Пароконденсатная система (Глава 10)

Книга «Гофроиндустрия. В поисках совершенства»

Армин Хоерл (Armin Hoerl),
инженер-конструктор пароконденсатной системы,
которую используют в BHS Corrugated

Эффективная передача енергии

Много тайн кроется в пароконденсатной системе, причем все они созданы инженерами, работающими с этими системами и знающими себе цену.

Цель данной главы — упрощенно рассмотреть существующие логические схемы и основные преимущества пара как способа передачи энергии, которую используют на гофроагрегатах.

Основы

Пар, бесспорно, является лучшим средством для нагрева гофроагрегатов. Ни один другой способ не дает таких преимуществ:

• пар является носителем энергии большой плотности, поэтому для его транспортировки нужны трубопроводы небольшого диаметра;
• при использовании сухого насыщенного пара теплоотдача происходит при постоянной температуре;
• пар эффективно передает тепловую энергию;
• автоматически поток пара направляют быстрее в то место, где в нем есть самая большая необходимость;
• более того, пар не вреден для окружающей среды, не ядовит и не горюч.

Что такое сухой насыщенный пар и почему его используют на гофроагрегатах?

Зависимость температуры насыщенного пара от давления приведена в таблице.

Один бар — атмосферное давление на уровне моря (14 фунтов на кв. дюйм). При абсолютном давлении пара 16 бар на манометре появится значение 15 бар (разница между абсолютным давлением и атмосферным давлением), температура пара достигнет 201 °С.

При производстве двухслойного гофрированного картона наблюдаем следующее распределение энергии: 70% — для нагрева влажной бумаги и выпаривания влаги; 20% — для желеобразования и сушки крахмального клея; 10% — потери при конвекции и инфракрасном излучении.

При нагреве воды при атмосферном давлении вводимая энергия повышает температуру до 100 °С (212 °F) — температуры кипения. В этой точке тепловая энергия составляет 419 килоджоулей на килограмм.

При дальнейшем нагревании вода превращается в пар. Если пар подают в сосуд, в котором температура достигает 100 °С при атмосферном давлении (1 бар), то это сухой насыщенный пар.

Он несет тепловую энергию воды энергоемкостью 419 кДж/кг плюс тепловую энергию при парообразовании (скрытая теплота на парообразование), всего 2257 кДж/кг.

Если он вступит в контакт с холодным предметом или тепло каким-то образом уйдет с поверхности сосуда, то насыщенный пар немедленно начнет отдавать максимально необходимое количество скрытой тепловой энергии, чтобы довести температуру окружающей среды до 100 °С.

В процессе, обратном парообразованию, пар превращается в воду — конденсируется. Пока пар обновляется, температура остается на уровне 100 °С .

Если вода закипает при давлении выше 1 бара, то точка кипения поднимается и, таким образом, выходит скрытая тепловая энергия пара.

Если пар продолжают нагревать при отсутствии воды, он становится перегретым, но не конденсируется (отдавая большое количество своей скрытой тепловой энергии) до тех пор, пока его температура не опустится до точки кипения при данном давлении и он снова не превратится в насыщенный пар.

Перегретый пар — не то, что нам нужно. Нам нужен насыщенный пар. Насыщенный пар нужно поддерживать в сухом состоянии, периодически удаляя из него конденсационную воду. Это очень важно.

Сгущаемые газы

В любой воде содержатся воздух и другие газы, растворенные в ней. При кипении вода превращается в пар. Газы не создают проблем, пока вы не собираетесь передать тепло через стенки вращающегося сосуда или через верхнюю поверхность стационарного сосуда.

Между паром и нагреваемой поверхностью газы создают изолирующую пленку. Пленка воздуха толщиной в тысячную часть дюйма (40 микрон) имеет такую же проводимость, как и 9-дюймовая (230-мм) медь.

Поэтому наша пароконденсатная система оснащена устройствами для удаления сгущающихся газов в тех местах, где они собираются. Газы попадают в систему не только через воду, но и при останове системы на выходные дни.

Система подачи пара на гофроагрегат

Устройство

Обычно система подачи пара состоит из следующих компонентов:

Подпиточную воду добавляют в бак для подпиточной воды после соответствующей обработки. Она нужна для того, чтобы восстановить потери пара, особенно распыляемого, и обеспечить его возврат в котел.

Бак для подпиточной воды должен иметь температуру приблизительно 103 °С; она соответствует давлению, превышающему атмосферное на 0,2 бара. В котле воду продолжают нагревать до образования пара.

Котел

Котел должен полностью соответствовать объему загрузки сверхмощного гофроагрегата и следующим конструкционным параметрам:

Конструкция котла никоим образом не влияет на производство гофрированного картона, просто в котле нужно поддерживать постоянное давление в пределах 15-16 бар.

Трубопроводы

Пар на гофроагрегат подают по хорошо изолированным трубопроводам.

От главного трубопровода, который проходит вдоль мокрой части гофроагрегата, через подводящие трубы пар подают на отдельные части машины, такие как гофропресс, подогреватель и система подогрева пресса для производства трехслойного гофокартона.

При проектировании трубопроводов нужно учесть следующее:

• трубопроводы проектируют под определенным углом для удаления конденсата;
• дренаж на конце трубопровода и деаэрация;
• дренаж на нижних точках;
• не рекомендуют использовать концентрические переходники при переходе на меньший диаметр трубопровода, так как они создают водяные заторы (конденсат проходит по ступенькам);
• всегда прокладывайте путь пара с верхней части трубопровода.

Теплопередача и превращение тепла

Пар подают на вращающийся цилиндр по закрепленному трубопроводу через паровые головки, которые представляют собой герметическую вращающуюся систему, установленную на осях цилиндра.

Внутри цилиндра пар отдает свое тепло на стенки цилиндра, при этом образуется конденсат. В процессе формирования пленки конденсата и более толстой стенки на валах с традиционной системой нагрева падает поверхностная температура.

На валах с просверленными по окружности отверстиями не образуется пленка конденсата благодаря более высокой скорости потока пара, которая значительно повышает поверхностную температуру.

Небольшими преимуществами обладают нагревательные плиты с просверленными в них отверстиями:

• повышение температуры нагрева поверхности бумаги до 15 °С и больше;
• быстрый нагрев и скоростная система регулировки температурных режимов для разных технологических условий;
• ровная температура по всей рабочей ширине.

Конденсационные горшки

При подаче пара на отдельные секции он конденсирует, и конденсат направляют в конденсационные горшки. Конденсационные горшки предназначены для удаления конденсата и воздуха из нагреваемых сосудов.

Особенно важно удалить воздух с гофроагрегата. При разогреве гофроагрегата пар выталкивает перед собой воздух. Так как воздух не конденсирует, он собирается перед конденсационными горшками. Воздух — плохой проводник, он создает изоляционный эффект, который может привести к перепадам температур в процессе работы, что создает проблемы.

Принцип работы конденсационных горшков:

• давление в горшках выше давления в трубопроводах для конденсата. Конденсат, поступающий в горшок, поднимает поплавок. Клапан открывается, и конденсат выходит наружу.

После того как уровень воды понизится, поплавок опускается, а клапан снова закрывается. Если в конденсаторном горшке есть воздух, то температура падает и выхлопное отверстие открывается;
• чтобы обезводить зону, в которой содержится пар, и подать конденсат в трубопровод для конденсата, используют относительное давление;
• при обезвоживании группы один конденсационный горшок обслуживает несколько нагретых сосудов. С одной стороны, имеем преимущество в том, что для одной группы нагретых сосудов используют только один конденсационный горшок, что снижает затраты; а с другой — имеем следующие недостатки:
• меньше конденсата в сосуде, из которого расходовали меньше тепла. Т. е. пар может попасть в конденсационный горшок и закрыть его, при этом другая емкость не будет обезвожена.

В результате имеем:

• медленный нагрев;
• перепады температур;
• неравномерный нагрев;
• низкую рабочую скорость.

Лучше использовать индивидуальные системы сбора конденсата для каждой отдельной секции, потребляющей пар.

Конденсатная система

После того как конденсат собрали в горшки, можно использовать два разных способа его возврата в котел:

1) простой, открытая система;
2) закрытая система высокого давления.

Параллельно существуют другие системы.

Из бака для подпиточной воды готовую (очищенную) воду подают на паровой котел. Здесь вырабатывают пар, который конденсирует в нагретых сосудах, и поток конденсата направляют в конденсатную систему через конденсационные горшки.

При открытой системе горячий конденсат (температура до 180 °С, давление 9 бар) направляют в котельную, в бак для подпиточной воды. Бак открыт, а это значит, что горячий конденсат испаряется, как пар, и большое количество энергии выбрасывается в атмосферу.

Преимущество системы в том, что в баке создается низкое давление, которое повышает безопасность работы.

Затраты на энергию, а также на химикаты и воду, которые уходят в трубу, составляют около 28 ООО евро в год.

Отличается от открытой системы тем, что конденсат под высоким давлением собирают в отдельном баке и под давлением откачивают насосом обратно в котел. Распыляемый пар также подают из этого бака.

Большое преимущество системы в том, что практически нет потерь энергии, воды или химикатов, хотя капитальные затраты довольно высоки.

Нагретые сосуды на гофроагрегате

Для примера возьмем гофропресс «БХС Монофейсер». На машине используют традиционную камеру для нагрева гофровалов, острый пар подают прямо на каждый вал. Конденсат направляют через сифонные трубки в конденсационные горшки, которые связаны с системой возврата конденсата под высоким давлением.

На гофропрессе используют систему гофровалов с отверстиями по окружности. Комплект гофровалов напрямую связан с системой управления острым паром. Пар сначала подают на верхние гофровалы, а затем каскадом — на нижние. С нижнего гофровала пар подают в отстойный резервуар перед подачей на конденсационные горшки. Острый пар подают на каждый нагретый цилиндр на гофропрессе.

Чтобы рационально удалить конденсат из гофровалов, используют относительное давление 2,5-3 бара, при котором достигают гарантированно хорошего уровня потока на всех участках. Другие цилиндры такие же, как и в традиционной системе: используют сифонные трубки для сбора конденсата в конденсационные горшки под высоким давлением. Дополнительные расходы на периферийный нагрев здесь не оправданы, так как уровень точности меньше, чем на гофровалах.

Система нагрева на прессе для изготовления трехслойного гофрированного картона

Каскадная система

При каскадной системе отработанный пар с первой секции нагревательных пластин обезвоживают и направляют на вторую секцию и т. д. Клапаны, регулирующие давление, связаны последовательно.

Самое высокое давление — на первой секции. На второй и третьей секциях поддерживают соответственно более низкие уровни давления, чтобы обеспечить хороший уровень потока.

Для лучшего использования энергии отработанный пар из конденсационных горшков с первой секции используют для подогрева второй. Этот пар пропускают через вентиль с электроприводом М2. Ту же схему используют на участке между 2-й и 3-й секциями. Самый низкий уровень давления, который можно задать в третьей секции, зависит от нисходящего потока конденсатной системы.

Таким образом, температуру понижают в направлении движения бумаги по машине, что подходит для большинства марок картона.

Однако возникают проблемы с новыми типами микрогофры (F, G, N и О). Проблемы в том, что:

• плотная бумага и небольшой объем воздуха в картоне задерживают пар, и при формировании образуются пузырьки;
• очень низкие температуры крахмального клея.

В этом случае лучше начать с низкой температуры и добиться хорошего сцепления, а затем постепенно повышать температуру сушки картона. В будущем нужно модернизировать каскадную систему и использовать в ней параллельную схему вместо последовательной.

Параллельное подключение

Все три секции напрямую подключены к линии острого пара. Используя эту систему, можно работать с пониженным или с повышенным давлением. Вторичный пар с отдельных секций используют при каскадной системе. Однако нужно больше линий возврата конденсата, причем их используют только на секциях с низким давлением пара. Самый низкий уровень давления, который можно снова задать, зависит от нисходящего потока конденсатной системы.

Можно задать следующие параметры:

По вопросам покупки книги «Гофроиндустрия. В поисках совершенства» обращайтесь:
Константин Шабуневич
Тел. моб: +38 093 246 21 21 (Viber, WhatsApp, Telegram)
[email protected]

If you find an error, please highlight a piece of text and clickCtrl+Enter.

Tags: пар