Технический директор ООО «Паровые системы» Павел Гилепп представил следующую статью о пароконденсатных системах на трубопроводах в шестом номере журнала «Вестник арматуростроителя».
Пар – уникальный теплоноситель. Он применяется повсеместно в промышленности для нагрева в самых разнообразных процессах. Пожалуй, нет такой промышленной отрасли, где на каком-либо этапе процесса производства не применяется пар. Этому есть достаточное объяснение. Свойства пара таковы, что в совокупности представляют собой букет преимуществ по сравнению с другими теплоносителями. Однако преимуществами необходимо умело пользоваться, чтобы они не превратились в недостатки. Сразу несколько свойств делают пар теплоносителем, который порой просто незаменим.
Кроме достаточно высокого удельного теплосодержания, пар имеет особенность, отличающую его от прочих нагревательных сред. Пар передает тепловую энергию при постоянной температуре. Меняется фазовое состояние, однако температура не изменяется. Передача энергии происходит при конденсации. Пар, имеющий температуру насыщения при определенном давлении, передает тепловую энергию через стенку поверхности теплообмена, а образовавшийся конденсат имеет все ту же температуру. Утилитарное качество пара, применяющегося для нагрева, состоит в том, что при конденсации поверхность теплообмена имеет одинаковую температуру в каждой точке.
Любой другой теплоноситель передает тепловую энергию, сам при этом остывая; температура в разных точках поверхности теплообмена также разная. Пар не остывает, он конденсируется. Есть целый ряд технологических процессов производства, которые могут функционировать с максимальной эффективностью только с паром в качестве нагревательной среды. Еще одним качеством пара является строгое соответствие давления и температуры. Это качество позволяет управлять процессами более гибко и более точно. Пар является очень удобным энергоносителем. Управлять давлением означает управлять температурой процесса. Кроме того, пар имеет высокое теплосодержание. Оно в несколько раз выше, чем теплосодержание такой же массы воды, при такой же температуре, а также высокий коэффициент теплопередачи. Именно поэтому пар применяется невероятно широко со времен начала промышленной революции и по сей день.
Все вышеперечисленные достоинства касаются именно насыщенного пара. Но есть и другое состояние пара – перегретый пар. И это совсем иная история. Названия пара скрывают за собой принципиально важные различия свойств. Буквальное звучание термина, а именно «перегретый пар», порой значительно искажает понимание. Жонглирование терминами часто доводит до такого утверждения, что раз пар перегретый, значит «он лучше и греет». Если в перегретом паре нет конденсата, то «не нужны конденсатоотводчики». И так далее.
Для начала вспомним, что такое перегретый пар. Чтобы нагреть воду до температуры кипения при определенном давлении, воде необходимо сообщить определенное количество тепловой энергии. Далее для превращения воды в насыщенный пар необходимо передать ей еще большее количество энергии. Эта энергия называется скрытой теплотой парообразования. Полученный сухой насыщенный пар может иметь только ту температуру, которая соответствует температуре насыщения при данном давлении. И никакую иную. Однако если греть дальше насыщенный пар, то его температура начнет расти. Она может быть условно любой, выше температуры насыщения, в зависимости от того, сколько именно тепловой энергии передать пару от внешнего источника. На рис. 1 мы видим пример сравнения свойств насыщенного пара при давлении 9 бар изб. и перегретого пара при том же давлении и при температуре 250 °С.
Казалось бы, перегретый пар явно более выгоден – у него выше теплосодержание, выше температура. Он более ценен. Действительно, раз перегретый пар содержит больше энергии, то он более ценный теплоноситель. Чтобы правильно интерпретировать свойства перегретого пара в достоинства и недостатки, рассмотрим два применения перегретого пара, а именно: транспортировка и нагревательный процесс. Турбинное применение оставим в стороне внимания.
Транспортировка. Перемещать энергию в виде перегретого пара выгоднее, если речь о длинных расстояниях трубопроводов. Плотность перегретого пара ниже, чем у насыщенного пара при том же давлении. Транспортировать перегретый пар можно с более высокими скоростями, чем насыщенный пар. Согласно действующим требованиям, скорости пара должны быть не более:
для перегретого пара: трубы до Ду 200 мм – скорость 40 м/с;трубы свыше Ду 200 мм – скорость 70 м/с;
для насыщенного пара: трубы мм: до 200 – скорость 30 м/с;
трубы свыше 200 – скорость 60 м/с.
При транспортировке одинакового количества тепловой энергии для перегретого пара требуются трубы меньшего диаметра. Разумеется, диаметры трубопроводной арматуры тоже ниже. Строительно-монтажные работы также тем дешевле, чем меньше диаметры монтируемых труб. Стоит вспомнить про теплоизоляцию, затраты на которую также снижаются с уменьшением диаметров труб.
Что касается необходимости конденсатоотводчиков для дренажей паропроводов перегретого пара, вопрос не так однозначен, как могло бы показаться. Не стоит думать, что раз в перегретом паре по умолчанию отсутствует конденсат, то конденсатоотводчики не нужны. В интервале времени, когда паропровод только разогревается, образование конденсата весьма интенсивное и конденсат безусловно следует удалять.
Речь идет о пусковых дренажах. Потребность в конденсатоотводчиках, количество и места их установки зависят от множества факторов. Например, паропровод имеет относительно короткую протяженность, эксплуатируется непрерывно круглый год, с одной-двумя остановками в году. Разогрев происходит под наблюдением с ручными дренажами, количество которых из-за малой длины трубы также невелико.
В этом случае отсутствие конденсатоотводчиков не отразится ни на скорости разогрева, ни на безопасности процесса запуска паропровода. Но если паропроводы протяженные и/или происходят частые остановы со снятием и набором давления, то конденсатоотводчики значительно облегчают и ускоряют процесс разогрева. Кроме того, тупиковые ветки паропроводов требуют наличия конденсатоотводчиков в любом случае. Тупики могут быть временными, когда абоненты на ответвлениях не потребляют пар некоторое время, а затем снова начинают потреблять. Во время перерывов в потреблении пар остывает и начинает конденсироваться, находясь в трубе без движения. В таком случае конденсатоотводчик предотвращает накапливание конденсата и при возобновлении потребления пара исключает риск возникновения гидроудара.
