Гидродинамика и тепломассопередача в вакуумных деаэраторах

Особенностью процесса деаэрации воды под вакуумом является наличие так называемого начального эффекта. Под начальным эффектом понимается процесс мгновенного выделения определенного количества газов из воды при вводе последней в область давления ниже атмосферного.

Основными факторами, определяющими начальный эффект, являются: абсолютное давление в деаэраторе, температура исходной воды и начальная концентрация газа в ней.>

Начальный эффект уменьшается с ростом абсолютного давления. При приближении величины абсолютного давления к давлению, соответствующему температуре насыщения исходной воды, начальный эффект резко возрастает. Повышение начальной концентрации газа в воде и ее температуры приводит к росту начального эффекта. Однако количество газа, выделяющегося за счет уменьшения давления, не отвечает закону Генри, а гораздо меньше. Это объясняется тем, что закон Генри, являясь законом статическим, описывает установившиеся равновесные состояния системы «газ — раствор газа в жидкости», а в данном случае приходится иметь дело с кратковременным процессом, при котором на распределительном устройстве деаэратора не успевает установиться концентрация газа в воде, соответствующая давлению в деаэраторе. Следовательно, в воде после распределительного устройства остается определенное количество газов в дисперсном состоянии. Процесс перехода газа из растворимого в дисперсное состояние протекает следующим образом. Согласно Я. И. Френкелю, даже в термодинамически устойчивой системе имеются зародыши новой фазы в виде флуктуации плотности, не обладающие способностью к неограниченному росту. При резком понижении давлении вода пересыщается газами. При этом суммарная упругость паров растворенного газа и растворителя становится больше внешнего давления. Система стремится прийти в равновесие, но так как отвод газа через поверхность затруднен, начинается бурный рост зародышей новой фазы, т. е. идет выделение газа внутри жидкости в виде пузырьков. При вводе воды в распределительное устройство вакуумного деаэратора и турбулизации потока.

После начального эффекта в воде остается значительное количество пузырьков газа, глубокое удаление которых связано со значительными трудностями. Одновременно вследствие ряда факторов в воде остается некоторое количество растворенного газа, которое должно быть удалено за счет диффузии. Глубокое удаление из воды этого остаточного количества газа является весьма трудной задачей.

Испытание одноступенчатых пленочных деаэраторов, где процесс дегазации воды происходит в основном за счет начального эффекта, проводилось Б. М. Хлыбовым и М. Ф Качаловым на вакуум-деаэрационной установке системы МИСИ им. В. В. Куйбышева.

На баке-аккумуляторе были установлены параллельно три конструкции деаэраторных колонок: с деревянными решетками, с кольцами Рашига и вертикальными листами. Испытания показали, что остаточное содержание кислорода в деаэрированной воде составляло 0,2 — 0,6 мг/кг, причем лучшие результаты давала колонка, заполненная кольцами Рашига. Начальное содержание кислорода в исходной воде составляло 12 мг/кг.

Испытание вакуум-деаэрационной установки с одноступенчатым деаэратором системы Промэнерго производилось в диапазоне изменения температуры деаэрированной воды от 55 до 97 °С. Остаточная концентрация кислорода в деаэрированной воде после вакуумного деаэратора, заполненного кольцами Рашига диаметром 25 мм, не превышала в этом случае 100 мкг/кг что, однако, не удовлетворяет техническим требованиям ПТЭ. Одновременно испытания показали неустойчивость процесса деаэрации в рассматриваемо конструкции аппарата.

Эксплуатационный контроль за работой вакуумных деаэраторов струйного типа в вакуум-деаэрационных установках системы Моспроекта показал, что в деаэрированной воде концентрация кислорода составляет 0,1 -0.2 мг/кг и присутствует свободная углекислота.

Детальные испытания одноступенчатого вакуумного деаэратора струйного типа с подводом пара показали, что основной характеристикой, определяющей эффективность его работы, является удельный расход выпара, отводимый из деаэрационной колонки. Причем для вакуумных струнных колонок эта величина значительно больше, чем в струйных деаэраторах атмосферного давления. Для обеспечения требуемого качества воды после вакуумной деаэрационной колонки с четырьмя дырчатыми тарелками при противоточной движении воды и пара требуется удельный расход выпара около 30 кг/т д. в.

Эффективность работы вакуумного струйного деаэратора на перегретой воде также определяется удельным расходом выпара. В результате испытаний установлено, что при давлениях в деаэраторе 0,1 — 0,3 кгс/см величинаперегрева поступающей в деаэратор воды относительно температуры насыщения, отвечающей давлению в колонке, должна составлять 6 — 10°С. Эти данные хорошо согласуются с выводами, сделанными значительно ранее С. Ф. Копьевым.

Испытания двухколонковых вакуумных деаэраторов струйного типа показали, что остаточная концентрация кислорода в деаэрированной воде определяется отношением потоков, поступающих в «горячую» и «холодную» колонки. Требуемая остаточная концентрация кислорода в деаэрированной воде (50 мкг/кг) обеспечивается при процентном отношении расходов холодного и горячего потоков 8-12. Увеличение или уменьшение этого соотношения ведет к резкому увеличению концентрации кислорода за деаэратором. Определенное влияние на качество деаэрированной воды оказывает температура горячего потока, поступающего в деаэратор. Понижение этой темпера туры ниже 60°С приводит к нарушению требуемого качества воды.

Испытания указанных деаэраторов показали также, что они не обеспечивают полного удаления свободной углекислоты, в деаэрированной воде остается от 40 до 80% ее исходной количества.

Таким образом, проведенные испытания показали, что одноступенчатые вакуумные деаэраторы не удаляют полностью свободную углекислоту, и в ряде режимов аппараты не обеспечивают требуемой нормами остаточной концентрации кислорода (50 мкг/кг) в деаэрированной воде.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что глубокое и устойчивое удаление из воды кислорода свободной углекислоты под вакуумом может быть обеспечено при двухступенчатой конструкции термического деаэратора.

Неотъемлемым элементом двухступенчатых вакуумных деаэраторов системы ЦКТИ является незатопленное барботажное устройство.

Гидродинамически устойчивая работа незатопленной барботажной тарелки имеет место при отсутствии провала жидкости через отверстия в листе. Полное прекращение провала жидкости наступает при определенной скорости пара в отверстиях. Величину этой скорости рекомендуется определять по уравнению, а высоту паровой подушки под листом — по формуле.

При барботаже высота слоя жидкости на листе уменьшается. Изменение высоты слоя зависит от приведенной скорости пара, с ростом которой увеличивается унос с барботажного листа. При этом часть воды сбрасывается через порог, а часть — уносится паровым потоком.

Под динамическим слоем жидкости понимается слой жидкости, который оставался бы на барботажном листе после разрушения двухфазного потока.

Исследование непровальных барботажных листов, выполненное на деаэрационном стенде Ленинградского металлического завода, а также специальные исследования на модели показали, что при пенном режиме на барботажной решетке процесс дегазации происходит за счет двух факторов: увлечения газовых пузырьков потоком пара и турбулентной диффузии.

При подогреве воды на барботажном листе до температуры насыщения на величину более 4 — 5° С не происходит достаточного развития лепного слоя. При этом интенсивность процесса дегазации резко падает. Поэтому ниже рассматриваются результаты исследований, в которых подогрев воды до температуры насыщения не превышал 4 — 5° С.

Одной из основных характеристик, определяющих эффект дегазации на непровальной барботажной тарелке вне зависимости от температуры деаэрированной воды (абсолютного давления в деаэраторе), является динамический напор водяного пара в рабочем сечении барботажного листа. Увеличение эффекта дегазации происходит до определенных значений динамического напора водяного пара. Дальнейшее увеличение динамического напора пара практически не влияет на процесс дегазации. По-видимому, при указанных значениях динамического напора достигается максимально возможная в данных условиях турбулизация двухфазной системы и максимальная поверхность контакта фаз, что хорошо согласуется с экспериментальной зависимостью газосодержания барботажного слоя от динамического напора пара.

Учитывая, что развитие поверхности контакта фаз прямо пропорционально газосодержанию двухфазного слоя, можно сделать вывод, что предельные значения динамического напора пара соответствуют наибольшему развитию поверхности контакта фаз в данных условиях. При повышении оптимального значения pnW п газосодержание и эффект дегазации становятся автомодельными по отношению к динамическому напору пара.

Повышение начальной концентрации газа в воде при постоянном pnW ведет к росту конечной концентрации газа. Удаление кислорода происходит интенсивнее, чем свободной углекислоты. Это объясняется различной растворимостью этих газов в воде: интенсивность дегазации обратно пропорциональна растворимости.

Исследование двухступенчатого струйно-барботажного вакуумного деаэратора ДСВ-200 производительностью 200 т/ч при работе его взамен декарбонизатора проводилось ЦКТИ в системе химического умягчения питательной воды котлов. В качестве греющей среды к деаэратору подводился пар. Абсолютное давление в вакуумном деаэраторе составляло 0,072 — 0,11 кгс/см , температура исходной воды 11,8 — 21,3° С, температура деаэрированной воды 39,1 — 47,3° С. В указанном диапазоне изменения параметров деаэратор обеспечивал подогрев исходной воды на 19,6 — 31,2°С. Концентрация кислорода в исходной воде составляла 313 — 5321 мкг/кг, свободной углекислоты — 7,2 — 233,7 мг/кг.
В отечественной практике до настоящего времени в системах химического умягчения воды вакуумные деаэраторы практически не применяются. В связи с этим отсутствуют нормы по качеству воды за этими деаэраторами. По ряду литературных данных остаточная концентрация кислорода за вакуумными деаэраторами должна составлять не более 100 — 300 мкг/кг. Расход выпара из вакуумных деаэраторе» при давлениях в них 0,1 кгс/см рекомендуется 5 кг/т д. в.. по другим данным — 10 — 12 кг/т д. в.

При проведении настоящего испытания удельный расход выпара составлял 0,005 — 3,84 кг/т д. в., т. е. в большинстве опытов был значительно меньше рекомендуемых к литературе. Результаты испытаний показали, что остаточная концентрация кислорода и свободной углекислоты в деаэрированной воде определяется удельным расходом выпара и начальной концентрацией газа в исходной воде. В диапазоне исследованных начальных концентраций кислорода при удельном расходе выпара 2 кг/т д. в. можно обеспечить остаточную концентрацию кислорода в деаэрированной воде не выше 50 мкг/кг.

Представляет интерес сравнение этих экспериментальных данных с аналогичными опытными данными, полученными на вакуумном деаэраторе струйного типа. Вакуумный деаэратор струйного типа в аналогичных условиях работы обеспечивает остаточную концентрацию кислорода в деаэрированной воде в 4 — 5 раз большую, чем вакуумный деаэратор с паровым барботажем. Это объясняется характером процессов тепло — и массообмена, протекающих в этих деаэраторах.

Хорошо известно, что расход выпара оказывает решающее влияние на эффективность работы струйных деаэраторов атмосферного давления. Это объясняется, в первую очередь, тем, что снижение удельного расхода выпара ниже оптимальной величины ведет к увеличению недогрева воды до температуры насыщения, ухудшению вентиляции струйной части деаэратора и, в конечном итоге, к повышению остаточной концентрации кислорода в деаэрированной воде. Такая же картина имеет место в вакуумном деаэраторе струйного тина и в струйной части двухступенчатого деаэратора. Так, в проведенных опытах недогрев воды в струйном потоке до температуры насыщения составлял 2,3 9,5°С. Этот недогрев и испытанной конструкции вакуумного деаэратора снимался барботажным устройством, т. е. определенная часть барботажного листа работала на подогрев воды до температуры насыщения. Таким образом, ухудшенную работу струйной части при сниженных расходах выпара компенсирует барботажное устройство, обеспечивая снижение остаточной концентрации кислорода до требуемого значения. Эта возможность отсутствует в одноступенчатых деаэраторах струйного типа.

Следует отметить также, что значительный подогрев воды резко уменьшает площадь барботажною листа, на которой интенсивно протекает процесс дегазации воды. Поэтому увеличение расхода выпара в двухступенчатом вакуумном деаэраторе позволяет снизить недогрев воды в струйной части, повысить активную площадь барботажного листа и получить более низкие остаточные концентрации кислорода в деаэрированной воде.

Результаты опытов по удалению свободной углекислоты показывают, что при удельных расходах выпара более 0,5 кг/т д. в. его влияние на процесс дегазации уменьшается. В режиме работы деаэратора взамен декарбонизатора при концентрациях свободной углекислоты в исходной воде 100 — 234 мг/кг и удельном расходе выпара 0,5 кг/т д. в. удастся удалить из воды 90-94% свободной углекислоты. В широком диапазоне изменения производительности и значительном подогреве воды при концентрации свободной углекислоты в исходной воде 166,2 — 233,7 мг/кг остаточное содержание ее в деаэрированной воде составляет 11 — 16 мг/кг, а при концентрации свободной углекислоты в исходной воде 58 — 160 мг/кг ее остаточное содержание составляет 9-12 мг/кг, т. е. соответствует качеству воды после декарбонизаторов.

На остаточную концентрацию кислорода и свободной углекислоты в деаэрированной воде, кроме удельного расхода выпара, существенное влияние оказывает также начальная концентрация этих газов в исходной воде.

Таким образом, испытание вакуумного деаэратора в режиме работы декарбонизатора подтвердило его высокую эффективность по удалению значительных количеств свободной углекислоты и обеспечению глубокого удаления кислорода.

При указанных выше параметрах была проведена дополнительная группа опытов при концентрациях свободной углекислоты в исходной воде 12 — 34,9 мг/кг и ее бикарбонатной щелочности 4,2 — 4,7 мг-экв/кг. Опыты показали, что в этих условиях деаэратор обеспечивал полное удаление свободной углекислоты.

Представляло интерес проверить также работу деаэратора при более высоких абсолютных давлениях и температурах деаэрированной воды. При проведении этой группы опытов абсолютное давление в вакуумном деаэраторе — 0,13-0,32 кгс/см , температура исходной воды — 14,8 — 30.8° С, температура деаэрированной воды — 50,3 — 70,5° С. В указанном диапазоне изменении параметров деаэратор обеспечивал подогрев воды на 35,2-52,2°С. Концентрация кислорода в ИСХОДНОЙ воде составляла 650 — 4975 мкг/кг, свободной углекислоты — 6,03 — 65,0 мг/кг, бикарбонатная щелочность воды 3.5 — 4,9 мг-экв/кг, расход выпара менялся от 0,43 до 4,95 кг/т д. в. В диапазоне исследованных параметров при удельном расходе выпара более 2 кг/т д. в. остаточная концентрация кислорода в деаэрированной воде составляла не более 10 мкг/кг, а свободная углекислота полностью удалялась. Таким образом, испытанный вакуумный деаэратор может применяться для подпиточной воды тепловых сетей и питательной воды котлов.

Испытание двухступенчатого вакуумного деаэратора ДСВ-100 производительностью 100 т/ч при работе его взамен декарбонизатора производилось ЦКТИ в системе Н-катионирования подпиточной воды тепловой сети. В качестве греющей среды к деаэратору подводилась перегретая вода.

Первые опыты на вакуумном деаэраторе, проведенные с подачей в качестве греющей среды перегретой воды, подтвердили возможность глубокого удаления из исходной воды кислорода и свободной углекислоты. При этом работа вакуум-деаэрационной установки протекала без гидравлических ударов и других нарушений гидродинамического режима. На трубопроводе перегретой воды перед регулирующим клапаном поддерживалось избыточное давление (в подавляющем большинстве опытов 3-4 кгс/см ), непосредственно за регулирующим клапаном давление пароводяной среды составляло 0,4 — 1,0 кгс/см . При вводе перегретой воды под барботажный лист деаэратора происходило разделение пароводяной смеси, и под листом образовывалась устойчивая паровая подушка. Вода через водоперепускную трубу направлялась на барботажный лист и вместе с исходной деаэрируемой водой двигалась по барботажному листу.

При испытании абсолютное давление в деаэраторе изменялось в диапазоне 0,148 — 0,362 кгс/см , температура деаэрированной воды — 62,7 -72,9°С, температура исходной воды 4,8 — 15,8° С. Производительность деаэратора составляла 28,6 — 117 т/ч, т. е. 28 — 117% от номинальной нагрузки.

Концентрация кислорода в исходной воде при испытании деаэратора составляла 7,9 — 11,4 мг/кг, в перегретой воде — 0 — 0,27 мг/кг. Концентрация свободной углекислоты соответственно — 43,4 — 113,2 мг/кг и 0 — 26,8 мг/кг.

Результаты испытаний показали, что в диапазоне исследованных параметров остаточное содержание кислорода и свободной углекислоты в воде за деаэратором определяется удельным расходом выпара вне зависимости от производительности аппарата. Требуемая ПТЭ остаточная концентрация кислорода в деаэрированной воде 50 мкг/кг обеспечивается при удельном расходе выпара более 2 кг/т д. в. При удельном расходе выпара более 5 кг/т д. в. остаточная концентрация кислорода в воде за деаэратором не превышает 20 мкг/кг.

Изменение концентрации кислорода в перегретой воде от 0 до 266 мкг/кг не оказывает заметного влияния на эффект дегазации.

Интенсивность удаления свободной углекислоты также определяется удельным расходом выпара. При удельных расходах выпара более 3-4 кг/т д. в. остаточная концентрация двуокиси углерода не превышает 3 мг/кг, т. е. вакуумный деаэратор обеспечивает удаление свободной углекислоты значительно лучше декарбонизатора.

Одновременно было установлено, что испытанный вакуумный деаэратор при удельном расходе выпара более 5 кг/т д. в, полностью удаляет свободную углекислоту при ее концентрации в исходной воде 42,1 мг/кг и бикарбонатной щелочности воды 1,8 мг-экв/кг.

Испытание головного образца двухступенчатого вакуумного деаэратора ДСВ-400 проводилось ЦКТИ в системе подпиточной воды тепловой сети. В деаэраторе обрабатывалась подпиточная вода, прошедшая систему химического умягчения. Деаэратор испытывался при подаче в качестве греющей среды как перегретой воды, так и пара.

Первые пробные пуски вакуумного деаэратора подтвердили, что все его основные конструктивные узлы решены правильно. В сепарационном отсеке деаэратора происходит разделение пара и воды, под барботажным листом формируется устойчивая паровая подушка, а оставшаяся после вскипания пара вода выдавливается (как и предполагалось) па уровень барботажного листа и вместе с деаэрированной исходной водой отводится из аппарата.

Надежно работает и встроенный охладитель выпара, исключая запаривание эжектора. Деаэратор работает без гидравлических ударов и шума, легко включается в работу и отключается.

Результаты испытания показали, что основной характеристикой, определяющей эффективность процесса удаления кислорода, является удельный расход пара, обрабатывающего воду на барботажном листе.

Другие факторы, как-то: производительность деаэратора, расход перегретой воды, ее температура и начальная концентрация кислорода в исходной воде в диапазоне исследованных параметров не оказывают при этом заметного влияния на эффект дегазации воды.

Экспериментальные данные по удалению свободной углекислоты показывают, что при указанных выше оптимальных подогревах воды в деаэраторе и удельных расходах пара па барботаж двуокись углерода удаляется полностью.

Начальное содержание свободной углекислоты в исходной воде составляло при этом 5,5 — 24,7 мг/кг, а бикарбонатная щелочность воды — 1,03 — 1,75 мг-экв/кг. Таким образом, проведенные испытания показали, что двухступенчатый вакуумный деаэратор ДСВ-400 при использовании в качестве теплоносителя перегретой воды в широком диапазоне изменения давлений обеспечивает качество деаэрированной воды как по кислороду, так и по свободной углекислоте в полном соответствии с техническими требованиями ПТЭ, нормами технологического проектирования Минэнерго и ГОСТ 16860 — 71.

Кроме испытания деаэратора на перегретой зоде, была проведена серия опытов с теплоносителем паром 1,2 кгс/см. Ввиду ограниченного расхода пара производительность деаэратора в этих опытах составляла 121 — 133 т/ч. Давление в деаэраторе изменялось в диапазоне 0,27 — 0,02 кгс/см2(температура 66,5 — 97,1°С), температура исходной воды 60,7 — 84,6° С, концентрация кислорода в исходной воде 7,1 — 8,3 мг/кг, свободной углекислоты 5 — 9,7 мг/кг, подогрев воды в деаэраторе составлял 5,8 — 15.7°С, удельный расход пара на барботаж 8,3 — 23,4 кг/т д. в.

Анализ проведенных опытов показал, что эффект дегазации воды в деаэраторе практически не зависит от вида теплоносителя (перегретая вода или пар).

В указанном выше диапазоне изменения параметров остаточная концентрация кислорода не превышала 20 мкг/кг, свободная углекислота отсутствовала.

Испытанный деаэратор ДСВ-400 был включен в октябре 1968 г. в постоянную эксплуатацию на Киришской ГРЭС, где надежно работает и по настоящее время.

19-23 октября 1970 г. на Киришской ГРЭС работала междуведомственная комиссия МЭиЭ, МТЭ и ТМ СССР, которая приняла головной образец вакуумного деаэратора ДСВ-400 и рекомендовала СЗТМ приступить с IV кв. 1970 г. к серийному производству этих деаэраторов.

Испытание головного образца вакуумного деаэратора ДСВ-800 проводилось ЦКТИ в системе подпиточной воды тепловой сети. В деаэратор поступала химически очищенная вода, в качестве греющей среды использовалась перегретая деаэрированная вода.

Испытания деаэратора проводились при изменении абсолютного давления в нем 0,094 — 0,5 кгс/см (температуры деаэрированной воды 44,0 — 81,0°С), производительности — 223 — 835 т/ч, расхода перегретой воды — 37 — 296 т/ч, температур исходной воды 35,3 — 69,0° С, температур перегретой воды 84 -132° С. Концентрация кислорода в исходной воде составляла 4,1 — 10,0 мг/кг, в перегретой воде 3-100 мкг/кг, концентрация свободной углекислоты в исходной воде — 1,7 — 3,9 мг/кг, бикарбонатная щелочность составляла 0,1 -0,5 мг-экв/кг.

Результаты испытания полностью согласуются с экспериментальными данными, полученными при испытании деаэратора ДСВ-400.

При обеспечении указанных выше условий другие факторы (производительность деаэратора, расход перегретой воды и ее температура, концентрация кислорода и углекислоты в исходной воде) в диапазоне исследованных параметров не оказывают заметного влияния на эффект дегазации воды.

В 1970 г. испытанный деаэратор ДСВ-800 включен в постоянную эксплуатацию на ТЭЦ Волжского автомобильного завода, где надежно работает и по настоящее время. Результаты испытаний двухступенчатых вакуумных деаэраторов с паровым барботажем показали, что они устойчиво обеспечивают качество деаэрированной воды в соответствии с ПТЭ и ГОСТом на термические деаэраторы. Это позволяет рекомендовать двухступенчатые вакуумные деаэраторы для широкого внедрения в теплоэнергетику.

МЭиЭ — Министерство энергетики и электрификации, МТЭ и ТМ СССР — Министерство тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения.

Расчет вакуумных деаэраторов проводится для определения размеров отдельных деаэрирующих элементов и деаэратора в целом, обеспечивающих необходимый подогрев воды и требуемую остаточную концентрацию кислорода и свободной углекислоты в воде.

Leave a reply

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>