Утилизация теплоты конденсата

Так как большое количество денежных средств может быть сэкономлено за счет утилизации теплоты конденсата, перед владельцем любого предприятия, потребляющего пар, рано или поздно встает вопрос:

Каким образом можно утилизировать теплоту конденсата в пароконденсатной системе моего предприятия?

В данном разделе будут рассмотрены типовые способы утилизации теплоты конденсата, которые в той или иной степени могут быть реализованы практически в любой пароконденсатной системе.

Но без детального и всестороннего обследования существующей пароконденсатной системы невозможно сказать однозначно, можно ли применить в данном конкретном случае какой-либо из рассмотренных способов или нет.

Что подразумевается под словосочетанием «утилизация теплоты конденсата»?

Начнём с нескольких основополагающих принципов:

  • Для нагрева какого-либо продукта в теплообменнике до определенной температуры следует использовать насыщенный пар.
  • Температура насыщенного пара должна быть выше температуры нагреваемого продукта на выходе из теплообменного аппарата.
  • Давление пара и температура пара взаимосвязаны, т.е. температура в теплообменнике зависит от давления пара.
  • Энтальпия насыщенного пара складывается из энтальпии воды (теплота конденсата) и теплоты парообразования (скрытая теплота).
  • В подавляющем большинстве случаев теплообменники проектируются для передачи продукту только скрытой теплоты, тогда как образующийся конденсат должен немедленно отводиться из теплообменника.

Конденсат и его теплота теряются безвозвратно, если конденсат попросту сбрасывается в атмосферу и не используется повторно. Даже если конденсат собирается в бак открытого типа и затем используется в качестве питательной воды для котла, то часть теплоты конденсата всё равно теряется вместе с паром вторичного вскипания, который образуется после конденсатоотводчиков и затем уходит в атмосферу из открытого конденсатного бака. Это явление мы рассмотрим ниже.

Утилизация теплоты конденсата в данном контексте означает максимально эффективное использование теплоты, уносимой вместе с конденсатом из теплообменного аппарата.

Для отвода конденсата из теплообменного оборудования применяются конденсатоотводчики, которые одновременно с этим выполняют роль дросселирующего устройства, т.е. на конденсатоотводчиках происходит падение давления, т.е. перепад давления между давлением пара в теплообменном аппарате и давлением конденсата в конденсатной системе.

Точка 1: Вход пара в теплообменный аппарат
Точка 2: Конденсат при температуре насыщения или с небольшим переохлаждением на выходе из теплообменного аппарата или перед конденсатоотводчиком.
Отрезок 1 2: Передача скрытой теплоты парообразования в теплообменном аппарате при постоянном давлении и температуре.
Точка 3: Состояние конденсата после конденсатоотводчика.
Отрезок 2 3: Падение давления – при постоянной энтальпии – от давления перед конденсатоотвочиком (Pv) до давления после конденсатоотводчика (Pg) или от температуры перед конденсатоотводчиком до температуры насыщения.
Точка 4: Конденсат при температуре насыщения после конденсатоотводчика.
Отрезок 3 4: Энергия, высвобождающаяся при падении давления в виде пара вторичного вскипания.
Отрезок 4 5: Остаточная теплота конденсата.
Количество образующегося пара вторичного вскипания может быть рассчитано по следующей формуле:


m расход конденсата [кг/ч]; h'2 энтальпия конденсата перед вскипанием [Ккал/кг или кДж/кг]; h'4 энтальпия конденсата после вскипания [Ккал/кг или кДж/кг]; r теплота парообразования при давлении за конденсатоотводчиком [Ккал/кг или кДж/кг].

Альтернативным способом вычисления количества пара вторичного вскипания может быть использование диаграммы на рис. 69, показывающей зависимость количества пара вторичного вскипания (в кг), образующегося из 1 кг конденсата, от давления перед конденсатоотводчиком (в теплообменнике) и давления после конденсатоотводчика.

Например: избыточное давление перед конденсатоотводчиком – 5 бар, избыточное давление после конденсатоотводчика – 0 бар, количество пара вторичного вскипания 0,11кг/кг, т.е. 11%.

Как мы видим, количество пара вторичного вскипания зависит от перепада давления на конденсатоотводчике и от количества конденсата. Этот факт также объясняет то, почему после правильно работающего конденсатоотводчика образуются «клубы» пара (они особенно видны, когда конденсат после конденсатоотводчика сбрасывается в атмосферу).

Если конденсат отводится в бак открытого типа, то легко можно наблюдать, как пар вторичного вскипания выходит из бака в атмосферу. В этом случае «клубы» пара ещё больше, так как в бак поступает конденсат сразу от нескольких конденсатоотводчиков одновременно.

При низких давлениях удельный объём пара достаточно высок. Невозможно отличить острый пар от пара вторичного вскипания, поэтому иногда даже специалисты путают пар вторичного вскипания с острым паром и делают ошибочные выводы о том, что конденсатоотводчики пропускают острый пар, хотя на самом деле эти конденсатоотводчики работают нормально.


На рис. 70 показан пример образования большого объёма пара вторичного вскипания после конденсатоотводчика: 100 кг/ч конденсата (из пара с давлением 8 бар (изб)) образуют 24 м3/ч пара вторичного вскипания, в то время как объем воды после конденсатоотводчика только 0,086 м3/ч.

Этот пример показывает, что оборудование для контроля работы конденсатоотводчиков необходимо устанавливать только перед конденсатоотводчиками, но не после конденсатоотводчиков.

Однако если используются высококачественные конденсатоотводчики, которые гарантируют отличную и безотказную работу, то контроль их состояния в большинстве случаев не требуется. Из нашей широчайшей линейки конденсатоотводчиков GESTRA мы можем предложить Вам надежные и качественные конденсатоотводчики для решения любой задачи.

Из сказанного выше становится понятно, что теплота, содержащаяся в конденсате перед конденсатоотводчиком, после конденсатоотводчи- ка разделяется на пар вторичного вскипания и остаточную теплоту конденсата.

Так как остаточный конденсат и, следовательно, его теплота практически всегда повторно используется (конденсат возвращается обратно в котельную и идёт на подпитку котла), то в данном контексте под утилизацией теплоты конденсата мы понимаем только эффективное использование пара вторичного вскипания.

Можно выделить 4 основных способа эффективной утилизации пара вторичного вскипания:

  1. подтопление теплообменных поверхностей конденсатом;
  2. применение специальных сосудов (сепараторов) для отделения и утилизации пара вторичного вскипания;
  3. установка теплообменника на общем конденсатопроводе;
  4. установка предварительного подогревателя перед основным теплообменным аппаратом.

Способ № 1:

Подтоплениетеплообменныхповерхностейконденсатом

Чтобы предотвратить образование пара вторичного вскипания после конденсатоотводчика, необходимо задерживать конденсат в теплообменнике, т.е. надо подтапливать теплообменные поверхности. Это означает, что часть теплоты конденсата будет передаваться нагреваемому продукту и, таким образом, конденсат будет остывать. Температура конденсата должна быть снижена внутри теплообменника до температуры насыщения (или ниже), соответствующей давлению в конденсатной линии после конденсатоотводчика.

Это означает, что участок трубы, в котором происходит такое охлаждение конденсата, должен быть достаточно длинным, т.е. теплообменникбудетвбольшей или меньшей степени подтоплен конденсатом.

В стандартных теплообменниках такая схема утилизации теплоты конденсата применяется сравнительно редко, так как подтопление теплообменных поверхностей снижает мощность и, следовательно, эффективность теплообменника, а также может приводить к возникновению гидроударов.

Однако в случае со спутниковым обогревом данный способ утилизации теплоты конденсата может быть реализован посредством использования соответствующих конденсатоотводчиков (см. раздел 4.26 «Пароспутники»).

Теплообменники с регулированием «по конденсату» в большинстве случаев работают с частичным подтоплением теплообменных поверхностей конденсатом. В этом случае подтопление поверхностей конденсатом требуется для поддержания температуры продукта постоянной. Однако такая схема регулирования является достаточно инерционной и рекомендуется к применению только на теплообменниках с вертикальными греющими поверхностями и с постоянным режимом работы.

На рис. 71 показан подогреватель топлива, оснащенный регулятором температуры прямого действия, который регулирует расход конденсата в зависимости от температуры продукта на выходе из подогревателя. Конденсатоотводчик предотвращает пролет острого пара в тех случаях, когда регулятор температуры находится в полностью открытом положении (в пусковых режимах или при поломке).

Способ №2:

Применение специальных сосудов(сепараторов) для отделения и утилизации пара вторичного вскипания

Если в пароконденсатной системе завода используется пар различных давлений, то данный способ утилизации теплоты конденсата является оптимальным.

Если всё-таки в пароконденсатной системе завода используется пар одного давления, то необходимо провести детальное обследование данной системы на предмет поиска одного или двух теплообменников, которые могли бы потреблять пар более низкого давления. В подавляющем большинстве случаев такой теплообмен¬ник или теплообменники в системе есть. Единственной причиной, по которой все теплообменники в системе потребляют пар одного давления, очень часто является то, что только такой пар и доступен для использования в системе.

Очевидно, что деаэраторы питательной воды в паровых котельных являются потребителями пара низкого давления. В большинстве случаев эти деаэраторы потребляют острый пар сдавлением 0,2—0,5 бар (изб).

Например, пар вторичного вскипания низкого давления можно использовать в системах обогрева помещений.

На рис. 72 показана принципиальная схема пароконденсатной системы с несколькими теплообменниками, потребляющими пар различного давления.

На практике, естественно, потребителей пара может быть намного больше.

В данном случае показана, так называемая, открытая конденсатная система, в которой пар вторичного вскипания уходит из конденсатного бака в атмосферу.

Данная система может быть оптимизирована путём установки сосудов для отделения пара вторичного вскипания между различными группами теплообменников, а также за счет замены конденсатного бака открытого типа конденсатным баком закрытого типа.


На рис. 73 показана закрытая система с тремя отделителями пара вторичного вскипания. Конденсат из теплообменника «16 бар» отводится в отделитель пара вторичного вскипания «5 бар». Пар вторичного вскипания из этого отделителя уходит в теплообменник «5 бар». Если этого пара из отделителя будет недостаточно для теплообменного процесса, то регулятор давления начнёт автоматически открываться и подавать недостающее количество острого пара в теплообменник, тем самым, поддерживая постоянное давление в теплообменнике и в отделителе. Конденсат из отделителя «5 бар» отводится через поплавковый конденсатоотводчик в отделитель пара вторичного вскипания «2 бар». Конденсат из теплообменника «5 бар» также отводится в этот отделитель. Пар вторичного вскипания из отделителя «2 бар» уходит в теплообменник «2 бар». Регулятор давления автоматически подаёт недостающее количество острого пара в теплообменник, поддерживая постоянное давление после себя.

Конденсат из теплообменника «2 бар» и конденсат из отделителя «2 бар» отводятся в отделитель «0,2—0,5 бар». Пар вторичного вскипания, образующийся в этом отделителе, используется для подачи в атмосферный деаэратор. Оставшийся в отделителеконденсатоткачивается насосами в бакпитательной воды.

На отделители пара вторичного вскипания «5 бар» и «2 бар» необходимо установить автоматические воздухоотводчики, так какнеконденсируемые газы (например, воздух), находящиеся в паре, могут значительно ухудшить теплообменные процессы.

В случае реконструкции существующей пароконденсатной системы, например, при переходе от открытой конденсатной системы к закрытой конденсатной системе, необходимо убедиться в том, будет ли пропускной способности существующих конденсатоотводчиков достаточно для работы в новом режиме. Дело в том, что в случае с закрытой конденсатной системой увеличивается противодавление на конденсатоотводчиках. Как результат, перепад давления на этих конденсатоотводчиках уменьшается и, следовательно, снижается их пропускная способность.

Конечно, не всегда требуется использование трех отделителей пара вторичного вскипания. В большинстве случаев будет достаточно одного или двух. На рис. 74 и 75 показаны такие системы.

Если весь пар вторичного вскипания, образующийся в системе, может быть полностью использован в одном теплообмен¬ном аппарате, то имеет смысл применить принцип термосифона. См. рис. 75. Единственное требование - теплообменный аппарат должен быть расположен вышеотделителя пара вторичного вскипания.

В соответствии с газовыми законами пар вторичного вскипания будет подниматься наверх в теплообменник «2 бар». Конденсат же под действием силы тяжести будет стекать вниз в отделитель пара вторичного вскипания.

При этом конденсат должен входить в отделитель ниже уровня воды, чтобы не препятствовать подъему пара наверх.



Для обеспечения нормальной термосифонной циркуляции необходимо эффективно отводить воздух и другие неконденсируемые газы из этого циркуляционного контура. Принцип термосифона можно реализовать только, если теплообменный аппарат работает на постоянном давлении.

Какое-либо регулирование работы теплообменного аппарата по «паровой стороне» невозможно.

Способ №3:

Утилизация теплоты конденсата посредством установки теплообменника

на общем конденсатопроводе

Принципиальная схема показана на рис. 76.

Оптимальная температура продукта поддерживается посредством 3-х ходового регулятора температуры. Данный клапан предотвращает чрезмерное повышение давления в общем конденсатопроводе. Для нормальной работы данной системы необходимо, чтобы количество теплоты пароконденсатной смеси было больше количества теплоты, требуемого для нагрева продукта в теплообменнике. Избыточное количество пароконденсатной смеси отводится в конденсатный бак ниже уровня воды. Эта пароконденсатная смесь используется для нагрева умягченной воды. Для предотвращения гидроударов в конденсатном баке пароконденсатная смесь должна подаваться в бак ниже уровня воды и обязательно через барботажную трубу. Суммарная площадь всех отверстий в барботажной трубе должна быть равна площади поперечного сечения этой трубы.

Конец барботажной трубы должен быть заглушен. В трубе выше уровня воды (внутри бака) необходимо предусмотреть небольшое отверстие, которое при остановках системы предотвращает всасывание конденсата в барботажную трубу. Такая система обеспечивает максимальную утилизацию пара вторичного вскипания.


Способ№4:

Утилизация теплоты конденсата посредством установки предварительного подогревателя

передосновным теплообменным аппаратом

Если утилизация пара вторичного вскипания непосредственно в основном теплообменном аппарате невозможна, то перед данным теплообменным аппаратом можно установить предварительный подогреватель.

Теплообменный аппарат используется для нагрева продукта от начальной температуры до конечной температуры.

Данный теплообменный процесс требует определенного количества пара. Однако, если «вторичное тепло» используется для предварительного подогрева продукта, то для достижения конечной температуры продукта в основном теплообменнике потребуется меньшее количество пара.

Предварительный подогрев продукта можно осуществлять посредством нерегулируемой подачи пара вторичного вскипания в предварительный подогреватель (если возможно, то с использованием термосифона, см. рис. 75) или, например, в небольших системах посредством подачи пароконденсатной смеси напрямую в предварительный подогреватель (рис. 77)

Основной теплообменный аппарат нагревает продукт - в нашем примере вода - до требуемой конечной температуры. Если пароконденсатная система достаточно большая и протяженная, то, естественно, можно использовать несколько предвари¬тельных подогревателей в различных точках системы для последовательного подогрева продукта.

В случае с большими теплообменными аппаратами рекомендуется проводить утилизацию пара вторичного вскипания и части теплоты конденсата в предварительных подогревателях, которые могут являться составными элементами этих теплообменных аппаратов, любо могут устанавливаться в непосредственной близости от этих теплообменных аппаратов (сбоку или снизу).


На рис. 78 схематически показан калорифер с предварительным подогревателем, установленным на входе воздуха в калорифер.

Смесь конденсата и пара вторичного вскипания от различных греющих секций уходит в конденсатный бак через предвари-тельный подогреватель. Скрытая теплота парообразования вторичного пара и часть теплоты конденсата передаются холодному воздуху, поступающему в калорифер. Конденсат после предварительного подогревателя стекает в конденсатный бак относительно холодным и без пара вторичного вскипания.


В примере на рис. 79 показан предварительный подогреватель, установленный под основным теплообменным аппаратом.

Конденсат из основного теплообменного аппарата самотёком поступает в предварительный подогреватель и отдает в нём свою теплоту продукту. Отвод охлажденного конденсата из предварительного подогревателя осуществляется посредством поплавкового конденсатоотводчика. Между предварительным подогревателем и поплавковым конденсатоотводчиком должен быть перегиб трубопровода, причем, верхняя точка перегибадолжна находиться выше предварительного подогревателя.

Для поддержания постоянного уровня до и после предварительного подогревателя необходимо установить трубку для выравнивания давления. Данная трубка должна соединять самую верхнюю точку участка трубопровода между предварительным подогревателем и поплавковым конденсатоотводчиком и трубопровод подачи пара в основной теплообменный аппарат. В этом случае предварительный подогреватель всегда будет затоплен конденсатом. Давление в основном теплообменном аппарате и в предварительном подогревателе будет одинаковым (в данном случае мы пренебрегаем статическим давлением столба жидкости междуосновным теплообменным аппаратом и предварительным подогревателем).

На выходе из основного теплообменного аппарата необходимо установить автоматический воздухоотводчик.

Данный способ взаимного расположения основного теплообменного аппарата и предварительного подогревателя имеет некоторые преимущества по сравнению со способом, показанным на Рис. 78 (предварительный подогреватель расположен сбоку от основного теплообменного аппарата): в качестве греющей среды в предварительном подогревателе используется только вода; входная температура продукта выше; диаметры трубопроводов могут быть уменьшены; практически полностью исключаются проблемы, связанные с гидроударами, кавитацией и эрозией в трубопроводах (данные проблемы характерны для двухфазных потоков пар/конденсат).

Площадь греющих поверхностей предварительного подогревателя рассчитывается, исходя из доступного для утилизации количества «вторичного тепла» и требуемой выходной температуры конденсата.

Если Вы хотите улучшить тепловой баланс Вашего предприятия посредством снижения тепловых потерь, то специалисты GESTRA всегда готовы обсудить с Вами существующие проблемы и разработать детальный план мероприятий, удовлетворяющий конкретно. Ваши требования. Естественно, мы также поставим Вам всё необходимое оборудование и проведем шеф- монтажные и пуско-наладочные работы.