Пароконденсатна система (Розділ 10)

Книга “Гофроіндустрія. У пошуках досконалості”

Армін Хоерл (Armin Hoerl),
інженер-конструктор пароконденсатної системи,
яку використовують у BHS Corrugated

Ефективна передача енергії

Багато таємниць криється в пароконденсатній системі, причому всі вони закладені в конструкцію інженерами, які працюють із цими системами і знають собі ціну.

Мета цього розділу — спрощено розглянути існуючі логічні схеми та основні переваги пари як способу передачі енергії, яку використовують на гофроагрегатах.

Основи

Пара, безперечно, є найкращим засобом для нагрівання гофроагрегатів. Жоден інший спосіб не дає таких переваг:
• пара є носієм енергії великої щільності, тому для транспортування потрібні трубопроводи невеликого діаметру;
• під час використання сухої насиченої пари тепловіддача відбувається за постійної температури;
• пара ефективно передає теплову енергію;
• автоматично потік пари направляють швидше в те місце, де в ньому є найбільша потреба;
• пара не шкідлива для навколишнього середовища, не отруйна і не горюча.

Що таке суха насичена пара і чому її використовують на гофроагрегатах?

Залежність температури насиченої пари від тиску наведена у таблиці.

Один бар — атмосферний тиск на рівні моря (14 фунтів на кв. дюйм). За абсолютного тиску пари 16 бар на манометрі з’явиться значення 15 бар (різниця між абсолютним тиском та атмосферним тиском), температура пари досягне 201°С.

Під час виробництва двошарового гофрокартону спостерігаємо наступний розподіл енергії: 70% — для нагріву вологого паперу та випаровування вологи; 20% — для желеутворення та сушіння крохмального клею; 10% — втрати при конвекції та інфрачервоному випромінюванні.

Під час нагрівання води за атмосферного тиску енергія, що використовується, підвищує температуру до 100°С (212°F) — температури кипіння. У цій точці теплова енергія становить 419 кілоджоулів на кілограм.

За подальшого нагрівання вода перетворюється на пар. Якщо пар подають у посуд, в якому температура досягає 100°С при атмосферному тиску (1 бар), то це сухий насичений пар.

Він несе теплову енергію води енергоємністю 419 кДж/кг плюс теплову енергію при пароутворенні (прихована теплота на пароутворення), загалом 2257 кДж/кг.

Якщо він вступить у контакт з холодним предметом або тепло якимось чином піде з поверхні посуду, то насичений пар негайно почне віддавати максимально необхідну кількість прихованої теплової енергії, щоб довести температуру навколишнього середовища до 100°С.

У процесі, зворотному пароутворенню, пар перетворюється на воду — конденсується. Поки пар оновлюється, температура залишається на рівні 100°С.

Якщо вода закипає за тиску вищого за 1 бар, то точка кипіння піднімається і, в такий спосіб, виходить прихована теплова енергія пара.

Якщо пар продовжують нагрівати за відсутності води, він стає перегрітим, але не конденсується (віддаючи велику кількість своєї прихованої теплової енергії) до тих пір, поки його температура не знизиться до точки кипіння за даного тиску і він знову не перетвориться на насичений пар.

Перегрітий пар — не те, що нам потрібно. Нам потрібен насичений пар. Насичений пар потрібно підтримувати у сухому стані, періодично видаляючи з нього конденсаційну воду. Це дуже важливо.

Конденсовані гази

У будь-якій воді міститься розчинене повітря та інші гази. Під час кипіння вода перетворюється на пар. Гази не створюють проблем, поки ви не збираєтеся передати тепло крізь стінки обертового посуду або через верхню поверхню стаціонарного посуду.

Між паром та нагріваною поверхнею гази створюють ізолюючу плівку. Плівка повітря товщиною в тисячну частку дюйма (40 мікрон) має таку ж провідність, як і 9-дюймова (230-мм) мідь.

Отже, наша пароконденсатна система оснащена пристроями для видалення конденсованих газів у тих місцях, де вони збираються. Гази потрапляють у систему не тільки через воду, але й під час зупинки системи на вихідні дні.

Система подачі пари на гофроагрегат

Будова

Зазвичай система подачі пара складається з наступних компонентів:

Підпитувальну воду додають у відповідний бак після обробки. Вона потрібна для того, щоб відновити втрати пара, особливо розпилюваного, і забезпечити його повернення до котлу.

Бак для підпитувальної води повинен мати температуру приблизно 103°С; вона відповідає тиску, що перевищує атмосферний на 0,2 бара. У котлі воду продовжують нагрівати до утворення пара.

Котел

Котел повинен повністю відповідати об’єму завантаження надпотужного гофроагрегата і наступним конструкційним параметрам:

Конструкція котла ніяк не впливає на виробництво гофрованого картону, просто у котлі потрібно підтримувати постійний тиск у межах 15-16 бар.

Трубопроводи

Пар на гофроагрегат подають по добре ізольованих трубопроводах.

Від головного трубопроводу, який проходить уздовж вологої частини гофроагрегата, через підвідні труби пар подають на окремі частини машини, такі як гофропрес, підігрівач і система підігріву преса для виробництва тришарового гофрокартону.

Під час проектування трубопроводів потрібно врахувати наступне:
• трубопроводи проектують під певним кутом для видалення конденсату;
• дренаж на кінці трубопроводу і деаерацію;
• дренаж на нижніх точках;
• не рекомендують використовувати концентричні перехідники при переході на менший діаметр трубопроводу, оскільки вони створюють водяні затори (конденсат проходить по сходинках);
• завжди прокладайте шлях пара з верхньої частини трубопроводу.

Теплопередача і перетворення тепла

Пар подають на обертовий циліндр по закріпленому трубопроводу через парові головки, які є герметичною обертовою системою, встановленою на осях циліндра.

Усередині циліндра пар віддає тепло на стінки, при цьому утворюється конденсат. У процесі формування плівки конденсату і товстішої стінки на валах з традиційною системою нагріву падає поверхнева температура.

На валах з просвердленими по колу отворами не утворюється плівка конденсату завдяки вищій швидкості потоку пара, яка значно підвищує поверхневу температуру.

Невеликі переваги мають нагрівальні плити з просвердленими отворами:
• підвищення температури нагріву поверхні паперу до 15°С і більше;
• швидкий нагрів і швидкісна система регулювання температурних режимів для різних технологічних умов;
• рівна температура по всій робочій ширині.

Конденсаційні горщики

Під час подачі пара на окремі секції він конденсується, і конденсат направляють у конденсаційні горщики. Конденсаційні горщики призначені для видалення конденсату та повітря з нагріваних посудин.

Дуже важливо видалити повітря з гофроагрегату. Під час розігріву гофроагрегату пар виштовхує перед собою повітря. Оскільки повітря не конденсується, воно збирається перед конденсаційними горщиками.

Повітря — поганий провідник, воно створює ізоляційний ефект, який може призвести до перепадів температур у процесі роботи, що створює проблеми.

Принцип роботи конденсаційних горщиків:
• тиск у горщиках вищий за тиск у трубопроводах для конденсату. Конденсат, що надходить у горщик, піднімає поплавок. Клапан відкривається, і конденсат виходить назовні:

Після того як рівень води знизиться, поплавок опускається, а клапан знову закривається. Якщо у конденсаційному горщику є повітря, то температура падає і вихлопний отвір відкривається;
• щоб зневодити зону, в якій міститься пар, і подати конденсат у трубопровід для конденсату, використовують відносний тиск;
• під час зневодження групи один конденсаційний горщик обслуговує кілька нагрітих посудин. З одного боку, маємо перевагу в тому, що для однієї групи нагрітих посудин використовують тільки один конденсаційний горщик, що знижує витрати, з другого — маємо наступні недоліки:
• менше конденсату в посудині, з якої витрачали менше тепла. Тобто пар може потрапити у конденсаційний горщик і закрити його, при цьому інша ємність не буде зневоджена.

У результаті маємо:
• повільний нагрів;
• перепади температур;
• нерівномірний нагрів;
• низьку робочу швидкість.

Краще використовувати індивідуальні системи збору конденсату для кожної окремої секції, що споживає пар:

Конденсатна система

Після того як конденсат зібрали у горщики, можна використовувати два різних способи його повернення у котел:

1. Простий, відкрита система.
2. Закрита система високого тиску.

Паралельно існують інші системи.

З бака для підпитувальної води готову (очищену) воду подають на паровий котел. Тут виробляють пар, який конденсується в нагрітих посудинах, і потік конденсату направляють у конденсатну систему через конденсаційні горщики.

За відкритої системи гарячий конденсат (до 180°С, 9 бар) направляють у котельню, у бак для підпитувальної води. Бак відкритий, а це означає, що гарячий конденсат випаровується як пар і велика кількість енергії викидається в атмосферу.

Перевага системи в тому, що у баку створюється низький тиск, який підвищує безпеку роботи.

Витрати на енергію, а також хімікати і воду, які йдуть у трубу, становлять близько 28 тис. євро на рік.

Відрізняється від відкритої тим, що конденсат під високим тиском збирають в окремому баку і під тиском відкачують насосом назад у котел. Розпилюваний пар також подають з цього бака.

Велика перевага системи в тому, що практично немає втрат енергії, води або хімікатів, хоча капітальні витрати досить високі.

Нагріті посудини на гофроагрегаті

Для прикладу візьмемо гофропрес BHS Mono Facer. На машині використовують традиційну камеру для нагріву гофровалів, гострий пар подають безпосередньо на кожен вал. Конденсат направляють через сифонні трубки у конденсаційні горщики, які пов’язані з системою повернення конденсату під високим тиском.

На гофропресі використовують систему гофровалів з отворами по колу. Комплект гофровалів безпосередньо пов’язаний з системою управління гострим паром. Пар спочатку подають на верхні гофровали, а потім каскадом — на нижні. З нижнього гофровалу пар подають у відстійний резервуар перед подачею на конденсаційні горщики. Гострий пар подають на кожен нагрітий циліндр на гофропресі.

Щоб раціонально видалити конденсат з гофровалів, використовують відносний тиск 2,5-3 бари, за якого досягають гарантовано хорошого рівня потоку на всіх ділянках. Інші циліндри такі ж, як і в традиційній системі: використовують сифонні трубки для збору конденсату у конденсаційні горщики під високим тиском. Додаткові витрати на периферійний нагрів тут не виправдані, оскільки рівень точності менший, ніж на гофровалах.

Система нагріву на пресі для виготовлення тришарового гофрокартону

Каскадна система

За каскадної системи відпрацьований пар з першої секції нагрівальних пластин зневоднюють і направляють на наступну секцію і т.д. Клапани, що регулюють тиск, зв’язані послідовно.

Найвищий тиск — на першій секції. На другій і третій підтримують нижчі рівні тиску, щоб забезпечити хороший рівень потоку.

Для кращого використання енергії відпрацьований пар з конденсаційних горщиків з першої секції використовують для підігріву другої. Цей пар пропускають через вентиль з електроприводом М2. Ту саму схему використовують на ділянці між 2-ю і 3-ю секціями. Найнижчий рівень тиску, який можна задати в третій секції, залежить від низхідного потоку конденсатної системи.

Таким чином, температуру знижують у напрямку руху паперу машиною, що підходить для більшості марок картону.

Однак виникають проблеми з новими типами мікрогофри (F, G, N і О). Проблеми в тому, що:
• щільний папір і невеликий об’єм повітря в картоні затримують пар, і при формуванні утворюються бульбашки;
• дуже низькі температури крохмального клею.

У цьому випадку краще почати з низької температури і досягти хорошого зчеплення, а потім поступово підвищувати температуру сушіння картону. У майбутньому потрібно модернізувати каскадну систему і використовувати в ній паралельну схему замість послідовної.

Паралельне підключення

Всі три секції безпосередньо підключені до лінії гострого пару. Використовуючи цю систему, можна працювати зі зниженим або підвищеним тиском. Вторинний пар з окремих секцій використовують за каскадної системи.

Однак потрібно більше ліній повернення конденсату, причому їх використовують тільки на секціях з низьким тиском пару. Найнижчий рівень тиску, який можна знову задати, залежить від низхідного потоку конденсатної системи.

Можна задати наступні параметри:

З питань придбання книги «Гофроіндустрія. У пошуках досконалості» звертайтеся до:
Костянтина Шабуневича
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.