Výroba páry - kotelna, teplárna, elektrárna Rozvod páry do místa spotřeby páry Využívání páry v místě spotřeby Vracení kondenzátu do místa výroby páry

Transkript

1 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) Praha 10 - Strašnice tel.: , fax: , mobil: Provozování paro-kondenzátních sítí Výroba páry - kotelna, teplárna, elektrárna Rozvod páry do místa spotřeby páry Využívání páry v místě spotřeby Vracení kondenzátu do místa výroby páry

2 Energeticky náročná č á Výroba páry Spotřeba paliva Produkce tuhých a kapalných odpadů Znečišťování ovzduší Produkce oxidu uhličitého Přispívá ke skleníkovému efektu Nehospodárné provozování paro-kondenzátních soustav Zvýšená spotřeba paliva - souvisí se spotřebou neobnovitelných zdrojů energie Zvýšená spotřeba paliva - vliv na poškozování životního prostředí při těžbě, úpravě a zušlechťování paliv Zvýšená spotřeba paliva - souvisí se znečišťováním životního prostředí (plynné, kapalné a pevné odpady) Snížená životnost všech částí soustavy - vysoké náklady na údržbu, časté rekonstrukce

3 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 využívání páry v místě spotřeby - odvaděče 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

4 Správná dimenze Parní rozvody Dostatečné spádování Vhodně navržené odvodnění Správná volba odvaděčů kondenzátu Správné zaústění odváděného kondenzátu do potrubí vratného kondenzátu (čerpaný kondenzát) Spotřeba páry Kvalita páry (suchá pára) Správné parametry páry Správné množství páry Vhodná regulace parního spotřebiče Správná ávolba odvaděče děčekondenzátu Správný odvod kondenzátu

5 Vracení kondenzátu Teplo obsažené v kondenzátu Náklady na úpravu napájecí vody 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 Znalosti - klíč k úspěchu Znalosti klíč k úspěchu Materiál přeložil a připravil ing. Martin NEUŽIL, MSc. SPIRAX-SARCO s.r.o. V Korytech (areál nádraží ČD) Praha 10 - Strašnice tel.: 02/ , fax: 02/

6 Výhody páry 1. Voda je běžně dostupná tekutina na Zemi, a proto je její j 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. 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 x Bar Přetlak Absolutní tlak 1 Bar Atmosférický tlak 0 Bar Dokonalé vakuum Přetlak = Absolutní tlak - Atmosférický tlak

7 Co je to pára? MĚRNÝ TEPELNÝ OBSAH (kj/kg) Měrné výparné Přetlak Teplota Voda teplo Pára (bar) ( C) (h f ) (h fg ) (h g ) Měrný objem (m 3 /kg) Grafické vyjádření parních tabulek p Izotermy Kritický bod Oblast přehřáté páry T 2 > T 1 Voda Křivka vroucí vody Oblast mokré páry Křivka syté páry T 2 T 1 v

8 Skutečná entalpie Skutečné výparné teplo mokré páry je součin měrného výparného tepla páry (h fg ) odečteného z parních tabulek a suchosti páry. Výparné teplo páry Suchost páry Skutečné výparné teplo páry Závislost teplota sytosti páry - tlak 200 Teplota o C Křivka sytosti 120 páry Přetlak (bar, 1 bar = 0,1 MPa)

9 Závislost měrný objem páry - tlak 2 Měrný objem páry 15 1,5 1 (m 3 /kg) 0, Přetlak (bar, 1 bar = 0,1 MPa) Přehřátá pára Přehřátá pára se někdy používá jako medium pro přenos tepla. p yp j p p 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: =1kgx2.4kJ/(kg.K)x10K 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 o C = 2066 kj (tabulková hodnota)

10 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 jevelmipružnáašpičkové 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.

11 Průtok potřebný pro přenos 1 kw tepelné energie Voda Průtok kg/s = 1000W = kg/s 4187J/kg K (82-71)K Termický olej Průtok kg/s = 1000W = kg/s 550J/kg K ( )K Pára Připřetlaku 6 bar je měrné kondenzační teplo 2066 kj/kg. Uvažujme 1 kw = 1kJ/s. Potom potřebný průtok pro přenos 1kW energie = 1 = 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. 3) Pára musí být čistá. 4) Pára musí být suchá.

12 Daltonův zákon parciálních tlaků Ve směsi plynů py nebo směsi par (např. pára a vzduch) případněp 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 = 0.25 x 2 bar abs = 0.5 bar abs Parciální tlak páry = 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 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.

13 Zdroje vzduchu a nezkondenzovatelných plynů Vzduch vniklý do kotle po odstavení kotle (vakuum) Vzduch rozpuštěný v napájecí vodě Vzduch obsažený v chemicky upravené napájecí vodě nebo proniklý do kondenzátu v otevřené kondenzátní nádrži Henryho zákon Množství plynu rozpuštěného v určitém množství kapaliny při dané teplotě je přímo úměrné parciálnímutlaku 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.

14 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 obsah páry vztažený na jednotku hmotnosti páry. Kapičky vody unášené párou přispívají k tvorbě vodního filmu na teplosměnné ploše, který svým odporem omezuje prostup p tepla.

15 Faktory omezující prostup tepla teplosměnnou plochou Pára Kovová stěna Ohřívaná voda Vrstva usazenin Vrstva vzduchu Vrstva kondenzátu Mezní vrstva vody Praktické důsledky vrstvičky vzduchu a kondenzátu na teplosměnné ploše 121 o C Tlak páry 1.0 bar Ohřívaná voda 99 o C 4 Obr Vrstva vzduchu 2 - Vrstva kondenzátu 3 - Teplosměnná plocha 4 - Mezní vrstva vody 116 o C Ohřívaná voda 99 o C Tlak páry 0.7 bar Obr. 2

16 Přehřátá pára 1) Přehřátá pára je 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 165 o C 1 Bar p 150 o C 2764 kj/kg 2764 kj/kg Clona nebo redukční ventil

17 Skutečnost 1) Pára není nikdy 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 = h f + (koeficient suchosti x h fg ) Měrná entalpie kj/kg Mollierův diagram 400bar 200bar 100bar 50bar 20bar 10bar 5bar 2bar x=0.70 x= o C x= o C 650 o C Teplota o C 600 o C 550 o C 1bar o C o C 0.5bar 400 o C 350 o C 0.2bar o C 0.1bar o C 100 o C 0.04bar 200 Křivka sytosti 50 o C 0.01bar 150 x= Měrná entropie kj/kg x=0.85 x=0.95 Zdroj: "Steam Tables in SI units" CEGB, Kreslil: D.H.Bacon Měrná entalpie kj/kg Voda při bodu varu

18 Zbytková pára Přetlak (bar) Teplota (şc) Voda (h f ) TEPELNÝ OBSAH kj/kg Měrné výparné teplo (h fg ) Pára (h g ) Měrný objem (m 3 /kg) Výběr pracovního tlaku Měrný tepelný obsah kj/kg Přetlak páry Teplota Výparné Měrný sytosti Voda teplo Pára vody objem bar kpa h f h fg h g m 3 /kg şc

19 Vysokotlaký rozvod Vysokotlaký rozvod má následující výhody: l Je potřeba potrubí malého průměru, které má malý povrch a tím i tepelné ztráty. l l l l l Menší investiční a montážní náklady na potrubí, armatury, podpěry potrubí, atd. Menší investiční a montážní náklady na tepelnou izolaci. Pára u konečného spotřebitele je sušší, neboť při redukci z vyššího tlaku na nižší dochází k vysušení páry. Parní kotel může být provozován na vyšším tlaku, kdy je účinnost výroby páry vyšší a rozměry kotle nižší. 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 Vyšší tepelné ztráty potrubí Vyšší množství vznikajícího kondenzátu Nižší tlak páry u odběratelů nebo Nedostatečné množství páry Nebezpečí vzniku eroze a vodního rázu

20 Jak navrhovat velikost potrubí? Spirax Customer Na základě: Rychlosti proudění Tlakové ztráty Kapacity potrubí při různých rychlostech proudění Přetlak Rychlost kg/h bar m/s 15mm 20mm 25mm 32mm 40mm 50mm 65mm 80mm 100mm 125mm 150mm

21 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

22 Průhyb potrubí Vodní ráz Kondenzát Hluk a vibrace způsobené vodním rázem Vodní zátka (kondenzát) Odvodnění potrubí a spád potrubí Pára Spád 1/ m Vztaženo k nejvyš. bodu potrubí Odvodňovací místa

23 Správné a nesprávné odvodnění Řez Pára Správně Kondenzát Odvodňovací kapsa Odvaděč kondenzátu 25/30 mm Řez Pára Špatně Redukce parního potrubí Správně Pára Kondenzát Špatně ě Pára

24 Filtry Odbočky parního potrubí Pára Pára Kondenzát Špatně Správně

25 Parní odbočka Páteřní parní potrubí Uzavírací ventil Sestava odvaděče kondenzátu Sklon potrubí proti směru proudění páry Zvýšení průměru potrubí Spád Spád Spád Rychlost proudění >40 m/s 15 m 30-50m 15 m

26 Odvaděče kondenzátu pro hlavní parní rozvody Tvorba kondenzátu při najíždění a běžném provozu (kg/50 m potrubí) Přetlak páry (bar) Světlost potrubí Čísla psaná tučně udávají tvorbu kondenzátu při najíždění Teplota okolí 20 0 C, volná konvekce, účinnost tepelné izolace 80%

27 Typy odvaděčů kondenzátu Termodynamické Plovákové/termické Zvonové Termické Termodynamické odvaděče kondenzátu

28 Termodynamický odvaděč kondenzátu H D B E C G F A Plovákové odvaděče kondenzátu

29 Plovákový odvaděč kondenzátu s automatickým odvzdušněním F G E Zvonové odvaděče kondenzátu

30 Zvonový odvaděč kondenzátu B C A Hrníčkový odvaděč kondenzátu E F D A C B

31 Termostatický odvaděč kondenzátu Moderní tlakově vyvážený termický odvaděč kondenzátu Tlakově vyvážená kapsle

32 Tlakově vyvážená termická kapsle Bimetalový odvaděč kondenzátu s ventilem na výstupu Ventil otevřen

33 Bimetalová hvězdice Termický kapalinový odvaděč kondenzátu (tlakově nevyvážený) A B C G F E D Ventil otevřen

34 Doporučené vzdálenosti podpěr ocelového a měděného potrubí Průměr potrubí ocel/měď Vzdálenosti podpěr - vodorovné potrubí (m) Vzdálenosti podpěr - svislé potrubí (m) Di De Uhlíková ocel Měd Uhlíková ocel Měď Kluzné podpěry potrubí Kluzná podpěra Kluzná podpěra s objímkou Dvojitý závěs

35 Odvzdušnění Automatický odvzdušňovací ventil tlakově vyvážený Páteřní parní potrubí Termodynamický odvaděč kondenzátu s možností kontinuálního odkalování a konektorem pro snadné připojení p Vzduch Tepelné ztráty neizolovaného potrubí Teplotní rozdíl pára - vzduch o C Průměr potrubí 15 mm 20 mm 25 mm 32 mm 40 mm 50 mm 65 mm 80 mm 100 mm 150 mm W/m