централизованного теплоснабжения промышленных предприятий, городов и населенных пунктов, а также их теплоисточников (котельных и ТЭЦ) в значительной степени зависит от эффективности термической деаэрации воды, предназначенной для восполнения потерь в котлах и тепловых сетях. В настоящее время на отечественных предприятиях теплоэнергетики насчитывается несколько тысяч деаэрационных установок.

Основной частью деаэрационной установки является деаэратор, который представляет собой тепломассообменный аппарат контактного типа, где происходит основной процесс дегазации воды. Несмотря на то, что на многих ТЭЦ и котельных серийно выпускаемые струйно- барботажные вакуумные деаэраторы давно освоены и работают весьма эффективно, нередки жалобы эксплуатационников на трудности обеспечения нормативного качества вакуумной деаэрации. Как правило, эти трудности связаны с проектными недоработками и недостаточной подготовкой инженерно-технического персонала.

Поэтому будущему инженеру-теплоэнергетику необходимо не только знать существующие деаэрационные установки и грамотно их эксплуатировать, но и разрабатывать новые, более эффективные технологии, которые учитывают современные подходы к управлению процессами деаэрации и утилизации выпара. Более подробная информация о применяемых технологиях и оборудовании содержится в специализированной литературе [11, 13, 14].

Библиографический список

1. 
   Брюханов О.Н. Тепломассообмен: учеб. пособие для вузов/ О.Н. Брюханов, С.Н. Шевченко.-М.:АСВ,2005.-460с.
   
2. 
   Кудинов В.А. Аналитические решения тепломассопереноса и термоупругости для многослойных конструкций: учеб. пособие для вузов/ В.А. Кудинов, Э.М. Карташов, В.В. Калашников.-М.: Высш. школа, 2005.-430с.
   
3. 
   АрхаровА.М. Теплотехника: учебник для вузов/А.М. Архаров и др.; под ред. А.М.Архарова, В.Н. Афанасьева.-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.-712с.
   
4. 
   Луканин В.Н. Теплотехника: учебник для вузов/ В.Н. Луканин и др., под ред. В.Н. Луканина.-4-е изд., испр.-М.: Высшая школа, 2003.-671с.
   
5. 
   Брюханов О.Н. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики.: учебник для средних специальных учебных заведений/ О.Н. Брюханов, В.И. Коробко, А.Т. Мелик-Аракелян. -М.: ИНФРА-М.2004.-253с.
   
6. 
   Луканин В.Н. Теплотехника: учебник для вузов/ В.Н. Луканин и др., под ред. В.Н. Луканина.-5-е изд., стер.-М.: Высшая школа, 2006.-671с.
   
7. 
   Зарубин В.С. Математические модели термомеханики/ В.С. Зарубин, Г.Н. Кувырин.-М.: Физматлит.2002.-168с.