Методика расчета термического деаэратора
Характерная особенность термического деаэрирования — поддержание температуры воды на выходе из деа - эрационной установки на уровне температуры насыщения при давлении в деаэраторе, так как при этом равновесная концентрация растворенных газов на границе раздела фаз оказывается равной нулю. Движущая сила переноса, равная разности равновесной и рабочей концентраций, достигает своего максимального значения, т. е. равняется рабочей концентрации растворенного в жидкой фазе газа.
Подогрев вод до температуры насыщения осуществляется в процессе прямого взаимодействия парового и жидкостного потоков, следовательно, термический деаэратор одновременно выполняет функцию смешивающего подогревателя.
Обратная вода от промышленных теплопотребителей возвращается на заводскую ТЭЦ или котельную с различными уровнями температур и давлений. Как правило, эти уровни близки к атмосферному давлению или ниже его, поэтому потоки воды подлежат деаэрировонию. В объем деаэратора могут сбрасываться потоки с температурой выше температуры насыщения в деаэраторе — кипящие потоки и с температурой ниже — некипящие. Одновременно следует помнить, что выделившиеся в паровую фазу газы удаляются из бъема деаэратора с излишком пара (выпаром).
Установив входящие и уходящие потоки (рис. 12.11) теплоносителей деаэратора и задав согласно требованиям котельной энтальпию питательной воды на выходе из деаэратора 1Д. Е, определим количество пара, подводимого к деаэратору, из уравнения баланса
Т, т2
“Ь Ок. п1к. п Он. п/н. п = Од. в/д. в -)- (?пып^'вып - (12.5)
&=1 А=1
Здесь йи, вк. п, 0*.п, Од. в, ввып — расход греющего пара £-го кипящего потока, деаэрированной воды, выпара; /п, 1'к. п, *н. п. гд. в, 1Вып — энтальпия греющего пара 6-го кцпящего потока, некипящего потока, деаэрированной воды, выпара соответственно.
Уравнение (12.5) записано при допущении отсутствия потерь тепла деаэратором в окружающую среду и отборов пара из деаэратора. На основании данных о кипящих потоках воды, сбрасываемой в деаэратор, определим среднюю энтальпию пара
О г + У Ск К-н~~‘д. в^
ИП П ' К. П г ]
°п+ 2ек. п(
4=1
Где Гд — скрытая теплота парообразования при давлении в деаэраторе; — энтальпия сухого насыщенного пара при давлении в деаэраторе.
Теплота парообразования и теплота перегрева паровых потоков идет на. подогрев некипящих..потоков до энтальпии питательной воды на выходе из деаэраторов. Количество сконденсировавшегося в объеме деаэратора пара при заданной энтальпии г'д. в получим из соотношения
Т
2 ^.пОд. в-'н. п);
О; = ^ . (12.7)
Ср 1д. в
Тогда расход деаэрированной воды на всосе насоса
А=1 |
Бк* „ - Скй. п (>К-Гд-Д--В)]. (12.8)
Определив количество пара, необходимое для подогрева воды в объеме деаэратора, и выбрав тип десорбционного устройства, выполним расчет деаэрационной колонки.
Для струйной деаэрационной колонки рассчитывают число тарелок (отсеков), необходимых для получения допустимой (заданной) концентрации газа в воде. Тепловой расчет ведется
Последовательно для каждого отсека и включает определение температуры воды и расход пара в каждом из отсеков, начиная с верхнего. Расчету предшествует выбор геометрических характеристик отсека (длина струй, начальный диаметр и шаг струй).
Длина струй Ь принимается равной расстоянию между нижней плоскостью вышерасположенной тарелки и видимым (динамическим) уровнем воды &д„н на нижележащей тарелке того же отсека. Высота отсека
Н = Ь -)- /1дИн. (12.9)
Динамический уровень воды на тарелке найдем по динами
Ческому напору:
(величины /гг с, ДР определяются в процессе гидродинамического расчета отсека).
Для деаэрационных колонок малой производительности рекомендуемая длина струй Ь не должна превышать 0,35—0,5 м. Оптимальная длина струй корректируется предельно допустимой скоростью пара в целях ограничения уноса капельной влаги паровым потоком.
Диаметр отверстий й0 на тарелках выбирают с учетом условий развития поверхности струй и оптимальной эксплуатации обычно ^0=5^-8 мм. Шаг отверстий на тарелке принимают равным 18—20 мм при расположении их в вершинах равностороннего треугольника.
В струйных колонках для расчета подогрева воды в отсеке используются эмпирические уравнения, связывающие выходную температуру воды с параметрами деаэратора, геометрией отсека и скоростями потоков воды и пара.
При поперечном обтекании струй воды паром
^вых = ** —г -0,3 0,3• (12.11)
"оУ0 “’п
10
В случае продольного обтекания
/кых = ** ___ / /. .5 -0.3- [2])
0.05 861
10
В отсеках вакуумных деаэраторов
^--------------------- . (12.13)
При диаметре отверстий 5—8 мм и толщине днищ тарелок 4—6 мм коэффициент расхода и.0 = 0,75. Для практических расчетов коэффициент а принимаем равным 0,9.
Определив с учетом изложенного значение пи0 по уравнению
(12.14) для принятой схемы обтекания струй воды паровым по-
Рпс. 12.12. Зависимость коэффициента А, от давления в формуле подогрева воды в струях |
5: |
Рис.12.13. Зависимость коэффициентов А:, от абсолютного давления и тем-»
Пер атуры исходной боды
Рис. 12.14. Схема отсека струйной колонки
Током, с помощью одной из формул (12.11) — (12.13) вычислим температуру воды на выходе из отсека (на нижней тарелке). Количество пара, сконденсировавшегося на струях данного отсека, получим из соотношения
/71
^н. п (^вых 1н. п)
----------- (12.15)
П вых.
(*вы — энтальпия воды при температуре ^вых).
Для уточнения принятой в первом приближении средней скорости пара в пучке найдем скорости пара на входе в пучок и на выходе из него:
°П ^ ^ВЫП /1 п * г*
“'"■”==РП£ (^1-«Л): ( }
О
ВЫП / 4 4
(яОг-«^0)- (12Л?)
Здесь Свып — расход пара на выходе из струйного пучка, а для
Верхнего отсека выпар из деаэратора; £>ь Ь2 — диаметры внешней и внутренней условных окружностей; пи п2 — количество отверстий, вынесенных на условные окружности Д, Д.
Тепловой расчет струйной колонки проводится при выполнении схемы отсека (рис. 12.14), включая разметку отверстий на тарелке, что необходимо для определения средней скорости пара в пучке.
Подсчитаем среднюю скорость пара в отсеке:
I ОУ - I - СУ
П. ВХ 1 ОС П. ВХ г П. ВЫХ /1( 1 о
При ------ < 1,25 хюи =----------- =----- ; (12.18)
^п. вых
Т Ы) — Ш-
„ П. ВЧ 1 П. ВХ П. ВЫХ /10 1 Рк
При ------ > 1,2о Гоп =----------------- . (12.19)
П. вых 2 3 Л—52-
Полученная средняя скорость сопоставляется с принятой в начале расчета. Если расхождение превышает 0,1 м/с, расчет повторяется при новом исходном значении ы>п. Расчетное значение средней скорости пара в отсеке не должно превышать предельно допустимое из условий предотвращения уноса капель, определяемое по графикам рис. 12.15.
Температура воды на выходе из первого отсека, полученная в результате последовательных приближений,-является начальной для расчета ее подогрева во втором отсеке.
Расход воды через верхнюю тарелку рассчитываемого отсека определяется с учетом поступающих потоков воды и количества пара, сконденсировавшегося в предшествующем отсеке.
Давление пара во всех отсеках принимается постоянным и рапным давлению в деаэраторе, а пар — сухим насыщенным.
Выделение кислорода в отсеке с поперечным омыванием струн паром под давлением, большим нормального, рассчитываем по эмпирическому соотношению
Здесь Свх, Свых — концентрация кислорода в начале и в конце струи; В — коэффициент, зависящий от давления в деаэраторе (определяется по рис. 12.16); — количество пара, сконденсировавшегося в данном отсеке; — расход воды через верхнюю
Тарелку отсека. Формула (12.20) применима для определения остаточной концентрации кислорода в воде для недонасыщенной воды.
,5х |
9 |
||
7 |
|||
/ |
4 |
Г з |
Рис. 12.15. Зависимость предельно допустимой скорости пара в струйном отсеке от диаметра струи при различных давлениях (рМПа) в объеме деаэратора: 1 — 1; 2 — 0,8; 3 — 0,8; 4 —0,5; .5 _ 0,4; 6 — 0,3; 7 — 0,2; « — 0,12; 9 — 0,1 Рис. 12.16. Зависимость коэффициента В от давления в деаэраторе.
Относительная насыщенность воды газом ср характеризуется отношением фактического содержания его к предельно возможному при тех же параметрах:
= (12.21)
Где Сф (Р, <) —фактическая концентрация газа в воде при давлении и температуре в точке отбора пробы; СН(Р, 0 —предельная концентрация газа, соответствующая состоянию насыщения при тех же условиях и определяемая по закону Генри. При ф<1 воду называют недонасыщенной, при ф=1 — насыщенной, при Ф> 1 _— перенасыщенной.
Расчет по формуле (12.20) выполняется до отсека, на нижней тарелке которого вода достигает состояния насыщения. В рас* четах отсеков, на тарелках которых ф>1, пересыщение не учитывается. За начальную принимается концентрация, соответствующая состоянию насыщения при температуре воды на данной тарелке.
При продольном обтекании струй паром выделение кислорода определяем по формуле
С, ы> = - дп,./мо.8 - и(12.22)
И'02И(У°,5-о~и'3'
10
В отсеках вакуумных деаэраторов остаточная концентрация кислорода
SHAPE \* MERGEFORMAT
3 |
Ю |
(12.23)
Где В1 — коэффициент, получаемый в зависимости от давления и температуры исходной воды (см. рис. 12.13).
Гидростатический уровень при максимальной нагрузке необходимо выбирать таким, чтобы при минимальной нагрузке он соответствовал 5—10 мм.
Количество отверстий на тарелке предварительно рассчитаем по уравнению
(12.24)
Где бв — полный расход воды через данную тарелку; р„ — плотность воды при температуре на тарелке;- а2—коэффициент запаса на загрязнение (принимается а> = 1,0ч-1,10).
При заданных расходе, количестве и диаметре отверстий гидростатический уровень поды на тарелке
(12.25)
Потери давления между отсеками
(12.26)
Где АР) — паровое сопротивление пучка струй; — коэффициент местных сопротивлений, определяется по справочным данным.
(12.27) |
Паровое сопротив, ечне одного ряда струй приближенно принимается ранным 10 Па, тогда
АР, = 10«
(п — число рядов струй по ходу пара).
Неотъемлемым элементом современных конструкций деаэраторов являются непровальные барботажные устройства. Работа такой тарелки эффективна в том случае, если отсутствует провал жидкости через отверстия в ней. Режим работы тарелки определяется скоростью пара в ее отверстиях. Для практических расчетов минимальную скорость пара в отверстиях барбо - тажного листа определяют по эмпирической формуле
(12.28)
При скоростях пара в отверстиях выше юр'" прекращается провал жидкости в отверстия, а под листом образуется устойчивая
паровая подушка. Приближенно ее высоту можно определить по уравнению
(Рв — Рп)2^о’ |
(12.29)
Где шл — скорость пара в отверстиях барботажного листа; с?0 — диаметр отверстий или ширина щели; | — коэффициент местного сопротивления (принимается равным 1,9—2,0 для отверстия диаметром до 8 мм и 1,5 — для щелей шириной до 3 мм); с — коэффициент поверхностного натяжения. Практикой установлено, что при длине барботажного листа 0,6—0,8 м необходимо иметь высоту подушки не менее 0,4—0,45 м, при длине листа более 0,8 м — не менее 0,5 м.
Живое сечение барботажного листа определим из уравнения сплошности течения:
(12.30) |
Диаметр отверстий на барботажном листе рекомендуется принимать равным 5—8 мм, а ширину щелей 3—4 мм. Тогда число отверстий в барботажном листе
N = ^п//о
(/0 — площадь одиночного отверстия или щели). Шаг отверстий принимается =3й0, шаг между рядами 52 = 0,05-ь0,1 м. Количество отверстий в одном ряду
(а — ширина листа). Соответственно число рядов отверстий или щелей п = Ы/т (12.32), тогда рабочая длина листа / = (п — —1)52 (12.33).
Многочисленными исследованиями установлено, что эффективность деаэрирования на барботажной тарелке увеличивается до определенных значений динамического напора потока водяного пара. Так, для кислорода эта величина соответствует примерно 0,95 Па, для свободной углекислоты— 1,12 Па. Отношение конечной концентрации газа в воде к ее начальному значению составляет порядка 0,1.
Автомодельность эффекта дегазации при динамическом напоре выше указанных значений ведет к тому, что по мере повышения начальной концентрации газа пропорционально увеличивается конечная концентрация.
Таким образом, расчет барботажного устройства сводится к определению геометрических характеристик барботажной тарелки, обеспечивающих оптимальные динамические напоры в каналах (отверстиях или щелях).
Одновременно следует помнить, что температура воды, поступающей на барботажный лист, должна отличаться от температуры насыщения в объеме деаэратора не более чем на 4—5°С. В противном случае не происходит достаточного развития пенного слоя, и эффект деаэрации снижается.
Рис. 12.17. Расчетная схе:ла проектируемой деаэрационной колонки |
Таким образом, определяя количество отсеков в струйной части деаэрационной колонки по допустимой концентрации на выходе с учетом деаэрирования на барботажном устройстве, необходимо также учитывать допустимый недогрев воды на входе в бак-аккумулятор.
Расчет деаэрационных колонок с упорядоченными или неупорядоченными насадками отличается от расчета струйной колонки лишь конкретностью формы эмпирических уравнений, определяющих подогрев воды, десорбци - онные процессы в насадке и гидравлические сопротивления для каждого типа насадки.
Так как в рассматриваемый деаэратор (рис. 12.17) кипящие потоки воды не подаются, то энтальпия пара в объеме деаэратора будет равна энтальпии пара греющего. При выполнении де - сорбционного расчета удобно пользоваться табулированными значениями равновесных концентраций кислорода в воде (см. табл. 12.1).
Результаты теплового, гидравлического и десорбционного. расчета сведены в табл. 12.2.
Пример. Произвести расчет двухступенчатого деаэратора атмосферного давления производительностью Од в до 56 кг/с при следующих исходных данных: номинальное Давление в деаэраторе Р= 117,7 кПа; содержание кислорода в деаэрируемой воде С02 = 5,7 мг/кг; температура деаэрируемой воды {д п = = 104,2 °С; энтальпия деаэрированной воды I = 435,9 кДж/кг; основной конденсат расхода 0^ = 39,08 кг/с; температура конденсата ((нпп = 70 °С; энтальпия основного конденсата (<1)п = 293 кДж/кг; добавочная вода (расход) Сн2,п = 12>22 кг^с-' температура добавочной воды ^2,п = 30 СС; энтальпия добавочной воды 1(н2,п = 125,8 кДж/кг; давление греющего пара Рп = 117,7 кПа.
Температура пара 1П = 104,2 °С; энтальпия насыщенного пара при давлении в деаэраторе 1П = 2682,6 кДж/кг,
12.2. Тепловой, гидравлический, десорбционный расчет деаэратора
|
Тепловой расчет деаэрационной колонки
|
Показатель |
Расчетная формула или способ определения |
Результат |
Диаметр условной окружности, |
||
Внешней внутренней й2 |
По конструктивным эскизам |
1095 0,540 |
Условное количество отверстий на окружности, шт.: Внешней |
215 |
|
Внутренней п2 |
Г-О, П2 ~ ----- 7Г— 2 Б |
107 |
Динамический уровень воды на нижней тарелке Лд, м |
П =АР + к д 1 г. с (предварительно принимается) |
0,060 |
Длина струи в отсеке м . |
Ч=н-нЛ |
0,490 |
Коэффициент А, зависящий от давления |
По рнс. 12.12 |
0,0311 |
Средняя скорость пара пучке м/с |
Задается (уточнение расчетом) |
1.6 |
Температура воды на нижней тарелке /вых1, °С |
По формуле (12.11) |
95,1 |
Энтальпия воды на нижней та - релке (вых1, кДж/кг |
По таблицам [70| |
386,6 |
Количество пара, сконденсировавшееся в отсеке бп, кг/с |
По формуле (12.15) |
3.306 |
Количество пара при входе о отсек Оп вх, кг/с |
°п. бх = °п + СВЫП |
3.417 |
Скорость пара при входе в пучок и,, вх, м/с |
По (| ормуле (12.16) |
4,77 |
Количество пара при выходе из отсека ап вых, кг/с |
®п. вых = ^вып |
0.111 |
Скорость пара при выходе из пУчка шп. вых * м/с |
По формуле (12.17) |
0.31 |
Средняя скорость пара пучке ^р, м/с |
По формуле (12,19) |
1,62 |
Показатель |
Расчетная формула или способ определения |
Результат |
Отсек 2 (обтекание струй продольное) |
||
Длина струи Ь2, |
По предварительному чертежу |
1.0 |
Количество отверстий на тарелке 2 А^, ,шт. |
Аналогично |
2520 |
Шаг отверстий на тарелке 2 5а, м |
Конструктивные рекомендации |
С,02 |
Расход воды через тарелку 2 0в2, кг/с |
^2 = 0, - К |
54,61 |
Скорость воды в отверстиях тарелки 2 ш0, м/с |
По формуле (12.14) |
0,8 |
Гидростатический уровень воды на тарелке 2 йг0, м |
По формуле (12.24) |
58 |
Температура воды при входе в бак-аккумулятор <вых 2, °С |
По формуле (12.12) |
102,7 |
Энтальпия воды, входящей в бак-аккумулятор, (вых 2, кДж/кг |
По таблицам [70] |
430,4 |
Количество пара, сконденсировавшегося во втором отсеке, С кг/с |
По формуле (12.15) |
0,78 |
Нагрев воды в деаэрационной колонке М, СС |
^ = ^5 ^ВЫХ2 |
1.5 |
Количество воды, выходящее, из колонки, бвз, кг/с |
°вЗ = °2 + °п |
55,39 |
Количество пара, сконденсировавшегося в колонке, Оп к, кг/с |
Оп. к=о;+с; |
4,08 |
Расход насыщенного пара на колонку Оп, кг/с |
°п= °п. к + °вып |
4,19 |
Количество пара, сконденсировавшегося в барбатере, Оп е к, кг/с |
_ °вЗ (*Д » _ ‘«“ч) |
1,36 |
1-'п. 6. к ; .* ‘д. в |
Показатель |
Расчетная формула или способ определения |
Результат |
Г идравлический |
Расчет деаэрационной колонки |
|
Диаметр горловины £>, м |
Принимается в соответствии с конструкцией водослива (рис. 12.17) |
0,5 |
Сопротивление движению пара через горловину АР, Па |
АР -5 ^ |
0,59 |
Видимый уровень воды на тарелке I Лд, м |
*к-*г..+ " |
0,05 |
Гидростатическая характеристика Я[ |
0,29 |
|
Наружный диаметр тарелки £>г, м |
Конструктивно |
1,110 |
Ширина кольцевого зазора &к, м |
Конструктивно (рис. 12.17) |
0.145 |
Внутренний диаметр колонки м |
Ок=Ог + 2Ьк |
1,400 |
Живое сечение для прохода пара в кольцевом канале 2, м2 |
П_ *(^-Оат) 4 |
0.59 |
Скорость пара в кольцевом канале шп к, м/с |
_ °п п'к 2р ГП |
8,45 |
Сопротивление течению пара в кольцевом канале АР*, Па |
Лр*_ с Шп. кРп 2 |
98,1 |
Сопротивление проходу пара в пучке АР{, Па |
АРу = 10/1 |
80.0 |
Сопротивление проходу пара во втором отсеке ЛР2, Па |
Д Р2 = АР* + АР1 |
278.1 |
Пок аэ атель |
Расчетная формула или способ определения |
Результат |
Видимый уровень воды на тарелке 2 /гд. м |
"" ' (.« |
0.086 |
Гидростатическая характеристика второй тарелки Я? |
Л. И6 |
0.70 |
Расчет десорбции кислорода в деаэрационной колонке |
Содержание кислорода на верх* ней тарелке мг/кг |
Исходные данные |
6,7 |
Коэффициент п расчетной формуле В |
По рис.2.16 |
0,0011 |
Содержание кислорода на нижней тарелке мг/кг |
По формуле (12,20) |
3,66 |
То же при состоянии насыщения и данной температуре С(02гнасмг/кг |
По таблицам (12.1) |
1,4 |
Относительное насыщение воды на нижней тарелке отсека <р, |
По формуле (12.21) |
2,66 |
Расчетное содержание кислорода на второй тарелке для второго отсека С(о’, мг/кг |
Принимается равным состоянию насыщения |
1,4 |
Содержание кислорода на входе в бак-аккумулятор С^1 , мг/кг |
По формуле (12,22) |
0,9 |
То же при состоянии насыще. ния С$”вс’, мг/кг |
По таблицам (12,1) |
0,3 |
Относительное насыщение воды при входе в бак <р |
По формуле (12.21) |
3,0 |
Расчетная концентрация кислорода воды в бак-аккумулятор С^м), мг/кг |
Принимается равной концентрации при насыщении |
0,3 |
Установки непрерывного охлаждения воды замкнутых систем технического водоснабжения промышленных предприятий широко применяются в тех отраслях промышленности, где в силу особенностей технологических процессов производства или из-за дефицита пресной воды невозможно использование рек н открытых водоемов. В условиях растущей концентрации промышленных производств, повышения их энерговооруженности применение градирен — практически единственный перспективный метод рассеивания низкопотенциальной тепловой энергии в атмосферу.
Градирни представляют собой тепло - и массообменные аппараты, в которых перенос тепла от воды как охладителя рабочего тела (в машине, аппарате), деталей машин, продукта производства и т. п. в окружающую среду осуществляется конвекцией при взаимодействии потока воды и воздуха и испарением воды на поверхности раздела. Основной поток тепла отводится вследствие испарения некоторого количества воды на границе раздела фаз и переноса массы испарившейся воды в газовую среду. Поэтому к основным элементам градирни принадлежат устройства, обеспечивающие взаимодействие потоков горячей воды и воздуха, а также движение сред.