Об отличиях водопаровых смешивающих теплообменников УМПЕУ от пароводяных струйных аппаратов (ПСА)

Введение. ПСА - Пароводяные Струйные Аппараты (пароводяные инжекторы по классификации[1]). Изготовляют несколько предприятий под названием: ПСА, ТСА, "Фисоник", "Транссоник". Принцип действия этих аппаратов похож. УМПЕУ – установки с магистральными пароежекторними устройствами (пароводяные смешивающие подогревателей воды по классификации[1]). Изготовитель, разработчик, патентообладатель: ООО "Прессмаш" г. Миасс Общие свойства. УМПЕУ и ПСА является теплообменными устройствами контактного типа, в которых происходит смешивание водяной пары и воды непосредственно. Т. к. у них отсутствуют промежуточные теплообменные поверхности и тепло передается при непосредственном контакте пары и воды УМПЕУ и ПСА владеют несравнимо высшими коэффициентами теплопередачи и имеют в десятки раз меньшие размеры, чем поверхностные теплообменники (кожухотрубные, пластинчатые). Их тепловой КПД составляет не менее 99%. Кроме того, в них исключено явление пролетной пары и отсутствует необходимость в системе сбора конденсата. Аппараты отличаются малыми габаритными размерами. При одинаковой тепловой мощности на выходе смешивающие теплообменники тратят пары на 5-20% меньше, чем поверхностные подогреватели. Высокая надежность УМПЕУ и ПСА обусловлена отсутствием в конструкции аппаратов тонкостенных трубок и вальцовочных соединений, а чистить их придется намного реже, поскольку что происходят в них при теплообмене процессы в десятки раз уменьшают накипеобразование. Процесс чисток предельно легок, поскольку конструкции есть легкоразборними. Аппараты являются малоинерционными и быстро выходят на режим. Даны позитивные свойства УМПЕУ обусловливают то, что внедрение их в системы теплофикаций промышленной и коммунальной сферы является одним из мероприятий, которые рекомендуются, выполняемых в рамках программ энергосбережения. Но техническая реализация процесса смешения пары и воды в УМПЕУ и ПСЕ принципиально отличается. А поскольку разные принципы действия данных устройств, то, естественно, будут разными и их технические характеристики и условия применения. Для объяснения сути отличий необходимо остановиться на конструкции обоих пристроил. Принцип действия ПСА. ПСА состоит из парового сопла, камеры смешения и диффузора. Потек пары разгоняется к сверхзвуковой скорости с помощью сопла Лаваля, после чего попадает в камеру смешения. Вода в камеру смешения подается соосному паровому потоку, в виде кольцевой струи. При взаимодействии потоков происходит распиловка воды, в результате чего в камере смешения происходит формирование сверхзвукового двухфазного потока, который сопровождается передачей импульсу и тепла от пары к воде. Дальше полученная смесь тормозится с возникновением прыжка уплотнения, повышениям статического давления и конденсации пары. При некоторых условиях давление исходного потока может превышать давление входных потоков. Поскольку в сопле тепловая энергия пары переходит в кинетическую энергию паровой струи, то ПСА эффективно может работать только с большим процентным содержанием пары [2]. Таким образом, необходимым условием работы ПСА является получение двухфазного прыжка уплотнения в камере смешения или диффузоре. Поэтому кроме точного расчета и изготовления проточного тракта ПСА необходимо также обеспечить точное задание и поддержку в заданных пределах входных параметров потоков пара и воды, что определяют как возможность получения прыжка уплотнения, так и его положение по осе Пса:-давление пары;-давление воды;-температуру пара;-температуру воды, которая нагревается;-степень сухости пары;-коэффициент инжекции (отношение расходов пары и воды). При невыполнении этих условий наступает срыв работы ПСА. Принцип действия УМПЕУ. УМПЕУ состоит из водяного сопла, приемной камеры, камеры предыдущего смешения, установленной на подводе пары, гасильного пульсаций давления и байпасного трубопровода, с регулирующим вентилем для перепуска части воды, которая нагревается, в камеру предыдущего смешения. Сетевая вода разгоняется в водяном сопле с понижением статического давления и созданием зоны разжижения в приемной камере. Часть сетевой воды (обычно в объеме до 10%) подается в камеру предыдущего смешения по трубопроводу. В камере предыдущего смешения эта часть воды распыляется форсунками, которые распыляют воду соосный и перпендикулярно потоку пара в паропроводе, который подводит, что обеспечивает существенное увеличение поверхности столкновения фаз. Для улучшения перемешивания и увеличения времени взаимодействия сред, смешиваемый поток дополнительно завихряется генераторами вихрей. Подготовлена смесь, которая имеет вихревую структуру, поступает в зону разжижения, созданную соплом в приемной камере, и конденсирующийся на водяной турбулентной струе. В гасителе пульсаций давления происходит завершение процесса конденсации и роста давления нагретого потока воды.

Пульсации давления демпфируются в гасителе за счет упругости газов над свободной поверхностью воды в емкости гасильного, отделенной от основного потока перфорированной перегородкой, и созданием поворотных течений, под свободной поверхностью за счет позитивного градиента давления по длине гасильного. Таким образом, в отличие от классической гидродинамической схемы струйного аппарата, которая реализована у ПСА и не изменилась из второй половины XIX века, в УМПЕУ проточный тракт после сопла выполнен в виде диффузора, который образует с исходной частью сопла канал с внезапным расширением. Другим отличием является то, что если у ПСА время взаимодействия смешиваемых потоков составляет тысячные доли секунды, в УМПЕУ применены следующие способы интенсификации процессов теплообмена, которые позволяют увеличить время взаимодействия смешиваемых потоков:- смешения пары с сетевой водой, которая распыляется форсунками в объеме до 10% в камере предыдущего смешения, с помощью генераторов вихрей;- конденсация полученной пароводяной смеси что имеет вихревую структуру на турбулентной водяной струе, которая заканчивается из сопла;- завершение процесса конденсации и гашения возможных пульсаций нагретого потока в гасителе пульсаций. Такой новый подход [7-10] позволил обеспечить завершенность теплообменных процессов и отсутствие вибраций и шума при роботе УМПЕУ, а также значительно расширить область применения струйных аппаратов к диаметрам трубопроводов Ду500мм и производительности до 1600 т/ч. Режимные параметры, которые определяют работоспособность Умпеу:- давление воды перед устройством;- давление пары;- коэффициент инжекции (затрата пары и затрата воды). В отличие от ПСА робота УМПЕУ не зависит от температуры воды, температуры пары, степени сухости пары. Сравнение технических характеристик УМПЕУ и ПСА. Поскольку разные принципы действия сравниваемых устройств, то естественно, будут разными и их характеристики. Реализованные до настоящего времени характеристики УМПЕУ и ПСА представленные в таблице. Данные по ПСА взятые для ПСА максимальной производительности (НПО "Новые технологии" м. Санкт-Петербург) из официального сайта 29 апреля 2008 года[6]. Показатель ПСА Умпеумаксимальний Ду, мм 150 500производительность, максимальная, т/ч 300 1600расход пары макс., Т/ч 36.3 72.6мощность максимальная, Гкал/ 24.0 48.0(Для увеличения мощности ПСА необходимо увеличивать количество аппаратов, которое ведет к росту стоимости обвязывания). Соотношение давления пары и воды на входе. ПСА: Давление пары должно быть больше давления воды у 1.7-2.0 раза. УМПЕУ: Давление пары может быть ниже (на 0.5 атм), ровно или выше давления воды. Максимальный подогрев воды, гр. Цельсия 80с 30с 60с(УМПЕУ с двухступенчатым введением пары) Линия подмеса. Нужный Не требуетсяпотери натиску воды. ПСА: Отсутствующие. Может наблюдаться насосный эффект. УМПЕУ: Потери натиска (обычно 0.07-0.12 Мпа) зависят от соотношений давления пары и воды и диапазона затраты воды. Разрешение Ростехнадзора на применение. Нет данных Разрешение на применение при параметрах Р=4.0 Мпа (40.0кгс/см2) и Т=3500с Требования к давлению пары и воды.

Принцип работы ПСА допускает необходимость обеспечить давление греющей пары перед ним значительно выше давления воды на входе в аппарат. Например, для ПСА фирмы "Новые технологии" м. Санкт-Петербург давление пары у 1.7-2.0 раза должно превышать давление воды, которая нагревается. Аналогичное требование для всех паровых инжекторов. Другими словами, если необходимо нагревать сетевую воду, которая имеет давление 1.0 Мпа(10.0кгс/см2), то необходимо обеспечить давление греющей пары не менее 1.7-2.0 Мпа(17.0-20.0кгс/см2) при нужному для обеспечения подогреву воды затрате пары от источника пары (например, паровой казан). Выполнение таких требований представляет сложную и порой маловыполнимое задание. В отличие от ПСА в УМПЕУ давление пары может быть как ниже, так и выше давления воды перед устройством (наиболее оптимально когда давление равно). Например, для подогрева сетевой воды давлением 1.0 Мпа(10.0кгс/см2) достаточно обеспечить давление пары 1.0мпа(10.0кгс/см2). Давление воды перед УМПЕУ должно обеспечивать получение на выходе из нее нагретого потока (с учетом потерь натиска воды) с необходимым давлением сетевой воды. О насосном эффекте ПСА. В рекламных материалах, посвященных ПСА, часто подчеркивается такое свойство как возможность нагрева и повышения давления сетевой воды. Встречаются утверждения о возможности отказаться от насосов (негативное гидравлическое сопротивление). Мнение специалистов по этому вопросу [3]:1. Использование паровых инжекторов для подогрева холодной воды парой и подачи горячей воды в бак-аккумулятор возможно, если вода и пара по своим характеристикам отвечают требованиям санитарных норм и правил.2. Экономическая целесообразность применения паровых инжекторов для системы подготовки сетевой воды на теплопунктах потребителей, присоединенных к паровым системам теплоснабжения не такая очевидная и должна рассматриваться для каждого объекта индивидуально. Если в схеме подогрева сетевой воды будет использован ПСА, который совмещает нагрев сетевой воды с повышением ее натиска, то гидравлический и тепловой режимы работы тепловой системы из ПСА являются взаимосвязанными. При повышении (понижении) температуры внешнего воздуха необходима температура сетевой воды должна снижаться (повышаться) согласно температурному графику регуляции. Это значит, что затрата пары через сопло ПСА также должна уменьшаться (увеличиваться), что ведет к изменениям давления сетевой нагретой воды на выходе из ПСА, а следовательно будет изменятся ее затрата. В свою очередь, из-за переменной затраты воды ее температура на выходе из системы теплоснабжения не будет равняться значениям, которые должны отвечать температурному графику, рассчитанному при постоянной затрате сетевой воды. (При качественной регуляции система теплоснабжения требует поддержки практически постоянного гидравлического режима: небольшие колебания затраты сетевой воды ±10% возможные из-за переменной нагрузки горячего водоснабжения, если такая есть). Более того, попытка полностью исключить из системы сетевые насосы и использовать вместо них ПСА потенциально опасная, поскольку приводит к следующим проблемам:-отсутствует возможность плавной регуляции тепловой мощности;-возможны непроизвольные сбои насосного режима ПСА при снижении давления пары ниже допустимого;-вследствие сбоев происходят внезапное прекращение циркуляции, попадания пары, в трубопроводы тепловой сети и, как следствие, гидроудары - то есть возникает аварийная ситуация. В связи с вышесказанным реализация насосного эффекта ПСА в системах теплоснабжения не позволяет отказаться от использования сетевых насосов, поскольку снижает надежность системы. А рекламируемый эффект на практике используется у ПСА главным образом для исключения гидравлического сопротивления, или создания незначительного натиска. По-видимому потому в статье [4] отмечается: "Обещанный поставщиками насосный эффект никудышно малый (повышение давления воды на выходе всего на 0.2-0.3 атм. Работа аппаратов без насоса возможна на аккумуляторный бак, то есть туда, где не есть противодавления)". В отличие

Карта сайта.