Расчет и проектирование вакуумного деаэратора

33

Ульяновск 2010 г.

Ульяновский государственный технический университет

Институт Дистанционного Образования

кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Дисциплина:

«Теплоиспользующие установки

промышленных предприятий»

Курсовая работа

«Расчет и проектирование вакуумного деаэратора»

Вариант:№17

Выполнил: студент гр. 09(2)-тгв10-тиупп

Ххххххх Х.Х.

Принял: преподаватель

Ххххххх Х.Х.



ВВЕДЕНИЕ

Деаэрационные установки располагаются на различных предприятиях и являются последней ступенью удаления из воды растворенных в ней коррозионно-активных газов (кислорода и диоксида углерода). После деаэраторов содержание в воде коррозионно-активных газов не должно превышать определенных стандартами величин. В расчетно-графической работе предусматривается проектирование струйно-барботажного вакуумного деаэратора вертикального типа. Вакуумные деаэраторы вертикального типа имеют единичную производительность от 5 до 300 м³/ч и распространены преимущественно в котельных различного назначения. На АЭС и в крупных котельных применяются горизонтальные вакуумные деаэраторы производительностью от 400 до 1200 м³/ч. Вертикальные вакуумные деаэраторы отличаются относительной простотой конструкции .



ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ИНДЕКСЫ

Обозначения

Q - количество теплоты, Вт, ккал/ч;

G - расход среды, т/ч, кг/с;

C - массовая концентрация компонента в воде, кг/м³, мг/кг;

F - площадь поверхности, м²;

D, d - диаметр, м;

L - длина струи, м;

H - высота, м;

N - количество отверстий, шт.;

t - температура, °С;

p - давление, МПа, кгс/см²;

i - удельная энтальпия, кДж/кг, ккал/кг;

h - уровень воды на тарелке, м вод. ст.;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

v - удельный объем, м³/кг;

? - площадь живого сечения, м²;

с - плотность, кг/м³;

у - коэффициент поверхностного натяжения, кгс/см;

w - скорость, м/с;

К - коэффициент массопередачи, м/ч;

О₂ - кислород;

СО₂ - диоксид углерода.

Индексы

п - пар;

в - вода;

о - отверстие;

н - начальный;

к - конечный;

s - в состоянии насыщения;

д - в деаэраторе;

ср - средний;

пр - производительность;

н.п - некипящий поток;

к.п - кипящий поток;

д.в - деаэрированная вода;

и.в - вода, подаваемая в деаэратор;

вып - выпар;

дин - динамический;

гс - гидростатический;

вх - на входе;

вых - на выходе;

гор - в горловине тарелки;

п.т - перепускная тарелка;

б.л - барботажный лист;

max - максимальный;

min - минимальный.



Ульяновск 2010 г.

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ВАКУУМНЫХ ДЕАЭРАТОРОВ

Вакуумные деаэраторы предназначены для удаления из воды коррозионно-активных газов кислорода и диоксида углерода (О₂ и СО₂) при рабочем давлении в аппарате 0,015-0,08 МПа. Классификация деаэраторов и основные требования к их проектированию содержатся в нормативных материалах .

По способу распределения воды в паре деаэраторы подразделяются на пленочные, струйные и капельные. Деаэраторы с барботажем воды паром называются барботажными. В случае применения в деаэраторе одного из указанных способов деаэратор считается одноступенчатым, при комбинации нескольких способов - двух- или трехступенчатым. В настоящее время на АЭС и в котельных применяются в основном двухступенчатые струйно-барботажные деаэраторы. Однако в эксплуатации находится значительное число одноступенчатых (пленочных и струйных) аппаратов.

Широкое распространение струйно-барботажных деаэраторов обусловлено требованиями глубокой дегазации воды и полного удаления СО₂. Кроме того, применение двухступенчатых деаэраторов позволяет также сократить высоту деаэрационной колонки.

По конструкции серийно выпускаемые струйно-барботажные вакуумные деаэраторы бывают вертикальными (рис. 1) и горизонтальными (рис. 2).

Конструкция струйно-барботажного вакуумного деаэратора вертикального типа, приведена на рис. 1

Рис. 1. Вакуумный струйно-барботажный деаэратор вертикального типа конструкции :

1 - патрубок подвода исходной воды; 2 - верхняя тарелка; 3 - перепускная тарелка; 4 - сектор для слива воды; 5 - барботажный лист; 6 - вертикальная перегородка; 7 - щели для прохода пара; 8 - водосливной порог; 9 - патрубок отвода деаэрированной воды; 10 - патрубок подвода греющей среды; 11 - перепускная труба; 12, 13 - отверстия для перепуска пара; 14 - труба отвода выпара; 15 - штуцер для подвода конденсата; 16 - водоперепускная труба

Вода, направляемая на дегазацию по трубе 1, попадает на верхнюю тарелку 2. Пройдя струйную часть, вода поступает на перепускную тарелку 3. Она предназначена для сбора и перепуска воды на начальный участок расположенного ниже барботажного листа 5. Перепускная тарелка имеет отверстие 4 в виде сектора, который с одной стороны примыкает к сплошной вертикальной перегородке 6, идущей вниз до основания корпуса колонки.

Вода с перепускной тарелки направляется на непровальный барботажный лист 5, выполненный в виде кольца со щелями или отверстиями 7, ориентированными перпендикулярно потоку воды. В конце барботажного листа имеется водосливной порог 8, который проходит до нижнего основания деаэратора. Вода протекает по барботажному листу, переливается через порог 8 и попадает в сектор, образуемый порогом 8 и перегородкой 6, а затем самотеком отводится в трубу 9.

Весь пар (или перегретая вода) подводится в колонку под барботажный лист 5 по трубе 10. Под листом устанавливается паровая подушка, и пар, проходя через щели 7, барботирует воду. С увеличением нагрузки деаэратора, а следовательно, и расхода пара, высота паровой подушки увеличивается, и избыточный пар перепускается в обвод барботажного листа 5 через отверстия 12 и 13 в трубах 11. Затем пар проходит через горловину в перепускной тарелке 3 и поступает в струйный отсек, где большая часть пара конденсируется. Паровоздушная смесь отводится по трубе 14. При необходимости подачи в деаэратор горячего конденсата его следует вводить через штуцер 15 на перепускную тарелку.

При отсутствии пара к деаэратору в качестве греющей среды подводится деаэрированная перегретая вода. Она также направляется под барботажный лист по трубе 10. Попадая в область давления ниже атмосферного, вода вскипает, образуя под листом паровую подушку. Вода, оставшаяся после вскипания, по трубе 16 удаляется на начальный участок барботажного листа, где проходит обработку совместно с исходным потоком воды.

Вся колонка изготавливается цельносварной. Для возможности разъема предусматривается монтажный стык, расположенный выше перепускной тарелки. Производительность вертикальных вакуумных деаэраторов составляет от 5 до 300 м³/ч. Другие технические характеристики струйно-барботажных деаэраторов вертикального типа приведены в табл. Б, В.

На рис. 2. представлена принципиальная схема струйно-барботажного вакуумного деаэратора горизонтального типа. Исходная вода через штуцер 10 поступает в распределительный коллектор 9 и далее на первую тарелку 8. Перфорация первой тарелки рассчитана на пропуск 30% воды при номинальной нагрузке деаэратора. Остальная часть через порог сливается на вторую тарелку 11, куда сливается и вода, прошедшая сквозь отверстия первой тарелки. Такая конструкция первой тарелки объясняется тем, что она выполняет функцию встроенного охладителя выпара и должна обеспечить конденсацию необходимого расхода выпара в расчетном диапазоне изменения гидравлических нагрузок деаэратора.

Вторая тарелка 11 является основной, после нее вода стекает струями на третью тарелку 12, которая служит в основном для организации подачи воды на начало барботажного листа 1. Обработанная на непровальном барботажном листе вода отводится из деаэратора по трубе 3.

Деаэратор разделен барботажным листом и перегородкой на деаэрационный и испарительный отсеки. В испарительный отсек по трубопроводам 13 подается греющая среда - деаэрированная перегретая вода или пар. Выделившийся из перегретой воды пар образует паровую подушку и проходит через отверстия барботажного листа, а неиспарившаяся вода по каналу 2 вытесняется на уровень барботажного листа 1 и вместе с деаэрированной водой отводится из деаэратора. Для перепуска избытка пара из паровой подушки в деаэрационный отсек служит труба 4. Выпар отводится из деаэратора по трубопроводу 7 с помощью эжектора или вакуумного насоса. Деаэраторы горизонтального типа выпускаются производительностью 400, 800 и 1200 м³/ч. Эти деаэраторы вне зависимости от производительности имеют одинаковый диаметр корпуса 3 м и отличаются друг от друга его длиной.

Рис. 2. Схема вакуумного струйно-барботажного деаэратора горизонтального типа конструкции

1 - барботажный лист; 2 - канал для прохода неиспарившейся перегретой воды; распределительный коллектор; 3 - труба отвода деаэрированной воды; 4 - пароперепускная труба; 5 - перепускная тарелка; 6 - водоперепускной короб; 7 - труба отвода выпара; 8, 11, 12 - первая, вторая и третья тарелки; 10 - штуцер подвода исходной воды; 13 - патрубки подвода греющей среды; 14 - жалюзи; 15 - испарительный отсек; 16 - разделительная перегородка; 17 - деаэрационный отсек



РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАКУУМНОГО ДЕАЭРАТОРА.

Исходные данные

Таблица А

Греющий агент (среда)	Вода
Номинальное абсолютное давление в деаэраторе рд, кгс/см2	0,22
Номинальная производительность Gпр, т/ч	15
Температура деаэрированной воды tдв, °С	60
Содержание О2 в исходной воде , мг/кг	8,0
То же в деаэрированной воде , мг/кг	0,05
Содержание свободного СО2 в исходной воде мг/кг	20,0
То же в деаэрированной воде мг/кг	0
Расход исходной воды Gив, т/ч	8
Температура воды перед деаэратором tив, °С	45
Температура греющей среды tп, °С	80

.

Основные технические характеристики струйно-барботажного вакуумного деаэратора вертикального типа конструкции ЦКТИ.

Таблица Б

Обозначение деаэратора	ДВ-15
Номинальная производительность, т/ч	15
Рабочее абсолютное давление, МПа	0,0075-0,05
Температура деаэрированной воды, °С	40-80
Высота колонки, мм	2400
Диаметр и толщина стенки, мм	716Ч8
Температура греющего теплоноситеоля, °С	70-180
Масса колонки, кг	534
Масса колонки заполненной водой, кг	1424
Пробное абсолютное гидравлическое, МПа	0,3
Допускаемое повышение абсолютного давления при работе защитного устройства, Мпа	0,17
Поверхность охладителя выпара, м2	2



Геометрические характеристики струйно-барботажного вакуумного деаэратора конструкции ЦКТИ-ЧМЗ.

Таблица В

Обозначение деаэратора		ДВ-15
Номинальная производительность, т/ч		15
Общая высота колонки, мм	Н	2400
Диаметр корпуса деаэратора, мм	2R	716Ч8
Диаметр верхней тарелки, мм	Dm	600
Число отверстий на верхней тарелке (диаметром 6 мм), шт	n	234
Диаметр горловины для прохода пара, мм	2r	320
Центральный угол выреза в перепускной тарелке, мм	бy	15
Ширина порога на барботажном листе, мм	a	320
Диаметр водоподводящей трубы, мм	dпод	76Ч3,5
Диаметр отводящей трубы, мм	dотв	89Ч4,5
Диаметр трубы отсоса смеси, мм	dсм	159Ч6
Размер отверстий в перепускных трубах вверху, мм	fz	40Ч140
Размер отверстий в перепускных трубах внизу, мм	ly	50Ч70
Диаметр трубы для подвода пара, мм	dпар	133Ч4,5
Число отверстий во внутреннем секторе верхней тарелки, шт	пвн	66
Число отверстий на барботажном листе (диаметром 6мм), шт	пб	406
Граница отверстий во внутреннем секторе верхней тарелки, мм	D2	450
Площадь отверстий на барботажном листе, м2	Fотв	0,0113
Разность квадратов радиусов для перепускной тарелки, м2	R2-r2	0,097
Площадь между верхней тарелкой и корпусом, м2	Fк	0,102
Разность квадратов диаметров в горловине перепускной тарелки для прохода пара, м2	4R2-d2n	0,0890
Общая площадь сечения перепускных труб, м2	Fпер	0,0103
Фактическая площадь барботажного листа, м2	Fбар	0,330
Диаметр коллектора для подвода воды, мм	dхов	57Ч3,5
Диаметр трубы для подвода конденсата, мм	dкон	57Ч3,5



1. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ВАКУУМНОГО ДЕАЭРАТОРА

Тепловой баланс деаэрационной установки составляется для определения полного расхода пара, подводимого к деаэратору.

В зависимости от тепловой схемы энергоустановки в деаэратор вводится то или иное количество потоков воды и пара.

В общем виде уравнение теплового баланса деаэратора записывается как равенство потоков теплоты, введенных в деаэратор и вышедших из него

Q₁+Q₂+Q₃+Q₄=Q₅+Q₆+Q₇

где Q₁ - теплота, внесенная с основным потоком греющего пара; Q₂ - теплота, внесенная с некипщими потоками воды; Q₃ - теплота, внесенная с кипящими потоками воды; Q₄ - теплота, внесенная с прочими потоками пара; Q₅ - теплота, отведенная с деаэрированной водой; Q₆ - теплота выпара; Q₇ - теплопотери деаэратора в окружающую среду.

Если в соответствии с заданием какие-либо из указанных выше потоков теплоты не поступают в деаэрационную установку и не отводятся из нее, то при составлении теплового баланса их не учитывают.

Составляющие теплового баланса определяются по следующим формулам.

Теплота, подведенная с химически умягченной водой, Гкал/ч.

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Количество выпара G_вып, т/ч, принимается из расчета 3ч5 кг на 1 т деаэрированной воды

G_вып=(3ч5)G_пр

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Энтальпия паровоздушной смеси выпара условно может быть принята равной энтальпии насыщенного пара при давлении в деаэраторе, т. е.

i_вып = i_s=624 ккал/кг при р_д=0,22 кг/см².

Отведено теплоты с выпаром Q_вып, Гкал/ч.

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Энтальпия деаэрированной воды i_дв ккал/кг определяется по температуре деаэрированной воды и давлению в деаэраторе, согласно [4К].

i_дв=59,97 ккал/кг

Отведено теплоты с деаэрированной водой Q_д.в, Гкал/ч.

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Количество теплоты, необходимое для нагрева воды в деаэраторе ДQ_д, Гкал/ч.

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Расход теплоты на деаэратор УQ, Гкал/ч.

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Энтальпия насыщенного пара при давлении в деаэраторе i_п, ккал/кг, согласно [4К].

i_п=632,4 ккал/кг.

Расход насыщенного пара на деаэратор G_п, т/ч.

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.



2. ТЕПЛОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СТРУЙНОГО ОТСЕКА

В объем теплового расчета струйного отсека входит определение температуры на тарелках и расхода пара в отсеке. Тепловой расчет начинается с выбора геометрических параметров пучка струй. Под геометрическими характеристиками пучка струй понимается длина струй, их начальный диаметр и шаг (диаметр и шаг отверстий на тарелке).

Тепловой расчет струйного отсека производится при одновременном выполнении конструктивной схемы этого отсека, включая разметку отверстий на тарелке, что связано с необходимостью определения средней скорости пара в пучке струй (отсеке). Пример схемы струйного отсека приведен на рис. 3.

Рис. 3. Схема струйного отсека

В задачи гидродинамического расчета входят определение гидравлических характеристик и проверка гидродинамической устойчивости струйного отсека при различных режимах работы. Гидравлически устойчивым называется такой режим работы струйного отсека, при котором не появляется местной рециркуляции воды под воздействием потока пара. Нарушение гидродинамической устойчивости может быть вызвано недопустимо высокими скоростями пара в отдельных сечениях деаэрационной колонки.

Диаметр отверстий d_o на тарелках по условиям развития поверхности струй и эксплуатационным условиям следует принимать равным 5ч8 мм, (принимаем - 6 мм.)

Шаг отверстий на тарелке должен приниматься равным не менее 18ч20 мм при расположении их в вершинах равностороннего треугольника [2К], (принимаем - 18 мм)

Длина струй L принимается равной расстоянию между нижней плоскостью вышерасположенной тарелки и видимым (динамическим) уровнем воды h_дин на нижележащей тарелке того же отсека. При производительности деаэрационной установки до 400 т/ч длину струй L рекомендуется принимать равной 350ч500 мм (принимаем 500 мм), а для более крупных деаэрационных установок целесообразно увеличивать ее до 800ч900 мм с целью ограничить скорость пара и предотвратить таким путем унос капельной влаги [2К].

Температура воды на верхней тарелке t_ив=45°С.

Расстояние между тарелками (высота отсека Н) равно

Н=L+h_дин (К.15)

Динамический уровень воды на тарелке определяется суммой гидростатического уровня воды h_гс и перепада давлений по паровой стороне между смежными отсеками Др

h_дин=h_гс +Др (К.16)

Величины h_гс и Др определяются в ходе гидродинамического расчета отсека.

Скорость воды w_о, м/с, на выходе из отверстия тарелки определяется по формуле

(К.17)

где a₁ - коэффициент, учитывающий влияние движения воды по тарелке на коэффициент расхода;

м_o - коэффициент расхода для перфорированного листа; h_гс - гидростатический уровень воды, м.

При диаметре отверстий 5ч8 мм и толщине днища тарелок 4ч6 мм коэффициент м_o принимается равным 0,75. Коэффициент a₁ для практических расчетов можно принимать равным 0,9 [2К]. Для определения скорости w_о предварительно задаются величиной h_гс, которая для равномерного распределения воды по всем отверстиям тарелки при номинальной гидравлической нагрузке должна находиться в пределах 60ч80 мм (принимаем 60 мм)

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Число отверстий на тарелке N при номинальном режиме определяется предварительно по формуле

(К.18)

где G_в - полный расход химически умягченной воды через данную тарелку, т/ч; v_в = 0,001099 м³/кг - удельный объем воды при температуре ее на тарелке; a₂ - коэффициент запаса на загрязнение перфорации тарелки (a₂ = 1,0ч1,1), (принимаем 1); d_o = 0,006 м - диаметр отверстий на тарелке.

Верхняя тарелка секционирована с таким расчетом, что при минимальной (30 %-ной) нагрузке работает только часть отверстий во внутреннем секторе примерно 0,3N. При увеличении нагрузки в работу включаются остальные отверстия.

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Гидростатический уровень воды h_гс, м, при заданных расходах, числе и диаметрах отверстий на тарелке определяется по формуле

(К.19)

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Для определения действительной средней скорости пара в струйном пучке рекомендуется пользоваться методом последовательных приближений. В первом варианте расчета струйного отсека деаэратора значение w_п ориентировочно принимается равным 0,5ч1,0 м/с. После выбора по указанным выше рекомендациям значений L и d_o определяют температуру воды t_вых в конце струйного потока по формуле

Для 30% нагрузки деаэратора:

(К.20)

где t_s=61,74°С - температура насыщения при давлении в деаэраторе; w_п=0,20 м/с - принимаем предварительно; А₁=0,118 - коэффициент, зависящий от давления в деаэраторе и от температуры исходной воды, определяется по номограмме (рис. 4.).

Рис. 4. Зависимость коэффициентов А₁ и В₁ от абсолютного

давления и температуры исходной воды

Количество пара, сконденсировавшегося в струйном отсеке, при найденной величине подогрева воды в них:

(К.21)

где i_вых =49,53 ккал/кг - удельная энтальпия воды при температуре t_вых.

Для уточнения принятой средней скорости пара в струйном пучке сначала подсчитываются скорости пара w_вх и w_вых соответственно на входе в пучок струй и на выходе из него

(К.22)

(К.23)

где ?_вх, ?_вых - живые сечения для прохода пара на входе в пучок струй и на выходе из него, с_п=0,140 кг/м³ - плотность пара в деаэраторе.

Величины ?_вх и ?_вых определяются по формулам

(К.24)

(К.25)

где D₁=0,6-(0,018·2)=0,564 м, D₂=0,450 м - диаметры условной окружности по наружному и внутреннему диаметрам пучка, м (см. рис. 3.); n₁=98 шт, n₂=78 шт - число отверстий, вынесенных соответственно на условную окружность диаметром D₁ и D₂.

Значения величины внутреннего диаметра пучка D₂ содержится в табл. В или [3К, табл. 4]. Значения величин D₁, n₁, n₂ выбираются из геометрических соображений.

Средняя скорость пара в струйном отсеке при w_вх/w_вых < 1,25 подсчитывается по формуле

(К.26)

Средняя скорость пара в струйном отсеке при w_вх/w_вых > 1,25 подсчитывается по формуле

(К.27)

w_вх/w_вых = 0,193/0,095=2,03 > 1,25

Полученная средняя скорость пара в первом отсеке сопоставляется с принятой в начале расчета. В случае, если расхождение между ними превышает 0,1 м/с, расчет повторяется при новом исходном значении скорости.

Для 100% нагрузки деаэратора:

где w_п=0,60 м/с - скорость пара в струйном пучке принимаем предварительно

Для 120% нагрузки деаэратора:

где w_п=0,80 м/с - скорость пара в струйном пучке принимаем предварительно



3. РАСЧЕТ ПЕРЕПУСКНОЙ ТАРЕЛКИ

Целью расчета является определение геометрических характеристик перепускной тарелки и скорости пара в горловине тарелки.

Высота борта тарелки Н_б, мм, и максимальный уровень воды на тарелке h_maх, мм, принимаются на основании предварительных расчетов равными соответственно 200 мм и 70 мм [2К].

Допустимое значение скорости пара в горловине тарелки , м/с, определяется по формуле

(К.28)

где ж - коэффициент сопротивления горловины тарелки изменяется в пределах 3,5ч4,0.

Диаметр горловины для прохода пара D_гор=0,32 м, принимается по табл. В, а площадь горловины для прохода пара F_гор, м², вычисляется по формуле

(К.29)

Расход пара в горловине тарелки , м/с, вычисляется по формуле

(К.30)

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Скорость пара в горловине тарелки , м/с, определяется по формуле

(К.31)

где v_п=7,1262 м³/кг - удельный объем пара при давлении в деаэраторе р=0,22 кгс/см²

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Площадь отверстия для слива воды с перепускной тарелки при максимальном уровне воды F_п.т, м², вычисляется по уравнению

(К.32)

где м_р - коэффициент расхода для перепускной тарелки, принимается равным 0,55.

с_в=990,2 кг/м³ - удельная плотность воды при t=45°С.

Центральный угол выреза в перепускной тарелке б_у=15 принимается по табл. В.

Фактический уровень воды на перепускной тарелке , м, вычисляется по формуле

(К.33)

где (R² - r²) = 0,097 м²- разность квадратов наружного и внутреннего диаметров перепускной тарелки, м², принимается по табл. В.

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.



4. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ДЕГАЗАЦИИ ВОДЫ

Расчет процесса дегазации воды основан на определении коэффициентов десорбции О₂ и СО₂ и вычислении необходимой площади барботажного листа для удаления этих газов из воды до значений, требуемых по заданию.

Расчет концентраций кислорода и свободного диоксида углерода , мг/кг, на верхней тарелке производится с помощью эмпирических формул

(К.34)

где - содержание О² в исходной воде;

р_д = 0,22 кгс/см² - давление в деаэраторе;

t_н.п = 61,74 °С - температура насыщения при давлении в деаэраторе.

(К.35)

где - содержание СО² в исходной воде.

В отсеках вакуумных деаэраторов с поперечным омыванием пучка струй концентрация кислорода , мг/кг, в конце струйного потока вычисляется по формуле

(К.36)

где В₁ = 0,0318 - эмпирический коэффициент, зависит от температуры исходной воды и давления в деаэраторе, определяется по номограмме (рис. 4.).

Концентрация свободного диоксида углерода , мг/кг, в конце струйного потока вычисляется по формуле

(К.37)

где t_вх, t_вых - температуры воды в начале и в конце струйного потока, °С; Е = 0,044- коэффициент, зависящий от давления в деаэраторе и температуры исходной воды, определяется по номограмме (рис. 5.).

Рис. 5. Зависимость коэффициента Е от абсолютного давления в деаэраторе

и температуры исходной воды

=5,77 мг/кг для 30% нагрузки

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Далее производится расчет процесса дегазации на барботажном листе. Исследование непровальных барботажных листов показало, что процесс дегазации воды происходит за счет двух факторов: увлечения газовых пузырьков потоком пара и турбулентной диффузии.

Интенсивность потока жидкости на барботажном листе J, м³/(м·ч), вычисляется по формуле

J=V_в/a (К.38)

где V_в - объемный расход воды на входе в барботажное устройство, м³/ч; а - длина переливного порога, м.

Расход воды на входе в барботажное устройство представляет собой сумму расходов исходной воды и пара, сконденсировавшегося в струйном отсеке

(К.39)

где плотность воды на входе в барботажное устройство;

с_в = 988,24 кг/м³ при 30% нагрузке деаэратора,

с_в = 986,56 кг/м³ при 100% нагрузке деаэратора,

с_в = 986,09 кг/м³ при 120% нагрузке деаэратора;

Величина а = 0,32 м, - длина переливного порога, определяется по приложению, табл. В.

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Скорость течения жидкости по барботажному листу w_в, м/ч, определяется по формуле

(К.40)

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

где h_дин - высота динамического слоя жидкости, который остался бы на барботажном листе после разрушения двухфазного потока, м.

Одной из основных характеристик, определяющих эффект дегазации на непровальном барботажном листе, является динамический напор водяного пара в рабочем сечении барботажного листа , кгс/см². Увеличение эффекта дегазации происходит до определенных значений динамического напора потока водяного пара. Оптимальными значениями, используемыми для расчетов, можно считать: для кислорода = 95·10-³ кгс/см², для диоксида углерода 115·10-³ кгс/см² [2К].

В общем случае величина определяется по графикам в зависимости от отношения концентраций газа на входе и на выходе с барботажного листа [2К].

В диапазоне изменения от 15·10-³ до 150·10-³ кгс/см² (принимаем ) высоту динамического слоя жидкости рекомендуется определять по формуле

(К.41)

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

где h₀ - высота слоя жидкости на листе при отсутствии барботажа, м.

(К.42)

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

где h_п.п - высота переливного порога, принимается равной 0,1 м.

Для определения коэффициентов десорбции ( массопередачи) кислорода и диоксида углерода в [2К] рекомендуются следующие формулы:

(К.43)

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

(К.44)

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

где d_о - ширина щели или диаметр отверстий на барботажном листе, рекомендуется принимать для щелей 0,03ч0,05 см, для отверстий 0,05ч0,08 см; у - коэффициент поверхностного натяжения системы вода-пар, принимается равным 0,07 кгс/см.

Средний концентрационный напор газа на барботажном листе ДС_ср, мг/кг, определяется по формуле

(К.45)

где С_н, С_к - концентрации О₂ или СО₂ в воде при входе и при выходе с барботажного листа, мг/кг; С_н.р, С_к.р - концентрации удаляемого газа в жидкости, равновесные с начальной и конечной концентрацией газа на барботажном листе, мг/кг.

Так как расход пара, покидающего барботажный лист, значительно превосходит расход выделившихся газов, то величины С_н.р и С_к.р оказываются равными практически нулю и в расчетах ими можно пренебречь.

В расчетах по формуле (К.45) конечную концентрацию диоксида углерода на барботажном листе принять равной 0,01 мг/кг.

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Необходимая площадь барботажного листа для удаляемого газа находится из уравнения массопередачи

(К.46)

где G_г - количество удаляемого газа, кг/ч; K - коэффициент массопередачи для соответствующего газа, м/ч; ДС_ср - средний концентрационный напор газа на барботажном листе, кг/м³; с_в =983,2 кг/м³ средняя плотность воды на барботажном листе, при t = 60 °С; F - площадь барботажного листа, м².

Количество удаляемого газа можно определить исходя из расхода воды на входе в барботажное устройство (G_и.в+G'_п), т/ч, и разности начальной С_н и конечной С_к, мг/кг, концентраций этого газа на барботажном листе

(К.47)

Количество удаляемого кислорода;

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Количество удаляемого диоксида углерода;

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Необходимая площадь барботажного листа для удаляемого кислорода:

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Необходимая площадь барботажного листа для удаляемого диоксида углерода:

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

Фактическое значение рабочей площади барботажного листа F_р, м², не должно быть меньше наибольшего из необходимых значений для О₂ и СО₂, а также должно выбираться исходя из конструктивных соображений, т. е. учитывать принятый диаметр барботажного листа, размер сектора для удаления воды, диаметр перепускных труб и т. д.).



5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ БАРБОТАЖНОГО УСТРОЙСТВА

В ходе гидравлического расчета барботажного устройства определяются скорости пара и воды в отверстиях барботажного листа. С этой целью сначала определяется необходимая площадь отверстий на барботажном листе F_o, м², по формуле

(К.48)

где F_р=0,33 м²- фактическое значение рабочей площади барботажного листа, (принимается по конструктивным соображениям).

Фактическая площадь отверстий на барботажном листе , м², определяется по табл. В. Далее определяется минимально допустимая скорость пара w_min, м/с, в отверстиях барботажного листа

(К.49)

Расход пара через барботажный лист G_б.л, т/ч, представляет собой разность между расходами пара, подводимого к барботажному устройству и отводимого в перепускные трубы

G_б.л=G_п-G_пер (К.50)

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

где G_п, G_пер - расходы пара, подводимого к барботажному устройству и отводимого в пароперепускные трубы, т/ч.

Расход пара G_пер, т/ч, отводимого в пароперепускные трубы, определяется как разность расхода пара в горловине перепускной тарелки и расхода пара, идущего собственно на барботаж

(К.51)

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

где G_п.б - расход пара на собственно барботаж, т/ч.

Величина G_п.б, т/ч, определяется по формуле

(К,52)

где w_пг_п - приведенная весовая скорость пара принимается равной 0,15ч0,20 кг/(м²·с).

Скорости пара в отверстиях барботажного листа w_л и в перепускных трубах w_пер, м/с, определяются по соответствующим формулам

(К.53)

для 30% нагрузки.

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

(К.54)

для 100% нагрузки.

для 120% нагрузки.

где F_пер=0,0103 м²- общая площадь сечения перепускных труб, определяется по прил. Г. v_п=7,1262 м³/кг - удельный объем пара.

Скорость пара в отверстиях барботажного листа, рассчитанная по формулам (К.53), не должна быть меньше минимально допустимой скорости пара, определенной по формуле (К.49).

Гидравлическим расчетом барботажного устройства завершается расчет основных рабочих параметров вакуумного деаэратора.



Результаты расчетов вакуумного деаэратора

Таблица Г

Наименование Показателей	Расчетная формула или способ определения	Результат для нагрузки деаэратора
		30 %	100 %	120 %
1	2	3	4	5
1. Тепловой баланс
Количество химически умягченной воды Gи.в, т/ч	По техническому заданию	2,4	8	9,6
Энтальпия химически умягченной воды iи.в, ккал/кг	По термодинамическим таблицам [4К]	45	45	45
Теплота, подведенная с химически умягченной водой Qи.в, Гкал/ч		0,11	0,36	0,43
Количество выпара Gвып, т/ч	5 кг на 1 т деаэрированной воды	0,0225	0,0750	0,0900
Энтальпия выпара iвып, ккал/кг	По термодинамическим таблицам [4К]	624	624	624
Отведено теплоты с выпаром Qвып, Гкал/ч		0,014	0,047	0,056
Количество деаэрированной воды (производительность) Gпр, т/ч	По техническому заданию	4,5	15	18
Энтальпия деаэрированной воды, iд.в, ккал/кг	По термодинамическим таблицам [4К]	59,97	59,97	59,97
Отведено теплоты с деаэрированной водой Qд.в, Гкал/ч		0,27	0,90	1,08
Количество теплоты, необходимое для нагрева воды в деаэраторе ДQд, Гкал/ч		0,16	0,54	0,65
Расход теплоты на деаэратор УQ, Гкал/ч		0,174	0,587	0,706
Энтальпия насыщенного пара при давлении в деаэраторе iп, ккал/кг	По термодинамическим таблицам [4К]	632,4	632,4	632,4
Расход насыщенного пара на деаэратор Gп, т/ч		0,30	1,03	1,23
2. Тепловой и гидравлический расчет струйного отсека
Высота струи L, мм	Принимается по [2К]	500	500	500
Диаметр отверстий на тарелке dо, мм	Принимается по [2К]	6	6	6
Шаг отверстий на тарелке (расположение по треугольнику) s, мм	Принимается по [2К]	18	18	18
Расход воды через верхнюю тарелку Gи.в, т/ч	По техническому заданию	2,4	8	9,6
Температура воды на верхней тарелке tи.в, °C	По техническому заданию	45	45	45
Гидростатический уровень воды на верхней тарелке hгс, мм	Предварительно принимается, а затем уточняется по формуле (К.19)	60	60	65
Скорость воды в отверстиях верхней тарелки wо, м/с	По формуле (К.17)	0,73	0,73	0,76
Число отверстий на тарелке N, шт.	По формуле (К.18)	33	109	126
Средняя скорость пара, набегающего на струйный поток , м/с	Принимается предварительно и уточняется расчетом по формуле (К.26) или (К.27)	0,138	0,575	0,724
Температура воды в конце струйного потока tвых, °С	По формуле (К.20)	49,53	53,05	54,02
Количество пара, сконденсировавшегося в струйном отсеке , т/ч	По формуле (К.21)	0,035	0,206	0,276
3. Расчет перепускной тарелки
Высота борта тарелки Hб, мм	Принимается согласно [2К]	200	200	200
Максимальный уровень воды на тарелке hmax, мм	Принимается согласно [2К]	70	70	70
Допустимое значение скорости пара в горловине тарелки , м/с	По формуле (К.28)	49	49	49
Диаметр горловины тарелки Dгор, м	Принимается с учетом по [2К]	0,32	0,32	0,32
Площадь горловины для прохода пара Fгор, м2	По формуле (К.29)	0,08	0,08	0,08
Расход пара в горловине , т/ч	По формуле (К.30)	0,058	0,281	0,366
Скорости пара в горловине тарелки , м/с	По формуле (К.31)	1,45	6,95	9,06
Площадь отверстий для слива воды с перепускной тарелки при максимальном уровне воды Fп.т, м2	По формуле (К.32)	0,0065	0,0065	0,0065
Центральный угол выреза в перепускной тарелке бy	Принимается по табл. В	15	15	15
Фактический уровень воды на перепускной тарелке , мм	По формуле (К.33)	1,7	18,5	26,7
4. Расчет процесса дегазации воды
Концентрация кислорода на верхней тарелке , мг/кг	По формуле (К.34)	5,80	5,80	5,80
Концентрация диоксида углерода на верхней тарелке , мг/кг	По формуле (К.35)	9,62	9,62	9,62
Концентрация кислорода в конце струйного потока , мг/кг	По формуле (К.36)	3,26	3,26	3,26
Концентрация диоксида углерода в конце струйного потока , мг/кг	По формуле (К.37)	5,77	6,05	6,10
Интенсивность потока жидкости на барботажном листе J, м3/(м·ч)	По формуле (К.38)	7,69	25,94	31,25
Скорость течения воды по барботажному листу wв, м/ч	По формуле (К.40)	103	309	359
Коэффициент десорбции кислорода на барботажном листе , м/ч	По формуле (К.43)	59,2	178,3	207,1
Коэффициент десорбции диоксида углерода на барботажном листе , м/ч	По формуле (К.44)	38,6	115,8	134,5
Средний концентрационный напор кислорода на барботажном листе , мг/кг	По формуле (К.45)	0,768	0,768	0,768
Средний концентрационный напор диоксида углерода на барботажном листе , мг/кг	По формуле (К.45)	0,906	0,943	0,950
Необходимая площадь барботажного листа для удаления кислорода , м2	Из формул (К.46), (К.47)	0,18	0,20	0,21
Необходимая площадь барботажного листа для удаления диоксида углерода , м2	Из формул (К.46), (К.47)	0,41	0,47	0,48
Фактическая рабочая площадь барботажного листа Fр, м2	По конструктивным соображениям	0,33	0,33	0,33
5. Гидравлический расчет барботажного устройства
Необходимая площадь отверстий на барботажном листе Fo, м2	По формуле (К.48)	0,017	0,017	0,017
Фактическая площадь отверстий на барботажном листе Foф, м2	Принимается по табл. В	0,0113	0,0113	0,0113
Минимально допустимая скорость пара в отверстиях барботажного листа wmin, м/с	По формуле (К.49)	55,1	55,1	55,1
Расход пара через барботажный лист Gб.л, т/ч	По формуле (К.50)	0,30	0,93	1,04
Расход пара через пароперепускные трубы (три трубы Dнар=219 мм, s = 8 мм) Gпер, т/ч	По формуле (К.51)	-	0,101	0,186
Скорость пара в отверстиях барботажного листа wл, м/с	По формуле (К.53)	52,6	162,7	182,2
Скорость пара в перепускных трубах wпер, м/с	По формуле (К.54)	-	19,4	35,7



ПРИМЕНЕНИЕ ВАКУУМНЫХ ДЕАЭРАТОРОВ НА

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Вакуумные деаэраторы как вертикального, так и горизонтального типов применяются на различных теплоэнергетических предприятиях: на тепловых электростанциях, в водогрейных и промышленно-отопительных котельных, в центральных тепловых пунктах. На ТЭС и в крупных котельных применяются, как правило, деаэраторы горизонтального типа, а в небольших котельных и центральных тепловых пунктах - вертикального типа.

Расчет вакуумного деаэратора является приближенным, поскольку в нем используется ряд допущений и эмпирических зависимостей. В связи с этим при выборе типа, единичной производительности и количества вакуумных деаэраторов для предприятий теплоэнергетики необходимо предусматривать достаточный запас деаэрационной установки по производительности. Это позволит обеспечить работу деаэраторов в более широком диапазоне технологических режимов, с более высоким качеством подпиточной воды и при меньших температурах участвующих в деаэрации теплоносителей.

Отраслевыми рекомендациями по выбору схем теплоэнергетических установок с вакуумными деаэраторами [5К] установлен минимальный запас по производительности: для установок с деаэраторами вертикального типа 50%, а горизонтального типа 30%. Рекомендуемый запас по производительности для этих аппаратов составляет соответственно 100 и 50%.

Следует отметить, что применение вакуумных деаэраторов на ТЭЦ и в районных котельных имеет существенные различия. Их применение на ТЭЦ обусловлено прежде всего стремлением получить выигрыш в термодинамической эффективности процесса в теплофикационных установках, т.к. температурный режим вакуумной деаэрации существенно влияет на параметры пара отборов турбин, используемого для подогрева теплоносителей перед деаэраторами, а значит, и на экономичность ТЭЦ.

Применение вакуумных деаэраторов в водогрейных котельных связано в основном с возможностью работы этих аппаратов без источников пара. В качестве греющего агента для деаэрации используется перегретая относительно давления в деаэраторах сетевая вода. Температурные режимы вакуумной деаэрации в малой степени сказываются на тепловой экономичности таких котельных, в отличие от ТЭЦ. Поэтому, как правило, в стоящих отдельно от ТЭЦ водогрейных котельных для повышения качества деаэрации теплоносители перед подачей в вакуумные деаэраторы должны подогреваться до максимально возможной по условиям эксплуатации температуры.

В центральных тепловых пунктах вакуумный деаэратор предназначен для обработки воды, поступающей в систему горячего водоснабжения. Традиционная схема включения вакуумного деаэратора на ЦТП показана в [8К].

Подробному исследованию вопросов применения вакуумных деаэраторов для подготовки подпиточной воды систем теплоснабжения и питательной воды паровых котлов посвящены монографии [9К, 10К]. Технологии вакуумной деаэрации и тепловые схемы теплоисточников, где они применяются, приведены также в [2К, 3К, 6К-11К].



ВЫВОД

Деаэраторы вертикального типа могут обеспечивать глубокое удаление растворенных газов из воды.

На качество дегазации существенное влияние оказывают:

1) Нагрузка деаэратора;

С увеличением нагрузки качество дегазации падает (сказывается недостаток расхода пара на барботаж).

Диапазон режимов, в которых достигается высокий уровень дегазации, сравнительно невелик. Эффект удаления О₂ достигается в основном при нагрузках деаэратора не более 30ч40% номинальной.

2) Температура и расход перегретой воды;

Ухудшение дегазации происходит из-за снижения общего температурного уровня процесса при одновременном снижении расхода греющего агента и температуры исходной воды. Так же ухудшение дегазации происходит при одновременном повышении расхода и температуры греющего агента, что можно объяснить снижением интенсивности испарения перегретой воды и появлением некоторой перегрузки испарительного отсека.

В то же время при фиксированных величинах расхода и температуры исходной воды, и нагрева в деаэраторе по мере увеличения температуры перегретой воды и соответственного снижения ее расхода содержание растворенного кислорода в деаэрированной воде снижается.

3) Присосы воздуха;

Присосы воздуха приводят к серьезным нарушениям работы деаэратора (снижение интенсивности испарительного процесса вследствие ухудшения вакуума в деаэраторе)

Эффективность вакуумных деаэраторов вертикального типа может быть существенно повышена путем совершенствования конструкции в следующих направлениях:

? Увеличение сепарирующей способности испарительного отсека (увеличение объема отсека и установки в нем устройств, способствующих сепарации).

? Развитие струйной ступени дегазации.

? оптимизации конструкции барботажного листа.



Основная литература

Орлов М.Е. теплоиспользующие установки промышленных предприятий: учебно-практическое пособие / М.Е. Орлов; Ульян. гос. Техн. Ун-т. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 151 с.

Дополнительная литература

1. ГОСТ 16860-88*. Деаэраторы термические. Типы, основные параметры, приемка, методы контроля. - М. : Изд-во стандартов, 1989. - 6 с.

2. Расчет и проектирование термических деаэраторов: РТМ 108.030.21-78 / В. А. Пермяков, А. С. Гиммельберг, Г. М. Виханский, Ю. М. Шубников. - Л. : НПО ЦКТИ, 1979. - 130 с.

3. Оликер И. И. Вакуумные деаэраторы для питательной и подпиточной воды / И. И. Оликер, В. А. Пермяков. - М.: ИИинформтяжмаш, 1971. - 96 с.

4. Ривкин С. Л. Теплофизические свойства воды и водяного пара / С. Л. Ривкин, А. А. Александров. - М.: Энергия, 1980. - 423 с.

5. Деаэраторы вакуумные: каталог-справочник. - М.: НИИинформтяжмаш, 1972. - 77 с.

6. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов / Е. Я. Соколов. 7-е изд., перераб. - М.: Издательство МЭИ, 2001. - 472 с.

7. Шарапов В. И. Термические деаэраторы / В. И. Шарапов, Д. В. Цюра. - Ульяновск : УлГТУ, 2003. - 560 с.

8. Немцев З.Ф., Шарапов В.И., Тимошенко А.М. Вакуумные деаэраторы теплоэнергетических установок / Саратовский университет, 1983. - 127 с.



ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 1

Основные условные обозначения и индексы 2

Классификация и особенности конструкций вакуумных деаэраторов 3

Расчет и проектирование вакуумного деаэратора

- Исходные данные. (таблица А) 6

- Основные технические характеристики струйно-барботажного вакуумного деаэратора

вертикального типа конструкции ЦКТИ. (таблица Б) 7

- Геометрические характеристики струйно-барботажного вакуумного деаэратора

вертикального типа конструкции ЦКТИ - ЧМЗ. (таблица В) 8

1. Тепловой баланс вакуумного деаэратора 9

2. Тепловой и гидравлический расчет струйного отсека 11

3. Расчет перепускной тарелки 16

4. Расчет процесса дегазации воды 18

5. Гидравлический расчет барботажного устройства 24

- Результаты расчетов вакуумного деаэратора 26

Применение вакуумных деаэраторов на теплоэнергетических предприятиях 29

Вывод 30

Библиографический список 31