Кондензни гърнета

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2008

Област на приложение на различни видове и базови критерии
за избора им

 

Технологичните процеси в немалък брой индустриални предприятия предполагат използването на парокондензатни системи. Базов елемент от тях са кондензните гърнета, наричани още кондензатоотделители. Както е известно на топлотехниците, те разделят високоенергийната парна фаза от водната фаза и поддържат определена стойност на налягането в топлообменния апарат. Също така, кондензатоотделителите задържат преминалата прясна пара до пълното й кондензиране. В статията представяме основните фактори, които следва да се вземат под внимание при избора на кондензоотделител, както и конструктивни специфики на различните видове. От
оптималния избор на кондензатоотделител
зависи в значителна степен ефективността на работа на цялата парокондензатна система. Изборът на кондензно гърне се определя на основата на няколко основни критерия, сред които необходимост от незабавно отвеждане на кондензата; наличие на предпоставки за появата на водни удари и вибрации; съдържание на агресивни съставки в кондензата; място за инсталиране на кондензното гърне; тип на захранващата пара; наличие на въздух; вероятност от образуване на “парна възглавница” и др. Също така е необходимо да се вземе предвид дали събирателният тръбопровод за кондензата е разположен над нагряваното съоръжение.
Друг критерий е запълването с кондензат. По-голяма част от нагревателните съоръжения изискват кондензатът да бъде отвеждан от парното пространство веднага след образуването му. Най-подходящи за такива системи са механичните кондензни гърнета. Термостатичните кондензатоотделители не отвеждат кондензата, преди температурата му да падне с няколко градуса под тази на парата, което води до запълване на парното пространство с кондензат. Допустимата степен на запълване на парното пространство с кондензат е важен фактор за избор на кондензно гърне.
Критерий е повдигането на кондензата. Скоростта, с която едно кондензно гърне отвежда кондензата, е функция на размерите на леглото на вентила и разликата в налягането между входа и изхода на кондензатоотделителя. При отвеждане на кондензата в атмосферата, понижението на налягането в кондензното гърне е еквивалентно на стойността, с която намалява налягането на постъпващата пара. Фактът важи и за случаите, в които изпускателният тръбопровод се намира на по-ниско ниво от кондензното гърне. Кондезното гърне може да се монтира в горния или долния край на източващата тръба, в зависимост от конкретните изисквания към инсталацията. При кондензно гърне, намиращо се в позиция по-ниска от повдигащата система, е най-удачно монтажът му да се извърши под точката на отводняване на съоръжението. Тъй като това невинаги е възможно, в определени случаи се налага кондензното гърне да се монтира в позиция по-висока от тази на повдигащата система. Възможно е повечето кондензатоотделители да се разположат в горната част на източващата тръба.
Важна предпоставка за избор на кондензатоотделител е
вероятността от воден удар
Вероятността от воден удар нараства, ако конфигурацията на парокондензатната система позволява образуване на водни джобове в ниските й точки. Друга причина за появата на воден удар би могла да бъде огъване на тръбопроводите. Възможно е и възникването му в тръбопроводите за обратен кондензат, когато кондензното гърне изпуска кондензат в абсолютно пълен събирателен колектор, с температура близка до температурата на насищане.
За предотвратяване появата на водни удари се препоръчва филтрите да се поставят странично с цел да се възпрепятства образуването на водни джобове, които могат да бъдат увлечени от преминаващата с голяма скорост пара. Друга превантивна мярка, целяща намаляване до минимум на възможността от появата на воден удар, е паропроводите да имат наклон по посока на изтичането, а точките на отводняване да бъдат на равни разстояния. Също така е препоръчително зад кондензното гърне да се монтират възвратни вентили, за да не се връща кондензатът в паропровода или в съоръжението. За приложения, в които съществува вероятността от възникването на воден удар, е препоръчително използването на кондензни гърнета с по-здрава конструкция, например термодинамични.

Вибрации, агресивност на кондензата, замръзване и прегряване
Вибрациите рядко са от решаващо значение при избора на кондензно гърне, тъй като повечето топлинни обекти не са подложени на вибрации. Изключения от правилото са буталните парни машини, помпите, парните чукове и парните корабни инсталации. За приложения, подложени на вибрации, за най-подходящо решение се считат термодинамичните кондензни гърнета.
Агресивност на кондензата е друг важен критерий. Сред причините за агресивност на кондензата е наличието на разтворени частици и газове, предимно кислород и въглероден диоксид във водата, с която се подхранва котелът. Газовете се пренасят от парата до нагревателните повърхности, където остават по време на кондензацията. При повишаване на концентрацията им газовете започват да се разтварят в кондензата, правейки го агресивен. Процесът, в който парата и водата влизат в контакт с нагряваното работно тяло, също се явява източник на корозия в редица случаи. Частично решение на проблема се състои в използването на корозионноустойчиви кондензни гърнета. По принцип корозия възниква в системите, работещи сезонно, които не се отводняват в периода на престой.
Условия за замръзване на паропроводите и кондензните гърнета съществуват за съоръжения, разположени извън сградите, след спиране на парата. Най-доброто решение за подобни приложения е използването на термодинамични кондензни гърнета, които, както бе подчертано, са устойчиви срещу замръзване. Голяма част от кондензните гърнета могат да бъдат термично изолирани, но това е временно решение в случаите, при които периодът на спиране на парата е дълъг.
Материалите, от които се изработват кондензните гърнета за прегрята пара, трябва да бъдат устойчиви на високи температури и налягания. В подобни приложения най-често се използват термодинамични и биметални кондензни гърнета. Възможно е също така монтирането на инверснобутални гърнета, но при условие, че възвратният вентил се монтира близо до входа за кондезното гърне, за да не се изпари водното му уплътнение вследствие на прегряване.
Други критерии за избор
Газовете, които съдържа парата или с които се запълва инсталацията по време на престой, влияят върху производителността на парокондензатната система. Допълнително някои кондензни гърнета имат склонност към запълване с излишен въздух. Ако конструкцията на кондензното гърне не гарантира резултатно отстраняване на постъпилия въздух, се налага използването на специална обезвъздушителна система, съответстваща на вида на кондензатоотделителя.
Известно е, че в определени случаи е възможна появата на “парна възглавница” в отводнителния тръбопровод. За предотвратяване на този неблагоприятен ефект използването на тръби с по-голямо сечение е неефективно решение, свързано с големи загуби. Възможно е образуването на “парна възглавница” и когато кондензното гърне е разположено над точката на отводняване. По тази причина най-често кондензното гърне се инсталира максимално близо до отводняваното съоръжение. За термокапсуловани кондензни гърнета оптималното разстояние на инсталиране е от порядъка на 1-1.5 метра от отводнявания уред, в зависимост от типа му. При по-близко инсталиране е възможно удължаване на времето за охлаждане на кондензата и съответно запълване на съоръжението с кондензат. С цел избягване на опасността от образуването на “парна възглавница” е препоръчително инсталирането на механичните кондензни гърнета в близост до точката на отводняване.
Критерий за избор на кондензно гърне е и възможността за групово отводняване. В съвременните конструкции кондезни гърнета проектирането на системи с групово отводняване би довело до повече проблеми, отколкото ползи. По принцип се препоръчва индивидуално отвеждане на кондензата, но оптималното решение зависи от конкретното приложение.
Базова характеристика за оразмеряване на кондензните гърнета е
отвежданото количество кондензат за определено време. Обикновено производителите на парни съоръжения предоставят данни за скоростта на кондензация. Тъй като парата кондензира по-бързо в момента на пускане на инсталацията, е препоръчително да се избере кондензно гърне с по-голям диаметър от номинално определения. В противен случай, ако се избере прекалено малко кондензно гърне, се създават условия за задържане на кондензат в парното пространство. Преобладаваща част от специалистите в областта считат, че изборът на кондензното гърне, издържащо двойно по-голямо натоварване от пресметнатото, е удачен. Необходимо е да се има предвид, че някои видове кондензни гърнета пренасят лесно големи товари, но при ниска производителност изпускат пара. Счита се, че най-подходящи за процеси с големи и резки промени на налягането и/или пароотнемането са поплавковите гърнета.
В зависимост от принципа на действие, кондензатоотделителите се разделят в четири основни категории - механични, термодинамични, термостатични и група, обединяваща кондензните гърнета, които не могат да се класифицират към някои от останалите групи.

Механичните - при отделяне на много кондензат
Работата на този вид кондензатоотделители се основава на механичен принцип. На практика, механичните кондензни гърнета се задействат при пoява на разлика в плътността на парата и кондензата, в резултат на която се предизвиква движение на поплавък или бутало. Тази група кондезни гърнета намират широко приложение при различни топлообменни процеси и апарати в промишлените предприятия, нуждаещи се от отделяне на значително количество кондензат.
Представител на категорията механични кондензатоотделители е кондезното гърне от т.нар. тип свободен поплавък. Принципът му на действие е следният - при постъпване на кондензата в гърнето, нивото на водата се повишава, което води до издигане на поплавъка над поставения ограничител. Следователно, създават се условия кондензатът да излезе през предвидения за целта изход. При намаляване на количеството кондензат, вследствие на пада на нивото, вентилът от конструкцията на кондензатоотделителя започва да затваря. Когато кондензният поток намалее и парата започне да достига до гърнето, вентилът затваря максимално. Преместването на поплавъка дава възможност непрекъснато да се отвежда кондензат. Текущото положение на поплавъка показва количеството кондензат, достигнало до гърнето. Предимство на механичните кондензни гърнета със свободен поплавък е лесната поддръжка, дължаща се на отсъствието на лесноизносващи се работни части в конструкцията на кондензатоотделителя. Основен недостатък е отсъствието на автоматично обезвъздушаване.
Друг вид механични кондензатоотделители са поплавковите от лостов тип, при които навлизането на кондензата в корпуса на гърнето повдига сфера, свързана чрез лост с главата на вентил. При движение на поплавъка нагоре вентилът отваря. Този вид гърнета изпускат кондензат в широк диапазон на промяна на натоварването. При намаляване на кондензния поток и достигане на пара до гърнето, регулиращият клапан на вентила напълно затворя, т.е. не изпуска пара. Недостатък на лостовите поплавкови гърнета е отсъствието на автоматично обезвъздушаване. Чрез ръчен кран, монтиран в горната част на корпуса, се реализира обезвъздушаването.
Съществува и трети тип поплавкови кондензни гърнета, при които обезвъздушаването е автоматично. При появата на пара в кондензатоотделителя, автоматичният обезвъздушител се разширява и предизвиква движение на специална част, което спира изтичането на пара. Навлезлият в гърнето въздух се събира в горната му част. С охлаждането на въздуха се охлажда и вграденият в гърнето термостат, отваря се обезвъздушителят и се изпуска ненужният въздух. Описаният вид гърнета се наричат още поплавкови с термостатично обезвъздушаване.
Друг тип механични кондензатоотделители са с инверсно бутало. Основни елементи в конструкцията им са тяло, капак, лост, бутало, филтър и клапан. Постъпващата смес от пара и въздух се събира първоначално под инверсното бутало, тъй като вътрешното пространство на кондензатоотделителя предварително е запълнено максимално с кондензат. Парните и въздушните мехури изтласкват буталото нагоре, клапанът се измества и затваря изхода на кондензата. След като парата кондензира напълно, буталото се премества надолу, клапанът отваря изходния отвор на кондензатоотделителя и засмуканият кондензат се изхвърля. За отвеждане на въздуха в горната част на буталото се пробива малък обезвъздушителен отвор.
Важни предимства на кондензатоотделителите с инверсно бутало са възможността за използването им при работа с прегрята пара. Също така са подходящи за използване в приложение, в които
образуваният кондензат е с високо налягане
Друго предимство е устойчивостта им на воден удар. Недостатък на кондензните гърнета с инверсно бутало са ниската скорост на изхвърляне на въздуха. При работата им на открито през зимата съществуват предпоставки от замръзване на кондензата.
Предимства на поплавковите кондензатоотделители са незабавно отделяне на кондензата, оптимална работа в широк диапазон на изменение на дебита на кондензата, слабо влияние на значителни по стойност моментни изменения на налягането. Друго предимство на поплавковите кондензатоотделите е възможността за работа при близо 100% противоналягане.
Подходящи са за инсталации, при които има възможност за регулиране на температурата. Предлагат се в изпълнение за хоризонтален и вертикален монтаж. Недостатък е невъзможността да бъдат използвани в инсталации, при които съществува опасност от силни водни удари и замръзване през зимата, както и необходимостта да се използват вентили с различни размери за различни стойности на налягането.

Термодинамичните - в паропроводи на открито
Работата им се базира на разликата в скоростта на парния поток и кондензата. Затворът в конструкцията на термодинамичните кондензни гърнета представлява свободна дискова шайба, която се затваря и отваря в зависимост от динамиката на потока. Намират приложение в магистрални паропроводи, монтирани на открито, при които стойността на диференциалното налягане е достатъчно висока за осигуряване на нормалната работа на кондензното гърне.
Термодинамичните кондензатоотделители се изграждат от няколко основни части - тяло с гнездо, подвижен диск, капак с резба, филтър и капак на филтъра. Действието им се основава на закона на Бернули, според който пълното налягане (сума от динамичното и статичното) във всички точки на движещата се течност, е постоянно. В съответствие със закона на Бернули, ако под свободно вибриращ диск се насочи газов или парен поток с висока скорост, под диска се създава подналягане (вакуум), което засмуква газовия поток надолу. Дискът не се отмества, тъй като вследствие на високата скорост на парата налягането върху долната му страна е много по-ниско от стойността на налягането върху горната му страна. За отваряне и затваряне на проходния отвор се използва кинетичната енергия на парата.
Предимства на термодинамичните кондензатоотделители са компактната конструкция и малко тегло, устойчивостта на хидравличен удар, възможността за работа при противоналягане 50%, ниската чувствителност към вибрации, корозионноустойчивостта им и др. Обезвъздушаването им обаче е бавно - съществува опасност от задръстване с въздух в пусковия период. Също така не се препоръчва използването им при разлики в налягането по-малки от 0.1 МРа и при топлообменни апарати с регулиране на температурата.

Термостатичните - при използване енергията на кондензата
Термостатичният принцип, на основата на който работят този вид кондензни гърнета, се базира на разликата в температурите на водата и парата. В резултат на разликата в температурите, вграденият в конструкцията на гърнетата термоелемент предизвиква затваряне на кондензатоотделителя. Отвеждането на кондензата се извършва, когато температурата на кондензата спадне под тази на парата. Термостатичните гърнета са подходящи за използване при топлообменни процеси с възможност за допълнително използване на енергията на кондензата (подохлаждане на кондензата).
Основни конструктивни елементи на термостатичните кондензни гърнета са тяло, капак, термостатичен работен елемент и клапан. Работният елемент се изработва от еластичен и бързореагиращ на температурни разлики материал. Термочувствителният работен елемент, който се запълва с лесноразширяващ се флуид, е неподвижно свързан с клапана. При постъпване на парокондензатна смес в гърнето, флуидът се изпарява, термочувствителният елемент се разширява и клапанът затваря проходното сечение на дюзата. При охлаждане на кондензата до определена температура, парата в работния елемент кондензира, термочувствителният елемент се свива и клапанът затваря проходното сечение. Предимства на термостатичните кондензни гърнета са голяма пропускателна способност, нечувствителност към вибрации, замърсен и агресивен кондензат, ниска чувствителност към замръзване, компактни габаритни размери. Недостатък е чувствителността им към резки изменения на дебита и налягането на кондензата.
Друг вид термостатични кондезни гърнета са биметалните. По принцип основни конструктивни елементи на биметалните кондензатоотделители са тяло, капак, конус с конусен прът и работен елемент. Функционирането им се базира на разликата между температурите на прегрятата (наситената) пара и подохладения кондензат. Флуидът постъпва в кондензатоотделителя и обтича работния елемент, който е директно свързан към затварящия орган (конус). Работният елемент представлява комплект биметални пластини, разположени една срещу друга в пакет. Пластините са с различни температурни коефициенти на линейно разширение. В зависимост от температурата на насищане за съответното действащо налягане отделните биметални пластини се огъват под различен ъгъл. Чрез свързания с биметалните пластини конусен прът се задейства затварящият орган. При повишаване на температурата на кондензата над тази на насищане на парата за съответното налягане, кондензатоотделителят се затваря плътно. При по-ниска температура на насищане се отваря и кондензатът изтича.
Сред предимствата на този тип кондензатоотделители са устойчивостта им на хидравличен удар, компактната конструкция, доброто обезвъздушаване, оптималната работа при по-ниски температури на околната среда, както и с агресивен кондензат. Подходящи са за паропроводи с променливо противоналягане. Сред недостатъците им са неприложимостта им за отделяне на кондензат с температура, равна на температурата на наситената пара, както и сравнително бавната реакция при изменение на условията на работа.
Сред широкото разнообразие от кондензни гърнета, които не могат да се класифицират към групите - механични, термостатични и термодинамични, са
импулсните кондензатоотделители
Основната им конструктивна особеност е, че главният вентил представлява част от цилиндър с бутало, който извършва свободно движение в конусна направляваща втулка. Импулсните гърнета се отличават със значителна пропускателна способност, независимо от малките си габаритни размери. Работят в широк диапазон на промяна на налягането, без необходимост от смяна на вентила. Друга тяхна способност е възможността за използването им с прегрята пара, имаща високо налягане. Характеризират се с добро обезвъздушаване.
Сред недостатъците им е, че не гарантират плътно затваряне, както и фактът, че при малки натоварвания изпускат пара. Също така при малки натоварвания създават шум, воден удар или механични увреждания. Не могат да се използват в приложения, при които разликата между изходното и входното налягане е по-голяма от 40%.
Друг тип са т.нар.
лабиринтов тип кондензни гърнета при които кондензатът постъпва странично на тръба. При движението си кондензатът преминава през няколко прегради, диаметрите на които се увеличават по посока на изходната тръба. При преминаването на кондензата през преградите, налягането му постепенно намалява. Това води до частично изпарение на кондензата във всяка от камерите, образувани от преградите. Следователно свежата пара не може да премине през гърнето. Лабиринтовите кондензатоотделители се отличават с малки размери, отсъствие на подвижни части в конструкцията. Сред недостатъците им е необходимостта от повторно регулиране при значителна промяна на налягането или дебита на кондензата. На практика, приложението им е значително ограничено.
Разработени са и т.нар. дюзови кондензни гърнета, в конструкцията на които също отсъстват подвижни части. Кондензатът изтича от дюза, което води до рязко намаляване на налягането. Падът на налягането е съпроводен с вторично изпарение на кондензата, при което образуваната вторична пара се разполага над изтичащия кондензат, като по този начин се явява преграда за изтичането на прясна пара. Дюзовите кондензни гърнета се отличават с малки габарити, лесни са за поддръжка, поради отсъствието на механични части. Отличават се с минимални топлинни загуби. Диаметърът на отвора, през който преминава въздухът, е малък и замърсителите лесно го блокират.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top