Подбор размеров линий возврата конденсата

Руководство по подбору размеров линий конденсата к конденсатоотводчикам и от них, включая примеры и расчёты с использованием диаграммы подбора конденсатопроводов.

Чтобы не считать эту тему изолированно, сопоставьте расчёты с компоновкой линий возврата, вторичным паром и перекачиванием конденсата.

Для перехода к оборудованию обычно нужны также конденсатоотводчики Spirax Sarco, механические насосы для конденсата и быстрые проверки свойств через паровые таблицы или калькулятор пара.

Подбор размеров линий возврата конденсата

Четыре основных типа линий конденсата, упомянутые в Module 14.2, показаны в Table 14.3.1:

Таблица 14.3.1 Четыре основных типа линий конденсата

Подбор размеров всех линий конденсата зависит от:

• Pressure - разности давлений между одним концом трубы и другим. Эта разность давлений может либо способствовать течению, либо вызывать превращение части конденсата в flash steam.
• Quantity - количества конденсата, которое необходимо транспортировать.
• Condition - того, представляет ли конденсат в основном жидкость или flash steam. За исключением насосных линий возврата, которые будут рассмотрены в Module 14.4, остальные три основных типа линий конденсата и их подбор рассматриваются в данном модуле.

Подбор размеров дренажных линий к конденсатоотводчикам

Не следует автоматически считать, что дренажная линия (и конденсатоотводчик) должны иметь тот же размер, что и выходное присоединение оборудования. Оборудование может работать при нескольких различных давлениях и расходах, особенно если оно управляется по температуре. Однако после правильного подбора конденсатоотводчика обычно оказывается, что дренажная линия имеет тот же размер, что и входное присоединение конденсатоотводчика (см. Figure 14.3.1).

Поскольку между оборудованием и конденсатоотводчиком нет заметного падения давления, в дренажной линии отсутствует flash steam, и её можно подбирать только для транспортирования конденсата.

При подборе размера дренажной линии необходимо учитывать следующее:

• Скорость конденсации оборудования при полной нагрузке.
• Скорость конденсации оборудования при пуске. При пуске установки скорость конденсации может достигать трёхкратного значения рабочей нагрузки, поскольку именно в этот момент разность температур между паром и более холодным продуктом максимальна. В этот период дренажная линия, конденсатоотводчик и линия сброса также должны пропускать воздух, вытесняемый поступающим паром. Методика подбора конденсатоотводчика должна учитывать оба эти фактора, однако в общем случае:
• Для дренажа паровых магистралей конденсатная нагрузка на каждый дренажный конденсатоотводчик обычно принимается равной 1% паропроизводительности магистрали при наличии точек дренажа через каждые 50 m и хорошей теплоизоляции. Для большинства дренажных точек подбор конденсатоотводчика на пропускную способность, равную двум рабочим нагрузкам при рабочем давлении (за вычетом возможного противодавления), позволит ему справиться с пусковой нагрузкой.
• Для процессов с постоянным давлением пара, таких как прессы, гладильные машины, калориферы, лучистые панели и варочные котлы, подбор конденсатоотводчиков примерно на двойную рабочую нагрузку при рабочем давлении (за вычетом противодавления) обеспечит достаточную пропускную способность для пускового режима.
• Для установок с регулированием температуры необходимо подробно учитывать давление пара, диапазон регулирования нагрузки, заданную температуру и расположение конденсатоотводчика, а сам конденсатоотводчик должен быть подобран как для полной, так и для минимальной нагрузки. Если эти условия неизвестны, рекомендуется подбирать конденсатоотводчик на 3 x рабочую нагрузку при рабочем перепаде давления. Это должно обеспечить нормальную работу при пуске и правильный отвод конденсата при минимальных нагрузках. Если конденсатоотводчик подобран таким образом, он также справится с пусковой нагрузкой. Следовательно, если дренажная линия к конденсатоотводчику выбирается по размеру самого конденсатоотводчика, она никогда не окажется заниженной. С практической точки зрения, если длина дренажной линии меньше 10 m, её можно принимать того же диаметра, что и выбранный для данного применения конденсатоотводчик. Для дренажных линий длиной менее 10 m также можно выполнить проверку по Appendix 14.3.1 и выбрать такой размер трубы, чтобы потери давления при максимальном расходе не превышали 200 Pa на метр длины, а скорость была не выше 1.5 m/s. Таблица 14.3.2 представляет собой выдержку из Appendix 14.3.1. Для более длинных дренажных линий (свыше 10 m) потери давления при максимальном расходе не должны превышать 100 Pa/m, а скорость не должна быть больше 1 m/s.

Таблица 14.3.2 Расход воды в толстостенных стальных трубах

Пример 14.3.1 Единица оборудования, использующая пар при постоянном давлении, конденсирует 470 kg пара в час при полной нагрузке. Эквивалентная длина трубопровода между оборудованием и конденсатоотводчиком составляет 2 m. Определите требуемый размер трубы. Скорректированная нагрузка с учётом пуска = 470 kg /h x 2 = 940 kg /h. Поскольку длина трубы менее 10 metres, максимально допустимое падение давления составляет 200 Pa/m. Используя Table 14.3.1 и рассматривая строку 200 Pa/m, можно увидеть, что труба 25 mm имеет пропускную способность 1 141 kg /h и, следовательно, подходит для ожидаемой пусковой нагрузки 940 kg /h. Если подняться выше по столбцу 25 mm, видно, что расход 940 kg /h вызовет фактическое падение давления чуть менее 140 Pa/m в трубе 25 mm.

Подбор размеров линий сброса от конденсатоотводчиков

Участок трубопровода downstream от конденсатоотводчика будет переносить как конденсат, так и flash steam при одинаковых давлении и температуре. Это называется двухфазным потоком, и смесь жидкости и пара будет обладать характеристиками как пара, так и воды в зависимости от их соотношения. Рассмотрим следующий пример. Пример 14.3.2 Единица оборудования использует пар при постоянном давлении 4 bar g. Установлен механический конденсатоотводчик, и конденсат при температуре насыщения сбрасывается в конденсатную магистраль, работающую при 0.5 bar g. Определите массовые и объёмные доли воды и пара в конденсатной магистрали. Часть 1 - Определение массовых долей По таблицам пара:

Очевидно, что если 7.9% превращается в flash steam, оставшиеся 100 – 7.9 = 92.1% исходного массового расхода остаются в виде воды. Часть 2 - Определение объёмных долей Если исходить из начальной массы 1 kg конденсата, сбрасываемого при температуре насыщения 4 bar g, масса flash steam составит 0.079 kg, а масса конденсата - 0.921 kg (как определено в Части 1). Вода: Плотность насыщенной воды при 0.5 bar g составляет 950 kg/m3,

Отсюда следует, что двухфазная среда в линии сброса конденсатоотводчика по своим свойствам будет намного ближе к пару, чем к воде, и разумно подбирать размер по приемлемым скоростям пара, а не использовать в качестве основы расчёта сравнительно небольшой объём конденсата. Если линии занижены по размеру, скорость flash steam и противодавление возрастут, что может вызвать гидроудар, снизить пропускную способность конденсатоотводчика и затопить процесс.

Размеры паропроводов подбираются с учётом максимальных скоростей. Сухой насыщенный пар должен двигаться не быстрее 40 m/s. Влажный пар должен двигаться несколько медленнее (15 - 20 m/s), поскольку содержащаяся в нём влага в противном случае может вызывать эрозию и повреждение фитингов и клапанов. Линии сброса от конденсатоотводчиков можно рассматривать как паропроводы, переносящие очень влажный пар, и их также следует подбирать по столь же низким скоростям. Линии сброса конденсата от конденсатоотводчиков notoriously сложнее подобрать, чем паропроводы, из-за двухфазного характера потока. На практике невозможно (и часто не требуется) точно определить состояние среды внутри трубы. Хотя количество образующегося flash steam (см. Figure 14.3.2) связано с перепадом давления на конденсатоотводчике, влияние оказывают и другие факторы.

Факторы, влияющие на двухфазный поток внутри трубы, включают:

• Если конденсат на upstream стороне конденсатоотводчика холоднее температуры насыщения (например, используется термостатический конденсатоотводчик), количество flash steam после конденсатоотводчика уменьшается. Это может позволить уменьшить требуемый размер линии.
• Если линия имеет уклон вниз от конденсатоотводчика к месту сброса, этот уклон будет влиять на движение конденсата, но насколько сильно и как это количественно оценить?
• На более длинных линиях теплопотери за счёт излучения могут сконденсировать часть flash steam, уменьшая его объём и скорость, поэтому может возникнуть возможность уменьшить диаметр линии. Но в какой точке это делать и на сколько?
• Если линия сброса поднимается к расположенной сверху возвратной магистрали, будут периоды, когда подъёмный участок заполнен холодным конденсатом, и периоды, когда flash steam от конденсатоотводчика может испарить часть или весь этот конденсат. Следует ли подбирать восходящую линию сброса по скорости flash steam или по количеству конденсата?
• Большинство процессов большую часть рабочего цикла работают заметно ниже полной нагрузки, поэтому и flash steam образуется меньше большую часть времени. Отсюда возникает вопрос: нужно ли подбирать систему по режиму полной нагрузки, если оборудование постоянно работает на более низкой рабочей нагрузке?
• На установках с регулированием температуры перепад давления на конденсатоотводчике сам по себе будет изменяться в зависимости от тепловой нагрузки. Это повлияет на количество flash steam, образующегося в линии. Рекомендации по линиям сброса от конденсатоотводчиков Из-за большого числа переменных точный расчёт размера линии был бы сложным и, вероятно, неточным. Опыт показывает, что если линии сброса от конденсатоотводчиков подбирать по скоростям flash steam 15 - 20 m/s и соблюдать определённые рекомендации, проблем почти не возникает. Рекомендации:

1. Правильно подобранные линии сброса от конденсатоотводчиков, имеющие уклон по направлению потока и оканчивающиеся открытым концом или вентилируемым ресивером, будут незатопленными и позволят flash steam свободно проходить над конденсатом (Figure 14.3.3). Рекомендуется минимальный уклон 1:70 (150 mm падения на каждые 10 m). Простая визуальная проверка обычно позволяет понять, есть ли уклон - если уклон не заметен, значит его недостаточно!

2. Если этого нельзя избежать, ненасосные восходящие линии (Figure 14.3.4) следует делать как можно короче и оснащать обратным клапаном, чтобы конденсат не стекал обратно к конденсатоотводчику. Подъёмные участки должны входить в верхнюю часть расположенных сверху линий возврата. Это предотвращает стекание конденсата из магистрали возврата обратно в подъёмный участок после сброса конденсатоотводчика и облегчает прохождение flash steam вверх по стояку.

Разумно рассмотреть использование подъёмного участка несколько большего размера, что обеспечит меньшую скорость flash steam.

Это уменьшит риск гидроудара и шума, вызванных попытками пара проложить себе путь через жидкий конденсат в стояке. Важно: восходящую линию следует использовать только там, где гарантировано, что давление пара в процессе выше противодавления конденсата на выходе конденсатоотводчика. В противном случае процесс будет затапливаться конденсатом, если только для обеспечения надлежащего дренажа против противодавления не применяется pumping trap или комбинация pump-trap. 3. Общие линии возврата также должны иметь уклон вниз и не быть затопленными (Figure 14.3.4). Чтобы избежать появления flash steam в длинных линиях возврата, горячий конденсат из линий сброса от конденсатоотводчиков должен стекать в вентилируемые ресиверы (или flash vessels, где это уместно), откуда его можно перекачивать к месту назначения по затопленной линии при более низкой температуре. Перекачивание конденсата более подробно рассматривается в Module 14.4.

Диаграмма подбора размеров конденсатопроводов

Диаграмма подбора размеров конденсатопроводов (Figure 14.3.5) может использоваться для подбора любого типа линии конденсата, включая:

• Дренажные линии, не содержащие flash steam.
• Линии с двухфазным потоком, такие как линии сброса от конденсатоотводчиков, которые выбираются в зависимости от давлений по обе стороны конденсатоотводчика. Диаграмма (Figure 14.3.5):
• Основана на допустимых скоростях flash steam 15 - 20 m/s в зависимости от размера трубы и доли образующегося flash steam.
• Может использоваться при температурах конденсата ниже температуры насыщения пара, как это бывает при использовании термостатических конденсатоотводчиков.
• Используется для подбора линий сброса от конденсатоотводчиков по режиму полной нагрузки. Нет необходимости учитывать коэффициенты запаса на пусковую нагрузку или удаление неконденсируемых газов.
• Также может использоваться для ориентировочной оценки размеров насосных линий, содержащих конденсат при температуре ниже 100°C. Это будет рассмотрено в Module 14.4.

Использование диаграммы подбора размеров конденсатопроводов (также доступна в Appendix 14.3.2) Определите точку, в которой пересекаются давление пара и давление конденсата (нижняя часть диаграммы, Figure 14.3.5). Из этой точки поднимайтесь вертикально вверх к верхней части диаграммы до требуемого расхода конденсата. Если линия сброса идёт вниз (не затоплена) и выбор попадает на линию или между линиями, выбирайте меньший размер. Если линия сброса поднимается и, следовательно, вероятно будет затоплена, выбирайте больший размер. Примечание: логика, применяемая при подборе конденсатоотводчика, отличается от логики, используемой для линии сброса, и совершенно нормально, если линия сброса от конденсатоотводчика имеет размер, отличный от размера обслуживаемого им конденсатоотводчика. Однако если конденсатоотводчик подобран правильно, обычное вспомогательное оборудование станции конденсатоотводчика, такое как запорные клапаны, фильтр, камера проверки конденсатоотводчика и обратный клапан, может иметь тот же размер, что и выбранное устройство отвода конденсата, независимо от размера линии сброса.

Пример 14.3.3 1 на диаграмме (Figure 14.3.6)

Конденсатоотводчик пропускает при полной нагрузке 1000 kg/h при давлении насыщенного пара 6 bar g через нисходящую линию сброса к flash vessel при 1.7 bar g. Поскольку линия сброса не затоплена, по диаграмме (Figure 14.3.5) выбирается нижнее значение 25 mm.

Пример 14.3.4 2 на диаграмме (Figure 14.3.7)

Конденсатоотводчик пропускает при полной нагрузке 1 000 kg/h при давлении насыщенного пара 18 bar g через линию сброса, поднимающуюся на 5 m к находящейся под давлением линии возврата конденсата при 3.5 bar g. Добавьте статическое давление 0.5 bar (напор 5 m) к давлению конденсата 3.5 bar, чтобы получить противодавление 4 bar g. Поскольку линия сброса восходящая и, следовательно, затопленная, по диаграмме (Figure 14.3.5) выбирается верхнее значение 32 mm.

Пример 14.3.5 3 на диаграмме (Figure 14.3.8)

Конденсатоотводчик пропускает при полной нагрузке 200 kg/h при давлении насыщенного пара 2 bar g через наклонную линию сброса, идущую вниз к вентилируемому ресиверу конденсата при атмосферном давлении (0 bar g). Поскольку линия не затоплена, по диаграмме (Figure 14.3.5) выбирается нижнее значение 20 mm.

Пример 14.3.6 4 на диаграмме (Figure 14.3.9)

Pump-trap пропускает при полной нагрузке 200 kg/h при давлении парового пространства 4 bar g через линию сброса, поднимающуюся на 5 m к незатопленной линии возврата конденсата при атмосферном давлении. Статическое давление от 5 m создаёт суммарное противодавление 0.5 bar g. Поскольку линия сброса от trap является восходящей, по диаграмме (Figure 14.3.5) выбирается верхнее значение 25 mm.

Пример 14.3.7 5 на диаграмме (Figure 14.3.10)

Рассмотрим конденсатную нагрузку 200 kg/h на ресивер и насос. В этом случае линия конденсата определяется по максимальной производительности насоса, необходимой для достижения требуемого напора нагнетания. Расчёт производительности насосов рассматривается в Module 14.4 ‘Перекачивание конденсата из вентилируемых ресиверов’, но для этого примера предполагается, что максимальная конденсатная нагрузка составит 1 200 kg/h. Поскольку конденсат потеряет содержащийся в нём flash steam в атмосферу через вентиляцию ресивера, насос будет перекачивать только жидкий конденсат. В этом случае необходимо использовать только верхнюю часть диаграммы на Figure 14.3.5. Так как линия от насоса является восходящей, выбирается верхнее значение 25 mm. Примечание: если бы длина насосной линии была больше 100 m, следовало бы взять следующий больший размер, который для этого примера составил бы 32 mm. Полезный практический совет для линий длиной 100 m и менее — выбирать сбросную трубу того же размера, что и насос. Дополнительные сведения см. в Module 14.4 ‘Перекачивание конденсата из вентилируемых ресиверов’.

Общие линии возврата - нисходящие линии

Иногда необходимо подключить несколько линий сброса от конденсатоотводчиков различных процессов к одной общей линии возврата. Проблем не возникнет, если соблюдены следующие условия:

• Общая линия не затоплена и имеет уклон по направлению потока к открытому концу, вентилируемому ресиверу или flash vessel, если это допускается условиями.
• Размер общей линии определяется по суммарным размерам ответвлений, а ответвления подбираются по Figure 14.3.5. Пример 14.3.8 На рисунке 14.3.11 показаны три теплообменника, каждый из которых регулируется отдельно и работает одновременно. Показанные конденсатные нагрузки являются нагрузками полной мощности и возникают при 3 bar g в паровом пространстве. Общая линия имеет уклон вниз к flash vessel при 1.5 bar g, расположенному в том же машинном зале. Конденсат в flash vessel через поплавковый конденсатоотводчик поступает вниз во вентилируемый ресивер, откуда он перекачивается непосредственно в котельную. Линии сброса от конденсатоотводчиков подбираются по полной нагрузке при давлении пара 3 bar g и давлении конденсата 1.5 bar g, и поскольку каждая из них не затоплена, по диаграмме выбираются меньшие размеры. Определите размеры линий конденсата для нисходящих линий сброса и общих линий.

Общие линии возврата - восходящие линии

Иногда невозможно избежать того, что линии сброса конденсата и общие линии поднимаются на определённом участке между конденсатоотводчиком и конечной точкой сброса. В этом случае каждая линия сброса подбирается переходом к следующему большему размеру на диаграмме, как уже обсуждалось в этом модуле. Пример 14.3.9 На рисунке 14.3.12 показаны те же три теплообменника, что и в Примере 14.3.8. Однако в данном случае общая линия поднимается на 15 m и заканчивается в расположенной сверху незатопленной магистрали возврата конденсата, создавая то же противодавление 1.5 bar, что и в Примере 14.3.8. Каждая линия сброса подбирается как восходящая линия. Определите размеры линий конденсата для линий сброса и общих линий.

Пример 14.3.10 - Нисходящая общая линия

Расчёт размеров общей линии для применения, показанного на Figure 14.3.12, где линия идёт вниз к конечной точке сброса:

Пример 14.3.11 - Восходящая общая линия

Расчёт размеров общей линии для применения, показанного на Figure 14.3.14, где линия поднимается к конечной точке сброса: Обратите внимание, что паровые нагрузки те же, что и в Примере 14.3.10, но линии сброса на один размер больше из-за восходящей общей линии.

Процедуру, показанную в Примерах 14.3.10 и 14.3.11, можно упростить, используя Приложение 14.3.3.

Например, в месте соединения труб A и B (20 mm и 50 mm) минимально необходимый диаметр трубы указан как 54 mm. Очевидно, что на практике пользователь установит следующий больший доступный коммерческий размер трубы, если только расчётный проход не очень близок к номинальному размеру трубы.

Приложение 14.3.1 Расход воды в толстостенных стальных трубах

Приложение 14.3.3 Таблица подбора размеров общей трубы Где D1 = размер присоединяемого ответвления (N.B.), а D2 = размер общей трубы

Если расчёт показывает высокий объём вторичного пара, вернитесь к разделу о flash steam и проверьте, не нужен ли насос с приводом от давления для стабильного отвода конденсата.

Если цель проекта шире, чем одна линия, продолжайте через системы возврата конденсата и утилизации тепла и аудит паровой системы.