Расчет и проектирование вакуумной деаэрационной установки: Методические указания к выполнению расчетно-графической работы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАКУУМНОЙ ДЕАЭРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

УЛЬЯНОВСК 2007 1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАКУУМНОЙ ДЕАЭРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

по дисциплине «Теплоиспользующие установки промышленных предприятий» для студентов специальностей 27010965, 27010068 всех форм обучения

Составители: М. Е. Орлов, В. И. Шарапов

УЛЬЯНОВСК 2007

2

УДК 621.187.124.001.2 (076) ББК Р

Рецензент

заместитель

главного

инженера

УМУП

«Городской

теплосервис» кандидат технических наук Ротов П.В.

Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета

Р

Расчет и проектирование вакуумной деаэрационной установки: Методические указания к выполнению расчетно-графической работы / Сост.: М. Е. Орлов, В. И. Шарапов. – Ульяновск: УлГТУ, 2007. – 44 с. Методические указания и задания к выполнению расчетно-графической работы «Расчет и проектирование вакуумной деаэрационной установки» разработаны в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Теплоиспользующие установки промышленных предприятий» для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 27010965 «Теплогазоснабжение и вентиляция» и по программе магистерской подготовки «Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий». Содержат задания и необходимую информацию для выполнения расчетно-графической работы. Указания подготовлены на кафедре ТГВ УлГТУ.

УДК 621.187.124.001.2 ББК

© Оформление. УлГТУ, 2007 3

ВВЕДЕНИЕ Целью расчетно-графической работы «Расчет и проектирование вакуумного деаэратора» является закрепление теоретического материала по основным вопросам дисциплины «Теплоиспользующие установки промышленных

предприятий»,

а

также

получение

навыков

самостоятельной работы в области проектирования теплоиспользующих установок. Деаэрационные

установки

располагаются

на

различных

предприятиях теплоэнергетики и являются последней ступенью удаления из воды растворенных в ней коррозионно-активных газов (кислорода и диоксида углерода). После деаэраторов содержание в воде коррозионноактивных газов не должно превышать определенных стандартами величин. В расчетно-графической работе предусматривается проектирование струйно-барботажного Вакуумные

вакуумного

деаэраторы

деаэратора

вертикального

производительность от 5 до

типа

вертикального имеют

типа.

единичную

300 м3/ч и распространены

преимущественно в котельных различного назначения. На ТЭЦ и в крупных котельных применяются горизонтальные вакуумные деаэраторы производительностью от 400 до 1200 м3/ч. Вертикальные вакуумные деаэраторы отличаются относительной простотой конструкции и могут быть изготовлены непосредственно на том предприятии, где планируется их установка, поэтому для инженератеплоэнергетика очень важно уметь грамотно подобрать, рассчитать, установить деаэратор и правильно его эксплуатировать.

4

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ Индексы

Обозначения Q – количество теплоты, Вт,

п – пар;

ккал/ч;

в – вода;

G – расход среды, т/ч, кг/с;

о – отверстие;

C – массовая концентрация

н – начальный;

компонента в воде, кг/м3,

к – конечный;

мг/кг;

s – в состоянии насыщения;

F – площадь поверхности, м2;

д – в деаэраторе;

D, d – диаметр, м;

ср – средний;

L – длина струи, м;

пр – производительность;

H – высота, м;

н.п – некипящий поток;

N – количество отверстий,

к.п – кипящий поток;

шт.;

д.в – деаэрированная вода;

t – температура, °С;

и.в – вода, подаваемая в деаэратор;

p – давление, МПа, кгс/см2;

вып – выпар;

i – удельная энтальпия,

дин – динамический;

кДж/кг, ккал/кг;

гс – гидростатический;

h – уровень воды на тарелке,

вх – на входе;

м вод. ст.;

вых – на выходе;

g – ускорение свободного

гор – в горловине тарелки;

падения, м/с2;

п.т – перепускная тарелка;

v – удельный объем, м3/кг;

б.л – барботажный лист;

Ω – площадь живого сечения,

max – максимальный;

м2;

min – минимальный.

5

ρ – плотность, кг/м3; ω – скорость, м/с; О2 – кислород; СО2 – диоксид углерода.

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ. СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМ РАБОТЫ В задании на расчетно-графическую работу указываются: 1) теплоэнергетическое предприятие, где планируется установка деаэратора; 2) назначение вакуумного деаэратора; 3) греющий агент деаэратора; 4) номинальное абсолютное давление в деаэраторе; 5) номинальная производительность; 6) температура деаэрированной воды; 7) содержание растворенного кислорода в исходной и деаэрированной воде; 8) содержание свободного диоксида углерода в исходной и деаэрированной воде; 9) расход и температура химически умягченной деаэрируемой (исходной) воды; 10) давление и температура греющей среды. Варианты задания на расчетно-графическую работу определяются преподавателем и приводятся в прил. А настоящих методических указаний. В содержание работы входят: 1. Расчетно-пояснительная записка (объем 15-20 стр.), которая должна

содержать

введение,

расчет

условий

теплового

баланса

деаэратора, тепловой и гидравлический расчеты струйного отсека, расчет перепускной тарелки, расчет процесса дегазации воды, гидравлический расчет барботажного устройства, выводы, библиографический список, содержание.

6

2. Графическая часть (объем 2 листа формата А4), в которой должны быть представлены конструктивная схема вакуумного деаэратора (продольный и поперечный разрезы, чертежи элементов деаэрационной установки) и принципиальная схема включения спроектированного деаэратора на теплоисточнике в соответствии с вариантом задания. В заключении студент должен сделать выводы по результатам расчетов. По

окончании

выполнения

расчетно-графической

работы

производится ее защита в сроки, назначенные преподавателем. При защите студент должен показать уверенное владение теоретическим материалом, необходимым для выполнения данной работы, и четко обосновать все принятые в ней решения.

7

2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ВАКУУМНЫХ ДЕАЭРАТОРОВ Вакуумные деаэраторы предназначены для удаления из воды коррозионно-активных газов кислорода и диоксида углерода (О2 и СО2) при рабочем давлении в аппарате 0,015-0,08 МПа. Классификация деаэраторов и основные требования к их проектированию содержатся в нормативных материалах [1, 2]. По способу распределения воды в паре деаэраторы подразделяются на пленочные, струйные и капельные. Деаэраторы с барботажем воды паром называются барботажными. В случае применения в деаэраторе одного из указанных способов деаэратор считается одноступенчатым, при комбинации нескольких способов – двух- или трехступенчатым. В настоящее время на ТЭЦ и в котельных применяются в основном двухступенчатые эксплуатации

струйно-барботажные

находится

значительное

деаэраторы. число

Однако

в

одноступенчатых

(пленочных и струйных) аппаратов. Широкое

распространение

струйно-барботажных

деаэраторов

обусловлено требованиями глубокой дегазации воды и полного удаления СО2. Кроме того, применение двухступенчатых деаэраторов позволяет также сократить высоту деаэрационной колонки. По вакуумные

конструкции

серийно

деаэраторы

бывают

выпускаемые струйно-барботажные вертикальными

(рис.

2.1)

и

горизонтальными (рис. 2.2). Конструкция вертикального

струйно-барботажного типа,

разработанная

вакуумного

деаэратора

научно-производственным

объединением по исследованию и проектированию энергетического оборудования имени И. Н. Ползунова (НПО ЦКТИ), приведена на рис. 2.1. Вода, направляемая на дегазацию по трубе 1, попадает на верхнюю 8

тарелку 2. Пройдя струйную часть, вода поступает на перепускную тарелку 3. Она предназначена для сбора и перепуска воды на начальный участок расположенного ниже барботажного листа 5. Перепускная тарелка имеет отверстие 4 в виде сектора, который с одной стороны примыкает к сплошной вертикальной перегородке 6, идущей вниз до основания корпуса колонки.

Рис. 2.1. Вакуумный струйно-барботажный деаэратор вертикального типа конструкции ЦКТИ: 1 - патрубок подвода исходной воды; 2 - верхняя тарелка; 3 - перепускная тарелка; 4 - сектор для слива воды; 5 - барботажный лист; 6 - вертикальная перегородка; 7 - щели для прохода пара; 8 - водосливной порог; 9 - патрубок отвода деаэрированной воды; 10 - патрубок подвода греющей среды; 11 перепускная труба; 12, 13 - отверстия для перепуска пара; 14 -

9

труба отвода выпара; 15 - штуцер для подвода конденсата; 16 водоперепускная труба Вода с перепускной тарелки направляется на непровальный барботажный лист 5, выполненный в виде кольца со щелями или отверстиями 7, ориентированными перпендикулярно потоку воды. В конце барботажного листа имеется водосливной порог 8, который проходит до нижнего основания деаэратора. Вода протекает по барботажному листу, переливается через порог 8 и попадает в сектор, образуемый порогом 8 и перегородкой 6, а затем самотеком отводится в трубу 9. Весь пар (или перегретая вода) подводится в колонку под барботажный лист 5 по трубе 10. Под листом устанавливается паровая подушка, и пар, проходя через щели 7, барботирует воду. С увеличением нагрузки деаэратора, а следовательно, и расхода пара, высота паровой подушки увеличивается, и избыточный пар перепускается в обвод барботажного листа 5 через отверстия 12 и 13 в трубах 11. Затем пар проходит через горловину в перепускной тарелке 3 и поступает в струйный отсек, где большая часть пара конденсируется. Паровоздушная смесь отводится по трубе 14. При необходимости подачи в деаэратор горячего

конденсата его

следует вводить

через

штуцер

15

на

перепускную тарелку. При отсутствии пара к деаэратору в качестве греющей среды подводится деаэрированная перегретая вода. Она также направляется под барботажный лист по трубе 10. Попадая в область давления ниже атмосферного, вода вскипает, образуя под листом паровую подушку. Вода, оставшаяся после вскипания, по трубе 16 удаляется на начальный участок барботажного листа, где проходит обработку совместно с исходным потоком воды.

10

Вся колонка изготавливается цельносварной. Для возможности разъема предусматривается монтажный стык, расположенный выше перепускной тарелки. Производительность вертикальных вакуумных деаэраторов составляет от 5 до

300 м3/ч. Другие технические

характеристики струйно-барботажных деаэраторов вертикального типа приведены в прил. Б, В. На

рис.

2.2

представлена

принципиальная

схема

струйно-

барботажного вакуумного деаэратора горизонтального типа. Исходная вода через штуцер 10

поступает в распределительный коллектор 9 и

далее на первую тарелку 8.

Перфорация первой тарелки рассчитана

на пропуск 30% воды при номинальной нагрузке деаэратора. Остальная часть через порог сливается на вторую тарелку 11, куда сливается и вода, прошедшая сквозь отверстия первой тарелки. Такая конструкция первой

тарелки

объясняется

тем,

что

она выполняет функцию

встроенного охладителя выпара и должна обеспечить конденсацию необходимого расхода выпара в расчетном диапазоне изменения гидравлических нагрузок деаэратора.

а

б

11

Рис. 2.2. Схема вакуумного струйно-барботажного деаэратора горизонтального типа конструкции ЦКТИ – СЗЭМ: а, б - модели 1968 и 1985 гг.; 1 - барботажный лист; 2 - канал для прохода неиспарившейся перегретой воды; распределительный коллектор; 3 труба отвода деаэрированной воды; 4 - пароперепускная труба; 5 перепускная тарелка; 6 - водоперепускной короб; 7 - труба отвода выпара; 8, 11, 12 - первая, вторая и третья тарелки; 10 - штуцер подвода исходной воды; 13 - патрубки подвода греющей среды; 14 - жалюзи; 15 испарительный отсек; 16 - разделительная перегородка; 17 деаэрационный отсек Вторая тарелка 11 является основной, после нее вода стекает струями на третью тарелку 12, которая служит в основном для организации подачи воды на начало барботажного листа 1. Обработанная на непровальном барботажном листе вода отводится из деаэратора по трубе 3. Деаэратор разделен барботажным листом и перегородкой на деаэрационный и испарительный отсеки. В испарительный отсек по трубопроводам 13 подается греющая среда – деаэрированная перегретая вода или пар. Выделившийся из перегретой воды пар образует паровую подушку

и

проходит

через

отверстия

барботажного

листа,

а

неиспарившаяся вода по каналу 2 вытесняется на уровень барботажного листа 1 и вместе с деаэрированной водой отводится из деаэратора. Для перепуска избытка пара из паровой подушки в деаэрационный отсек служит труба 4. Выпар отводится из деаэратора по трубопроводу 7 с помощью эжектора или вакуумного насоса. Деаэраторы горизонтального типа выпускаются производительностью 400, 800 и 1200 м3/ч. Эти деаэраторы вне зависимости от производительности имеют одинаковый диаметр корпуса 3 м и отличаются друг от друга его длиной. Основные технические

характеристики

струйно-барботажных

горизонтального типа приведены в прил. Г.

12

деаэраторов

В последние годы широко рекламируются как новое чудо техники, позволяющее «решить» все проблемы деаэрации воды, струйные деаэраторы «КВАРК» и «АВАКС». Даже из рекламных материалов этих аппаратов видно, что указанные струйные деаэраторы по многим характеристикам

уступают

серийным

аппаратам

традиционных

конструкций, прошедшим длительный эволюционный отбор. Анализ массообменной эффективности вакуумных деаэраторов показал, что из применяемых в настоящее время конструкций лучшие показатели имеют серийные струйно-барботажные аппараты [3].

3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ВАКУУМНОГО ДЕАЭРАТОРА Тепловой баланс деаэрационной установки составляется для определения полного расхода пара, подводимого к деаэратору. В зависимости от тепловой схемы энергоустановки в деаэратор вводится то или иное количество потоков воды и пара. В

общем

виде

уравнение

теплового

баланса

деаэратора

записывается как равенство потоков теплоты, введенных в деаэратор и вышедших из него Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = Q5 + Q6 + Q7 ,

(3.1)

где Q1 – теплота, внесенная с основным потоком греющего пара; Q2 – теплота, внесенная с некипящими потоками воды; Q3 – теплота, внесенная с кипящими потоками воды; Q4 – теплота, внесенная с прочими потоками пара; Q5 – теплота, отведенная с деаэрированной водой; Q6 – теплота выпара; Q7 – теплопотери деаэратора в окружающую среду. Если в соответствии с заданием какие-либо из указанных выше потоков теплоты не поступают в деаэрационную установку и не отводятся из нее, то при составлении теплового баланса их не учитывают. 13

Составляющие теплового баланса определяются по следующим формулам. Количество теплоты, подведенной с основным потоком греющего пара Q1 = Gп iп .

(3.2)

Энтальпия пара in определяется по его давлению и температуре на входе в деаэратор, согласно [4]. Количество теплоты, подведенной с некипящими потоками воды m

Q2 = ∑ Gнk.п iнk.п . k =1

(3.3)

Количество теплоты, подведенной с кипящими потоками воды m

Q3 = ∑ Gкk.п iкk.п . k =1

(3.4)

Количество теплоты, подведенной с прочими потоками пара m

k k Q4 = ∑ Gпроч iпроч . k =1

(3.5)

Количество теплоты, отводимой с деаэрированной водой Q5 = Gд.в iд.в .

(3.6)

Производительность деаэратора (расход деаэрированной воды) определяется по формуле m

Gд .в = ∑

Gнk.п k =1

14

k ⎡ k k i к .п − i д.в ⎤ + ∑ ⎢Gк.п − Gк.п ⎥ + Gп′ , rд k =1 ⎣ ⎦ m

(3.7)

где Gп′ – количество сконденсированного пара в деаэраторе, кг/ч; rд – теплота парообразования при давлении в деаэраторе, ккал/кг. Величина Gп′ определяется из соотношения

∑ [Gнk.п (i д.в − iнk.п ] m

Gп′ =

k =1

i ср − i д.в

+ Gпос ,

(3.8)

где icp – средняя энтальпия пара, ккал/кг; Gnoc – расход пара на покрытие потерь в окружающую среду. Величина icp определяется по формуле

iср

m m ⎛ ik − i ⎞ k k Gп i п + ∑ G пр i пр + ∑ G кk.п ⎜⎜ к.п д .в ⎟⎟i s rд k =1 k =1 ⎠ . ⎝ = k m m k k ⎛ iк .п − iд .в ⎞ ⎟ ⎜ G п + ∑ G пр G + ∑ к .п ⎜ ⎟ r k =1 k =1 д ⎠ ⎝

(3.9)

Теплота, отводимая с выпаром Q6 = Gвып ⋅ iвып .

(3.10)

Расход выпара Gвып, кг/ч, принимается из расчета 3–5 кг на 1 т деаэрированной воды Gвып = (3 ÷ 5)Gд.в .

(3.11)

Энтальпия паровоздушной смеси выпара условно может быть принята равной энтальпии насыщенного пара при давлении в деаэраторе, т. е. iвып = is. Теплопотери в окружающую среду определяется по формуле Q7 = αF (t из − t воз ),

(3.12)

15

где α – коэффициент теплоотдачи от изоляции к окружающему воздуху, равный 9,3–11,6 Вт/(м2·°С); F – поверхность корпуса деаэратора, включая бак-аккумулятор,

м2;

tиз

–

температура

поверхности

изоляции,

принимаемая равной 50 °С; tвоз – температура окружающего воздуха. Расход пара на покрытие теплопотерь в окружающую среду определяется по формуле Gпос = Q7 / r. Теплопотери

в

(3.13)

окружающую

среду

должны

специально

определяться в случае расположения деаэраторов вне зданий. Во всех остальных случаях они могут приниматься равными 1–2 % общего расхода теплоты на деаэрационную установку. Расход пара на деаэрационную

установку определяется по

уравнению Gп =

Q5 + Q6 + Q7 − Q2 − Q3 − Q4 . i п − iд .в

(3.14)

Уравнение (3.14) справедливо, если теплота выпара в пределах деаэрационной установки не используется. При его использовании с возвратом

конденсата

величина

Q6

не

учитывается

в

связи

с

рециркуляцией этой теплоты в установке. Расчет теплового баланса необходимо произвести для трех режимов работы вакуумного деаэратора: при 30 %-ной нагрузке, при номинальной нагрузке и при 120 %-ной нагрузке. Пример расчета теплового баланса вакуумного деаэратора приведен в прил. Д.

16

4. ТЕПЛОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СТРУЙНОГО ОТСЕКА В объем теплового расчета струйного отсека входит определение температуры на тарелках и расхода пара в отсеке. Тепловой расчет начинается выбора геометрических параметров пучка струй. Под геометрическими характеристиками пучка струй понимается длина струй, их начальный диаметр и шаг (диаметр и шаг отверстий на тарелке). Тепловой отсека

расчет

струйного

производится

одновременном

при

выполнении

конструктивной схемы этого отсека, включая

разметку

отверстий

на

тарелке,

что

связано

с

необходимостью

определения

средней скорости пара в пучке струй (отсеке). Пример схемы струйного отсека приведен на рис. 4.1. В задачи гидродинамического Рис. 4.1. Схема струйного отсека

расчета

входят

гидравлических проверка гидродинамической

устойчивости

определение

характеристик

струйного

и

отсека при

различных режимах работы. Гидравлически устойчивым называется такой режим работы струйного отсека, при котором не появляется местной рециркуляции воды под воздействием потока пара. Нарушение гидродинамической устойчивости может быть вызвано недопустимо высокими скоростями пара в отдельных сечениях деаэрационной колонки.

17

Диаметр

отверстий

do

на тарелках

по

условиям

развития

поверхности струй и эксплуатационным условиям следует принимать равным 5–8 мм. Шаг отверстий на тарелке должен приниматься равным не менее 18–20

мм

при

расположении

их

в

вершинах

равностороннего

треугольника [2]. Длина струй L принимается равной расстоянию между нижней плоскостью вышерасположенной тарелки и видимым (динамическим) уровнем воды hдин на нижележащей тарелке того же отсека. При производительности деаэрационной установки до 400 т/ч длину струй L рекомендуется принимать равной 350–500 мм, а для более крупных деаэрационных установок целесообразно увеличивать ее до 800–900 мм с целью ограничить скорость пара и предотвратить таким путем унос капельной влаги [2]. Расстояние между тарелками (высота отсека Н) равно Н = L + hдин .

(4.1)

Динамический уровень воды на тарелке определяется суммой гидростатического уровня воды hгс и перепада давлений по паровой стороне между смежными отсеками Δр hдин = hгс + Δp.

(4.2)

Величины hгс и Δр определяются в ходе гидродинамического расчета отсека. Скорость воды wо, м/с,

на выходе из отверстия тарелки

определяется по формуле wо = a1 μ o 2 gh гс ,

18

(4.3)

где a1 – коэффициент, учитывающий влияние движения воды по тарелке на

коэффициент расхода; μo – коэффициент расхода для

перфорированного листа; hгс – гидростатический уровень воды, м. При диаметре отверстий 5–8 мм и толщине днища тарелок 4–6 мм коэффициент μo принимается равным 0,75. Коэффициент a1 для практических расчетов можно принимать равным 0,9 [2]. Для определения скорости wо предварительно задаются величиной hгс, которая для равномерного распределения воды по всем отверстиям тарелки при номинальной гидравлической нагрузке должна находиться в пределах 60–80 мм. Число отверстий на тарелке N

при номинальном режиме

определяется предварительно по формуле N=

a 2 Gв vв , 3,6 ⋅ 0,785d o2 wo

(4.4)

где Gв – полный расход воды через данную тарелку, т/ч; vв – удельный объем воды при температуре ее на тарелке, м3/кг; a2 – коэффициент запаса на загрязнение перфорации тарелки (a2 = 1,0–1,1); d o – диаметр отверстий на тарелке, м. Верхняя тарелка секционирована с таким расчетом, что при минимальной (30 %-ной) нагрузке работает только часть отверстий во внутреннем секторе примерно 0,3N. При увеличении нагрузки в работу включаются остальные отверстия. Гидростатический уровень воды hгс, м, при заданных расходах, числе и диаметрах отверстий на тарелке определяется по формуле 2

⎞ Gв vв 1 ⎛ ⎟ . ⎜ hгс = 2 2 g ⎜⎝ 3,6 ⋅ 0,785d o Nμ o a1 ⎟⎠

(4.5)

19

Для определения действительной средней скорости пара в струйном пучке

рекомендуется

пользоваться

методом

последовательных

приближений. В первом варианте расчета струйного отсека деаэратора значение wп ориентировочно принимается равным 0,5–1,0 м/с. После выбора по указанным выше рекомендациям значений L и d o определяют температуру воды tвых в конце струйного потока по формуле t s − t вх

t вых = t s − 10

⎡ 1 ⎛ w ⎞2 ⎤ ⎜ п ⎟ ⎥ А1 L ⎢ ⎢ d o ⎜⎝ w о ⎟⎠ ⎥ ⎦ ⎣

1

3

,

(4.6)

где А1 – коэффициент, зависящий от давления в деаэраторе и от температуры исходной воды, определяется по номограмме (рис. 4.2). Затем

определяют

количество

пара,

конденсирующегося

на

струях

первого отсека, при найденной величине подогрева воды в них

В1 ·102 t=80° А1

А1 ·102

15 3,5 70

по формуле Gп′ =

Gпр (iвых − iи .в ) iп − iи .в

10 3,0

,

при

40

температуре

средней струйном

5 2,5

10 0 2,0

уточнения

принятой

скорости

пара

пучке

30 20

tвых,

ккал/кг. Для

50

(4.7)

где iвых – удельная энтальпия воды

60

в

сначала

0,2

0,4

0,6

0,8 р,кгс/см2

Рис. 4.2. Зависимость коэффициентов А1 и В1 от абсолютного давления и температуры исходной воды

подсчитываются скорости пара wвх и wвых соответственно на входе в пучок струй и на выходе из него

20

wвх =

Gп′ + Gвып , 3,6Ωвх ρ п

(4.8)

Gвып , 3,6Ωвых ρ п

(4.9)

wвых =

где Ωвх, Ωвых – живые сечения для прохода пара на входе в пучок струй и на выходе из него. Величины Ωвх и Ωвых определяются по формулам Ωвх = L(πD1 − n1d o ),

(4.10)

Ωвых = L (πD2 − n2 d o ),

(4.11)

где D1, D2 – диаметры условной окружности по наружному и внутреннему диаметрам пучка, м (см. рис. 4.1); n1, n2 – число отверстий, вынесенных соответственно на условную окружность диаметром D1 и D2, шт. Значения величины внутреннего диаметра пучка D2 содержатся в прил. В или [5, табл. 4]. Значения величин D1, n1, n2 выбираются из геометрических соображений. Средняя скорость пара в струйном отсеке при wвх/wвых < 1,25 подсчитывается по формуле wпср =

wвх + wвых , 2

(4.12)

при wвх/wвых > 1,25 – по формуле wпср =

wвх − wвых . ln( wвх / wвых )

(4.13)

Полученная средняя скорость пара в первом отсеке сопоставляется с принятой в начале расчета. В случае, если расхождение между ними

21

превышает

0,1 м/с, расчет повторяется при новом исходном значении

скорости.

5. РАСЧЕТ ПЕРЕПУСКНОЙ ТАРЕЛКИ Целью

расчета

является

определение

геометрических

характеристик перепускной тарелки и скорости пара в горловине тарелки. Высота борта тарелки Нб, мм, и максимальный уровень воды на тарелке hmaх, мм, принимаются на основании предварительных расчетов равными соответственно 200 мм и 70 мм [2]. Допустимое значение скорости пара в горловине тарелки wпдоп , м/с, определяется по формуле wпдоп =

2 g (0,65 H б − hmax )

ζρ п

⋅ 10 3 ,

(5.1)

где ζ – коэффициент сопротивления горловины тарелки изменяется в пределах 3,5÷4,0. Диаметр горловины для прохода пара Dгор, м, принимается по прил. В, а площадь горловины для прохода пара Fгор, м2, вычисляется по формуле Fгор =

2 πDгор

4

.

(5.2)

Расход пара в горловине тарелки Gпгор , м/с, вычисляется по формуле Gпгор = Gп′ + Gвып .

(5.3)

Скорость пара в горловине тарелки wпгор , м/с, определяется по формуле

22

wпгор

Gпгор v п . = 3,6 Fгор

(5.4)

Площадь отверстия для слива воды с перепускной тарелки при максимальном уровне воды Fп.т, м2, вычисляется по уравнению Fп.т =

Gпр 3,6 ρ в μ р 2 ghmax

.

(5.5)

где μр – коэффициент расхода для перепускной тарелки, принимается равным 0,55. Центральный угол выреза в перепускной тарелке αу принимается по прил. В. Фактический уровень воды на перепускной тарелке hпф.т , м, вычисляется по формуле 2

hпф.т

⎡ ⎤ 360Gпр =⎢ ⎥ . 2 2 ⎢⎣ 3,6α у ρ в μ р π ( R − r ) 2 g ⎥⎦

(5.6)

где (R2 – r2) – разность квадратов наружного и внутреннего диаметров перепускной тарелки, м2, принимается по прил. В. 6. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ДЕГАЗАЦИИ ВОДЫ Расчет

процесса

дегазации

воды

основан

на

определении

коэффициентов десорбции О2 и СО2 и вычислении необходимой площади барботажного листа для удаления этих газов из воды до значений, требуемых по заданию.

23

Расчет концентраций кислорода С1О2

и свободного диоксида

углерода С1СО2 , мг/кг, на верхней тарелке производится с помощью эмпирических формул С1О2 = [0,47 + 0,0027t н.п + 0,27 ( p д − 0,003t н.п ) 0 ,33 ] ⋅ С О2 ,

(6.1)

С1СО2 = [1 − 0,0118( p д + 0,32 − 0,008t н .п ) −1, 25 ] ⋅ С CО2 .

(6.2)

В отсеках вакуумных деаэраторов с поперечным омыванием пучка струй концентрация кислорода С2О2 , мг/кг, в конце струйного потока вычисляется по формуле С2О2

С1О2

= 10

В1 3 С1О2 L / d o

,

(6.3)

где В1 – эмпирический коэффициент, зависит от температуры исходной воды и давления в деаэраторе, определяется по номограмме (рис. 4.2). Концентрация свободного диоксида углерода С 2СО2 , мг/кг, в конце струйного потока вычисляется по формуле С 2СО2

СО2

С1

= 10

Е С1СО 2

3

L / [d o ( tвых −t вх ) ]

,

(6.4)

где tвх , tвых – температуры воды в начале и в конце струйного потока, °С; Е – коэффициент, зависящий от давления в деаэраторе и температуры исходной воды, определяется по номограмме (рис. 6.1).

24

производится

Е·10

расчет процесса дегазации на

8,0

Далее барботажном

листе.

Исследование

непровальных

барботажных листов показало,

7,0 6,0

что процесс дегазации воды

5,0

происходит

4,0

за

счет

двух

факторов: увлечения газовых пузырьков потоком пара и

жидкости

на

потока

t=60°C

3,0 20 10

1,0

барботажном

0

3

листе J, м /(м·ч), вычисляется

0,2

0,4

0,8 р, кгс/см2

0,6

Рис. 6.1. Зависимость коэффициента Е от абсолютного давления в деаэраторе и температуры исходной воды

по формуле

J = Vв / a ,

30 40 50

2,0

турбулентной диффузии. Интенсивность

2

(6.5)

где Vв – объемный расход воды на входе в барботажное устройство, м3/ч; а – длина переливного порога, м. Расход воды на входе в барботажное устройство представляет собой сумму расходов исходной воды и пара, сконденсировавшегося в струйном отсеке Vв =

Gи.в + Gп′

ρв

,

(6.6)

где ρв – плотность воды на входе в барботажное устройство, кг/м3. Величина

а,

м,

находится

как

разность

между

радиусом

барботажного листа Rб и радиусом водоподводящей трубы rпод, м. Геометрические характеристики деаэрационной колонки указаны в прил. В.

25

Скорость течения жидкости по барботажному листу wв, м/ч, определяется по формуле wв = J / hдин ,

(6.7)

где hдин – высота динамического слоя жидкости, который остался бы на барботажном листе после разрушения двухфазного потока, м. Одной

из

основных

характеристик,

определяющих

эффект

дегазации на непровальном барботажном листе, является динамический напор водяного пара в рабочем сечении барботажного листа ρп wп2, кгс/см2. Увеличение эффекта дегазации происходит до определенных значений динамического напора потока водяного пара. Оптимальными значениями, используемыми для расчетов, кислорода

ρп wп2

95·10–3

=

кгс/см2,

можно считать: для для

диоксида

углерода

115·10–3 кгс/см2 [2]. В общем случае величина ρп wп2 определяется по графикам в зависимости от отношения концентраций газа на входе и на выходе с барботажного

листа [2].

В диапазоне изменения ρпwп2 от 15·10–3 до 150·10–3 кгс/см2 высоту динамического слоя жидкости рекомендуется определять по формуле

(

)

hдин = 0,8 − 1,15ρ п wп2 h0 ,

(6.8)

где h0 – высота слоя жидкости на листе при отсутствии барботажа, м. h0 = hп.п + 0,003 ⋅ 3 J 2 ,

(6.9)

где hп.п – высота переливного порога, принимается равной 0,1 м. Для

определения

коэффициентов десорбции

(массопередачи)

кислорода и диоксида углерода в [2] рекомендуются следующие формулы:

26

К О2

К СО2

⎛ ρ п wп2 d о ⎞ ⎟ = 1,32 wв ⎜⎜ ⎟ σ ⎠ ⎝

0 ,33

⎛ ρ п wп2 d о ⎞ ⎟ = 0,805wв ⎜⎜ ⎟ σ ⎠ ⎝

,

(6.10)

0 ,33

,

(6.11)

где d о – ширина щели или диаметр отверстий на барботажном листе, рекомендуется принимать для щелей 0,03–0,05 см, для отверстий 0,05– 0,08 см;

σ – коэффициент поверхностного натяжения

системы вода-пар, принимается равным 0,07 кгс/см. Средний концентрационный напор газа на барботажном листе ΔСср, мг/кг, определяется по формуле ΔС ср =

(С н − С н. р ) − (С к − С н. р ) (С к. р − Сн. р ) , − С н − С н. р 2 ln С к − С н. р

(6.12)

где Сн, Ск – концентрации О2 или СО2 в воде при входе и при выходе с барботажного листа, мг/кг; Сн.р, Ск.р – концентрации удаляемого газа в жидкости, равновесные с начальной и конечной концентрацией газа на барботажном листе, мг/кг. Так как расход пара, покидающего барботажный лист, значительно превосходит расход выделившихся газов, то величины Сн.р и Ск.р оказываются равными практически нулю и в расчетах ими можно пренебречь. В расчетах по формуле (6.12) конечную концентрацию диоксида углерода на барботажном листе С кСО2 принять равной 0,01 мг/кг. Необходимая площадь барботажного листа для удаляемого газа находится из уравнения массопередачи Gг = KΔC ср ρ в F ⋅ 10 −6 ,

(6.13)

27

где Gг – количество

удаляемого газа, кг/ч; K – коэффициент

массопередачи для соответствующего газа, м/ч; ΔСср – средний концентрационный напор газа на барботажном листе, кг/м3; ρв – средняя плотность воды на барботажном листе, кг/м3; F – площадь барботажного листа, м2. Количество удаляемого газа можно определить исходя из расхода воды на входе в барботажное устройство (Gи.в+ G'п), т/ч, и разности начальной Сн и конечной Ск, мг/кг, концентраций этого газа на барботажном листе Gг = (Gи.в + Gп′ )(С н − С к ) ⋅ 10 −3.

(6.14)

Фактическое значение рабочей площади барботажного листа Fр, м2, не должно быть меньше наибольшего из необходимых значений для О2 и СО2, а также должно выбираться исходя из конструктивных соображений, т. е. учитывать принятый диаметр барботажного листа, размер сектора для удаления воды, диаметр перепускных труб и т. д.).

7. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ БАРБОТАЖНОГО УСТРОЙСТВА В

ходе

гидравлического

расчета

барботажного

устройства

определяются скорости пара и воды в отверстиях барботажного листа. С этой целью сначала определяется необходимая площадь отверстий на барботажном листе Fo, м2, по формуле Fo = 0,152 F p ρ п wп2 ,

(7.1)

где Fр – фактическое значение рабочей площади барботажного листа, м2.

28

Фактическая площадь отверстий на барботажном листе Foф, м2, определяется по прил. В. Далее определяется минимально допустимая скорость пара wmin, м/с, в отверстиях барботажного листа wmin = 20,6 / ρ п .

(7.2)

Расход пара через барботажный лист Gб.л, т/ч, представляет собой разность

между

расходами

пара,

подводимого

к

барботажному

устройству и отводимого в перепускные трубы Gб . л = Gп − Gпер ,

(7.3)

где Gп, Gпер – расходы пара, подводимого к барботажному устройству и отводимого в пароперепускные трубы, т/ч. Расход пара Gпер, т/ч, отводимого в пароперепускные трубы, определяется как разность расхода пара в горловине перепускной тарелки и расхода пара, идущего собственно на барботаж Gпер = Gпгор − Gп .б ,

(7.4)

где Gп.б – расход пара на собственно барботаж, т/ч. Величина Gп.б, т/ч, определяется по формуле Gп.б = 3,6 wп γ п F р ,

(7.5)

где wпγп – приведенная весовая скорость пара принимается равной 0,15÷0,20 кг/(м2·с). Скорости пара в отверстиях барботажного листа wл и в перепускных трубах wпер, м/с, определяются по соответствующим формулам wл =

Gб. л v п , 3,6 Fоф

(7.6)

29

wпер =

Gпер vп 3,6 Fпер

,

(7.7)

где Fпер – общая площадь сечения перепускных труб, м2, определяется по прил. В. Скорость пара в отверстиях барботажного листа, рассчитанная по формулам (7.6), не должна быть меньше минимально допустимой скорости пара, определенной по формуле (7.2). Гидравлическим расчетом барботажного устройства завершается расчет основных рабочих параметров вакуумного деаэратора.

30

8. ПРИМЕНЕНИЕ ВАКУУМНЫХ ДЕАЭРАТОРОВ НА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ Вакуумные деаэраторы как вертикального, так и горизонтального типов применяются на различных теплоэнергетических предприятиях: на тепловых электростанциях, в водогрейных и промышленно-отопительных котельных, в центральных тепловых пунктах. На ТЭС и в крупных котельных применяются, как правило, деаэраторы горизонтального типа, а в небольших котельных и центральных тепловых пунктах – вертикального типа. Расчет вакуумного деаэратора является приближенным, поскольку в нем используется ряд допущений и эмпирических зависимостей. В связи с этим при выборе типа, единичной производительности и количества вакуумных деаэраторов для предприятий теплоэнергетики необходимо

предусматривать

достаточный

запас

деаэрационной

установки по производительности. Это позволит обеспечить работу деаэраторов в более широком диапазоне технологических режимов, с более

высоким

качеством

подпиточной

воды

и

при

меньших

температурах участвующих в деаэрации теплоносителей. Отраслевыми теплоэнергетических

рекомендациями установок

с

по

вакуумными

выбору деаэраторами

схем [6]

установлен минимальный запас по производительности: для установок с деаэраторами вертикального типа 50%, а горизонтального типа 30%. Рекомендуемый запас по производительности для этих аппаратов составляет соответственно 100 и 50%. Следует отметить, что применение вакуумных деаэраторов на ТЭЦ и

в районных котельных имеет существенные различия. Их

применение на ТЭЦ обусловлено прежде всего стремлением получить выигрыш

в

термодинамической

эффективности

процесса

в

31

теплофикационных установках, т.к. температурный режим вакуумной деаэрации существенно влияет на параметры пара отборов турбин, используемого для подогрева теплоносителей перед деаэраторами, а значит, и на экономичность ТЭЦ [7]. Применение вакуумных деаэраторов в водогрейных котельных связано в основном с возможностью работы этих аппаратов без источников

пара.

В

качестве

греющего

агента

для

деаэрации

используется перегретая относительно давления в деаэраторах сетевая вода. Температурные режимы вакуумной деаэрации в малой степени сказываются на тепловой экономичности таких котельных, в отличие от ТЭЦ. Поэтому, как правило, в стоящих отдельно от ТЭЦ водогрейных котельных для повышения качества деаэрации теплоносители перед подачей в вакуумные деаэраторы должны подогреваться до максимально возможной по условиям эксплуатации температуры [8]. В

центральных

тепловых

пунктах

вакуумный

деаэратор

предназначен для обработки воды, поступающей в систему горячего водоснабжения. Традиционная схема включения вакуумного деаэратора на ЦТП показана в [9]. Подробному

исследованию

вопросов применения

вакуумных

деаэраторов для подготовки подпиточной воды систем теплоснабжения и питательной воды паровых котлов посвящены монографии [10, 11]. Технологии вакуумной деаэрации и тепловые схемы теплоисточников, где они применяются, приведены также в [2, 4, 7–12].

32

Приложение А Варианты заданий на расчетно-графическую работу Номер варианта Теплоисточник* Назначение деаэратора** Греющий агент (среда) Номинальное абсолютное давление в деаэраторе рд, кгс/см2 Номинальная производительность Gпр, т/ч Температура деаэрированной воды tдв, °С Содержание О2 в исходной воде С О2 , мг/кг То же, в деаэрированной О2 , мг/кг воде Сдв Содержание свободного СО2 в исходной воде С СО 2 , мг/кг То же, в деаэрированной СО2 воде Сдв , мг/кг Расход исходной воды Gив, т/ч Температура воды перед деаэратором tив, °С Температура греющей среды tп, °С

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ПК ВК ТЭС ТЭС ЦТП ПК ВК ТЭС ЦТП ПВТ ПВТ ПВТ ДПВ ГВС ДПВ ПВТ ПВТ ГВС вода вода пар пар вода пар вода вода вода 0,22 0,23 0,24 0,25 0,21 0,23 0,25 0,22 0,24

ТЭС ДПВ вода 0,21

100

150

300

300

50

100

75

300

25

150

61

62

63

64

60

65

64

60

62

61

6,0

7,0

5,0

4,0

8,0

6,0

7,0

5,0

4,0

8,0

0,05

0,05

0,05

0,03

0,05

0,03

0,05

0,05

0,05

0,02

20,0

20,0

18,0

20,0

20,0

20,0

19,0

20,0

20,0

18,0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

80

105

190

185

35

85

55

210

17

110

36

37

38

39

25

34

27

30

23

35

73

75

100

110

70

105

83

85

69

80

* ПК – промышленно-отопительная котельная; ВК – водогрейная котельная; ТЭС – тепловая электрическая станция; ЦТП – центральный тепловой пункт. ** ПВТ – деаэрация подпиточной воды теплосети; ДПВ – деаэрация добавочной питательной воды паровых котлов; ГВС – деаэрация воды, поступающей на горячее водоснабжение.

33

Продолжение прил. А Варианты заданий на расчетно-графическую работу Номер варианта

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

ПК ВК ТЭС ТЭС ЦТП ПК ЦТП ВК ТЭС ВК Теплоисточник* ПВТ ПВТ ПВТ ДПВ ГВС ПВТ ГВС ПВТ ДПВ ПВТ Назначение деаэратора** вода вода пар вода вода пар вода вода пар вода Греющий агент (среда) 0,23 0,25 0,27 0,29 0,26 0,24 0,22 0,20 0,28 0,21 Номинальное абсолютное давление в деаэраторе рд, кгс/см2 100 50 300 150 25 75 15 25 300 150 Номинальная производительность Gпр, т/ч 62 63 64 60 65 60 63 64 62 Температура деаэрированной 61 воды tдв, °С 5,0 4,0 8,0 6,0 7,0 5,0 8,0 4,0 7,0 6,0 Содержание О2 в исходной воде С О2 , мг/кг 0,05 0,05 0,05 0,02 0,05 0,05 0,05 0,05 0,03 0,05 То же, в деаэрированной О2 воде Сдв , мг/кг Содержание свободного СО2 19,0 19,0 19,0 18,0 20,0 19,0 20,0 20,0 19,0 19,0 в исходной воде С СО 2 , мг/кг 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 То же, в деаэрированной СО2 воде Сдв , мг/кг 75 30 230 120 18 60 8 15 220 110 Расход исходной воды Gив, т/ч 36 37 38 39 25 31 45 40 35 42 Температура воды перед деаэратором tив, °С 73 75 110 85 70 100 80 70 115 90 Температура греющей среды tп, °С

* ПК – промышленно-отопительная котельная; ВК – водогрейная котельная; ТЭС – тепловая электрическая станция; ЦТП – центральный тепловой пункт. ** ПВТ – деаэрация подпиточной воды теплосети; ДПВ – деаэрация добавочной питательной воды паровых котлов; ГВС – деаэрация воды, поступающей на горячее водоснабжение.

34

Окончание прил. А Варианты заданий на расчетно-графическую работу Номер варианта

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

ЦТП ПК ВК ВК ПК ПК ТЭС ВК ЦТП ТЭС Теплоисточник* ГВС ДПВ ПВТ ПВТ ПВТ ПВТ ДПВ ПВТ ГВС ПВТ Назначение деаэратора** вода вода вода вода вода пар вода вода вода пар Греющий агент (среда) 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,29 0,27 0,25 0,21 0,23 Номинальное абсолютное давление в деаэраторе рд, кгс/см2 25 50 100 150 25 75 150 300 50 300 Номинальная производительность Gпр, т/ч 63 65 66 67 68 60 62 61 64 Температура деаэрированной 60 воды tдв, °С 6,0 7,0 4,0 8,0 5,0 4,0 5,0 8,0 6,0 7,0 Содержание О2 в исходной воде С О2 , мг/кг 0,05 0,03 0,05 0,05 0,05 0,05 0,03 0,05 0,05 0,05 То же, в деаэрированной О2 воде Сдв , мг/кг Содержание свободного СО2 20,0 20,0 17,0 20,0 20,0 19,0 18,0 20,0 20,0 18,0 в исходной воде С СО 2 , мг/кг 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 То же, в деаэрированной СО2 воде Сдв , мг/кг 15 30 60 100 18 50 85 170 27 160 Расход исходной воды Gив, т/ч 43 44 45 41 42 36 37 40 39 34 Температура воды перед деаэратором tив, °С 83 85 80 85 67 100 82 71 65 110 Температура греющей среды tп, °С

* ПК – промышленно-отопительная котельная; ВК – водогрейная котельная; ТЭС – тепловая электрическая станция; ЦТП – центральный тепловой пункт. ** ПВТ – деаэрация подпиточной воды теплосети; ДПВ – деаэрация добавочной питательной воды паровых котлов; ГВС – деаэрация воды, поступающей на горячее водоснабжение.

35

Приложение Б Основные технические характеристики струйно-барботажных вакуумных деаэраторов вертикального типа конструкции ЦКТИ Наименование показателей Номинальная производительность, т/ч Рабочее абсолютное давление, МПа Температура деаэрированной воды, °С Высота колонки, мм Диаметр и толщина стенки, мм Температура греющего теплоносителя, °С Масса колонки, кг Масса колонки, заполненной водой, кг Пробное абсолютное гидравлическое давление, МПа Допускаемое повышение абсолютного давления при работе защитного устройства, МПа Поверхность охладителя выпара, м2

31 36

ДВ-5

ДВ-15

ДВ-25

5

15

25

Обозначение деаэраторов ДВ-50 ДВ-75 ДВ-100 50

75

100

ДВ-150

ДВ-200

ДВ-300

150

200

300

0,0075 – 0,05 40 – 80 2400 616×8

2400 716×8

2500 816×8

2600 1016×8

2600 1016×8

2600 1216×8

2670 1420×10

2670 1620×10

2730 2020×10

70 – 180 475

534

680

1094

1094

1375

1910

2275

2990

1115

1424

1780

3050

3050

4200

4770

6675

11150

0,3 0,17

2

8

16

32

Приложение В Геометрические характеристики струйно-барботажных вакуумных деаэраторов конструкции ЦКТИ – ЧМЗ Наименование

Производительность вакуумных деаэраторов, т/ч 25 50 75 100 150

Обозначение

5

15

1

2

3

4

5

6

7

8

Общая высота колонки, мм Диаметр корпуса деаэратора, мм Диаметр верхней тарелки, мм Число отверстий на верхней тарелке (диаметром 6 мм), шт. Диаметр горловины для прохода пара, мм Центральный угол выреза в перепускной тарелке, град Ширина порога на барботажном листе, мм Диаметр водоподводящей трубы, мм Диаметр отводящей трубы, мм Диаметр трубы отсоса смеси, мм Размер отверстий в перепускных трубах вверху, мм Размер отверстий в перепускных трубах внизу, мм Диаметр трубы для подвода пара, мм

Н

2R Dт

2400 616×8 520

2400 716×8 600

2500 816×8 700

2600 1016×8 900

2600 1016×8 900

n

87

234

378

710

2r

280

320

420

αу

10

15

a

284

dпод

200

300

9

10

11

2600 1216×8 1100

2670 1420×10 1300

2670 1620×10 1500

2730 2020×10 1900

924

1210

1710

2560

3750

600

600

700

850

1000

1200

20

27

30

27

27

27

27

320

375

480

460

560

630

755

940

57×3,5

76×3,5

89×4,5

108×4,5

133×4,5

159×6

219×8

219×8

273×8

dотв

76×3,5

89×4,5

108×4,5 133×4,5

159×4,5

219×8

273×8

325×8

325×8

dсм

133×4,5

159×6

159×6

325×8

325×8

325×8

377×9

377×9

426×9

fz

30×140

40×140

40×170

60×140 100×140 140×140

200×160

160×200

250×200

ly

40×70

50×70

50×70

90×170 100×170 140×170

190×240

240×200

300×250

dпар

89×4,5

133×4,5

159×6

219×8

273×8

325×10

377×9

219×8

219×8

37

Окончание прил. В 1

Число отверстий во внутреннем секторе верхней тарелки, шт. Число отверстий на барботажном листе (диаметром 6 мм), шт. Граница отверстий во внутреннем секторе верхней тарелки, мм Площадь отверстий на барботажном листе, м2 Разность квадратов радиусов для перепускной тарелки, м2 Площадь между верхней тарелкой и корпусом, м2 Разность квадратов диаметров в горловине перепускной тарелки для прохода пара, м2 Общая площадь сечения перепускных труб, м2 Фактическая площадь барботажного листа, м2 Диаметр коллектора для подвода воды, мм Диаметр трубы для подвода конденсата, мм

33 38

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

nвн

30

66

114

240

308

415

570

750

1310

nб

130

406

486

980

1550

1780

2300

2760

4390

D2

420

450

500

570

650

670

820

900

1260

Fотв

0,0037

0,0113

0,0137

0,0277

0,0437

0,0500

0,0649

0,0779

0,1240

R2–r2

0,070

0,097

0,116

0,160

0,160

0,234

0,305

0,385

0,634

Fк

0,070

0,102

0,108

0,149

0,149

0,180

0,215

0,247

0,300

4R2–dп2

0,0686

0,0890

0,1690

0,3480

0,3420

0,4650

0,6730

0,9520

1,3650

Fпер

0,0059

0,0103

0,0103

0,0230

0,0363

0,0490

0,0970

0,0970

0,1550

Fбар

0,240

0,330

0,424

0,652

0,652

0,914

1,193

1,623

2,538

dхов

57×3,5

57×3,5

76×5

76×5

89×4,5

108×4,5 108×4,5

133×4,5

133×4,5

dкон

57×3,5

57×3,5

76×5

76×5

89×4,5

108×4,5 133×4,5

159×6

159×6

Приложение Г Основные технические характеристики струйно-барботажных вакуумных деаэраторов горизонтального типа конструкции ЦКТИ – СЗЭМ Показатель Номинальная производительность, т/ч

ДВ-400

ДВ-800

ДВ-1200

400

800

1200

Рабочее абсолютное давление, кгс/см2

0,075 – 0,5

Температура деаэрированной воды, °С

40 – 80

Диаметр и толщина стенки, мм Длина, мм Температура теплоносителя,°С Масса колонки, кг

3 032 516 1192

греющего

Масса колонки, заполненной водой, кг Пробное абсолютное гидравлическое давление, кгс/см2 Допускаемое повышение абсолютного давления при работе защитного 2 устройства, кгс/см Число 3-ступенчатых пароструйных эжекторов типа ЭП-3-25/75 ХТЗ в комплекте, шт.

3968

5950

70 –180 6900

11 700

16 700

21 000

40 000

60 000

3

3

3

1,7

1,7

1,7

1

1

2

39

Приложение Д Пример расчета струйно-барботажного вакуумного деаэратора вертикального типа Задание: Необходимо спроектировать вакуумный деаэратор по следующим исходным данным: - номинальное абсолютное давление в деаэраторе рд = 0,03 МПа; - номинальная производительность Gпр = 200 т/ч; - температура деаэрированной воды tд.в = 68,7 °С; содержание кислорода в деаэрируемой воде С О2 = 6,0 мг/кг; - содержание кислорода в деаэрированной воде С дО.в2 = 0,03 мг/кг; - содержание диоксида углерода в деаэрируемой воде С СО2 = 20,0 мг/кг; 2 - содержание диоксида углерода в деаэрированной воде СдСО – .в отсутствие; - расход химически умягченной воды Gи.в = 191,1 т/ч; температура химически умягченной воды tи.в = 44 °С; - температура греющего пара tп = 68,7 °С. Таблица Д1 Результаты расчетов вакуумного деаэратора Наименование показателей

Расчетная формула или способ определения

1

2 1. Тепловой баланс По техническому заданию

Количество химически умягченной воды Gи.в, т/ч Энтальпия химически умягченной воды iи.в, ккал/кг Теплота, подведенная с химически умягченной водой Qи.в, Гкал/ч Количество выпара Gвып, т/ч Энтальпия выпара iвып, ккал/кг Отведено теплоты с выпаром Qвып, Гкал/ч Количество деаэрированной воды (производительность) Gпр, т/ч Энтальпия деаэрированной

40

Результат для нагрузки деаэратора 30 % 100 % 120 % 3 4 5 57,1

191,1

229,4

По термодинамическим таблицам [4]

44,0

44,0

44,0

Qи.в = Gи.в iи.в

2,51

8,40

10,10

5 кг на 1 т деаэрированной воды По термодинамическим таблицам [4] Qвып = Gвыпiвып

0,3

1,0

1,2

626,8

626,8

626,8

0,19

0,63

0,75

По техническому заданию

60

200

240

По термодинамическим

68,66

68,66

68,66

воды, iд.в, ккал/кг

таблицам [4]

41

Продолжение прил. Д 1 Отведено теплоты с деаэрированной водой Qд.в, Гкал/ч Количество теплоты, необходимое для нагрева воды в деаэраторе ΔQд, Гкал/ч Расход теплоты на деаэратор ΣQ, Гкал/ч Энтальпия насыщенного пара при давлении в деаэраторе iп, ккал/кг Расход насыщенного пара на деаэратор Gп, т/ч

3 4,12

4 13,70

5 16,50

ΔQд = Qд.в − Qи.в

1,61

5,30

6,40

ΣQ = ΔQд + Qвып

1,80

5,93

7,15

По термодинамическим таблицам [4]

626,8

626,8

626,8

3,22

10,62

12,81

Qд.в

Gп =

2 = Gпрiд.в

ΣQ i п − iд .в

2. Тепловой и гидравлический расчет струйного отсека Высота струи L, мм Принимается по [2] 750 750 Принимается по [2] 6 6 Диаметр отверстий на d , мм тарелке о Принимается по [2] 20 20 Шаг отверстий на тарелке (расположение по треугольнику) s, мм По техническому заданию 57,1 191,1 Расход воды через верхнюю тарелку Gи.в, т/ч Температура воды на По техническому заданию 44 44 верхней тарелке tи.в, °C 60 60 Гидростатический уровень Предварительно принимается, воды на верхней тарелке а затем уточняется по формуле hгс, мм (4.5) Скорость воды в отверПо формуле (4.3) 0,73 0,73 стиях верхней тарелки wо, м/с По формуле (4.4) 780 2560 Число отверстий на тарелке N, шт. Средняя скорость пара, Принимается предварительно набегающего на струйный и уточняется расчетом по 0,93 3,71 ср формуле (4.12) или (4.13) поток wп , м/с Температура воды в конце По формуле (4.6) 60,1 66,6 струйного потока tвых , °С По формуле (4.7) 1,66 7,76 Количество пара, сконденсировавшегося в струйном отсеке G'n, т/ч

42

750 6 20 229,4 44 80 0,84 2560 4,52 67,3 9,60

Продолжение прил. Д 1

2 3. Расчет перепускной тарелки Высота борта тарелки Hб, Принимается согласно [2] мм Максимальный уровень Принимается согласно [2] воды на тарелке hmax , мм Допустимое значение По формуле (5.1) скорости пара в горловине тарелки wпдоп , м/с Диаметр горловины тарелки Dгор, м Площадь горловины для прохода пара Fгор, м2 Расход пара в горловине Gпгор , т/ч Скорости пара в горловине тарелки wпгор , м/с Площадь отверстий для слива воды с перепускной тарелки при максимальном уровне воды Fп.т, м2 Центральный угол выреза в перепускной тарелке αy Фактический уровень воды на перепускной тарелке hпф.т , мм

3

4

5

200

200

200

–

70

70

41,22

41,22

41,22

доп Принимается с учетом wп по [2] По формуле (5.2)

1,0

1,0

1,0

0,747

0,747

0,747

По формуле (5.3)

1,96

8,76

10,80

По формуле (5.4)

3,68

16,45

20,28

По формуле (5.5)

0,088

0,088

0,088

Принимается по прил. В

27

27

27

По формуле (5.6)

6

65

70

4,42

4,42

4,42

18,80

18,80

18,80

2,48

2,48

2,48

9,60

10,31

10,38

4. Расчет процесса дегазации воды По формуле (6.1) Концентрация кислорода на О2 верхней тарелке С1 , мг/кг Концентрация диоксида По формуле (6.2) углерода на верхней тарелке С1СО2 , мг/кг Концентрация кислорода в По формуле (6.3) конце струйного потока С2О2 , мг/кг Концентрация диоксида По формуле (6.4) углерода в конце струйного потока С2СО2 , мг/кг

43

Продолжение прил. Д 1 2 3 По формуле (6.5) 86,01 Интенсивность потока жидкости на барботажном листе J, м3/(м·ч) По формуле (6.7) 782 Скорость течения воды по барботажному листу wв, м/ч Коэффициент десорбции По формуле (6.10) 424 кислорода на барботажном листе К О2 , м/ч Коэффициент десорбции По формуле (6.11) 276 диоксида углерода на К барботажном листе СО2 , м/ч По формуле (6.12) 0,622 Средний концентрационный напор кислорода на О барботажном листе ΔСср2 , мг/кг Средний концентрационПо формуле (6.12) 1,40 ный напор диоксида углерода на барботажном СО листе ΔСср 2 , мг/кг Необходимая площадь Из формул (6.13), (6.14) 0,553 барботажного листа для удаления кислорода FбО. л2 , м2 Необходимая площадь Из формул (6.13), (6.14) 1,49 барботажного листа для удаления диоксида СО2 2 углерода Fб . л , м 1,72 Фактическая рабочая пло- По конструктивным соображениям щадь барботажного листа Fр, м2 5. Гидравлический расчет барботажного устройства По формуле (7.1) 0,0886 Необходимая площадь отверстий на барботажном листе Fo, м2 Принимается по прил. Д Фактическая площадь от0,0779 верстий на барботажном листе Foф, м2 Минимально допустимая По формуле (7.2) 46,3 скорость пара в отверстиях барботажного листа wmin, м/с

44

4 291,11

5 349,86

1831

2022

995

1098

646

713

0,622

0,622

1,48

1,49

0,785

0,854

2,157

2,345

1,72

1,72

0,0886

0,0886

0,0779

0,0779

46,3

46,3

Окончание прил. Д 1 Расход пара через барботажный лист Gб.л, т/ч Расход пара через пароперепускные трубы (три трубы Dнар=219 мм, s = 8 мм) Gпер, т/ч Скорость пара в отверстиях барботажного листа wл, м/с Скорость пара в перепускных трубах wпер, м/с

2 По формуле (7.3)

3 3,22

4 2,94

5 3,09

По формуле (7.4)

–

7,68

9,72

По формуле (7.6)

42,14

52,95

55,65

По формуле (7.7)

–

111,08

140,58

45

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Надежность

и

экономичность

систем

централизованного

теплоснабжения промышленных предприятий, городов и населенных пунктов, а также их теплоисточников (котельных и ТЭЦ) в значительной степени зависит от эффективности термической деаэрации воды, предназначенной для восполнения потерь в котлах и тепловых сетях. В настоящее время на отечественных предприятиях

теплоэнергетики

насчитывается несколько тысяч деаэрационных установок. Основной частью деаэрационной установки является деаэратор, который представляет собой тепломассообменный аппарат контактного типа, где происходит основной процесс дегазации воды. Несмотря на то, что на многих ТЭЦ и котельных серийно выпускаемые струйнобарботажные вакуумные деаэраторы давно освоены и работают весьма эффективно,

нередки

жалобы

эксплуатационников

на

трудности

обеспечения нормативного качества вакуумной деаэрации. Как правило, эти трудности связаны с проектными недоработками и недостаточной подготовкой инженерно-технического персонала. Поэтому будущему инженеру-теплоэнергетику необходимо не только знать существующие деаэрационные установки и грамотно их эксплуатировать, но и разрабатывать новые, более эффективные технологии, которые учитывают современные подходы к управлению процессами

деаэрации

и

утилизации

выпара.

Более

подробная

информация о применяемых технологиях и оборудовании содержится в специализированной литературе

46

[11, 13, 14].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1.

ГОСТ 16860–88*.

Деаэраторы

термические.

Типы,

основные

параметры, приемка, методы контроля. – М. : Изд-во стандартов, 1989. – 6 с. 2.

Расчет и проектирование термических деаэраторов: РТМ 108.030.21– 78

/

В. А. Пермяков, А. С. Гиммельберг, Г. М. Виханский, Ю. М. Шубников. – Л. : НПО ЦКТИ, 1979. – 130 с. 3.

Шарапов В. И. О прямоточных вакуумных деаэраторах / В. И. Шарапов, Е. В. Макарова // Энергосбережение и водоподготовка. 2006. № 3.

4.

С. 42-44.

Ривкин С. Л. Теплофизические свойства воды и водяного пара / С. Л. Ривкин, А. А. Александров. – М.: Энергия, 1980. – 423 с.

5.

Оликер

И.

И.

Вакуумные

деаэраторы

для

питательной

и

подпиточной воды/ И. И. Оликер, В. А. Пермяков. – М.: НИИинформтяжмаш, 1971. – 96 с. 6.

Шарапов В. И. Рекомендации по выбору схем теплофикационных установок с вакуумными деаэраторами / В. И. Шарапов, О. Н. Кувшинов

//

Справочно-информационные

материалы

по

применению вакуумных деаэраторов для обработки подпиточной воды систем теплоснабжения.– М.: СПО ОРГРЭС, 1997. – 20 с. 7.

Шарапов В. И. Технологии обеспечения пиковой нагрузки систем теплоснабжения / В. И. Шарапов, М. Е. Орлов. – М.: Издательство «Новости теплоснабжения», 2006. – 208 с.

8.

Деаэраторы

вакуумные:

каталог-справочник.

–

М.:

НИИинформтяжмаш, 1972. – 77 с.

47

9.

Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов / Е. Я. Соколов. 7-е изд., перераб. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 472 с.

10. Шарапов

В.

И.

Подготовка

подпиточной

воды

систем

теплоснабжения с применением вакуумных деаэраторов / В. И. Шарапов. – М.: Энергоатомиздат, 1996. – 176 с. 11. Шарапов В. И. Термические деаэраторы / В. И. Шарапов, Д. В. Цюра. – Ульяновск : УлГТУ, 2003. – 560 с. 12. Бузников Е. Ф. Производственные и отопительные котельные / Е. Ф. Бузников, К. Ф. Роддатис, Э. Я. Берзиньш. – М.: Энергоиздат, 1984. – 248 с. 13. Шарапов В. И. Технологии управления термическими деаэраторами / В. И. Шарапов, М. Р. Феткуллов, Д. В. Цюра. – Ульяновск: УлГТУ. 2004. – 268 с. 14. Шарапов В. И. Технологии отвода и утилизации выпара термических деаэраторов / В. И. Шарапов, О. В. Малинина. – Ульяновск: УлГТУ. 2004. – 180 с.

48

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ………………………………………………………………….. 3 Основные условные обозначения и индексы …………………………... 4 1. Исходные данные. Содержание и объем расчетно-графической работы ………………………………………………………………… 6 2. Классификация и особенности конструкций вакуумных деаэраторов ……………………………………………………………. 6 3. Тепловой баланс вакуумного деаэратора …………………………… 10 4. Тепловой и гидравлический расчет струйного отсека ……………... 13 5. Расчет перепускной тарелки …………………………………………. 18 6. Расчет процесса дегазации воды …………………………………….. 20 7. Гидравлический расчет барботажного устройства ………………… 25 8. Применение вакуумных деаэраторов на теплоэнергетических предприятиях ………………………………………………………….. 26 Приложение А …………………………………………………………… 29 Приложение Б …………………………………………………………… 31 Приложение В …………………………………………………………… 32 Приложение Г …………………………………………………………… 34 Приложение Д …………………………………………………………… 35 Заключение ………………………………………………………………. 40 Библиографический список ……………………………………………... 41

49

50

Учебное издание РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАКУУМНОЙ ДЕАЭРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ Методические указания к выполнению расчетно-графической работы Составители: Орлов Михаил Евгеньевич, Шарапов Владимир Иванович Редактор Подписано в печать Печать трафаретная. Усл. печ. л.

. Формат 60х84/16. Бумага писчая. . Уч.-изд. л. . Тираж 100 экз. Заказ

.

Ульяновский государственный технический университет 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32. Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32. 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32.

51