Про застосування парових інжекторів в теплопостачанні
А.І.Белевіч, А.В.Крупцев, В.А.Малафеев
Далі: про стрибок тиску і конденсації пари в інжекторі. Це явище вперше було виявлено ще в 1937 році С.Ю.Келлером [5], а потім в 1939 році підтверджено у Всесоюзному теплотехнічному інституті (ОТІ) Н.Г.Морозовим і в 1949 році пояснено (на рівні знань того часу) В. І.Коноваловим [6].
Характерною особливістю пароводяного інжектора. яка відрізняє його від інших типів струменевих апаратів, є те, що він може підтримувати режим роботи з тиском нагрітої води на виході, що перевищує тиск пари на вході. Завдяки цій властивості інжектор використовувався (і використовується) в якості насоса в схемах подачі живильної води в парові котли.
Зазначене явище було пояснено в МЕІ М.Е.Дейчем [7] і в лабораторії теплофікації ОТІ Е.Я.Соколовим і Н.М.Зінгером [8].
Історична довідка про інжекторах.
Вперше прототип інжектора був запропонований французьким ученим Манури д'Енто в 1818 році. У 1852 році французький інженер Анрі Жиффар використовував інжектор в паровій машині на дирижаблі. Ця парова машина мала вага 9 пудів (144 кг) і потужність 3 к.с. (2.2 кВт). Вона обертала гвинт 11 футів ( »3.3 м) в діаметрі з частотою 110 оборотів в хвилину. Цей гвинт був рушієм дирижабля [9].
У 1858 році А.Жіффар запатентував конструкцію інжектора, яка принципово не змінилася до теперішнього часу. З другої половини XIX століття і до середини XX століття інжектори знаходили широке застосування на паровозах, пароплавах і в невеликих стаціонарних і пересувних парових котелень.
Тепер про використання інжекторів в системах централізованого теплопостачання (в системах гарячого водопостачання та в системах опалення).
Поза всяким сумнівом, використання інжекторів для підігріву холодної води паром і подачі нагрітої (гарячої) води в систему гарячого водопостачання, оснащену баком-акумулятором, можливо. Але при цьому слід мати на увазі, що використовується для нагріву води пар за своїми характеристиками повинен відповідати вимогам санітарних норм і правил. Це означає, що пар з основного контуру ТЕЦ або ГРЕС, як правило, не може бути використаний для підігріву води, що спрямовується в систему гарячого водопостачання, тому що живильна вода на ТЕС часто піддається обробці хімреактивами, шкідливими для здоров'я, наприклад гідразин-гідратом. Таке нагрівання води може мати місце на об'єктах, які оснащені паровими котельнями, що харчуються водою питної якості і мають Na-катіонітових хімводоочищення.
Використання інжекторів для потреб гарячого водопостачання досить часто зустрічається на невеликих підприємствах, особливо харчової промисловості, наприклад, на Липецькому і Клинском пивоварних заводах. Розробка і поставка інжекторів і елементів автоматизованої системи управління для цих об'єктів здійснена фірмою "Струйная техніка" при науковій підтримці ОТІ.
Що стосується застосування інжектора для нагріву мережної води і створення циркуляції в системах централізованого теплопостачання, то це більш складне завдання. Справа в тому, що характеристики інжектора дуже чутливі до зміни параметрів, що гріє, що нагрівається і змішаного потоків. Під характеристикою інжектора розуміється залежність будь-якого режимного параметра одного з трьох взаємодіючих потоків від параметра іншого потоку. При цьому значення інших параметрів всіх потоків повинні бути незмінні. Наприклад, при оцінці інжектора як гідравлічного насоса використовується характеристика виду Рс = f (Gс). де: Рс - тиск води на виході з апарату (протитиск), а Gc - масова витрата змішаної (стислій) води. Ця характеристика розраховується або виходить експериментально при постійних тиску і температурах робочого пара (Рр. Tр) і ежектіруемой води (Рн. Tн).
Залежно від форми профілю проточної частини апарату можуть мати місце два види характеристик:
1) при циліндричної камері змішання відношення перетину камери змішування до мінімального перетину сопла завжди більше 1.0 і характеристика складається з двох зон, що відповідають допредельних і граничного режимам;
2) при конічної камері змішання, коли відношення перетину камери змішування до мінімального перетину сопла зазвичай менше 1.0, характеристика складається тільки з ділянки, відповідного зоні граничного режиму.
при Рс <(Рс ) пр. когда реализуется предельный режим, температура смешанной воды становиться неизменной. На рисунке 1 в качестве иллюстрации приведена подобная характеристика инжектора.
Рис.1. Характеристика інжектора.
Зазначені на рисунку мінімальний масова витрата змішаної (стислій) води (Gc) min визначається з умови забезпечення повної конденсації робочого пара за рівнянням теплового балансу при тиску суміші в камері змішування, а максимальна витрата (Gc) max - з умови досягнення критичної швидкості потоком в якому -або з перетинів проточної частини апарату.
При якісному регулюванні система теплопостачання вимагає підтримки практично постійного гідравлічного режиму (невеликі коливання витрати мережної води (± 10%) можливі через змінного навантаження гарячого водопостачання, якщо така є). Регулювання відпуску тепла в системі проводиться шляхом зміни температури мережевої води відповідно до прийнятого температурним графіком [10]. Зазвичай невеликі системи теплопостачання, які приєднані до парових котелень малої потужності, працюють по температурному графіку 95 - 70 ° С. При відсутності навантаження гарячого водопостачання нагріта мережева вода на виході з інжектора в кліматичних умовах, близьких до умов Москви, повинна мати температуру в діапазоні від 37 ° С (температура зовнішнього повітря + 10 ° С) до 95 ° С (температура зовнішнього повітря -25 ° С ). У той же час її витрата протягом опалювального сезону повинен зберігатися незмінним. При традиційному рішенні цієї задачі нагрівання мережної води і її циркуляція забезпечуються в водоподогревательной установці (ВПУ), що складається з пароводяних підігрівачів кожухотрубчатого типу і мережевих насосів. Така схема ВПУ забезпечує гідравлічний режим системи теплопостачання незалежних від теплового режиму системи.
Якщо в схемі ВПУ буде використаний інжектор, який поєднує нагрів мережної води з підвищенням її напору, то гідравлічний і тепловий режими роботи ВПУ і системи теплопостачання виявляються взаємопов'язаними. При підвищенні (зниженні) температури зовнішнього повітря необхідна температура мережної води повинна знижуватися (підвищуватися) згідно з температурним графіком регулювання. А це означає, що витрата пара через сопло інжектора також повинен зменшуватися (збільшуватися). Оскільки тепловий і гідравлічний режими в інжекторі взаємопов'язані, то тиск мережевий нагрітої води на його виході буде змінюватися, а, отже, буде непостійний і її витрата. У свою чергу, через змінного витрати води її температура на виході з системи теплопостачання не буде дорівнює значенням, які повинні відповідати температурним графіком, розрахованим при постійній витраті мережної води. У діапазоні температур зовнішнього повітря протягом опалювального сезону тиск води на виході інжектора (Рс) змінюється майже в 4 рази (див. Таблицю нижче).
Для того, щоб зберегти витрата мережної води до споживача постійним інжектор повинен доповнюватися насосом з електроприводом і досить складною системою автоматичного регулювання. У ОТІ розроблена така схема, яка реалізована на ряді об'єктів.
На малюнку 2 наведена принципова схема включення інжектора з насосом в теплопункті споживача тепла, підключеного в паровій системі теплопостачання. Ця схема може забезпечити вимоги, що пред'являються системою теплоспоживання до ВПУ.
Мал. 2. Включення інжектора з насосом
Зазначені на схемі значення параметрів пари і гарячої води відносяться до ВПУ споживача з розрахункової тепловим навантаженням 1.0 Гкал / год і з середньою часовий навантаженням за опалювальний період Qср = 0.493 Гкал / год (0.58 МВт) і (tн) ср = -3.2 ° С ( Московський регіон).
tс - температура води на виході з інжектора;
t 3 - температура води на вході в систему опалення;
t 2 - температура води на виході з системи опалення;
Gп - витрата пара на інжектор;
Gc - витрата води на виході з інжектора;
Рп - тиск пари на інжектор;
Рс - тиск води за інжектором;
Q о - відносна навантаження опалення;
Gб - витрата води по байпасу.
Нижче на малюнку приведена залежність тиску води за інжектором (Рс) протягом опалювального сезону в залежності від температури зовнішнього повітря (tн).
Мал. 3. Залежність тиску води від температури зовнішнього повітря.
Кілька зауважень про роботу теплопункту з інжектором.
1. Наведена вище схема теплового пункту з інжектором може бути застосована при роботі в закритій системі теплопостачання, причому володіє високою гідравлічної щільністю, тобто практично не має витоків. В іншому випадку зростає навантаження на хімводоочищення на джерелі тепла (котельні) та економічна вигода від застосування інжектора втрачається або навіть перетворюється в економічні втрати.
2. Робота системи теплоспоживання, приєднаної до теплопункту з інжектором, відбувається на чистому конденсаті, який після споживачів повинен зливатися в конденсаційний бак, а далі подаватися на Деаераційно установку. У конденсатного баку, а також в більш ширших баках систем опалення будівель (при їх наявності) неминуче його "зараження" киснем. Через те, що значення рН конденсату відносно низькі, навіть невелика присутність в конденсаті кисню різко підвищує його корозійну активність. Притому слід зазначити, що використання існуючих Деаераційно установок не дозволяє повністю видалити розчинений кисень і вуглекислий газ. Отже, неминуча корозія труб систем теплопостачання. У зв'язку з цим на джерелі тепла слід постійно забезпечувати періодичний хімічний контроль якості конденсату і його обробку хімреактивами, що підвищують рН.
3. Система регулювання режимів роботи теплопункту з інжектором дещо складніше, ніж для теплопункту з пароводяним підігрівачем (бойлером), який може бути обладнано тільки одним регулятором температури мережевої води в трубопроводі, що подає і одним регулятором тиску води в зворотному трубопроводі. Тому надійність автоматичної підтримки теплогідравлічного режиму при використанні інжектора нижче, ніж при використанні бойлера. Відповідно, вище вимоги і до кваліфікації персоналу, що обслуговує ВПУ, що тягне за собою і більш високі експлуатаційні витрати.
На ТЕС, в промислових і опалювальних котелень застосування інжекторів натомість пароводяних підігрівачів і насосів доцільно в схемах нагріву і подачі хімочіщенной води, як в деаератори основного контуру станції, так і в деаератори підживлення тепломережі.
2. У Деаераційно установках парових котелень і на ТЕС, а при певних умовах і в системах гарячого водопостачання з баками-акумуляторами, використання інжекторів може дати відчутний економічний ефект.
3. Економічна доцільність застосування інжектора для підготовки мережної води на теплопунктах споживачів, приєднаних до парових систем теплопостачання замість пароводяних підігрівачів з насосами, не настільки очевидна. Доцільність застосування інжекторів для цієї мети залежить від конкретних умов і повинна розглядатися для кожного об'єкта індивідуально.