На предприятиях водяной пар расходуют на технологические и бытовые и силовые цели.
Для технологических целей глухой и острый пар используют как теплоноситель. Острый пар используют, например, для разваривания сырья в варильниках или нагрева и перемешивания жидкостей барботированием, для создания избыточного давления в автоклавах, а также на изменение агрегатного состояния вещества (испарение или выпаривание жидкости, сушка материалов и т.д.). Глухой пар используют в поверхностных теплообменниках с паровым обогревом. Давление пара, используемого на мясообрабатывающих предприятиях, колеблется от 0,15 до 1,2 МПа (1,5÷12 кг/см 2).
Для каждой технологической операции с использованием водяного пара определяют его расход по данным теплового баланса каждого теплового процесса. При этом используют данные материальных балансов продуктовых расчетов. Для периодических процессов учитывают время термообработки по каждому циклу.
В каждом конкретном случае тепловая нагрузка аппарата (затраченное тепло) может быть определена из теплового баланса процесса. Например, тепло, затраченное на нагрев продукта от начальной (t н) до конечной (t к) температуры для аппарата непрерывного действия, определяют по формуле 72:
Q = Gc (t к – t н)φ, (72)
где Q – тепло, затраченное на нагрев, Дж/с (Вт), т.е. тепловая нагрузка аппарата;
G
с – удельная теплоемкость продукта при его средней температуре, Дж/кг·К;
t к, t н – начальная и конечная температура, °С;
φ
– коэффициент, учитывающий потери тепла в окружающую
среду (φ
= 1,03÷1,05).
Теплоемкость продукта выбирают либо по известным справочникам, либо рассчитывают по принципу аддитивности для многокомпонентных систем.
На изменение агрегатного состояния вещества (затвердение, плавление, испарение, конденсация) расходуется тепловая энергия, количество которой определяют по формуле 73:
где Q – количество тепла, Дж/с (Вт);
G – массовый расход продукта, кг/с;
r – теплота фазового перехода, Дж/кг.
Значение r определяют по справочным данным в зависимости от вида продукта и вида фазового перехода вещества. Например, теплота плавления льда принимается равной r 0 = 335,2·10 3 Дж/кг, жира
r ж = 134·10 3 Дж/кг. Теплота парообразования зависит от давления в рабочем объеме аппарата: r = f (P a). При атмосферном давлении r = 2259·10 3 Дж/кг.
Для аппаратов непрерывного действия рассчитывают расход тепла за единицу времени (Дж/с (Вт) – тепловой поток), а для аппаратов периодического действия – за цикл работы (Дж). Чтобы определить расход тепла за смену (сутки), необходимо умножить тепловой поток на время работы аппарата в смену, сутки или на число циклов работы аппарата периодического действия и количество подобных аппаратов.
Расход насыщенного водяного пара как теплоносителя при условии его полной конденсации определяют по уравнению:
где D – количество греющего водяного пара, кг (или расход, кг/с);
Q общ – общий расход тепла или тепловая нагрузка теплового аппарата (кДж, кДж/с), определяют из уравнения теплового баланса аппарата;
– энтальпия сухого насыщенного пара и конденсата, Дж/кг;
r – скрытая теплота парообразования, кДж/кг.
Расход острого пара на перемешивание жидких продуктов (барботирование) принимают по норме 0,25 кг/мин на 1 м 2 поперечного сечения аппарата.
Расход пара на хозяйственные и бытовые нужды по этой статье пар расходуется для нагрева воды для душей, прачечной, мытья полов и оборудования, прошпарки оборудования.
Расход пара на прошпарку оборудования и инвентаря определяют по истечению его из трубы по уравнению расхода:
(75)
где D ш – расход пара на прошпарку, кг/смену;
d – внутренний диаметр шланга (0,02÷0,03 м);
ω – скорость истечения пара из трубы (25÷30 м/с);
ρ – плотность пара, кг/м 3 (по таблицам Вукаловича ρ = f (ρ ));
τ – время прошпарки, ч (0,3÷0,5 ч).
Если в уравнении принять τ = 1 ч, то расход пара определяется в кг/ч.
Расчет расхода пара по всем статьям сводят в таблицу 8.3.
Таблица 8.3 - Расход пара, кг
| Статья расхода | В час | В смену | В сутки | В год |
| Итого |
Удельный расход пара вычисляют по формуле 76.
В статье приведен фрагмент таблицы насыщенного и перегретого пара. С помощью этой таблицы по значению давления пара определяются соответствующие значения параметров его состояния.
|
Давление пара |
Температура насыщения |
Удельный объем |
Плотность |
Энтальпия пара |
Теплота парообразования (конденсирования) |
|
Столбец 1: Давление пара (p)
В таблице указано абсолютное значение давления пара в бар. Этот факт необходимо иметь ввиду. Когда речь идет о давлении, как правило говорят об избыточном давлении, которое показывает манометр. Однако, инженеры-технологи в своих расчетах используют значение абсолютного давления. В практике эта разница часто приводит к недоразумениям и обычно с неприятными последствиями.
С введением системы СИ было принято, что в расчетах должно использоваться только абсолютное давление. Все приборы измерения давления технологического оборудования (кроме барометров) в основном показывают избыточное давление, мы подразумеваем абсолютное давление. Под нормальными атмосферными условиями (на уровне моря) понимают барометрическое давление 1 бар. Избыточное давление обычно указывается в бари (barg).
Столбец 2: Температура насыщенного пара (ts)
В таблице, наряду с давлением, приведена соответствующая температура насыщенного пара. Температура при соответствующем давлении определяет точку кипения воды и таким образом температуру насыщенного пара. Значения температуры в этом столбце определяют также температуру конденсации пара.
При давлении 8 бар температура насыщенного пара составляет 170оС. Конденсат, образованный из пара при давлении 5 бар, имеет соответствующую температуру 152 оС.
Столбец 3: Удельный объем (v”)
Удельный объем указывается в м3/кг. С увеличением давления пара величина удельного объема уменьшается. При давлении 1 бар удельный объем пара составляет 1,694 м3/кг. Или иначе говоря 1 дм3 (1 литр или 1 кг) воды при испарении увеличивается в объеме в 1694 раза по сравнению с первоначальным жидким состоянием. При давлении 10 бар удельный объем составляет 0,194 м3/кг, что в 194 раза больше, чем у воды. Значение удельного объема используются в расчетах диаметров паро- и конденсатопроводов.
Столбец 4: Удельный вес (ρ=ро)
Удельный вес (также называется плотность) указан в кДж/кг. Он показывает, сколько килограмм пара содержится в 1 м3 объема. С увеличением давления удельный вес увеличивается. При давлении 6 бар пар объемом 1м3 имеет вес 3,17 кг. При 10 бар – уже 5,15 кг и при 25 бар – более 12,5 кг.
Столбец 5: Энтальпия насыщения (h’)
Энтальпия кипящей воды указана в кДж/кг. Значения в этом столбце показывают, какое количество тепловой энергии необходимо, чтобы 1 кг воды при определенном давлении довести до состояния кипения, или какое количество тепловой энергии содержит конденсат, который при том же давлении сконденсировался из 1 кг пара. При давлении 1 бар удельная энтальпия кипящей воды составляет 417,5 кДж/кг, при 10 бар – 762,6 кДж/кг, и при 40 бар – 1087 кДж/кг. С увеличением давления пара энтальпия воды увеличивается, причем ее доля в суммарной энтальпии пара при этом постоянно растет. Это значит, чем выше давление пара, тем больше тепловой энергии остается в конденсате.
Столбец 6: Суммарная энтальпия (h”)
Энтальпия указан в кДж/кг. В этом столбце таблицы приведены значения энтальпии пара. Из таблицы видно, что энтальпия растет до давления 31 бар и при дальнейшем увеличении давления снижается. При давлении 25 бар значение энтальпии 2801 кДж/кг. Для сравнения значение энтальпии при 75 бар составляет 2767 кДж/кг.
Столбец 7: Тепловая энергия парообразования (конденсации) (r)
Энтальпия парообразования (конденсации) указана в кДж/кг. В этом столбце приведены значения количества тепловой энергии, которое требуется для полного испарения 1 кг кипящей воды при соответствующем давлении. И наоборот – количество тепловой энергии, которое высвобождается в процессе полной конденсации (насыщенного) пара при определенном давлении.
При давлении 1 бар r = 2258 кДж/кг, при 12 бар r = 1984 кДж/кг и при 80 бар r = лишь 1443 кДж/кг. С увеличением давления количество тепловой энергии парообразования или конденсации снижается.
Правило:
При увеличении давления пара количество тепловой энергии, необходимое для полного испарения кипящей воды, уменьшается. И в процессе конденсации насыщенного пара при соответствующем давлении высвобождается меньше тепловой энергии.
Расход пара промышленным потребителям
Для определения энтальпии пара в паровом коллекторе необходимо воспользоваться таблицами термодинамических свойств воды и пара, приведёнными в . Необходимые справочные материалы приведены в приложении Б данного пособия. По таблице Б1, в которой приведены удельные объёмы и энтальпии сухого насыщенного пара и воды на кривой насыщении для определённого давления приведены:
Температура насыщения - t О C (столбец 2);
Энтальпия воды на кривой насыщения - , кДж/кг (столбец 5),
Энтальпия пара на кривой насыщения - , кДж/кг (столбец 6).
Если необходимо определить энтальпии пара и воды при давлении, значение которого находится между величинами приведёнными в таблице, то нужно провести интерполирование между двумя соседними значениями величин между которыми находится искомая величина.
Энтальпия пара в паровом коллекторе определяется по давлению пара в нём () по таблице Б.1. Приложения Б.
Энтальпия конденсата, возвращаемого с производства, определяется по его температуре и по давлению конденсата по приложению А.
Количество конденсата, возвращаемого с производства
где – возврат конденсата с производства (задано).
Расход пара на покрытие нагрузки на отопление и вентиляцию
Температура конденсата греющего пара на выходе из поверхностного подогревателя принимается на 10-15 o С выше температуры нагреваемой среды на входе в этот подогреватель. В подогревателе 8 подогревается сетевая вода, которая поступает в него из обратного трубопровода тепловой сети с температурой 70 o С. Таким образом, принимаем температуру конденсата греющего пара на выходе из подогревателя 8 равной 85 o С.
По этой температуре и давлению конденсата по таблице приложения А находим энтальпию конденсата:
Расход пара на горячее водоснабжение
Расход пара на теплофикационную установку
Общий расход пара на покрытие производственной и жилищно-коммунальной нагрузок
Расход пара на собственные нужды котельной принимается в диапазоне 15-30% от величины внешней нагрузки, т.е. расхода пара на покрытие производственной и жилищно-коммунальной нагрузок . Пар, идущий на собственные нужды, используется в тепловой схеме котельной для подогрева добавочной и подпиточной вод, а также для их деаэрации.
Принимаем расход пара на собственные нужды равным 18%. Впоследствии эта величина уточняется в результате расчета тепловой схемы котельной.
Расход пара на собственные нужды:
Потери пара в тепловой схеме котельной составляют 2-3% от внешнего потребления пара, принимаем 3%.
Количество пара, подаваемое через паровой коллектор после редукционно-охладительной установки:
При прохождении пара через суженные сечения происходит процесс дросселирования, сопровождающийся уменьшением давления, температуры, увеличением объёма и энтропии пара. Для случая адиабатного процесса дросселирования выполняется условие:
где: - энтальпия пара после дросселирования, - энтальпия пара до дросселирования.
Таким образом, энергия пара в процессе дросселирования не изменяется. Температура насыщенного пара равна температуре насыщения (кипения) и является прямой функцией давления. Поскольку при дросселировании снижаются давление пара и температура насыщения, происходит некоторый перегрев пара. Для того чтобы пар после редукционно-охладительной установки оставался насыщенным в него подаётся питательная вода.
Расход воды на РОУ определяется по соотношению:
Энтальпия пара на выходе из котла определяется по давлению в барабане котла по таблице Б.1. Приложения Б,
Энтальпия пара в паровом коллекторе нами определена ранее, .
Давление питательной воды принимаем на 10% выше давления в барабане котла:
Энтальпия питательной воды при и давлении 1,5 МПа определяется по таблице приложение А , .
Полная производительность котельной.
3.2.2 Расчёт расхода пара на отопление и вентиляцию
Расчёт затрат тепла на отопление и вентиляцию определяется по формуле:
Q=q · V · (t пом – t расч ) · Т год , кВт/год, (3.11)
где q – удельный расход тепла на отопление и вентиляцию 1м 3 помещения при разности температур в 1°С, кВт/(м 3 .град).
Усреднённое значение этой величины можно принять: для отопления – 0,45 · 10 -3 кВт/(м 3 .град), для вентиляции 0,9 · 10 -3 кВт/(м 3 .град).
V – суммарный объём помещений участка без учёта объёма сушильных камер, м 3 ;
t пом – температура в помещении, принимается 20°С;
t расч – расчётная температура для отопления и вентиляции;
Т год – продолжительность отопительного сезона определяется по формуле:
Т год = 24*τ от, ч,
где τ от – продолжительность отопительного сезона, дни.
Т год = 24 · 205 = 4920 ч.
Q от = 0,45 · 10 -3 · 4456,872 · (20-(-26)) · 4920 = 453,9 · 10 3 кВт/год.
Q вент = 0,09 · 10 -3 · 4456,872 · (20-(-12)) · 4920 = 63,15 · 10 3 кВт/год.
Таблица 3.3 – Расчёт расхода тепла на отопление и вентиляцию
|
Наименование потребителей пара |
Удельный расход q, кВт/(м 3 .град). |
Объём помещения |
Разница температур внутри и снаружи здания (t пом – t расч),°С |
Продолжительность отопительного сезона |
Годовой расход тепла Q, |
|
Отопление сушильного участка |
453,9 · 10 3 |
||||
|
Вентиляция |
63,15 · 10 3 |
||||
|
517,05 · 10 3 |
|||||
Расчёт годовой потребности в паре на отопление и вентиляцию определяется по формуле:
3.2.3 Расчёт расхода тепла (пара) на бытовые нужды
Расчёт расхода тепла (пара) на бытовые нужды определяется по формуле:
где q – расход пара на 1 человека в смену;
m – число человек, работающих в наиболее загруженную смену;
n – число смен работы участка (целесообразно принять 2);
τ – число дней работы участка в год.
3.2.4 Расчёт общей годовой потребности в паре на технологические и бытовые нужды, отопление и вентиляцию
Расчёт общей годовой потребности в паре на технологические и бытовые нужды, отопление и вентиляцию определяется по формуле:
D общ = D уч год + D от + D быт , т/год . (3.14)
D общ =8,13+891,47+2,6=902,2 т/год.
