Об отличиях водопаровых смешивающих теплообменников УМПЭУ от пароводяных струйных аппаратов (ПСА)

Категория: Промышленноcть, оборудование | Автор: pressmash | Опубликовано: 28.10.2008

Введение.
ПСА - Пароводяные Струйные Аппараты (пароводяные инжекторы по классификации[1]).
Изготавливают несколько предприятий под названием: ПСА, ТСА, «Фисоник», «Транссоник». Принцип действия этих аппаратов сходен.
УМПЭУ – установки с магистральными пароэжекторными устройствами (пароводяные смешивающие подогреватели воды по классификации[1]).Изготовитель, разработчик, патентообладатель: ООО «Прессмаш» г.Миасс

Общие свойства.

УМПЭУ и ПСА представляют собой теплообменные устройства контактного типа, в которых происходит смешивание водяного пара и воды напрямую.Т.к. в них отсутствуют промежуточные теплообменные поверхности и тепло передается при непосредственном контакте пара и воды УМПЭУ и ПСА обладают несравнимо более высокими коэффициентами теплопередачи и имеют в десятки раз меньшие размеры, чем поверхностные теплообменники (кожухотрубные, пластинчатые). Их тепловой КПД составляет не менее 99%. Кроме того, в них исключено явление пролетного пара и отсутствует необходимость в системе сбора конденсата. Аппараты отличаются малыми габаритными размерами. При одинаковой тепловой мощности на выходе смешивающие теплообменники расходуют пара на 5-20% меньше, чем поверхностные подогреватели. Высокая надежность УМПЭУ и ПСА обусловлена отсутствием в конструкции аппаратов тонкостенных трубок и вальцовочных соединений, а чистить их приходится гораздо реже, поскольку происходящие в них при теплообмене процессы в десятки раз уменьшают накипеобразование. Процесс чисток предельно легок, т.к. конструкции являются легкоразборными. Аппараты являются малоинерционными и быстро выходят на режим.

Данные положительные свойства УМПЭУ обусловливают то, что внедрение их в теплофикационные системы промышленной и коммунальной сферы является одним из рекомендуемых мероприятий, выполняемых в рамках программ энергосбережения.

Но техническая реализация процесса смешения пара и воды в УМПЭУ и ПСА принципиально отличается. А поскольку различны принципы действия рассматриваемых устройств, то, естественно, будут различны и их технические характеристики и условия применения. Для пояснения сути отличий необходимо остановиться на конструкции обоих устройств.

Принцип действия ПСА.

ПСА состоит из парового сопла, камеры смешения и диффузора. Поток пара разгоняется до сверхзвуковой скорости при помощи сопла Лаваля, после чего попадает в камеру смешения. Вода в камеру смешения подается соосно паровому потоку, в виде кольцевой струи. При взаимодействии потоков происходит распыление воды, в результате чего в камере смешения происходит формирование сверхзвукового двухфазного потока, сопровождаемое передачей импульса и тепла от пара к воде. Далее полученная смесь тормозится с возникновением скачка уплотнения, повышением статического давления и конденсации пара. При некоторых условиях давление выходного потока может превышать давления входных потоков. Поскольку в сопле тепловая энергия пара переходит в кинетическую энергию паровой струи, то ПСА эффективно может работать только с большим процентным содержанием пара [2].
Таким образом, необходимым условием работы ПСА является получение двухфазного скачка уплотнения в камере смешения или диффузоре. Поэтому помимо точного расчета и изготовления проточного тракта ПСА необходимо также обеспечить точное задание и поддержание в заданных пределах входных параметров потоков пара и воды, определяющих как возможность получения скачка уплотнения, так и его положение по оси ПСА:

-давление пара;

-давление воды;

-температуру пара;

-температуру нагреваемой воды;

-степень сухости пара;

-коэффициент инжекции (отношение расходов пара и воды).

При невыполнении этих условий наступает срыв работы ПСА.

Принцип действия УМПЭУ.

УМПЭУ состоит из водяного сопла, приемной камеры, камеры предварительного смешения, установленной на подводе пара, гасителя пульсаций давления и байпасного трубопровода с регулирующим вентилем для перепуска части нагреваемой воды в камеру предварительного смешения.
Сетевая вода разгоняется в водяном сопле с понижением статического давления и созданием зоны разрежения в приемной камере. Часть сетевой воды (обычно в объеме до 10%) подается в камеру предварительного смешения по трубопроводу. В камере предварительного смешения эта часть воды распыляется форсунками, распыляющих воду соосно и перпендикулярно потоку пара в подводящем паропроводе , что обеспечивает существенное увеличение поверхности соприкосновения фаз. Для улучшения перемешивания и увеличения времени взаимодействия сред, смешиваемый поток дополнительно завихряется генераторами вихрей. Подготовленная смесь, имеющая вихревую структуру, поступает в зону разрежения, созданную соплом в приемной камере , и конденсируется на водяной турбулентной струе. В гасителе пульсаций давления происходит завершение процесса конденсации и рост давления нагретого потока воды. Пульсации давления демпфируются в гасителе за счет упругости газов над свободной поверхностью воды в емкости гасителя, отделенной от основного потока перфорированной перегородкой, и созданием возвратных течений под свободной поверхностью за счет положительного градиента давления по длине гасителя.
Таким образом, в отличие от классической гидродинамической схемы струйного аппарата, которая реализована в ПСА и не изменилась со второй половины XIX века, в УМПЭУ проточный тракт после сопла выполнен в виде диффузора, который образует с выходной частью сопла канал с внезапным расширением. Другим отличием является то, что если в ПСА время взаимодействия смешиваемых потоков составляет тысячные доли секунды, в УМПЭУ применены следующие способы интенсификации процессов теплообмена, позволяющие увеличить время взаимодействия смешиваемых потоков:

- смешение пара с сетевой водой, распыляемой форсунками в объеме до 10% в камере предварительного смешения, с помощью генераторов вихрей;

- конденсация полученной пароводяной смеси имеющей вихревую структуру на турбулентной водяной струе, истекающей из сопла;

- завершение процесса конденсации и гашение возможных пульсаций нагретого потока в гасителе пульсаций.

Такой новый подход [7-10] позволил обеспечить завершенность теплообменных процессов и отсутствие вибраций и шума при работе УМПЭУ, а также значительно расширить область применения струйных аппаратов до диаметров трубопроводов Ду500мм и производительности до 1600 т/ч.

Режимные параметры, определяющие работоспособность УМПЭУ:

- давление воды перед устройством;

- давление пара;

- коэффициент инжекции (расход пара и расход воды).

В отличие от ПСА работа УМПЭУ не зависит от температуры воды, температуры пара, степени сухости пара.

Сравнение технических характеристик УМПЭУ и ПСА.

Поскольку различны принципы действия сравниваемых устройств, то естественно, будут различны и их характеристики. Реализованные к настоящему времени характеристики УМПЭУ и ПСА представлены в таблице. Данные по ПСА взяты для ПСА максимальной производительности (НПО «Новые технологии» г. Санкт-Петербург) с официального сайта 29 апреля 2008 года[6].

Показатель ПСА УМПЭУ
Максимальный Ду, мм 150 500
Производительность максимальная, т/ч 300 1600
Расход пара макс., т/ч 36.3 72.6
Мощность максимальная, Гкал/ 24.0* 48.0
(*Для увеличения мощности ПСА необходимо увеличивать количество аппаратов, что ведет к росту стоимости обвязки).
Соотношение давлений пара и воды на входе. ПСА: Давление пара должно быть больше давления воды в 1.7-2.0 раза. УМПЭУ:Давление пара может быть ниже (на 0.5 атм), равно или выше давления воды.
Максимальный подогрев воды,гр.Цельсия 80С 30С
60С(УМПЭУ с двухступенчатым
вводом пара)
Линия подмеса. Требуется Не требуется
Потери напора воды. ПСА:Отсутствуют. Может наблюдаться насосный эффект.
УМПЭУ:Потери напора (обычно 0.07-0.12 МПа) зависят от соотношений
давлений пара и воды и диапазона расхода воды.
Разрешение Ростехнадзора на применение. Нет данных Разрешение на применение при
параметрах Р=4.0 МПа
(40.0кгс/см2) и Т=3500С

Требования к давлению пара и воды.

Принцип работы ПСА предполагает необходимость обеспечить давление греющего пара перед ним значительно выше давления воды на входе в аппарат. Например, для ПСА фирмы «Новые технологии» г. Санкт-Петербург давление пара в 1.7-2.0 раза должно превышать давление нагреваемой воды. Аналогичное требование для всех паровых инжекторов. Другими словами, если необходимо нагреть сетевую воду, имеющую давление 1.0 МПа(10.0кгс/см2), то необходимо обеспечить давление греющего пара не менее 1.7-2.0 МПа(17.0-20.0кгс/см2) при требуемом для обеспечения подогрева воды расходе пара от источника пара (например, паровой котел). Выполнение таких требований представляет сложную и порой маловыполнимую задачу.

В отличие от ПСА в УМПЭУ давление пара может быть как ниже, так и выше давления воды перед устройством (наиболее оптимально когда давления равны). Например, для подогрева сетевой воды давлением 1.0 МПа(10.0кгс/см2) достаточно обеспечить давление пара 1.0МПа(10.0кгс/см2). Давление воды перед УМПЭУ должно обеспечивать получение на выходе из нее нагретого потока (с учетом потерь напора воды) с требуемым давлением сетевой воды.

О насосном эффекте ПСА.

В рекламных материалах, посвященных ПСА, часто подчеркивается такое свойство как возможность нагрева и повышения давления сетевой воды. Встречаются утверждения о возможности отказаться от насосов (отрицательное гидравлическое сопротивление).

Мнение специалистов по этому вопросу [3]:

1.Использование паровых инжекторов для подогрева холодной воды паром и подачи горячей воды в бак-аккумулятор возможно, если вода и пар по своим характеристикам соответствуют требованиям санитарных норм и правил.

2.Экономическая целесообразность применения паровых инжекторов для системы подготовки сетевой воды на теплопунктах потребителей, присоединенных к паровым системам теплоснабжения не столь очевидна и должна рассматриваться для каждого объекта индивидуально. Если в схеме подогрева сетевой воды будет использован ПСА, совмещающий нагрев сетевой воды с повышением её напора, то гидравлический и тепловой режимы работы тепловой системы с ПСА являются взаимосвязанными. При повышении (понижении) температуры наружного воздуха требуемая температура сетевой воды должна снижаться (повышаться) согласно температурному графику регулирования. Это значит, что расход пара через сопло ПСА также должен уменьшаться (увеличиваться), что ведет к изменениям давления сетевой нагретой воды на выходе из ПСА, а следовательно будет изменятся её расход. В свою очередь, из-за переменного расхода воды её температура на выходе из системы теплоснабжения не будет равна значениям, которые должны соответствовать температурному графику, рассчитанному при постоянном расходе сетевой воды. (При качественном регулировании система теплоснабжения требует поддержания практически постоянного гидравлического режима: небольшие колебания расхода сетевой воды ±10% возможны из-за переменной нагрузки горячего водоснабжения, если таковая имеется).

Более того, попытка полностью исключить из системы сетевые насосы и использовать вместо них ПСА потенциально опасна, т.к. приводит к следующим проблемам:

-отсутствует возможность плавного регулирования тепловой мощности;

-возможны самопроизвольные сбои насосного режима ПСА при снижении давления пара ниже допустимого;

-вследствие сбоев происходят внезапное прекращение циркуляции, попадание пара в трубопроводы тепловой сети и, как следствие, гидроудары - то есть возникает аварийная ситуация.

В связи с вышесказанным реализация насосного эффекта ПСА в системах теплоснабжения не позволяет отказаться от использования сетевых насосов, поскольку снижает надежность системы. А рекламируемый эффект на практике используется в ПСА главным образом для исключения гидравлического сопротивления, либо создания незначительного напора. Видимо поэтому в статье [4] отмечается: «Обещанный поставщиками насосный эффект ничтожно мал (повышение давления воды на выходе всего на 0.2-0.3 атм. Работа аппаратов без насоса возможна на аккумуляторный бак, т.е. туда, где нет противодавления)».

В отличие от ПСА принцип действия УМПЭУ предполагает разделение гидравлического и теплового режима тепловой системы:

-гидравлический режим системы теплоснабжения обеспечивается сетевыми циркуляционными насосами (расход нагреваемой воды и давление нагреваемой воды);

-нагрев воды обеспечивается подачей пара в камеру предварительного смешения УМПЭУ от источника пара (паровой котел, коллектор); тепловая мощность изменяется плавно при помощи регулирующего клапана подачи пара путем дросселирования давления пара перед УМПЭУ.

Таким образом, нагрев воды в УМПЭУ реализуется также как при традиционном решении нагрева сетевой воды и её циркуляции в водоподогревательной установке, состоящей из пароводяных подогревателей воды кожухотрубчатого типа и сетевых насосов. Такие схемы хорошо отработаны, а их эффективность подтверждена многолетней практикой.

Температура воды.

Параметры ПСА в сильной степени зависят от температуры воды на входе в ПСА[2]. С увеличением температуры нагреваемой воды уменьшается степень конденсации пара, т.к. все меньшее его количество может сконденсироваться в камере смешения ПСА до скачка уплотнения. При дальнейшем увеличении температуры воды, начиная с некоторой температуры наступает срыв работы ПСА, называемый режимом «запаривания»: значительная доля пара не конденсируется к выходному сечению камеры смешения ПСА в силу высокой температуры смеси в этом сечении, наблюдается увеличение статического давления смеси перед скачком уплотнения. С увеличением температуры воды резко уменьшается также степень повышения давления воды в ПСА. (Режим «запаривания» наступает также при уменьшении расхода воды ниже некоторого значения).

Из опыта эксплуатации ПСА: «При достижении температуры воды в обратной линии 600С прекращается нормальный процесс конденсации пара в аппарате… Ограничение температуры обратки 600С не позволяет использовать аппараты ПСА в период зимнего максимума для выполнения температурного графика (95/70, 150/700 и др.) даже при наличии достаточной паровой мощности»[4].

В отличие от ПСА при работе УМПЭУ отсутствует влияние температуры воды на её функционирование при реализации любых температурных графиков, т.к. в УМПЭУ процесс конденсации растянут по времени и в пространстве (несколько метров): вначале смешение распыленной воды с паром в камере предварительного смешения, затем конденсация полученной завихренной смеси на турбулентной водяной струе в приемной камере и окончательная конденсация в гасителе пульсаций давления (в ПСА конденсация воды распыленной сверхзвуковым паровым потоком происходит на длине всего нескольких десятков сантиметров и должна завершится до скачка уплотнения, положение которого по оси зависит помимо геометрии ПСА от многих факторов - это давления пара и воды, температура пара и воды, степень сухости пара и т.д.).

Помимо широкого использования УМПЭУ в системах теплоснабжения, горячего водоснабжения, водоподготовки имеется опыт применения установок для подогрева перегретой воды в замкнутом контуре в автоклавных производствах (температура нагреваемой воды 160-2000С).

Шум и вибрации.

Согласно специальным исследованиям [2], скачок уплотнения при работе ПСА сопровождается двумя видами пульсаций давления - низкочастотными (15-20 Гц) и высокочастотными (500-1000 Гц). Низкочастотные пульсации связаны с перемещением скачка вдоль оси потока (перемещения достигают 20% от общей протяженности скачка). Высокочастотные пульсации давления в скачке связаны с захлопыванием в нем пузырьков в силу конденсации пара, вызванной повышением давления.

Как показывает опыт эксплуатации ПСА их работа сопровождается вибрациями и сильным шумом, а протекающая внутри проточных трактов кавитационная эрозия приводит к снижению надежности и долговечности, и как следствие - необходимости изготавливать ПСА только из нержавеющих сталей.

Из опыта работ с ПСА:

«Шум, хотя и не смертельный, но вблизи аппаратов можно общаться только криком (установка оборудования в отдельном помещении решает эту проблему, но такая возможность есть не везде)»[4];

«В связи с тем, что при определенных режимах работы аппараты издают шум, превышающий на слух общий фоновый шум от основного оборудования в котельном зале, был произведен перемонтаж аппаратов в отдельном помещении. Возможна также их установка на улице. Для снижения уровня вибраций была усилена опора под аппаратами…»[5].

Практика показала отсутствие шума и вибраций при работе УМПЭУ различных типоразмеров. Шум при работе не превышает общего фонового шума оборудования (насосной группы). Зачастую о работе УМПЭУ можно судить только по показаниям приборов. Такой эффект достигнут благодаря высокому качеству перемешивания пара и воды в УМПЭУ и применением гасителя пульсаций давления нагретого потока, т.к. принцип борьбы с вибрацией прост - чем лучше перемешаются среды, тем меньше будет вибрация и шум. Поскольку принцип действия УМПЭУ не предполагает наличие кавитационных процессов при их работе, в них отсутствует кавитационная эрозия, что обуславливает их высокую долговечность (пилотные установки отработали без ремонтов 8 лет). Поэтому изготовление УМПЭУ производится с использованием углеродистых и низколегированных сталей (Ст20, Ст09Г2С из бесшовных труб и штампованных деталей трубопроводов), что снижает стоимость изготовления и обеспечивает высокую ремонтопригодность УМПЭУ.

Запуск в работу.

Запустить ПСА – значит создать такие условия, когда при заданных параметрах пара и воды на входе осуществляется расчетный режим течения потоков в соплах и главное - чтобы скачок уплотнения располагался в камере смешения или диффузоре. Основным препятствием для запуска ПСА является невозможность пропустить через нее в пусковой период весь объем смеси, поскольку в силу переходных процессов она еще не обладает необходимыми для этого скоростью и плотностью. Применяют следующие способы запуска ПСА: путем изменения на время запуска входных параметров потоков пара и воды (давления пара, давления воды, температуры пара, температуры воды, степени сухости пара) или путем отвода части потока из камеры смешения по ее длине, или путем изменения на время запуска геометрии ПСА (изменение площади камеры смешения) [2]. Часто, чтобы запустить ПСА с не очень узкой горловиной камеры смешения, нужно на время пуска создать давление за ним ниже полных давлений пара и воды на входе в него (например, включением на бак). Другой способ-уменьшение входной температуры воды, что увеличивает степень конденсации ПСА и облегчает его запуск. Запуск ПСА, который должен работать на паре с низкой сухостью, можно осуществить, увеличив в пусковой момент степень сухости пара. Из сказанного следует, что запуск ПСА производится при параметрах или условиях, отличных от параметров эксплуатации. Ясно, что в связи со сложными процессами гидродинамики двухфазных сред, сопровождающими работу ПСА, как пуско-наладочные работы, так и эксплуатация оборудования должны осуществляться высоко-квалифицированным и специально-обученным персоналом.

Запуск УМПЭУ в работу производится при тех же параметрах, что и их эксплуатация. Сетевыми насосами создается поток воды через УМПЭУ с расчетным расходом и давлением воды. Открывается подача пара требуемого давления на установку регулирующим клапаном (паровой задвижкой). Открывается задвижка на байпасной линии подачи охлаждающей воды в камеру предварительного смешения. По показаниям приборов судят о достаточности подачи пара для обеспечения подогрева воды. Дополнительной наладки и специальных способов пуска УМПЭУ не требует. Время пуска - несколько минут.

Как правило, запуск УМПЭУ в эксплуатацию и последующая их эксплуатация осуществляется тем же персоналом котельной (обычно женским), который ранее обслуживал кожухотрубчатые или пластинчатые подогреватели (обучение состоит в ознакомлении с руководством по эксплуатации). Например, самостоятельно были запущены УМПЭУ Ду80 коллективным хозяйством «Расчет» г. Тобольк, УМПЭУ Ду250 АО «ЛПК» г. Сыктывкар, УМПЭУ Ду300 ООО «Техагрострой» г. Омск, УМПЭУ Ду400 и Ду150 ОАО «Балаковорезинотехника», УМПЭУ Ду150 ГУП «Коммунальные системы БАМа» г. Тында и более сотни других предприятий. Отзывы о работе УМПЭУ см.на сайте: www.pressmash.miass.ru

Выводы.

1. УМПЭУ и ПСА являются теплообменниками смешивающего типа с принципиально разным принципом действия.
2. УМПЭУ и ПСА имеют общие преимущества перед поверхностными пароводяными подогревателями теплофикационной воды (кожухотрубчатыми, пластинчатыми):

- уменьшение расхода греющего пара и сокращение потерь тепла с наружной поверхности (исключено явление пролетного пара, меньшие габариты, тепло используется на 100%);

- высокая надежность (в конструкции отсутствуют тонкостенные трубки и пластины);

- отсутствие необходимости химической промывки трубного пучка и пластин от накипных отложений;

- экономия пространства при строительных и монтажных работах.

- отсутствие систем сбора конденсата.

3. Отличия в технических характеристиках и свойствах УМПЭУ и ПСА:

- УМПЭУ имеет более широкий диапазон по диаметрам трубопроводов, чем ПСА (максимальный Ду500мм вместо Ду150 мм у ПСА);

- УМПЭУ имеет многократно большую производительность и мощность, чем ПСА (реализована УМПЭУ Ду500мм с производительностью 1600-1700 т/ч, для ПСА максимальная производительность составляет 300 т/ч);

- меньшая производительность и мощность ПСА приводит к увеличению количества аппаратов для получения той же мощности, что сопровождается значительным ростом затрат на обвязку и усложнением управления;

- УМПЭУ не требует линии подмеса;

- УМПЭУ может работать при меньших соотношениях давлений пара и воды;

- ПСА может работать без гидравлического сопротивления, УМПЭУ имеет потери напора воды, зависящие от отношения давлений пара и воды и диапазона расхода воды;

-.УМПЭУ нечувствительны к температурам воды и пара, способны греть перегретую воду и реализовать любые температурные графики;

- параметры и работоспособность ПСА весьма чувствительны к температурам воды и пара, степени сухости пара, могут существовать режимы при которых прекращается нормальный процесс конденсации пара;

- работа ПСА может сопровождаться вибрациями и шумом (требуется отдельное помещение), УМПЭУ работают практически бесшумно (ниже шума насосной группы);

- запуск ПСА в работу является сложным процессом, требующим задания специальных параметров на период пуска и квалифицированного персонала для обслуживания;

- запуск УМПЭУ не сложнее запуска бойлеров, параметры при запуске те же что и при нормальной работе, требования к персоналу как для эксплуатации кожухотрубчатых подогревателей.

Литература.

1. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты.-М.:Энергия, 1970.
2. Цегельский В.Г. Двухфазные струйные аппараты. -М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2003.
3. Белевич А.И., Крупцев А.В., Малафеев В.А. О применении паровых инжекторов в теплоснабжении. //Энергетик.-2001.-№11.-с.20-22.
4. Пароструйные аппараты.(www.newenergetika.narod.ru/index4.html).
5. Лисин Г.А. Аппарат «Фисоник»- в действии. Опыт эксплуатации трансзвуковых струйных аппаратов (ТСА) Фисенко в узловой котельной депо Юдино Горьковской железной дороги. //Энергосбережение в Республике Татарстан.- №2 (11). сентябрь-октябрь 2003г.
6. Сайт НПО «Новые технологии» струйные теплообменники и деаэраторы. (www.newt.spb.ru).
7. Недугов А.Ф., Куркулов М.А. Водоструйный паровой эжектор с камерой предварительного смешения. //Промышленная энергетика.-2007.-№1.- с.20-23.
8. Недугов А.Ф., Куркулов М.А. Решение проблем повышения безопасности и энергосбережения в системах снабжения теплом и горячей водой. //Безопасность труда в промышленности.-2006.-№9.-с.36-39.
9. Недугов А.Ф., Куркулов М.А. Новое решение старых проблем теплоснабжения и водоподготовки.//Новости теплоснабжения.-2006.-№9(сентябрь).-с.50-55.
10. Теплообменник УМПЭУ работает без накипи. //Дальневосточный энергопотребитель.-2006.-№10(октябрь). -с.30-31.

Комментарии

К этой статье пока нет комментариев. Станьте первым! У нас гости не могут комментировать статьи. Пожалуйста авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы прокомментировать.

Свежие комментарии

Нормальная тема.

Читать

Талантливый человек талантлив во всём! Будь как Паша! А ещё ты можешь ...

Можно выбрать.

Ой, шутник.

https://priornews.ru/zastrojshhik-iz-hmao-sravnil-ufas-s-prestupnoj-gr...