Про відмінності водопарових змішуючих теплообмінників УМПЕУ від пароводяних струменевих апаратів (ПСА)

Введення. ПСА - Пароводяні Струменеві Апарати (пароводяні інжектори по класифікації[1]). Виготовляють декілька підприємств під назвою: ПСА, ТСА, "Фісоник", "Транссоник". Принцип дії цих апаратів схожий. УМПЕУ – установки з магістральними пароежекторнимі пристроями (пароводяні змішуючі підігрівачі води по класифікації[1]). Виготівник, розробник, патентовласник: ТОВ "Прессмаш" р. Міасс Загальні властивості. УМПЕУ і ПСА є теплообмінними пристроями контактного типу, в яких відбувається змішування водяної пари і води безпосередньо. Т. до. у них відсутні проміжні теплообмінні поверхні і тепло передається при безпосередньому контакті пари і води УМПЕУ і ПСА володіють незрівняно вищими коефіцієнтами теплопередачі і мають в десятки разів менші розміри, чим поверхневі теплообмінники (кожухотрубні, пластинчасті). Їх тепловий ККД складає не менше 99%. Крім того, в них виключено явище пролітної пари і відсутня необхідність в системі збору конденсату. Апарати відрізняються малими габаритними розмірами. При однаковій тепловій потужності на виході змішуючі теплообмінники витрачають пари на 5-20% менше, ніж поверхневі підігрівачі. Висока надійність УМПЕУ і ПСА обумовлена відсутністю в конструкції апаратів тонкостінних трубок і вальцювальних з'єднань, а чистити їх доводиться набагато рідше, оскільки що відбуваються в них при теплообміні процеси в десятки разів зменшують накипеобразованіє. Процес чищень гранично легкий, оскільки конструкції є легкоразборнимі. Апарати є малоінерційними і швидко виходять на режим. Дані позитивні властивості УМПЕУ обумовлюють те, що впровадження їх в системи теплофікацій промислової і комунальної сфери є одним із заходів, що рекомендуються, виконуваних в рамках програм енергозбереження. Але технічна реалізація процесу змішення пари і води в УМПЕУ і ПСОВІ принципово відрізняється. А оскільки різні принципи дії даних пристроїв, то, природно, будуть різні і їх технічні характеристики і умови застосування. Для пояснення суті відмінностей необхідно зупинитися на конструкції обох пристроїв. Принцип дії ПСА. ПСА складається з парового сопла, камери змішення і дифузора. Потік пари розгониться до надзвукової швидкості за допомогою сопла Лаваля, після чого потрапляє в камеру змішення. Вода в камеру змішення подається співісному паровому потоку, у вигляді кільцевого струменя. При взаємодії потоків відбувається розпилювання води, внаслідок чого в камері змішення відбувається формування надзвукового двофазного потоку, що супроводжується передачею імпульсу і тепла від пари до води. Далі отримана суміш гальмується з виникненням стрибка ущільнення, підвищенням статичного тиску і конденсації пари. За деяких умов тиск вихідного потоку може перевищувати тиск вхідних потоків. Оскільки в соплі теплова енергія пари переходить в кінетичну енергію парового струменя, то ПСА ефективно може працювати тільки з великим процентним змістом пари [2]. Таким чином, необхідною умовою роботи ПСА є отримання двофазного стрибка ущільнення в камері змішення або дифузорі. Тому окрім точного розрахунку і виготовлення проточного тракту ПСА необхідно також забезпечити точне завдання і підтримку в заданих межах вхідних параметрів потоків пари і води, що визначають як можливість отримання стрибка ущільнення, так і його положення по осі Пса:-давленіє пари;-давление води;-температуру пара;-температуру води, що нагрівається;-степень сухості пари;-коэффициент інжекції (відношення витрат пари і води). При невиконанні цих умов наступає зрив роботи ПСА. Принцип дії УМПЕУ. УМПЕУ складається з водяного сопла, приймальної камери, камери попереднього змішення, встановленої на підводі пари, гасителя пульсацій тиску і байпасного трубопроводу з регулюючим вентилем для перепускання частини води, що нагрівається, в камеру попереднього змішення. Мережева вода розгониться у водяному соплі з пониженням статичного тиску і створенням зони розрідження в приймальній камері. Частина мережевої води (зазвичай в об'ємі до 10%) подається в камеру попереднього змішення по трубопроводу. У камері попереднього змішення ця частина води розпилюється форсунками, що розпилюють воду співісний і перпендикулярно потоку пари в паропроводі, що підводить, що забезпечує істотне збільшення поверхні зіткнення фаз. Для поліпшення перемішування і збільшення часу взаємодії середовищ, змішуваний потік додатково завіхряєтся генераторами вихорів. Підготовлена суміш, що має вихрову структуру, поступає в зону розрідження, створену соплом в приймальній камері, і конденсується на водяному турбулентному струмені. У гасителеві пульсацій тиску відбувається завершення процесу конденсації і зростання тиску нагрітого потоку води. Пульсації тиску демпфуються в гасителеві за рахунок пружності газів над вільною поверхнею води в ємкості гасителя, відокремленою від основного потоку перфорованою перегородкою, і створенням поворотних течій під вільною поверхнею за рахунок позитивного градієнта тиску по довжині гасителя. Таким чином, на відміну від класичної гідродинамічної схеми струменевого апарату, яка реалізована в ПСА і не змінилася з другої половини XIX століття, в УМПЕУ проточний тракт після сопла виконаний у вигляді дифузора, який утворює з вихідною частиною сопла канал з раптовим розширенням. Іншою відмінністю є те, що якщо в ПСА час взаємодії змішуваних потоків складає тисячні долі секунди, в УМПЕУ застосовані наступні способи інтенсифікації процесів теплообміну, що дозволяють збільшити час взаємодії змішуваних потоков:- змішення пари з мережевою водою, що розпилюється форсунками в об'ємі до 10% в камері попереднього змішення, за допомогою генераторів вихорів;- конденсація отриманої пароводяної суміші що має вихрову структуру на турбулентному водяному струмені, що закінчується з сопла;- завершення процесу конденсації і гасіння можливих пульсацій нагрітого потоку в гасителеві пульсацій. Такий новий підхід [7-10] дозволив забезпечити завершеність теплообмінних процесів і відсутність вібрацій і шуму при роботі УМПЕУ, а також значно розширити сферу застосування струменевих апаратів до діаметрів трубопроводів Ду500мм і продуктивності до 1600 т/ч. Режимні параметри, що визначають працездатність Умпеу:- тиск води перед пристроєм;- тиск пари;- коефіцієнт інжекції (витрата пари і витрата води). На відміну від ПСА робота УМПЕУ не залежить від температури води, температури пари, ступеня сухості пари. Порівняння технічних характеристик УМПЕУ і ПСА. Оскільки різні принципи дії порівнюваних пристроїв, то природно, будуть різні і їх характеристики. Реалізовані до теперішнього часу характеристики УМПЕУ і ПСА представлені в таблиці. Дані по ПСА узяті для ПСА максимальної продуктивності (НВО "Нові технології" м. Санкт-Петербург) з офіційного сайту 29 квітня 2008 року[6]. Показник ПСА Умпеумаксимальний Ду, мм 150 500проїзводітельность максимальна, т/ч 300 1600расход пари макс., Т/ч 36.3 72.6мощность максимальна, Гкал/ 24.0 48.0(Для збільшення потужності ПСА необхідно збільшувати кількість апаратів, що веде до зростання вартості обв'язування). Співвідношення тиску пари і води на вході. ПСА: Тиск пари має бути більше тиску води в 1.7-2.0 разу. УМПЕУ: Тиск пари може бути нижче (на 0.5 атм), рівно або вище за тиск води. Максимальний підігрів води, гр. Цельсія 80с 30с 60с(УМПЕУ з двоступінчатим введенням пари) Лінія підмішування. Потрібний Не требуєтсяпотері натиску води. ПСА: Відсутні. Може спостерігатися насосний ефект. УМПЕУ: Втрати натиску (зазвичай 0.07-0.12 Мпа) залежать від співвідношень тиску пари і води і діапазону витрати води. Дозвіл Ростехнадзора на застосування. Немає даних Дозвіл на застосування при параметрах Р=4.0 Мпа (40.0кгс/см2) і Т=3500с Вимоги до тиску пари і води. Принцип роботи ПСА припускає необхідність забезпечити тиск гріючої пари перед ним значно вище за тиск води на вході в апарат. Наприклад, для ПСА фірми "Нові технології" м. Санкт-Петербург тиск пари в 1.7-2.0 разу повинно перевищувати тиск води, що нагрівається. Аналогічна вимога для всіх парових інжекторів. Іншими словами, якщо необхідно нагрівати мережеву воду, що має тиск 1.0 Мпа(10.0кгс/см2), то необхідно забезпечити тиск гріючої пари не менше 1.7-2.0 Мпа(17.0-20.0кгс/см2) при потрібному для забезпечення підігріву води витраті пари від джерела пари (наприклад, паровий казан). Виконання таких вимог представляє складну і деколи малоздійсниме завдання. На відміну від ПСА в УМПЕУ тиск пари може бути як нижче, так і вище за тиск води перед пристроєм (найбільш оптимально коли тиск рівний). Наприклад, для підігріву мережевої води тиском 1.0 Мпа(10.0кгс/см2) досить забезпечити тиск пари 1.0мпа(10.0кгс/см2). Тиск води перед УМПЕУ повинен забезпечувати отримання на виході з неї нагрітого потоку (з урахуванням втрат натиску води) з необхідним тиском мережевої води. Про насосний ефект ПСА. У рекламних матеріалах, присвячених ПСА, часто підкреслюється така властивість як можливість нагріву і підвищення тиску мережевої води. Зустрічаються твердження про можливість відмовитися від насосів (негативний гідравлічний опір). Думка фахівців з цього питання [3]:1. Використання парових інжекторів для підігріву холодної води парою і подачі гарячої води в бак-акумулятор можливо, якщо вода і пара по своїх характеристиках відповідають вимогам санітарних норм і правіл.2. Економічна доцільність застосування парових інжекторів для системи підготовки мережевої води на теплопунктах споживачів, приєднаних до парових систем теплопостачання не така очевидна і повинна розглядатися для кожного об'єкту індивідуально. Якщо в схемі підігріву мережевої води буде використаний ПСА, що суміщає нагрів мережевої води з підвищенням її натиску, то гідравлічний і тепловий режими роботи теплової системи з ПСА є взаємозв'язаними. При підвищенні (пониженні) температури зовнішнього повітря необхідна температура мережевої води повинна знижуватися (підвищуватися) згідно температурному графіку регулювання. Це означає, що витрата пари через сопло ПСА також повинна зменшуватися (збільшуватися), що веде до змін тиску мережевої нагрітої води на виході з ПСА, а отже буде зміняться її витрата. У свою чергу, із-за змінної витрати води її температура на виході з системи теплопостачання не дорівнюватиме значенням, які повинні відповідати температурному графіку, розрахованому при постійній витраті мережевої води. (При якісному регулюванні система теплопостачання вимагає підтримки практично постійного гідравлічного режиму: невеликі коливання витрати мережевої води ±10% можливі із-за змінного навантаження гарячого водопостачання, якщо така є). Більш того, спроба повністю виключити з системи мережеві насоси і використовувати замість них ПСА потенційно небезпечна, оскільки приводить до наступних проблемам:-отсутствуєт можливість плавного регулювання теплової потужності;-возможны мимовільні збої насосного режиму ПСА при зниженні тиску пари нижче допустимого;-вследствие збоїв відбуваються раптове припинення циркуляції, попадання пари в трубопроводи теплової мережі і, як наслідок, гідроудари - тобто виникає аварійна ситуація. У зв'язку з вищесказаним реалізація насосного ефекту ПСА в системах теплопостачання не дозволяє відмовитися від використання мережевих насосів, оскільки знижує надійність системи. А рекламований ефект на практиці використовується в ПСА головним чином для виключення гідравлічного опору, або створення незначного натиску. Мабуть тому в статті [4] наголошується: "Обіцяний постачальниками насосний ефект нікчемно малий (підвищення тиску води на виході всього на 0.2-0.3 атм. Робота апаратів без насоса можлива на акумуляторний бак, тобто туди, де немає протіводавленія)". На відміну від ПСА принцип дії УМПЕУ припускає розділення гідравлічного і теплового режиму тепловий системи:-гидравлічеський режим системи теплопостачання забезпечується мережевими циркуляційними насосами (витрата води, що нагрівається, і тиск води, що нагрівається);-нагрев води забезпечується подачею пари в камеру попереднього змішення УМПЕУ від джерела пари (паровий казан, колектор); теплова потужність змінюється плавно за допомогою регулюючого клапана подачі пари шляхом дроселюв