Методика расчета конденсатоотводчиков с дросселирующими шайбами

УДК 621.175: 658.2

Ю.Я. Печенегов, А.В. Косов

МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОНДЕНСАТООТВОДЧИКОВ С ДРОССЕЛИРУЮЩИМИ ШАЙБАМИ

Разработана методика расчета предложенных авторами новых конденса-тоотводчиков с дросселирующим элементом, выполненным в виде набора шайб. Результаты расчетов по методике сравниваются с данными, полученными при испытании конденсатоотводчиков.

Конденсатоотводчик, дросселирующая шайба, дросселирующий элемент Yu.Ya. Pechenegov, A.V. Kosov CALCULATION METHODS FOR TRAPS WITH THROTTLING WASHERS

The authors propose a method for calculating a new trap with throttling element made as a set of goals. The results of the calculations using the method are compared with the data obtained during the test traps.

Trap, throttling goals, throttling element

Конденсатоотводчики являются высокоэффективными средствами энергосбережения и должны устанавливаться за теплообменными устройствами, где в качестве греющего теплоносителя используется водяной пар. Выпуская образовавшийся в теплообменном устройстве конденсат и препятствуя выходу из устройства несконденсировавшегося (пролетного) пара, конденсатоотводчики в ряде случаев экономят до 50% тепловой энергии.

В [1] предложена конструкция конденсатоотводчиков с дросселирующим элементом, состоящим из набора последовательно установленных по ходу потока шайб. Принцип действия конденсато-отводчиков основан на существенно различных массовых расходах конденсата и пара при истечении через отверстие. Вследствии того, что удельный объем пара во много раз больше удельного объема воды, пропускная способность отверстия, выраженная в весовых единицах, для пара во много раз меньше, чем для конденсата.

Предложенные конденсатоотводчики просты по устройству, легко разбираются и чистятся от загрязнений, надежны в работе, так как не имеют движущихся частей. Преимуществом является и то, что конденсатоотводчики, устанавливаемые за теплообменными устройствами с различными тепловыми мощностями, имеют одинаковые конструктивное исполнение и размеры. Отличие состоит только в величине диаметра отверстий в шайбах и числе однотипных шайб дроссельного элемента. Это упрощает и удешевляет их изготовление, обеспечивает полную взаимозаменяемость и позволяет сравнительно легко при необходимости настраивать конденсатоотводчик для работы за индивидуальным паропотребляющим аппаратом путем изменения числа шайб в их наборе с отверстиями определенного размера.

Схема дросселирующего элемента конденсатоотводчика представлена на рис. 1. Шайбы ди-станционируются друг от друга с помощью уплотнительных прокладок и имеют по одному отверстию диаметром й0. На смежных шайбах отверстия смещены в радиальных направлениях.

Поток конденсата с расходом О поступает к первой по ходу потока шайбе с давлением р1, равным давлению пара, подаваемого в установку. Температура поступающего потока равна температуре насыщения при давлении р1. При прохождении через отверстие в шайбе поток теряет часть давления и оказывается перегретым по отношению к температуре насыщения при пониженном давлении за шайбой. По этой причине поток конденсата за шайбой частично вскипает с образованием вторичного пара. За каждой последующей шайбой при понижении давления потока количество вторичного пара в нем увеличивается.

Рис. 1. Схема к расчету конденсатоотводчика

Полагаем, что в самом отверстии шайбы вторичный пар в потоке не образуется [2]. Парообразование происходит после выхода потока из отверстия, в объеме между смежными шайбами. Тогда через отверстие в первой по ходу потока шайбе проходит только конденсат. Падение давления потока при прохождении через первую шайбу, согласно [3],

А? =

G2

2р(0,785d2 У

{i„ + £o^o)

где плотность конденсата р на линии насыщения при изменении давления от 0,1 до 0,6 МПа (наиболее часто используемый интервал в промышленных устройствах) изменяется менее чем на 4%, поэтому в расчетах возможно использовать среднее значение р = 937 кг/м3; £ф - коэффициент сопротивления, зависит от числа Рейнольдса Re = mdjv и отношения (d/d)2, определяется по диаграмме в [3];

ю0 - скорость потока в отверстии, определяется выражением ю0 = 0,00136G/d2, м/с; v - кинематический коэффициент вязкости конденсата, имеет среднее значение v = 0,24-10-6 м2/с в интервале изменения от 0,2* 10-6 м2/с до 0,28-10-6 м2/с при давлениях соответственно от 0,6 до 0,1 МПа на линии насыщения; eo - коэффициент заполнения сечения отверстия струей конденсата, зависит от числа Re и определяется по диаграмме в [3]; £o -коэффициент сопротивления перетеканию через отверстие,

£о = 0,5+d02/d2 (1-d2/d2)+(1-d2/d2)2; т - множитель, определяется по диаграмме в [3].

Расчеты удобно проводить с использованием полученных нами аппроксимаций графиков на диаграммах [3] для коэффициентов eo и £ф:

8o = 0,178 Re015 при Re < 10

-0’5 (1-d2/d2)M3 1,7

и 8o = 1 при Re > 10

при Re < 105 и ^ф = 0 при Re > 105

т = 1,3-1,1

За шайбой при давлении р" = р1-Др1, температура насыщения ^ = 5,654 , °С, энтальпия

конденсата к = св^, кДж/кг, где теплоемкость воды св = 4,1864 кДж/(кг-К), теплота парообразования г" = 2562-3-4, кДж/кг, количество образующегося вторичного пара АО = О-(к—к")/г", кг/с, где О - расход жидкой фазы потока перед шайбой, кг/с; к” - энтальпия пара. Расход конденсата в потоке за шайбой Ов = О - АО, кг/с. Доля вторичного пара в потоке х = АО/О. Плотность пара р" = 0,6(р"/105)0 93 = = 1,143•10-4(р")0,93, кг/м3.

В шайбах, начиная со второй, потеря давления потока в соответствии с гомогенной моделью течения [4] определится выражением

Ар = Ар1 {1,26

Рис. 2. Изменение давления потока р и паросодержания х по длине конденсатоотводчика: й = 3 кг/ч; С = 8 мм; с0 = 1 мм; б = 0,5 мм; N - число шайб; х - доля вторичного пара в потоке

Приведенные выше уравнения и связи представляют собой математическую модель конденсатоотводчика и составляют основу методики его расчета. Целью расчета является определение диаметра отверстий 1о при заданном числе N шайб или определение N при заданном

1о.

Задаются номинальный расход конденсата О, кг/с; начальное давление потока р1, Па; конечное давление потока за конденсатоотводчи-ком р2, Па; внутренний диаметр 1 кольцевых уплотняющих прокладок и их толщина а, например в интервале а = 0,001^0,003 м. Толщина шайб 5 может быть принята равной 0,0005 м.

Последовательность определения числа шайб при заданном диаметре проходного отверстия в шайбах для конденсатоотводчика, выпускающего конденсат при температуре насыщения соответствующей давлению р1,

может быть следующая.

1. Ввести свойства конденсата р = 937 кг/м3, св = 4,1864 кДж/(кг-К), V = 0,24-10-6 м2/с.

2. Ввести размеры й, м, й0, м, 5, м.

3. Ввести параметры потока О, кг/с, рк, Па, рн, Па.

4. Ввести исходные значения Ов = О, р = рн, О" = 0, х = 0, N = 1.

5. Вычислить =5,654-^р, °С.

6. Вычислить И = евЪ, кДж/кг.

7. Вычислить Ие = 0,00136 О/(й0-у).

8. Вычислить 80 = 0,178 Ие015, если Ие < 105 и е0 = 1, если Ие > 105.

9. Вычислить £,ф = 11,44 Ке0,5(1-(й0/й)2)1’43, если Ие < 105 и £,ф = 0, если Ие > 105.

10. Вычислить Ыйо.

11. Вычислить т = 1,3-1,1

12. Вычислить £o = 0,5+т (1-(d0/d)2)1,5+(1-(d0/d)2)2.

13. Вычислить £ = (£ф + so<E,o) (d/d)4

-2,6

, если S/do > 0,7.

14. Вычислить Ар1 = 8,66' 10 (О/1) £,, Па.

15. Обозначить Ар = Ар1, Па.

16. Вычислить р" = р'-Ар, Па.

17. Вычислить = 5,654^р", °С .

18. Вычислить г" = 2562-3^, кДж/кг.

19. Вычислить к" = евґ+г", кДж/кг.

20. Вычислить АО = О„(к'-к")/г", кг/с.

21. Вычислить О" = О"+АО, кг/с.

22. Вычислить Ов = О-О", кг/с.

23. Вычислить х = О"/О.

24. Вычислить р" = 2,238^10-5(р")°’93, кг/м3.

25. Вывод на печать N, р", х.

26. Вычислить Ар = Арі {1,26 (1-х)+[1+х(р/р"-1)]и

27. Вычислить N = N+1, к = ев^, кДж/кг.

28. Обозначить р' = р".

29. Если р" < рк, то идти к п. 16.

Данный алгоритм легко трансформировать и для решения задачи поиска диаметра отверстий 1о при заданном числе шайб N.

На рис. 2 в качестве иллюстрации, приведены некоторые результаты расчетов, выполненных по разработанному алгоритму. Видно, что падение давления потока на конечных (хвостовых) шайбах значительно выше, чем на начальных по ходу потока. Это обусловлено ростом х по мере расширения потока и особенностями гидравлического сопротивления двухфазного потока «жидкость - пар».

і0’5}2, Па.

Промышленные испытания предложенных конденсатоотводчиков [1] проводились в котельной швейной фирмы ОАО «Элегант» (г. Ульяновск) по методике, приведенной в [4].

Первоначально проверялась пропускная способность конденсатоотводчиков по воде, а далее определялись их характеристики при подаче конденсата и пароконденсатной смеси. Измерялись температура техническими ртутными термометрами с ценой деления шкалы 1°С и давление потока до и после конденсатоотводчика манометрами ТМ 5 класса 1,0 с ценой деления шкалы 0,5 кг/см2. Расход воды определялся по пропущенному ее объему за фиксированное время, а расход конденсата и количество выходящего с ним пара за конденсатоотводчиком находились калориметрическим способом. Поток конденсата направлялся в сосуд с холодной водой, где пар, при его наличии в потоке, конденсировался в контакте с водой. Измерялись вес и температура воды до подачи потока в сосуд и образующейся водоконденсат-ной смеси после подачи. Расход О потока определялся как отношение изменения веса жидкости ДМ в сосуде к времени т подачи в сосуд, а доля х пара в потоке вычислялась из теплового баланса сосуда. Все измерения производились при установившихся режимах работы.

Характерные результаты измерений при пропуске воды представлены на рис. 3. Для сравнения приведены кривые, полученные расчетом по вышеприведенной методике. Можно отметить вполне хорошее согласие опытных и расчетных данных.

Определение коэффициента расхода ц для исследованных шайб с диаметрами отверстий 1, 2,

3, и 4 мм показало, что его значение находилось в интервале от 0,7 до 0,8.

Опытные данные, полученные для пароконденсатной смеси, представлены на рис. 4 в виде зависимости относительного расхода смеси О/Отах от паросодержания х, кг/кг смеси.

° 1 2 3 4 др.Ж,

Рис. 3. Зависимость расхода воды G Рис. 4. Зависимости относительной пропускной способности

от Др при do = 3 мм G/Gmax конденсатоотводчиков от содержания пара х в потоке

(Др = Р1-Р2 = 0,2+0,51 МПа; Gmax соответствует расходу охлажденного конденсата - воды):

------- осредненная кривая;--------расчет по гомогенной

модели течения; 1 - d0 = 0,5 мм, N = 1; 2 - 1 мм, 1; 3 - 1 мм, 4;

4 - 2 мм, 1; 5 - 2 мм, 3; 6 - 2 мм, 5; 7 - 2 мм, 8; 8 - 2 мм, 10;

9 - 3 мм, 1; 10 - 3 мм, 5; 11 - 3 мм, 10; 12 - 4 мм, 1;

13 - 4 мм, 5; 14 - 4 мм, 10

Значение расхода воды Gmax в отношении G/Gmax определено при том же Ар = р1 - р2, которому соответствовал расход смеси G. Паросодержание х потока на выходе из конденсатоотводчика учитывает расход как вторичного, так и пролетного пара. Видно, что с ростом х от 0 до 0,2 пропускная способность конденсатоотводчика существенно уменьшается. Дальнейшее увеличение х обусловлено появлением в потоке пролетного пара и оно слабо влияет на отношение G/Gmax.

Опытные точки, полученные для разных значений d0 и N, группируются возле кривой (сплошная линия на рис. 4), которую для интервала х = 0,05^0,25 можно описать зависимостью

G/Gmax I ДР= idem = 0,023 х-1,11 .

При х > 0,25 опытные точки ложатся возле кривой (пунктирная линия на рис. 4), соответствующей гомогенной модели течения парожидкостной смеси. В этом случае расчет пропускной способности конденсатоотводчиков можно выполнять по изложенной выше методике.

Полученные данные показывают, что предложенные конденсатоотводчики, рассчитанные на номинальный режим работы, обеспечивают пропуск конденсата в необходимом количестве без пролетного пара при колебаниях, в известных пределах, давления греющего пара и тепловой мощности предвключенного паропотребляющего оборудования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пат. РФ на полезную модель № 66476. Конденсатоотводчик / Ю.Я. Печенегов, В.М. Яковлева, А.В. Шаров, Ю.В. Абакумов // Бюл. № 25. 10.09.2007.

2. Якадин А.И. Конденсатное хозяйство промышленных предприятий / А.И. Якадин. М.: Энергия, 1971. 144 с.

3. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик. М.: Машиностроение, 1975. 559 с.

4. Печенегов Ю.Я. Пароконденсатные системы промышленных предприятий и конденсатоотводчики / Ю.Я. Печенегов. Саратов: СГТУ, 1998. 100 с.

Печенегов Юрий Яковлевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины и аппараты химических производств» Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Косов Андрей Викторович -

аспирант кафедры «Машины и аппараты химических производств» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Yuriy Ya. Pechenegov -

Dr. Sc., Professor

Head: Department of Machines and Apparatus of Chemical Technologies,

Engels Institute of Technology - Branch of Yu. Gagarin Saratov State Technical University

Andrey V. Kosov -

Postgraduate

Department of Machines and Apparatus of Chemical Technologies,

Engels Institute of Technology - Branch of Yu. Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 14.10.11, принята к опубликованию 15.11.11