Úvod Provozování paro Provozování paro

Úvod
Znalosti - klíč k úspěchu
Materiál přeložil a připravil
Ing. Martin NEUŽIL, Ph.D.
SPIRAX SARCO spol. s r.o.
V Korytech (areál nádraží ČD)
100 00 Praha 10 - Strašnice
tel.: 274 00 13 51, fax: 274 00 13 52, mobil: 602 696 266
Provozování paroparo-kondenzátních sítí
•
•
•
•
Výroba páry - kotelna, teplárna, elektrárna
Rozvod páry do místa spotřeby páry
Využívání
y
páry
p y v místě spotřeby
p
y
Vracení kondenzátu do místa výroby páry
Výroba páry
•
•
•
•
•
•
Energeticky
E
ti k náročná
á č á
Spotřeba paliva
Produkce tuhých a kapalných odpadů
Znečišťování ovzduší
P d k oxidu
Produkce
id uhličitého
hliči éh
Přispívá ke skleníkovému efektu
Nehospodárné provozování
paro--kondenzátních soustav
paro
• Zvýšená spotřeba paliva - souvisí se spotřebou
neobnovitelných zdrojů energie
• Zvýšená spotřeba paliva - vliv na poškozování
životního prostředí při těžbě, úpravě a
zušlechťování paliv
• Zvýšená
ý
spotřeba
p
ppaliva - souvisí se
znečišťováním životního prostředí (plynné,
kapalné a pevné odpady)
• Snížená životnost všech částí soustavy - vysoké
náklady na údržbu, časté rekonstrukce
Šetření energií při provozování
paro - kondenzátních sítí
• Hospodárná výroba páry - správné parametry
páry, využívání tepla z odluhu a odkalu
• Hospodárný rozvod páry do místa spotřeby páry
- dimenze potrubí, tep. izolace, odvodnění
• Hospodárné
p
využívání
y
ppáry
y v místě spotřeby
p
yodvaděče kondenzátu, regulace
• Hospodárné vracení kondenzátu do místa výroby
páry - zvedání kondenzátu, využití zbytkové páry
Výroba páry
•
•
•
•
Vyrábět páru sytou nebo přehřátou ?
Správný tlak páry
Správná teplota páry
Správné množství páry
Parní rozvody
•
•
•
•
•
Správná dimenze
Dostatečné spádování
Vhodně navržené odvodnění
Správná volba odvaděčů kondenzátu
S á é zaústění
Správné
ú tě í odváděného
d ádě éh kondenzátu
k de át
do potrubí vratného kondenzátu (čerpaný
kondenzát)
Spotřeba páry
•
•
•
•
•
•
Kvalita páry (suchá pára)
Správné parametry páry
Správné množství páry
Vhodná regulace parního spotřebiče
S á á volba
Správná
lb odvaděče
d děče kondenzátu
k de át
Správný odvod kondenzátu
Vracení kondenzátu
•
•
•
•
Teplo obsažené v kondenzátu
Náklad na úpravu
Náklady
úpra napájecí vody
od
Využití zbytkové páry
Správná volba dimenze kondenzátního
potrubí, spádování, atd.
• Správné zaústění kondenzátního potrubí do
potrubí vratného kondenzátu
• Čerpání kondenzátu - použití vhodných
čerpadel
Paro--kondenzátní soustavy
Paro
Znalosti - klíč k úspěchu
Materiál přeložil a připravil
ing. Martin NEUŽIL, MSc.
SPIRAX-SARCO s.r.o.
V Korytech (areál nádraží ČD)
100 00 Praha 10 - Strašnice
tel.: 02/782 28 03, fax: 02/781 80 51
Výhody páry
•
•
•
•
1.
Voda jje běžně dostupná
p tekutina na Zemi, a p
proto jje jjejíj cena
nízká. Voda je chemicky stálá a není nebezpečná lidskému zdraví.
2.
Voda se vypařuje a mění na páru při teplotách, které jsou pod
maximálními dovolenými teplotami ocelí, ze kterých jsou
vyráběny
parní kotle.
3.
Voda a pára jsou výbornými nosiči tepla a proces přeměny vody
na páru spotřebuje mnoho tepla. Proto vycházejí rozměry potrubí a
zařízení relativně malé, z čehož plynou i nízké pořizovací náklady.
4
4.
Teplo obsažené v páře se uvolňuje při kondenzaci páry v
technologických spotřebičích. Kondenzace probíhá při konstantní
teplotě a součinitele přestupu tepla při kondenzaci jsou velmi vysoké.
Stálá teplota kondenzace vylučuje vznik teplotních gradientů na
teplosměnné ploše.
Měření tlaku
Absolutní
tlak
x Bar
Přetlak
1 Bar
Atmosférický tlak
0 Bar
Dokonalé vakuum
Přetlak = Absolutní tlak - Atmosférický tlak
Co je to pára?
Přetlak
(bar)
Teplota
(°C)
0
1
2
3
4
5
6
7
100
120
134
144
152
159
165
170
MĚRNÝ TEPELNÝ OBSAH (kJ/kg)
Měrné výparné
Voda
teplo
Pára
(hf)
(hfg)
(hg)
419
506
562
605
671
641
697
721
2257
2201
2163
2133
2108
2086
2066
2048
Měrný
objem
(m3/kg)
2676
2707
2725
2738
2749
2757
2763
2769
1.673
0.881
0.603
0.461
0.374
0.315
0.272
0.24
Grafické vyjádření parních tabulek
Izotermy
p
Oblast
přehřáté
páry
Kritický bod
T2 > T1
Voda
Křivka
vroucí
vody
Oblast
mokré
páry
T2
Křivka
syté
páry
T1
v
Skutečná entalpie
• ‘Skutečné’
Skutečné výparné teplo mokré páry je součin
měrného výparného tepla páry (hfg) odečteného
z parních tabulek a suchosti páry.
Výparné
t l
teplo
páry
Skutečné
výparné
teplo
páry
Suchost
á
páry
Závislost teplota sytosti páry - tlak
200
180
Teplota oC
160
Křivka
sytosti
páry
140
120
100
80
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Přetlak (bar, 1 bar = 0,1 MPa)
12
13
14
Závislost měrný objem páry - tlak
2
15
1,5
Měrný
objem
1
páry
(m3/kg)
0,5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14
Přetlak (bar, 1 bar = 0,1 MPa)
Přehřátá pára
• Přehřátá p
pára se někdyy používá
p
jjako medium p
pro p
přenos tepla.
p
• Pára o přetlaku 6 bar přehřátá na teplotu 175 °C se před
kondenzací musí ochladit na teplotu sytosti při přetlaku 6 bar, tj.
165 °C.
• Uvažujme měrnou tepelnou kapacitu přehřáté páry (při teplotě
175 °C) 2.4 kJ/(kg.K). Teplo získané ochlazením 1 kg páry na
165 °C, než pára zkondenzuje je:
•
= 1 kg x 2.4 kJ/(kg.K) x 10 K
•
= 24.1 kJ
• Porovnejte tuto hodnotu s hodnotou tepla získaného při
kondenzaci 1 kg suché syté páry o přetlaku 6 bar a teplotě
sytosti 165 oC = 2066 kJ (tabulková hodnota)
Přehřátá pára
• má nízký tepelný obsah ve srovnání se sytou párou
• přestup tepla je nízký při ochlazení přehřáté páry
• může snížit výkon výrobního zařízení
Pára
•
Pára má vysoký tepelný obsah.
•
Pára proudí potrubím na úkor své vnitřní energie a nepotřebuje
oběhové čerpadlo.
•
Dodávka tepelného výkonu v páře je velmi pružná a špičkové odběry
mohou být bez problémů pokryty.
•
Parní rozvodná síť je relativně lehká (malé průměry potrubí).
•
Součinitele přestupu tepla na straně páry jsou dvojnásobné než
součinitele přestupu tepla na straně vody.
•
Podél teplosměnné plochy vznikne teplotní gradient.
•
Je nutná údržba parní soustavy.
Průtok potřebný pro přenos 1 kW
tepelné energie
Voda
Průtok kg/s
=
1000W
=
0.0217 kg/s
=
0.091 kg/s
4187J/kg K (82 - 71)K
Termický olej
Průtok kg/s
=
1000W
550J/kg K (300 - 280)K
Pára
Při přetlaku 6 bar je měrné kondenzační teplo 2066 kJ/kg.
Uvažujme 1 kW = 1kJ/s. Potom potřebný průtok pro přenos 1kW energie
=
1
=
0.00048 kg/s
2066
Porovnání jasně ukazuje přednosti páry při přenosu tepla !
Kvalita páry
• Pro bezproblémový provoz parních
spotřebičů je nutno splnit níže uvedené
podmínky:
• 1) Pára musí být ve správném množství.
• 2) Pára musí mít správnou teplotu a tlak a
nesmí obsahovat vzduch a
nezkondenzovatelné plyny
plyny.
• 3) Pára musí být čistá.
• 4) Pára musí být suchá.
Daltonův zákon parciálních tlaků
• ‘Ve směsi p
plynů
y nebo směsi p
par ((např.
p p
pára a vzduch)) p
případně
p
směsi plynů a par, je celkový tlak směsi součet parciálních tlaků
všech složek směsi, tj. každého plynu nebo páry.’
•
Tedy každá složka ve směsi plynů nebo par se chová stejně, jako by sama
zaujímala celý objem směsi a nezávisle na přítomnosti ostatních složek.
•
Tlak každé samostatné složky ve směsi plynů nebo par se nazývá parciální tlak.
Pro směs páry a vzduchu platí:
Tlak směsi = parciální tlak páry + parciální tlak vzduchu
Příklad použití Daltonova zákona
Pokud je celkový přetlak směsi páry se vzduchem 1 bar (2 bary abs) a směs se
skládá ze tří objemových dílů páry a jednoho dílu vzduchu, pak platí:
Parciální tlak vzduchu
Parciální tlak páry =
= 0.25
0 25 x 2 bar abs = 0.5
0 5 bar abs
0.75 x 2 bar abs = 1.5 bar abs
Z parních tabulek:
• Teplota syté páry při absolutním tlaku 1.5 bar abs (0.5 bar p) je 111.6 °C.
• Očekávaná teplota pouze syté páry, tj. bez vzduchu, odpovídající údaji
tlakoměru (1 bar p) by byla dle parních tabulek 120 °C.
Pokud přichází do parního výměníku směs páry a vzduchu, tak výměník dává
výkon, který odpovídá páře o přetlaku 0.5 bar, i když tlakoměr ukazuje přetlak 1 bar.
Výkon výměníku projektovaný na přetlak páry 1 bar nebude dosažen.
Zdroje vzduchu a
nezkondenzovatelných plynů
• Vzduch vniklý do kotle po odstavení kotle (vakuum)
• Vzduch rozpuštěný v napájecí vodě
• Vzduch obsažený v chemicky upravené napájecí
proniklý
ý do kondenzátu v otevřené
vodě nebo p
kondenzátní nádrži
Henryho zákon
‘Množství plynu rozpuštěného v určitém množství kapaliny při dané teplotě je
přímo úměrné parciálnímu tlaku plynu’
•
Výše uvedené platí přesně pro plyny, které chemicky nereagují s kapalinou,
tj. například kyslík nebo dusík.
•
Při praktických výpočtech se používá převrácená hodnota konstanty
úměrnosti nazývaná Henryho konstanta, která je teplotně závislá. Plyny jsou
méně rozpustné v kapalině při vyšších teplotách kapaliny. Rozpustnost plynů
je také ovlivněna množstvím solí obsažených v kapalině. Většina plynů je
méně rozpustná ve slané vodě.
Čistota
Nečistoty
•
přestřiky vody z kotle
•
usazeniny v potrubí
•
struska ze svařování
•
uvolněný spojovací materiál
•
špatně provedené závitové a přírubové spoje
Pára musí být suchá
• Voda svojí přítomností v páře snižuje tepelný
páry
y vztažený
ý na jjednotku hmotnosti
obsah p
páry.
• Kapičky vody unášené párou přispívají k tvorbě
vodního filmu na teplosměnné ploše, který svým
p
omezuje
j p
prostup
p tepla.
p
odporem
Faktory omezující prostup tepla teplosměnnou
plochou
Ohřívaná
voda
Kovová stěna
Pára
Vrstva
usazenin
Vrstva vzduchu Vrstva kondenzátu
Mezní vrstva vody
Praktické důsledky vrstvičky vzduchu
a kondenzátu na teplosměnné ploše
121o C
Ohřívaná
voda
99 o C
Tlak páry
1.0 bar
1
2
3
4
116o C
Obr. 1
Ohřívaná
voda
99 o C
Tlak páry
0.7 bar
1
2
3
4
Obr. 2
1 - Vrstva vzduchu
2 - Vrstva kondenzátu
3 - Teplosměnná
plocha
4 - Mezní vrstva vody
Přehřátá pára
• 1) Přehřátá pára je pára
pára, jejíž teplota je nad
teplotou sytosti odpovídající danému tlaku páry.
• 2) Přehřátí lze dosáhnout průtokem páry podél
teplosměnné plochy, která má vyšší teplotu.
• 3) Přehřátí lze také dosáhnout snížením tlaku páry
(dodávaná pára je suchá).
Příklad stupně přehřátí
6
Bar p
1
165o C
Bar p
150o C
2764 kJ/kg
2764 kJ/kg
Clona
nebo
b
redukční ventil
Skutečnost
•
1))
Pára není nikdy
y 100% suchá.
•
2)
Daleko účinější než přehřívat páru je odstranit
kapičky vlhkosti obsažené v páře.
•
3)
Při výpočtu stupně přehřátí je nutné uvažovat
koeficient suchosti páry.
Tepelný obsah páry = hf + (koeficient suchosti x hfg)
Mollierův diagram
Měrná
entalpie
kJ/kg 3800
400bar
200bar
100bar
50bar
20bar
10bar
5bar
2bar
650oC
Teplota
o
C
Měrná
entalpie
kJ/kg
600oC
3600
1bar 374.15
550oC
o
500 C
3400
o
450 C
0.5bar
400oC
3200
350oC
0.2bar
300oC
3000
250oC
0.1bar
200oC
150oC
2800
100oC
Křivka sytosti
2600
350
300
250
900
0.01bar
700
150
x=0.95
2200
x=0 90
x=0.90
100
Zdroj: "Steam Tables
in SI units" CEGB,
1970. Kreslil:
D.H.Bacon
x=0.85
2000
x=0.80
6.5
7.0
600
500
400
200
100
x=0.70
6.0
800
300
50
x=0.75
1800
1400
1300
1200
1100
1000
0.04bar 200
50oC
2400
1800
1600
7.5
Měrná entropie kJ/kg
8.0
8.5
9.0
0
0
Voda při
bodu varu
Zbytková pára
Přetlak
(bar)
Teplota
(şC)
0
1
2
3
4
5
6
7
100
120
134
144
152
159
165
170
TEPELNÝ OBSAH kJ/kg
Měrné výparné
Voda
teplo
Pára
(hf)
(hfg)
(hg)
419
506
562
605
671
641
697
721
2257
2201
2163
2133
2108
2086
2066
2048
Měrný
objem
(m3/kg)
2676
2707
2725
2738
2749
2757
2763
2769
1.673
0.881
0.603
0.461
0 374
0.374
0.315
0.272
0.24
Výběr pracovního tlaku
Přetlak páry
bar
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
kPa
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
Teplota
sytosti
100
şC
120
134
144
152
159
165
170
175
180
184
188
192
195
198
Měrný tepelný obsah kJ/kg
Výparné
Voda
teplo
Pára
vody
ody
hfg
hg
hf
419
2257
2676
506
2201
2707
562
2163
2725
605
2133
2738
671
2108
2749
641
2086
2757
697
2066
2763
721
2048
2769
743
2031
2774
763
2015
2778
782
2000
2782
799
1986
2785
815
1973
2788
830
1960
2790
845
1947
2792
Měrný
objem
m3/kg
1.673
0.881
0.603
0.461
0.374
0.315
0.272
0.24
0.215
0 194
0.194
0.177
0.163
0.151
0.141
0.132
Vysokotlaký rozvod
• Vysokotlaký rozvod má následující výhody:
l Je potřeba potrubí malého průměru, které má malý povrch a tím i tepelné ztráty.
l
l
Menší investiční a montážní náklady na potrubí, armatury, podpěry potrubí, atd.
Menší investiční a montážní náklady na tepelnou izolaci.
l
Pára u konečného spotřebitele je sušší, neboť při redukci z vyššího tlaku na nižší
dochází k vysušení páry.
l
Parní kotel může být provozován na vyšším tlaku, kdy je účinnost výroby páry
vyšší a rozměry kotle nižší.
l
Tepelná kapacita parního kotle je zvýšena, což pomáhá překonat problémy
spojené s proměnlivým odběrem páry, kdy velmi často dochází k přestřiku
kotlové vody do parního potrubí (vodní rázy v potrubí).
Dimenzování potrubí
• Vyšší investiční náklady
y
tepelné
p
ztráty
y
• Vyšší
potrubí
• Vyšší množství
vznikajícího kondenzátu
• Nižší tlak páry u
odběratelů nebo
• Nedostatečné množství
páry
• Nebezpečí vzniku eroze a
vodního rázu
Jak navrhovat velikost potrubí?
Spirax
Customer
• Na základě:
• Rychlosti proudění
• Tlakové ztráty
Kapacity potrubí při různých
rychlostech proudění
Přetlak
bar
Rychlost
m/s
15mm
20mm
25mm
32mm
kg/h
40mm
50mm
65mm
80mm
100mm
125mm
150mm
15
25
40
7
10
17
14
25
35
24
40
64
37
62
102
52
92
142
99
162
265
145
265
403
213
384
576
394
675
1037
648
972
1670
917
1457
2303
04
0.4
15
25
40
7
12
18
16
25
37
25
45
68
40
72
106
59
100
167
109
182
298
166
287
428
250
430
630
431
716
1108
680
1145
1712
1006
1575
2417
0.7
15
25
40
8
12
19
17
26
39
29
48
71
43
72
112
65
100
172
112
193
311
182
300
465
260
445
640
470
730
1150
694
1160
1800
1020
1660
2500
1.0
15
25
40
12
19
30
25
43
64
45
70
115
70
112
178
100
162
275
182
295
475
280
428
745
410
656
1010
715
1215
1895
1125
1755
2925
1580
2520
4175
2.0
15
25
40
16
26
41
37
56
87
60
100
157
93
152
250
127
225
375
245
425
595
385
632
1025
535
910
1460
925
1580
2540
1505
2480
4050
2040
3440
5940
3.0
Odbočky
• Pro krátké odbočky je možné zanedbat
tlakovou ztrátu a světlost potrubí
navrhnout dle doporučené rychlosti
proudění páry v potrubí.
• * Při pochybnostech je nutné použít obě
metody, tj. určit dimenzi potrubí dle
rychlosti a dle tlakové ztráty.
Spádování a odvodnění potrubí
Separátor
6
6
6
6
6
6
Vodní ráz
Průhyb potrubí
Kondenzát
Hluk a vibrace
způsobené vodním
rázem
Vodní zátka
(kondenzát)
Odvodnění potrubí a spád potrubí
Spád 1/25
Pára
Vztaženo
k nejvyš.
bodu
potrubí
30 - 50 m
Odvodňovací místa
Správné a nesprávné odvodnění
Řez
Pára
Správně
Kondenzát
Odvaděč kondenzátu
Odvodňovací kapsa
25/30 mm
Řez
Pára
Špatně
Redukce parního potrubí
Správně
Pára
Kondenzát
Š t ě
Špatně
Pára
Filtry
Odbočky parního potrubí
Pára
Pára
Kondenzát
Špatně
Správně
Parní odbočka
Páteřní parní potrubí
Uzavírací ventil
Sestava odvaděče kondenzátu
Sklon potrubí proti směru proudění
páry
Zvýšení průměru potrubí
S ád
Spád
Spád
Spád
Rychlost proudění >40 m/s
15 m
15 m
30- 50m
Odvaděče kondenzátu pro hlavní
parní rozvody
Tvorba kondenzátu při najíždění a
běžném provozu (kg/50 m potrubí)
Přetlak
páry
(bar)
Světlost potrubí
50
65
80
100
125
150
200
250
300
350
400 450 500 600
9
9.5
9.3
15.1
11.3
19.7
14.1
28.1
16.5
38.1
20.6
49.4 74
24.5 31.5
105
39
139
46.5
164
51.5
216 272 320 436
60 64 72
88
10
9.9
9.8
15.7
11.9
20.4
14.6
29.2
16.9
39.6
21.3
51.3 77
25
33
109
41
144
49
171
54
224 282 332 463
62 67 75
90
12
10.4
10 9
10.9
16.5
13 0
13.0
21.6
15 7
15.7
30.7
17 7
17.7
41.7
22 5
22.5
54.1 81.1
26
36
115
45
152
53
180
59
236 298 350 488
67 73 81
97
Čísla psaná tučně udávají tvorbu kondenzátu při najíždění
Teplota okolí 20 0C, volná konvekce, účinnost tepelné izolace 80%
Typy odvaděčů kondenzátu
• Termodynamické
• Plovákové/termické
• Zvonové
• Termické
Termodynamické odvaděče
kondenzátu
Termodynamický odvaděč kondenzátu
H
B
C
E
G
D
F
A
Plovákové odvaděče kondenzátu
Plovákový odvaděč kondenzátu
s automatickým odvzdušněním
F
E
G
Zvonové odvaděče kondenzátu
Zvonový odvaděč kondenzátu
C
B
A
Hrníčkový odvaděč kondenzátu
E
D
C
A
B
F
Termostatický odvaděč kondenzátu
Moderní tlakově vyvážený termický
odvaděč kondenzátu
Tlakově
vyvážená
k
kapsle
l
Tlakově vyvážená termická kapsle
Bimetalový odvaděč kondenzátu
s ventilem na výstupu
Ventil
otevřen
Bimetalová hvězdice
Termický kapalinový odvaděč
kondenzátu (tlakově nevyvážený)
A
B
F
Ventil otevřen
C
G
E
D
Doporučené vzdálenosti podpěr
ocelového a měděného potrubí
Průměr
potrubí
ocel/měď
Vzdálenosti podpěr vodorovné potrubí (m)
Uhlíková ocel
Měd
Vzdálenosti podpěr svislé potrubí (m)
Di
De
12
15
15
18
-2.0
1.0
1.2
Uhlíková ocel
-2.4
Měď
1.2
1.4
20
25
22
28
2.4
2.7
1.4
1.7
3.0
3.0
1.7
2.0
32
40
35
42
2.7
3.0
1.7
2.0
3.0
3.6
2.0
2.4
50
65
54
67
3.4
3.7
2.0
2.0
4.1
4.4
2.4
2.4
80
100
76
108
3.7
4.1
2.4
2.7
4.4
4.9
2.9
3.2
125
150
133
159
4.4
4.8
3.0
3.4
5.3
5.7
3.6
4.1
200
250
194
267
5.1
5.8
---
6.0
5.9
---
Kluzné podpěry potrubí
Kluzná podpěra
Kluzná podpěra
s objímkou
Dvojitý
závěs
Odvzdušnění
Automatický odvzdušňovací ventil
tlakově vyvážený
Páteřní parní potrubí
Termodynamický odvaděč kondenzátu
s možností kontinuálního odkalování
a konektorem p
pro snadné připojení
p p j
Vzduch
Tepelné ztráty neizolovaného potrubí
Teplotní rozdíl
pára - vzduch
o
Průměr potrubí
15 mm 20 mm 25 mm 32 mm 40 mm 50 mm 65 mm 80 mm 100 mm 150 mm
C
W/m
56
54
65
79
103
108
132
155
188
233
324
67
68
82
100
122
136
168
198
236
296
410
78
83
100
122
149
166
203
241
298
360
500
89
99
120
146
179
205
246
289
346
434
601
100
116
140
169
208
234
285
337
400
501
696
111
134
164
198
241
271
334
392
469
598
816
125
159
191
233
285
321
394
464
555
698
969
139
184
224
272
333
373
458
540
622
815
1133
153
210
255
312
382
429
528
623
747
939
1305
167
241
292
357
437
489
602
713
838
1093
1492
180
274
329
408
494
556
676
808
959
1190
1660
194
309
372
461
566
634
758
909
1080
1303
1852