CC BY
643
т е п л о э н е р г е т и к а
УДК 621.186.2.001.24
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ ПАРА В ТЕПЛОПРОВОДАХ
Чл.-кор. НАН Беларуси, докт. техн. наук, проф. ХРУСТАЛЕВ Б. М., канд. техн. наук, проф. АКЕЛЬЕВ В. Д., канд. техн. наук СИЗОВ В. Д., инж. ЗОЛОТАРЕВА И. М.
Белорусский национальный технический университет
С целью уменьшения падения температур пара в паропроводах была поставлена задача выявить зависимости температуры пара на выходе из паропровода от давления и температуры пара на входе, температур наружного воздуха и транспортируемого пара, теплопотерь в окружающую среду.
В качестве исследуемой модели был выбран участок действующего паропровода длиной 596 м, диаметром йв = 205 мм, теплоизолированного минеральной ватой, толщиной 60 мм, обернутого стеклотканью и проложенного на 122 железобетонных эстакадах.
Средний расход пара составлял 5,5 т/ч, максимальный - 6,6, минимальный - 1,5 т/ч. Давление на входе в паропровод - 0,24-0,4 МПа, на выходе -0,2-0,38 МПа.
Выявленные термодинамические параметры пара в действующем паропроводе в различное время эксплуатации показали, что на входе в теплопровод пар - перегретый (область А), а на выходе - влажный насыщенный (область Б, степень сухости - 0,81-0,92) (рис. 1).
Измеренные температуры наружной поверхности теплоизоляции теплопроводов были равны 11-26 °С, внутренней - 137-141, а поверхностей швеллеров в плоскости контакта с теплопроводами - до 33 °С при температуре наружного воздуха «1,6 °С.
Снижение температуры пара при различных давлениях на выходе и входе, а также перепадах давлений в теплопроводе иллюстрировано рис. 2, из которого видно, что падение температур пара на входе и выходе из теплопровода изменялось от 24 до 66 °С (при начальных температурах пара 127-250 °С), а корреляционная связь между разностями температур и давлениями отсутствовала.
Рис. 1. Параметры пара на входе в теплопровод и выходе из него в ИБ-диаграмме
А/, °С
40
20
А/, °С 60
40
20
• :: • •
•
• • •
1 1
б
а
0,20 0,24 0,28 0,32 0,36 р, МПа 0,25 0,33 0,41 0,49 р, МПа
А/, °С 60
40 20
0,2 0,6 1,0
1,4
, МПа
Рис. 2. а - падение температуры пара при различных давлениях на выходе из теплопровода; б - то же при избыточных давлениях на входе в теплопровод; в - то же при перепадах давления пара в теплопроводе
в
Известно, что в теплопроводах, особенно большой длины, скорость пара на входе имеет большие значения, но в то же время, влияя на теплообмен, зависит от него. Скорость пара убывает по длине паропровода и при полной его конденсации на выходе может быть равна нулю (конденсат в трубе).
На входе в теплопровод режим течения пара обычно турбулентный. При конденсации пара скорость уменьшается, и режим течения становится ламинарным с увеличением расхода конденсата.
Режимы течения в горизонтальных и вертикальных теплопроводах зависят от скорости потока. Для потоков с большой скоростью конденсат образует кольцевую пленку. Часть конденсата уносится потоком пара. Вдоль теплопровода скорость пара падает вследствие конденсации, что снижает динамическое давление. Это приводит к уменьшению уноса (сдвигающее усилие, отрывающее капли, ослабляется), асимметрии пленок, вызванных преобладающим действием сил тяжести. Для малоскоростных потоков последовательность режимов такая же, но кольцевое течение затем становится волновым, расслоенным.
Приведенные скорости пара и конденсата были рассчитаны в соответствии с [1]:
провода, м; юп - скорость пара, м/с; юк - то же конденсата, м/с.
Если транспортируемый пар насыщенный, то при температуре 150 °С расход составляет 5 т/ч, юп = 16,53 м/с, юк = 0,615 м/с.
Следовательно, в этом случае (0,5 < Жк <1,5) возможен переход от модели расслоенного к кольцевому течению.
При расходе 1,5 т/ч (юп = 4,97 м/с; юк = 0,184 м/с), когда Жк < 0,5, возможна модель расслоенного течения.
Расчеты показали, что при температуре пара на входе 220 °С, давлении 0,65 МПа по теплопроводам, диаметры которых 159x4,5 мм и 194x4,5 мм, а конденсатопровода - 76x4,5 мм, может проходить до 8 т пара в час.
При этом на выходе из теплопровода (й = 194x4,5 мм) температура пара падает, давление снижается до 0,56 МПа, а удельные потери давления составляют до 149 Па/м при скорости перегретого пара 32 м/с.
Для конденсатопровода (й = 76x4,5 мм) удельная потеря давления составляет 110 Па/м, а суммарная потеря давления - 65560 Па.
Для определения влияния теплопотерь на падение температур пара в паропроводе существующая теплоизоляция была приведена в соответствие с нормативно-техническими документами [2], согласно которым толщина теплоизоляционного слоя теплопровода должна составлять не менее 70 мм, а конденсатопровода - 40 мм (маты минераловатные прошивные марки 125 ТУ 21-31-64-88 и защитное покрытие - лист из алюминия и алюминиевых сплавов ГОСТ 21631-76).
После монтажа слоев теплоизоляции в соответствии с рассчитанными характеристиками замеры показали, что падение температуры по длине осталось прежним. Это свидетельствует о том, что теплопотери в окружающую среду не являлись определяющими факторами, влияющими на падение температур пара в теплопроводе.
(1)
(2)
где g - ускорение силы тяжести, м/с2; рп - плотность пара, рп = 2,55 кг/м3; рк - то же конденсата, рк = 917,0 кг/м3; й - внутренний диаметр тепло-
Падение температуры, связанное с процессом внутреннего охлаждения, характеризуется величиной, зависящей от ДТ. Ее максимальное значение
( дТ Л
в обратимых изоэнтропных процессах — , в необратимых -
др
/5
( дТ Л ( дТ л — < —
дР ) X \дР
(3)
/5
где Х - параметр, определяющий условия процесса охлаждения.
Интегральный эффект охлаждения
дТ
- величина, характеризую) X
др
щая отношение падения температуры ДТ в зависимости от падения давления Др, не может быть адекватным показателем термодинамической эффективности процесса охлаждения, так как не определяет степень приближения процесса к идеальному.
Внутреннее охлаждение, зависящее от ДТ и Др, можно представить в эксергетических величинах с сопоставлением затрат, связанных со снижением давления и эффектом охлаждения. Известно, что если процесс необратим, эксергия исчезает безвозвратно, в то время как энергия не исчезает, а переходит в другие, нежелательные формы. В реальном процессе работа меньше, чем убыль эксергии. Это означает, что часть эксергии не превратится в работу, а исчезнет в результат необратимости [3]. Эксергия системы, взаимодействующей с окружающей средой, остается неизменной при обратимом проведении всех процессов как внутри нее, так и при взаимодействии со средой и уменьшается, если любой из этих процессов проходит необратимо [3].
Эксергию вещества рассчитаем по формуле:
е = Иг - И0 - Т0 ^ - S0), (4)
где к, 5 - энтальпия и энтропия;
е1 = 2810 - 273,2 - 273,2 •(6,3 - 6,608) = 2620,9 кДж/кг; е2 = 2450 - 273,2 - 273,2 •(6,9 - 6,608) = 2097 кДж/кг.
Индекс «0» обозначает состояние вещества в равновесии с окружающей средой, когда потери энергии не только пропорциональны разностям температур ДТ между более и менее нагретыми поверхностями, но и температурному уровню теплопереноса. При одинаковых ДТ потери эксергии при более высоких температурах всегда меньше, чем при низких.
С этих позиций процесс внутреннего охлаждения часто сводится к преобразованию ер в еТ (эксергия падения температуры), а коэффициент
полезного действия можно определить по выражению
ДеТ Пе .
ДеР
Значение ДеТ при понижении температуры - положительная величина.
Изменения величин ep и eT , связанные с процессом большого пониже-
ния средних температур при заданных значениях давлении р\ на входе и р2 на выходе из теплопровода, представлены на ей-диаграмме, которая представляет собоИ косоугольную модификацию hS-диаграммы, где ось энтропии наклонена влево от вертикали на угол, при котором все прямые e = const располагаются горизонтально (рис. 3).
е, кДж/кг е1
si Pi = 0,42 МПа
P2 = 0,39 МПа
к0 = 273,2 к2 = 2450 к1 = 2810 к, кДж/кг
Рис. 3. Схема падения внутреннего охлаждения (падения температуры пара) на ек-диаграмме
Пар на входе в теплопровод (точка 1) переходит в состояние с меньшим давлением (точка 2). Энтропия в этой точке не может быть ниже, чем 51. Следовательно, точка 2 может находиться на отрезке изобары р2 между точкой 2'', 52 = 51, и точкой 3, где ¿3 = причем, чем меньше расстояние между точками 2 и 2'', тем больше падение температуры:
51 = 6,3 кДж/(кг-К); А5 = 0,6 кДж/(кг-К); 52 = 6,9 кДж/(кг-К); к1 = 2810 кДж/кг; Ак = 360 кДж/кг; к2 = 2450 кДж/кг.
Среднее значение энтропии окружающей среды в диапазоне температур от -10 до +10 °С равно
(-Ю-+10 °С) 6,571 + 6,440
5окр.среды =-2-= 6,505 кДж/(кг-К).
При понижении давления эксергия пара уменьшается от е1 (еТ1 + ер1) до е2 (ер2 + еТ2). При этом величина ер снизилась от ер1 до ер2, а еТ - от еТ 1 до еТ 2 (охлаждение) - переход ер в еТ. Эксергетический КПД этого процесса преобразования энергии
Пе =
При этом
epl ep 2
Aep = epl - ep2 = Aea-0 - Aeb-0 = Aeab ,
а Ает = ет 1 _ет 2 = Ае1-2 _АеаЬ, поэтому
П =Ае1-2 АеаЬ =Ае^ -1. (5)
е Ае аЬ Ае аЬ
В процессах расширения в низкотемпературных системах (^ < ^.с) происходит преобразование энергии 1Р в энергию 1т, связанную с охлаждением (1Р ^ 1т). Это объясняется различием целевого назначения процесса расширения при t > ¿о.с. В зависимости от способа расширения процесс преобразования 1Р ^ 1т может сопровождаться отводом энергии как работы любого вида (адиабатный детандер), так и теплоты (неадиабатная вихревая труба) и энтальпии части расширенного потока газа (адиабатная вихревая труба). Наконец, процесс может происходить вообще без энергетического обмена (адиабатное дросселирование).
В необратимых процессах не получается ни охлаждения, ни каких-либо побочных эффектов (точка 3). Тогда це = 0 (дросселирование идеального газа, при котором Т3 = Т1) и Ар срабатывается без какого-либо полезного результата.
В реальных процессах 1 > пе > 0, и первый член числителя формулы отличен от нуля, так как процесс охлаждения имеет место только в этом случае.
При нахождении пе для процессов охлаждения ер ^ ет, заменим величину АеаЬ на Ае1-3 - разностью эксергий между начальным и конечным давлениями по изотерме Т1 вместо То.с
2 - Ае1-з Ае2_з
Пе -1-3 = (6)
Ае1-3 Ае1-3
В идеальном случае е1 « е2, т. е.:
К1 _ К _ т0 (_ )= К2 _ К _ т0 (_ ); (7)
К т0 = К2 т0 32; К (Р1, ^ )_ т031 = К2 (Р2> t2 )_ ^
(8) (9)
К2 (Р2, t2 ) = К1 (Р1, t1 )+ т0 (32 _ ). (10)
Из (10) видно, что энтальпия пара на выходе из теплопровода (точка 2) зависит от энтальпии пара на входе в теплопровод, температуры окружающего воздуха и разности энтропий пара в соответствующих точках.
Следовательно, температура пара на выходе из теплопровода зависит от температуры и давления пара на входе в теплопровод, температуры наружного воздуха, транспортируемого пара и теплопотерь. С учетом изложен-
ного выше была предложена диаграмма, в соответствии с которой падение температуры в паропроводе может быть определено в зависимости от температуры и давления на входе в паропровод (рис. 4).
Температура пара на входе в теплопровод
Рис. 4. Зависимость падения температуры пара от давления и температуры пара на входе в теплопровод
Если среднее значение абсолютного давления на входе в паропровод -0,438 МПа, среднее значение температуры составляет 218 °С, то при этих параметрах пар - перегретый. Если среднее значение абсолютного давления на выходе из паропровода за тот же период - 0,408 МПа, среднее значение температуры - 124,6 °С, то при этих параметрах пар - влажный насыщенный, степень сухости которого может быть ниже 0,6.
Таким образом, перегретый пар вследствие гидравлических потерь на трение в паропроводе, местных сопротивлений, дросселирующих эффектов, теплопотерь превращается в сухой, а затем - во влажный насыщенный пар с падением температуры выше 93 °С при скорости «25 м/с. Причем сечения по длине паропровода, где происходит превращение перегретого пара в сухой насыщенный, а затем - во влажный, будут тем дальше, чем больше температура и давление на входе в паропровод.
В Ы В О Д
Уменьшение падения температур в паропроводах достигается не только устройством эффективной тепловой изоляции, но и приведением в соответствие значений температур и давлений пара на входе в теплопровод (рис. 4). В этом случае падение температур и давлений пара в паропроводе будет минимальным.
Используя построенную номограмму (рис. 4), можно прогнозировать падение температуры пара в теплопроводах с целью более эффективного использования термодинамического потенциала перегретого пара и экономии энергоресурсов.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. С п р а в о ч н и к по теплообменникам. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - Т. 1. - 550 с.
2. Т е п л о в а я изоляция оборудования и трубопроводов: СНиП 2.04.14-88. - М.: Госстрой СССР, 1990.
3. Т е х н и ч е с к а я термодинамика. Ч. II / Б. М. Хрусталев [и др.]. - Минск: УП «Технопринт», 2004. - 560 с.
Представлена кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции Поступила 4.04.2008
УДК 621.311.22
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ДЫМОВЫХ ТРУБ С ПРИЖИМНОЙ ФУТЕРОВКОЙ
Докт. техн. наук, проф. СТРИХА И. И.
РУП «БЕЛТЭИ»
Дымовые трубы (ДТ) многих тепловых электрических станций и котельных эксплуатируются в нерасчетных режимах по объему, температуре и составу отводимых газов. При проектировании ДТ и привязке их к конкретным энергетическим объектам конструктивные параметры и режимы теплового состояния футеровки и несущего ствола обычно устанавливаются для стационарных условий работы.
На ТЭС и котельных наиболее распространены ДТ с прижимной футеровкой, в которых несущий ствол выполнен из железобетона, а газоотво-дящий ствол - из кислотоупорного кирпича или других материалов, например из полимерсиликатбетона. Основными контролируемыми параметрами, по которым определяются условия надежной эксплуатации ДТ, являются: перепад температур по толщине футеровки (не более 80 град.), температура внутренней поверхности футеровки (не ниже точки росы водяных паров продуктов сгорания - для природного газа и паров серной кислоты - при сжигании мазута), а также температура внутренней поверхности железобетонного ствола (не выше 373 К) [1].
Обследование и анализ технического состояния футеровок и несущих стволов ДТ показали, что значительная часть из них имеет дефекты, которые вызваны отступлением как от существующих нормативов при выполнении строительно-монтажных работ, так и от оптимальных значений режимных параметров при эксплуатации [2].
На большинстве дымовых труб с футеровкой из кислотоупорного кирпича при работе котлов на природном газе и частично на мазуте практически не наблюдается разрушений основного материала футеровки за счет низкотемпературной коррозии. Отмечается разрушение материала швов и антикоррозионных покрытий футеровки преимущественно вследствие термических деформаций, вызываемых недопустимыми температурными
