Теплонспользующие установки промышленных предприятий

Методика расчета термического деаэратора

Характерная особенность термического деаэри­рования — поддержание температуры воды на выходе из деа - эрационной установки на уровне температуры насыщения при давлении в деаэраторе, так как при этом равновесная кон­центрация растворенных газов на границе раздела фаз ока­зывается равной нулю. Движущая сила переноса, равная раз­ности равновесной и рабочей концентраций, достигает своего максимального значения, т. е. равняется рабочей концентрации растворенного в жидкой фазе газа.

Подогрев вод до температуры насыщения осуществляется в процессе прямого взаимодействия парового и жидкостного по­токов, следовательно, термический деаэратор одновременно вы­полняет функцию смешивающего подогревателя.

Обратная вода от промышленных теплопотребителей возвра­щается на заводскую ТЭЦ или котельную с различными уров­нями температур и давлений. Как правило, эти уровни близки к атмосферному давлению или ниже его, поэтому потоки воды подлежат деаэрировонию. В объем деаэратора могут сбрасы­ваться потоки с температурой выше температуры насыщения в деаэраторе — кипящие потоки и с температурой ниже — некипя­щие. Одновременно следует помнить, что выделившиеся в паро­вую фазу газы удаляются из бъема деаэратора с излишком пара (выпаром).

Установив входящие и уходящие потоки (рис. 12.11) тепло­носителей деаэратора и задав согласно требованиям котельной энтальпию питательной воды на выходе из деаэратора 1Д. Е, опре­делим количество пара, подводимого к деаэратору, из уравнения баланса

Т, т2

“Ь Ок. п1к. п Он. п/н. п = Од. в/д. в -)- (?пып^'вып - (12.5)

&=1 А=1

Здесь йи, вк. п, 0*.п, Од. в, ввып — расход греющего пара £-го кипящего потока, деаэрированной воды, выпара; /п, 1'к. п, *н. п. гд. в, 1Вып — энтальпия греющего пара 6-го кцпящего потока, не­кипящего потока, деаэрированной воды, выпара соответственно.

Уравнение (12.5) записано при допущении отсутствия потерь тепла деаэратором в окружающую среду и отборов пара из деаэра­тора. На основании данных о кипящих потоках воды, сбрасываемой в деаэратор, определим среднюю энтальпию пара

О г + У Ск К-н~~‘д. в^

ИП П ' К. П г ]

1сР — т /:к Д; ( ’ (12.6)

°п+ 2ек. п(

4=1

Где Гд — скрытая теплота парообразования при давлении в деаэра­торе; — энтальпия сухого насыщенного пара при давлении в деаэраторе.

Теплота парообразования и теплота перегрева паровых пото­ков идет на. подогрев некипящих..потоков до энтальпии питатель­ной воды на выходе из деаэраторов. Количество сконденсировав­шегося в объеме деаэратора пара при заданной энтальпии г'д. в получим из соотношения

Т

2 ^.пОд. в-'н. п);

О; = ^ . (12.7)

Ср 1д. в

Тогда расход деаэрированной воды на всосе насоса

Бк* „ - Скй. п (>К-Гд-Д--В)]. (12.8)

Определив количество пара, необходимое для подогрева воды в объеме деаэратора, и выбрав тип десорбционного устройства, выполним расчет деаэрационной колонки.

Для струйной деаэрационной колонки рассчитывают число тарелок (отсеков), необходимых для получения допустимой (за­данной) концентрации газа в воде. Тепловой расчет ведется

Последовательно для каждого отсека и включает определение температуры воды и расход пара в каждом из отсеков, начиная с верхнего. Расчету предшествует выбор геометрических характе­ристик отсека (длина струй, начальный диаметр и шаг струй).

Длина струй Ь принимается равной расстоянию между ниж­ней плоскостью вышерасположенной тарелки и видимым (дина­мическим) уровнем воды &д„н на нижележащей тарелке того же отсека. Высота отсека

Н = Ь -)- /1дИн. (12.9)

Динамический уровень воды на тарелке найдем по динами­

Ческому напору:

^дин=^г. с + — (12.10)

(величины /гг с, ДР определяются в процессе гидродинамического расчета отсека).

Для деаэрационных колонок малой производительности реко­мендуемая длина струй Ь не должна превышать 0,35—0,5 м. Оптимальная длина струй корректируется предельно допустимой скоростью пара в целях ограничения уноса капельной влаги паровым потоком.

Диаметр отверстий й0 на тарелках выбирают с учетом усло­вий развития поверхности струй и оптимальной эксплуатации обычно ^0=5^-8 мм. Шаг отверстий на тарелке принимают рав­ным 18—20 мм при расположении их в вершинах равносторон­него треугольника.

В струйных колонках для расчета подогрева воды в отсеке используются эмпирические уравнения, связывающие выходную температуру воды с параметрами деаэратора, геометрией отсека и скоростями потоков воды и пара.

При поперечном обтекании струй воды паром

^вых = ** —г -0,3 0,3• (12.11)

"оУ0 “’п

10

В случае продольного обтекания

/кых = ** ___ / /. .5 -0.3- [2])

6Й °

0.05 861

10

В отсеках вакуумных деаэраторов

^--------------------- . (12.13)

При диаметре отверстий 5—8 мм и толщине днищ тарелок 4—6 мм коэффициент расхода и.0 = 0,75. Для практических рас­четов коэффициент а принимаем равным 0,9.

Определив с учетом изложенного значение пи0 по уравнению

(12.14) для принятой схемы обтекания струй воды паровым по-

ГТ1

Рис.12.13. Зависимость коэффициентов А:, от абсолютного давления и тем-»

Пер атуры исходной боды

Рис. 12.14. Схема отсека струйной колонки

Током, с помощью одной из формул (12.11) — (12.13) вычислим температуру воды на выходе из отсека (на нижней тарелке). Количество пара, сконденсировавшегося на струях данного от­сека, получим из соотношения

/71

^н. п (^вых 1н. п)

----------- (12.15)

П вых.

(*вы — энтальпия воды при температуре ^вых).

Для уточнения принятой в первом приближении средней ско­рости пара в пучке найдем скорости пара на входе в пучок и на выходе из него:

°П ^ ^ВЫП /1 п * г*

“'"■”==РП£ (^1-«Л): ( }

О

ВЫП / 4 4

(яОг-«^0)- (12Л?)

Здесь Свып — расход пара на выходе из струйного пучка, а для

Верхнего отсека выпар из деаэратора; £>ь Ь2 — диаметры внеш­ней и внутренней условных окружностей; пи п2 — количество отверстий, вынесенных на условные окружности Д, Д.

Тепловой расчет струйной колонки проводится при выполне­нии схемы отсека (рис. 12.14), включая разметку отверстий на тарелке, что необходимо для определения средней скорости пара в пучке.

Подсчитаем среднюю скорость пара в отсеке:

I ОУ - I - СУ

П. ВХ 1 ОС П. ВХ г П. ВЫХ /1( 1 о

При ------ < 1,25 хюи =----------- =----- ; (12.18)

^п. вых

Т Ы) — Ш-

„ П. ВЧ 1 П. ВХ П. ВЫХ /10 1 Рк

При ------ > 1,2о Гоп =----------------- . (12.19)

П. вых 2 3 Л—52-

Полученная средняя скорость сопоставляется с принятой в на­чале расчета. Если расхождение превышает 0,1 м/с, расчет повторяется при новом исходном значении ы>п. Расчетное зна­чение средней скорости пара в отсеке не должно превышать предельно допустимое из условий предотвращения уноса капель, определяемое по графикам рис. 12.15.

Температура воды на выходе из первого отсека, полученная в результате последовательных приближений,-является началь­ной для расчета ее подогрева во втором отсеке.

Расход воды через верхнюю тарелку рассчитываемого отсека определяется с учетом поступающих потоков воды и количества пара, сконденсировавшегося в предшествующем отсеке.

Давление пара во всех отсеках принимается постоянным и рапным давлению в деаэраторе, а пар — сухим насыщенным.

Выделение кислорода в отсеке с поперечным омыванием струн паром под давлением, большим нормального, рассчитыва­ем по эмпирическому соотношению

Здесь Свх, Свых — концентрация кислорода в начале и в конце струи; В — коэффициент, зависящий от давления в деаэраторе (определяется по рис. 12.16); — количество пара, сконденси­ровавшегося в данном отсеке; — расход воды через верхнюю

Тарелку отсека. Формула (12.20) применима для определения остаточной концентрации кислорода в воде для недонасыщенной воды.

Рис. 12.15. Зависимость предельно допустимой скорости пара в струйном отсеке от диаметра струи при различных давлениях (рМПа) в объеме деаэратора: 1 — 1; 2 — 0,8; 3 — 0,8; 4 —0,5; .5 _ 0,4; 6 — 0,3; 7 — 0,2; « — 0,12; 9 — 0,1 Рис. 12.16. Зависимость коэффициента В от давления в деаэраторе.

Относительная насыщенность воды газом ср характеризуется отношением фактического содержания его к предельно возмож­ному при тех же параметрах:

= (12.21)

Где Сф (Р, <) —фактическая концентрация газа в воде при дав­лении и температуре в точке отбора пробы; СН(Р, 0 —предель­ная концентрация газа, соответствующая состоянию насыщения при тех же условиях и определяемая по закону Генри. При ф<1 воду называют недонасыщенной, при ф=1 — насыщенной, при Ф> 1 _— перенасыщенной.

Расчет по формуле (12.20) выполняется до отсека, на нижней тарелке которого вода достигает состояния насыщения. В рас* четах отсеков, на тарелках которых ф>1, пересыщение не учи­тывается. За начальную принимается концентрация, соответству­ющая состоянию насыщения при температуре воды на данной тарелке.

При продольном обтекании струй паром выделение кислоро­да определяем по формуле

С, ы> = - дп,./мо.8 - и(12.22)

И'02И(У°,5-о~и'3'

10

В отсеках вакуумных деаэраторов остаточная концентрация кис­лорода

SHAPE \* MERGEFORMAT

(12.23)

Где В1 — коэффициент, получаемый в зависимости от давления и температуры исходной воды (см. рис. 12.13).

Гидростатический уровень при максимальной нагрузке необ­ходимо выбирать таким, чтобы при минимальной нагрузке он соответствовал 5—10 мм.

Количество отверстий на тарелке предварительно рассчитаем по уравнению

(12.24)

Где бв — полный расход воды через данную тарелку; р„ — плотность воды при температуре на тарелке;- а2—коэффициент запаса на загрязнение (принимается а> = 1,0ч-1,10).

При заданных расходе, количестве и диаметре отверстий гидростатический уровень поды на тарелке

(12.25)

Потери давления между отсеками

(12.26)

Где АР) — паровое сопротивление пучка струй; — коэффициент местных сопротивлений, определяется по справочным данным.

Паровое сопротив, ечне одного ряда струй приближенно при­нимается ранным 10 Па, тогда

АР, = 10«

(п — число рядов струй по ходу пара).

Неотъемлемым элементом современных конструкций деаэра­торов являются непровальные барботажные устройства. Работа такой тарелки эффективна в том случае, если отсутствует про­вал жидкости через отверстия в ней. Режим работы тарелки определяется скоростью пара в ее отверстиях. Для практиче­ских расчетов минимальную скорость пара в отверстиях барбо - тажного листа определяют по эмпирической формуле

(12.28)

При скоростях пара в отверстиях выше юр'" прекращается провал жидкости в отверстия, а под листом образуется устойчивая
паровая подушка. Приближенно ее высоту можно определить по уравнению

(12.29)

Где шл — скорость пара в отверстиях барботажного листа; с?0 — диаметр отверстий или ширина щели; | — коэффициент местно­го сопротивления (принимается равным 1,9—2,0 для отверстия диаметром до 8 мм и 1,5 — для щелей шириной до 3 мм); с — коэффициент поверхностного натяжения. Практикой установле­но, что при длине барботажного листа 0,6—0,8 м необходимо иметь высоту подушки не менее 0,4—0,45 м, при длине листа более 0,8 м — не менее 0,5 м.

Живое сечение барботажного листа определим из уравнения сплошности течения:

Диаметр отверстий на барботажном листе рекомендуется при­нимать равным 5—8 мм, а ширину щелей 3—4 мм. Тогда число отверстий в барботажном листе

N = ^п//о

(/0 — площадь одиночного отверстия или щели). Шаг отверстий принимается =3й0, шаг между рядами 52 = 0,05-ь0,1 м. Количество отверстий в одном ряду

(а — ширина листа). Соответственно число рядов отверстий или щелей п = Ы/т (12.32), тогда рабочая длина листа / = (п — —1)52 (12.33).

Многочисленными исследованиями установлено, что эффек­тивность деаэрирования на барботажной тарелке увеличивается до определенных значений динамического напора потока водя­ного пара. Так, для кислорода эта величина соответствует при­мерно 0,95 Па, для свободной углекислоты— 1,12 Па. Отноше­ние конечной концентрации газа в воде к ее начальному значе­нию составляет порядка 0,1.

Автомодельность эффекта дегазации при динамическом на­поре выше указанных значений ведет к тому, что по мере повы­шения начальной концентрации газа пропорционально увеличи­вается конечная концентрация.

Таким образом, расчет барботажного устройства сводится к определению геометрических характеристик барботажной тарел­ки, обеспечивающих оптимальные динамические напоры в кана­лах (отверстиях или щелях).

Одновременно следует помнить, что температура воды, по­ступающей на барботажный лист, должна отличаться от темпе­ратуры насыщения в объеме деаэратора не более чем на 4—5°С. В противном случае не происходит достаточного развития пен­ного слоя, и эффект деаэрации снижается.

Таким образом, определяя количество отсеков в струйной части деаэрационной колонки по допустимой концентрации на выходе с учетом деаэрирова­ния на барботажном устройстве, необходимо также учитывать до­пустимый недогрев воды на вхо­де в бак-аккумулятор.

Расчет деаэрационных коло­нок с упорядоченными или неупо­рядоченными насадками отлича­ется от расчета струйной колонки лишь конкретностью формы эм­пирических уравнений, определя­ющих подогрев воды, десорбци - онные процессы в насадке и гид­равлические сопротивления для каждого типа насадки.

Так как в рассматриваемый де­аэратор (рис. 12.17) кипящие по­токи воды не подаются, то эн­тальпия пара в объеме деаэрато­ра будет равна энтальпии пара греющего. При выполнении де - сорбционного расчета удобно пользоваться табулированными значениями равновесных концентраций кислорода в воде (см. табл. 12.1).

Результаты теплового, гидравлического и десорбционного. расчета сведены в табл. 12.2.

Пример. Произвести расчет двухступенчатого деаэратора атмосферного дав­ления производительностью Од в до 56 кг/с при следующих исходных данных: номинальное Давление в деаэраторе Р= 117,7 кПа; содержание кислорода в деаэрируемой воде С02 = 5,7 мг/кг; температура деаэрируемой воды {д п = = 104,2 °С; энтальпия деаэрированной воды I = 435,9 кДж/кг; основной кон­денсат расхода 0^ = 39,08 кг/с; температура конденсата ((нпп = 70 °С; эн­тальпия основного конденсата (<1)п = 293 кДж/кг; добавочная вода (расход) Сн2,п = 12>22 кг^с-' температура добавочной воды ^2,п = 30 СС; энтальпия доба­вочной воды 1(н2,п = 125,8 кДж/кг; давление греющего пара Рп = 117,7 кПа.

Температура пара 1П = 104,2 °С; энтальпия насыщенного пара при давлении в деаэраторе 1П = 2682,6 кДж/кг,

Установки непрерывного охлаждения воды замк­нутых систем технического водоснабжения промышленных пред­приятий широко применяются в тех отраслях промышленности, где в силу особенностей технологических процессов производства или из-за дефицита пресной воды невозможно использование рек н открытых водоемов. В условиях растущей концентрации про­мышленных производств, повышения их энерговооруженности применение градирен — практически единственный перспектив­ный метод рассеивания низкопотенциальной тепловой энергии в атмосферу.

Градирни представляют собой тепло - и массообменные аппа­раты, в которых перенос тепла от воды как охладителя рабочего тела (в машине, аппарате), деталей машин, продукта производ­ства и т. п. в окружающую среду осуществляется конвекцией при взаимодействии потока воды и воздуха и испарением воды на поверхности раздела. Основной поток тепла отводится вследст­вие испарения некоторого количества воды на границе раздела фаз и переноса массы испарившейся воды в газовую среду. По­этому к основным элементам градирни принадлежат устройства, обеспечивающие взаимодействие потоков горячей воды и возду­ха, а также движение сред.