Расход пара для трубопроводов и воздухонагревателей

Пар будет конденсироваться и отдавать свою энтальпию испарения на стенках любой трубы или трубки, температура которых ниже температуры пара. Точно рассчитывать расход пара обычно невозможно или не требуется. Этот материал позволяет получить достаточно точные оценки для большинства практических задач.

Пар будет конденсироваться и отдавать свою энтальпию испарения на стенках любой трубы или трубки, контактирующей с окружающим воздухом. В некоторых случаях, например на паропроводах, теплопередачу стараются минимизировать за счет теплоизоляции. В других случаях, например в воздухонагревательных секциях, напротив, теплопередачу усиливают с помощью оребрения наружной поверхности труб. Точный расчет расхода пара обычно невозможен или не нужен. Примеры в этом модуле позволяют выполнить достаточно точные оценки для большинства практических задач.

Для более широкого расчета сравните методы оценки расхода пара, расход пара технологическим оборудованием и фактическое измерение расхода пара.

Паропроводы

В любой паровой системе необходимо учитывать конденсацию пара, вызываемую самим трубопроводом. Скорость конденсации будет максимальной в период прогрева, и именно по ней следует подбирать конденсатоотводчики для дренажа магистрали. Во время работы паропровода также будут иметь место меньшие, но постоянные теплопотери через трубу. Оба этих компонента можно рассчитать как “нагрузку прогрева” и “рабочую нагрузку”.

Нагрузка прогрева

Изначально тепло потребуется для нагрева холодного трубопровода до рабочей температуры. По соображениям безопасности это рекомендуется делать медленно; кроме того, трубопровод выигрывает от снижения тепловых и механических напряжений. Это приводит к меньшему числу утечек, снижению затрат на техническое обслуживание и увеличению срока службы трубы. Медленный прогрев можно обеспечить, установив небольшой клапан параллельно основному запорному клапану (рисунок 2.12.1). Размер клапана можно подобрать в зависимости от требуемого времени прогрева. На крупных трубопроводах безопасность можно повысить, автоматизировав медленное открытие клапана прогрева. Один основной запорный клапан тоже может использоваться успешно, но поскольку он подбирается под расчетный расход трубопровода, в период прогрева он окажется избыточно большим и будет работать очень близко к седлу. Сепаратор, установленный перед клапаном, обеспечит прохождение сухого пара и защитит внутренние элементы от преждевременного износа. Время прогрева любого паропровода должно быть настолько большим, насколько это допустимо, чтобы минимизировать механические напряжения в трубопроводе, повысить безопасность и снизить пусковые нагрузки.

Если вместо 5 минут можно выделить 10 минут, первоначальный расход пара уменьшится вдвое. Время прогрева 20 минут еще сильнее снизит нагрузку прогрева.

Расход пара, необходимый для вывода трубопроводной системы на рабочую температуру, зависит от массы и удельной теплоемкости материала, повышения температуры, энтальпии испарения используемого пара и допустимого времени. Это можно выразить уравнением 2.12.1:

Пример 2.12.1 Теплопотери паропровода

Система состоит из 100 m магистрали из углеродистой стали диаметром 100 mm, включая 9 пар фланцевых соединений PN40 и один запорный клапан. cp для стали = 0.49 kJ/kg °C Температура окружающей среды / начальная температура составляет 20°C, а давление пара - 14.0 bar g, что соответствует 198°C по паровым таблицам (см. таблицу 2.12.2).

Таблица 2.12.2 Фрагмент паровых таблиц

Определите:

Часть 1. Скорость конденсации при прогреве за 30 минут.

Часть 2. Рабочую нагрузку, если толщина изоляции составляет 75 mm. Часть 1. Рассчитайте нагрузку прогрева

Примечание: Эта скорость конденсации будет использоваться для подбора подходящего регулирующего клапана прогрева.

При подборе конденсатоотводчиков эту скорость конденсации следует умножать на коэффициент 2, чтобы учесть более низкое давление пара до завершения прогрева, а затем делить на число установленных конденсатоотводчиков, чтобы получить требуемую пропускную способность каждого из них.

Таблица 2.12.3 Типичная масса стальных труб, фланцев, болтов и запорных клапанов, kg

Часть 2. Рабочая нагрузка ****Пар будет конденсироваться по мере потери тепла трубой в окружающую среду. Скорость конденсации зависит от следующих факторов:

• Температура пара.
• Температура окружающей среды.
• Эффективность теплоизоляции. В таблице 2.12.4 приведены типичные значения теплоотдачи для неизолированных стальных труб в неподвижном воздухе при 20°C.

Таблица 2.12.4 Теплоотдача неизолированных стальных труб, свободно омываемых воздухом при 20 °C (W/m)

Распределительные магистрали обычно изолируют, и очевидно, что изоляция фланцев и других элементов трубопроводной арматуры также дает преимущества. Если магистраль выполнена на фланцах, каждая пара фланцев имеет примерно ту же площадь поверхности, что и 300 mm трубы того же размера.

Скорость теплопередачи увеличивается, когда на поверхность теплообмена воздействует движение воздуха. В таких случаях следует учитывать поправочные коэффициенты, приведенные в таблице 2.12.5. Если используются оребренные или гофрированные трубы, всегда следует брать значения теплоотдачи, указанные производителем. В бытовых терминах скорости воздуха до 4 - 5 m/s (примерно 10 mph) соответствуют слабому ветру, а 5 - 10 m/s (примерно 10 - 20 mph) - сильному ветру. Для сравнения, типичные скорости воздуха в воздуховодах составляют около 3 m/s.

Таблица 2.12.5 Примерное увеличение теплоотдачи из-за движения воздуха вдоль труб с высокой излучательной способностью

Примечание: Точные значения определить трудно, поскольку на них влияет множество факторов. Коэффициенты в таблице 2.12.5 являются производными и дают лишь ориентировочное представление о том, на сколько следует умножать значения из таблицы 2.12.4. Трубы, подвергающиеся движению воздуха со скоростью до примерно 1 m/s, можно считать находящимися в неподвижном воздухе, и теплопотери до этого уровня остаются достаточно постоянными. Для ориентира: окрашенные трубы имеют высокую излучательную способность, окисленная сталь - среднюю, а полированная нержавеющая сталь - низкую. Снижение теплопотерь будет зависеть от типа и толщины используемой теплоизоляции, а также от ее общего состояния. Для большинства практических задач изоляция паропроводов уменьшает теплоотдачу, приведенную в таблице 2.12.4, на коэффициенты изоляции (f), показанные в таблице 2.12.6. Обратите внимание, что эти коэффициенты являются лишь номинальными. Для точных расчетов следует обращаться к производителю изоляции.

Таблица 2.12.6 Коэффициенты изоляции f

Теплопотери изолированных магистралей можно выразить уравнением 2.12.2:

Определите длину L: Если принять добавку, эквивалентную 0.3 m на каждую пару фланцев и 1.2 m на каждый запорный клапан, то полная эффективная длина (L) паропровода в этом примере составит:

Определите теплоотдачу Q̇: Температура пара при 14.0 bar g равна 198 °C, а при температуре окружающей среды 20 °C разность температур составляет 178 °C.

Из таблицы 2.12.4: теплопотери для трубы 100 mm составляют ≈ 1 374 W / m Определите коэффициент изоляции f: Коэффициент изоляции для изоляции 75 mm на трубе 100 mm при 14 bar g (по таблице 2.12.6) составляет примерно 0.07.

Как видно из этого примера, нагрузка прогрева 161 kg/h (см. пример 2.12.1, часть 1) значительно превышает рабочую нагрузку 18.3 kg/h, и, как правило, конденсатоотводчики, подобранные по нагрузке прогрева, автоматически обеспечивают и рабочую нагрузку.

Если бы приведенный выше паропровод был неизолирован или изоляция была повреждена, рабочая нагрузка была бы примерно в четырнадцать раз выше. Для неизолированной или плохо изолированной трубы всегда следует сравнивать рабочую нагрузку и нагрузку прогрева. Для подбора конденсатоотводчиков нужно брать большую из них, как описано выше. В идеале качество изоляции следует улучшить. Примечание: При расчете потерь на прогрев разумно использовать правильную спецификацию труб, поскольку масса трубы может различаться в зависимости от стандарта.

Плотность и удельная теплоемкость воздуха немного меняются с температурой. Для большинства практических задач при нагреве воздуха в системах HVAC и технологических применениях по приведенному ниже подходу можно принимать номинальные значения 1.3 kJ/m³ °C для удельной теплоемкости и 1.3 kg/m3 для плотности.

Трубы для нагрева воздуха

Нагретый воздух требуется во многих областях, включая:

• Отопление помещений.
• Вентиляцию.
• Технологические процессы.

Требуемое оборудование часто представляет собой матрицу труб, заполненных паром и установленных поперек воздушного потока. По мере прохождения воздуха через трубы тепло передается от пара воздуху. Часто, чтобы уменьшить размеры и массу оборудования, упростить монтаж в ограниченном пространстве, снизить объем несущих конструкций и ограничить стоимость, скорость теплопередачи от труб к воздуху увеличивают за счет оребрения наружной стенки трубы.

Это увеличивает доступную площадь теплообмена и тем самым уменьшает требуемое количество труб. На рисунке 2.12.2 показан пример оребренной трубы. В целом воздухонагреватели можно разделить на две категории:

• Блочные воздухонагреватели.
• Воздухонагревательные секции.

Блочные воздухонагреватели

Они состоят из воздухонагревательной секции и вентилятора в одном компактном корпусе (рисунок 2.12.3). Первичная среда, то есть пар, конденсируется в секции, а воздух нагревается, проходя через змеевики, и затем подается в помещение. Блочные воздухонагреватели могут оснащаться воздуховодом подачи свежего воздуха, но чаще работают на рециркуляционном воздухе.

Теплый воздух может подаваться вертикально вниз или горизонтально. Давление пара, высота монтажа, способ подачи и температура выходящего воздуха взаимосвязаны, поэтому перед выбором блочного воздухонагревателя необходимо обращаться к данным производителя. Большинство установок доступны с вентиляторами низкой, средней или высокой скорости, что влияет на номинальную производительность; здесь также следует использовать данные производителя, поскольку уровень шума на высокой скорости может оказаться неприемлемым.

Воздухонагревательные секции

По сути это более крупные и более сложные версии блочных воздухонагревателей, см. рисунок 2.12.4. Они выпускаются в различных конфигурациях, включая крышные и горизонтальные исполнения; также в состав могут входить вентилятор и фильтр. Обычно они интегрируются в систему воздуховодов.

• Для регулирования соотношения свежего и рециркуляционного воздуха могут устанавливаться регулируемые жалюзи.
• Для защиты от замерзания может использоваться несколько секций нагрева.

Производители блочных воздухонагревателей и воздухонагревательных секций обычно указывают тепловую мощность своих изделий в kW при рабочем давлении. По этому значению скорость конденсации можно рассчитать, разделив тепловую мощность на энтальпию испарения пара при данном давлении. Результат будет получен в kg/s; умножив его на 3 600, то есть число секунд в часе, получим значение в kg/h.

Так, блочный воздухонагреватель мощностью 44 kW, работающий при 3.5 bar g (hfg = 2 120 kJ/kg по паровым таблицам), будет конденсировать:

Примечание: Константа 3 600 включена в формулу для получения расхода в kg/h, а не в kg/s. Если данные производителя недоступны, но известны следующие величины:

• объемный расход нагреваемого воздуха;
• повышение температуры нагреваемого воздуха;
• давление пара в нагревателе, тогда приблизительную скорость конденсации можно рассчитать по уравнению 2.12.3:

Примечание: Константа 3 600 переводит результат в kg/h, а не в kg/s.

Горизонтальные трубы, собранные в змеевики с несколькими рядами труб одна над другой и работающие за счет естественной конвекции, становятся менее эффективными по мере увеличения числа труб. При расчете скорости конденсации для таких змеевиков значения из таблицы 2.12.5 следует умножать на коэффициенты теплоотдачи из таблицы 2.12.7. Вертикально установленные нагревательные трубы также менее эффективны, чем горизонтальные. Скорость конденсации в таких трубах можно определить, умножив значения из таблицы 2.12.4 на коэффициенты из таблицы 2.12.6. Таблицу 2.12.7 также можно использовать для определения скорости конденсации в горизонтальных трубах, применяемых для нагрева неподвижного воздуха. В этом случае используется уравнение 2.12.4:

Влияние расхода воздуха

Когда для увеличения потока воздуха через трубные змеевики используется вентилятор, скорость конденсации возрастает. Значения теплоотдачи для гладких стальных труб (таблица 2.12.4) можно использовать, умножая их при необходимости на коэффициенты из таблиц 2.12.5, 2.12.7 и 2.12.8. Если рассматриваются оребренные трубы, во всех случаях следует использовать значения теплоотдачи, указанные производителем.

Пример 2.12.2 Расчет паровой нагрузки воздухонагревательной секции

Воздухонагревательная секция повышает температуру воздуха, проходящего со скоростью 2.3 m³/s, с 18 °C до 82 °C (ΔT = 64 °C) при использовании пара 3.0 bar g в змеевиках.