Тепловые аккумуляторы, типы, счемы включения и основы расчета


Дата добавления: 2014-05-20 | Просмотров: 3342


<== предыдущая страница | Следующая страница ==>

 

Экономичность и техническая возможность использования ВЭР зависит от того, насколько производство и потребление энергии соответствуют друг другу. Однако в условиях эксплуатации возникает несоответствие между производством и потреблением энергии. Это вызывает большие потери и технические затруднения в работе установок.

Выравнивание эксплуатационных условий теплосиловых и теплоиспользующих установок в значительной мере обеспечивается аккумулированием теплоты в виде пара, горячей или теплой воды в аккумулятоpax теплоты. В общем случае несоответствие между производством и потреблением энергии может быть вызвано непостоянством притока и, колебаниями расхода ее потребителями;

Аккумуляторы теплоты в зависимости от состояния аккумулирующей среды бывают паровые, пароводяные и водяные.

Паровые аккумуляторы работают без воды, и аккумулирование производится только за счет изменения объема аккумулятора при постоянное давлении пара (колокольные аккумуляторы), либо давления пара при постоянном объеме аккумулятора (купольные аккумуляторы). Паровые аккумуляторы могут применяться на давление 0,1...0,2МПа. Они очень громоздки, так как их размеры зависят от удельного объема аккумулируемого пара, имеющего большие значения при низких давлениях. Высокая первоначальная стоимость и наличие значительных теплоотводов делают эти аккумуляторы нерентабельными, и в настоящее время они не применяются.

Пароводяные аккумуляторы аккумулируют пар конденсацией при помощи воды в момент повышения давления в аккумуляторе. Разрядка аккумулятора осуществляется испарением воды при понижении давления в аккумуляторе, поэтому они называются аккумуляторами понижающегося давления.

Водяные аккумуляторы аккумулируют тепловую или горячую воду при постоянном давлении. Водяные аккумуляторы бывают циркуляционного и вытесняющего типа. В аккумуляторах циркуляционного типа изменение степени зарядки происходит за счет изменения количества находящейся в аккумуляторе воды, в аккумуляторах вытесняющего типа – за счет изменения в нем количества горячей воды, вытесняемой холодной водой, или наоборот.

Водяные аккумуляторы сами пар не отдают, а включены лишь в систему подогрева воды. Эти аккумуляторы способны снимать пики нагрузки большой длительности в связи с большой удельной аккумулирующей способностью объема. Пароводяные аккумуляторы могут экономично покрывать пики нагрузки продолжительностью только в несколько часов.

Пароводяные аккумуляторы. К числу получивших широкое применение аккумуляторов понижающегося давления относятся пароводяные аккумуляторы Рато и Рутса.

Термические основы работы этих аккумуляторов одинаковые и состоят в том, что каждому значению давления насыщенного пара соответствует строго определенная температура. При изменении давления смеси воды и пара должна измениться и температура смеси со значением температуры насыщения при новом давлении. При повышении давления часть пара конденсируется и выделившаяся теплота парообразования вызывает повышение температуры. При понижении давления снижается температура смеси и освобождающаяся теплота служит для испарения части воды. Однако несмотря на тождественность принципа действия, эти аккумуляторы отличаются не только конструктивным оформлением, но и областью применения.

Аккумуляторы Рато предназначаются для выравнивания колебаний в поступлении отработавшего пара от машин периодического действия и машин, работающих с переменной нагрузкой, при использовании его d установках с постоянной нагрузкой. Эти аккумуляторы работают при низких давлениях (ниже 0,2МПа) и при перепаде давления у аккумулятора от 0,2 до 0,1МПа (обычно 0,12...0,1МПа). Обладают они небольшой выравнивающей способностью. Таким образом, аккумуляторы Рато используются в узкой области для выравнивания мгновенных колебаний паровой нагрузки. Их работа аналогична работе, выполняемой маховиком в периодически действующих машинах.

Аккумуляторы Рутса предназначаются для выравнивания давления у производителей и потребителей теплоты. Включаются аккумуляторы Рутса между двумя сетями постоянного, но разного давления, с которыми они соединяются при помощи двух автоматических (зарядного и разрядного) клапанов. Работают они при высоких давлениях. Перепад давления у аккумулятора Рутса достигает несколько десятых мегапаскалей и благодаря этому выравнивающая способность его значительно больше, чем у аккумулятора Рато.

Сравним принципиальные схемы включения аккумуляторов Рато и Рутса (рис. IX.8). В схеме а пар от котла 1 поступает в машину 2, работающую с переменной нагрузкой. Давление пара на участке котел – выхлопной патрубок машины снижается на величину (Рк – 0,2)МПа. Аккумулятор Рато 3 выравнивает кратковременные колебания паровой нагрузки и пар с постоянным давлением 0,2МПа поступает в машину 4 или пароприемник, работающие с постоянной нагрузкой. В схеме б аккумулятор Рутса 5 работает параллельно с машиной 4, имеющей постоянную нагрузку, и выравнивает колебания расхода пара машиной 2, поддерживая постоянное давление в котле.

 

 

Рис. IX.8. Принципиальные схемы включения аккумуляторов Рато и Рутса.

 

Применяемые в настоящее время аккумуляторы Рато имеют диаметр цилиндрического корпуса 2,5–3 м, длину 7,5–9 м, рабочий объем воды до 4,0 м3, и пропускную способность до 20 т пара в час.

Как ранее указывалось, аккумуляторы Рато служат промежуточным звеном между машинами периодического действия и установками с постоянной нагрузкой, что необходимо учитывать при расчете аккумулятора. Обозначим через W – массу воды в аккумуляторе, кг; D1 – количество пара, поступающего в аккумулятор из машины, кг; D2 – количество пара, отбираемого из аккумулятора, кг/с; τ1 – длительность рабочего периода машины; с; τ2– длительность перерыва в подаче пара в аккумулятор, с; rт – среднюю теплоту парообразования по среднему давлению, кДж/кг; i1 и i2 – энтальпию воды при зарядке и разрядке соответственно давлениям P1 и P2.

Составим уравнение теплового баланса аккумулятора

В левой части уравнения обозначено количество теплоты, которая выделяется при конденсации в аккумуляторе избытка пара – (D1 D2) , образующегося во время рабочего периода машины. Правая часть показывает количество теплоты, которая поглощается водой, находящейся в аккумуляторе за тот же период. Теплоотводом в окружающую среду пренебрегаем.

Из этого уравнения находим массу воды в аккумуляторе

Из уравнения материального баланса аккумулятора

находим количество пара, отбираемого из аккумулятора

Подставив уравнение (IX.6) в (IX.4), получим

Количество воды в аккумуляторе можно определить также из урав­нения разрядки аккумулятора

где D – отбор пара из аккумулятора за время разрядки, кг; Qoхл – теплоотвод аккумулятора за время разрядки, кДж; – масса воды в аккумуляторе в начале разрядки, кг; iт – средняя энтальпия пара во время разрядки, кДж/кг.

Теплоотвод аккумулятора в окружающую среду можно определить по формуле

где F поверхность охлаждения аккумулятора, м2; ΔТ – разность между средней температурой воды в аккумуляторе и температурой наружного воздуха; k – коэффициент теплопередачи, можно принять равным 1 Вт/(м2·К). Коэффициент 2 ориентировочно учитывает теплоотвод паропроводами и вспомогательной арматурой. Решая уравнение (IX.8) относительно получим

Разделив массу воды на ее плотность, найдем объем воды в аккумуляторе

Общий объем аккумулятора V больше Vв на величину парового пространства, размер которого принимается равным (0,001...0,002)VD где VD – объем D (кг) насыщенного пара с конечным давлением P2

Аккумуляторы Рутса (рис. IX. 9) в отличие от аккумуляторов Рато строятся со сферическими днищами, так как они работают при более высоких давлениях. Цилиндрический корпус аккумулятора устанавливается на опорах, обеспечивающих свободу термическим расширениям в двух направлениях. Снаружи корпус покрыт изоляцией. Аккумулятор снабжается предохранительными клапанами 6, воздушным и вакуумным клапаном, клапаном для спуска воды и продувки, штуцерами для манометра, термометров, указателей уровня и подсоединения двух водяных линий с клапанами для регулирования наполнения.

При зарядке аккумулятора пар впускается в водяной объем при помощи горизонтальной распределительной трубы, к которой на расстоянии около 1 м друг от друга подсоединены зарядные устройства, работающие по принципу конденсаторов смещения. Зарядные устройства состоят из циркуляционных труб 3 и зарядных мундштуков 2. На нижнем конце мундштуков имеются кольцевые пояски с отверстиями диаметром около 10мм каждое, направленными наклонно к вертикальной оси. Пар из зарядного трубопровода 1 через обратный клапан 5 направляется в распределительную трубу 4, в которой движется со скоростью примерно 50м/с, и из нее поступает в зарядные мундштуки. Из мундштуков пар вырывается в виде отдельных струек через отверстия в кольцевое пространство между мундштуком и циркуляционной трубой, вызывая энергичный поток воды снизу вверх. Благодаря этому создается хорошая циркуляция воды и равномерное распределение температуры по всему объему аккумулятора.

 

Рис. IX..9. Аккумулятор Рутса.

 

Потеря давления, обусловленная наличием столба воды над отверстиями зарядных мундштуков, невелика и, поскольку аккумуляторы Рутса работают при относительно высоких давлениях, то практического значения она не имеет. Во время зарядки в паровом пространстве аккумулятора устанавливается небольшой избыток давления, благодаря чему между паром, поступающим для зарядки, и водой образуется разница в температуре, способствующая охлаждению пара и его конденсации. При отборе пара из аккумулятора в паровом пространстве давление снижается, происходит парообразование. Охлажденная вследствие парообразования вода способствует образованию конвекционных потоков и вовлечению в процесс испарения глубинных слоев. Поскольку основная масса пара образуется у поверхности воды, то интенсивного вскипания в объеме не происходит и бросков воды в разборный паропровод при напряжении зеркала испарения до 400 м32 не наблюдается.

Для предохранения аккумулятора от чрезмерного повышения напряжения зеркала испарения в разрядном трубопроводе устанавливается ограничительное сопло Лаваля 7. Сечение сопла рассчитано так, чтобы при максимальном расходе пара, соответствующем критической скорости в суженном сечении сопла, напряжение зеркала испарения не превышало максимально допустимой величины.

Наполнение аккумулятора водой больше чем на 90...95% не рекомендуется во избежание бросков воды в паропровод. При работе аккумулятора уровень воды в нем колеблется в широких пределах. Контроль уровня воды осуществляется по водоуказательной колонке, подсоединяемый к аккумулятору трубками 9. Так как при разрядке происходит испарение воды вследствие понижения давления, уровень ее в аккумуляторе понижается, а при зарядке наоборот, то колонка градуирована на давление в аккумуляторе. Сравнивая показания водоуказательной колонки с показаниями манометра, устанавливают необходимость подпитки или продувки.

К паровой сети аккумулятор подсоединяется одним паропроводом, через который осуществляется зарядка и разрядка, или двумя паропроводами: зарядным и разрядным. Подсоединение одним паропроводом возможно тогда, когда через аккумулятор проходит лишь то количество пара, которое подлежит аккумулированию. Остальной поток пара идет мимо аккумулятора, не теряя перегрева. Размеры аккумулятора при этом сравнительно невелики.

Если пар, расходуемый потребителями, насыщенный низкого давления, а пар из котлов невысокого давления и перегрет, то через аккумулятор проходит весь пар. При этом необходимо дополнительное питание аккумулятора водой для восприятия теплоты перегрева пара. На паропроводах устанавливаются два обратных клапана, зарядный 5 и разрядный 8, которые автоматически открываются при изменении давления в паропроводе.

Основные схемы включения аккумулятора Рутса показаны на рис. IX. 10. По схеме аккумулятор включен параллельно водяному объему котла. Такое включение имеет преимущества: нечувствительность к колебаниям нагрузки, эластичность в работе и быструю растопку. Отбор пара из аккумулятора ограничивается лишь давлением в пароприемнике. Кроме выравнивания колебаний в расходе пара в течение рабочей смены, такая схема оправдывает себя при одно- или двухсменной работе, позволяя в конце рабочей смены пар из котла использовать для зарядки аккумулятора.

Схема 1 может применяться при переменной нагрузке силового потребителя, а также при переменной производительности парового котла, что имеет место у некоторых котлов-утилизаторов.

Схема в несколько сложнее схемы б, но более гибкая. По этой схеме пар из аккумулятора подводится к турбине отдельно от острого пара, кроме того, он может переключаться на ступень пониженного давления. Следовательно, при переменной нагрузке турбины котел работает с постоянной паропроизводительностью и давлением пара. Снижается только давление пара, проходящего через аккумулятор при разрядке.

По схеме г котел питает паром конденсационную турбину и сеть низкого давления. Колебания в сети низкого давления выравниваются аккумулятором Рутса и на сеть высокого давления не влияют. По этой схеме аккумулятор может выравнивать также пики в сети высокого давления, так как в момент появления этих пиков сеть низкого давления питается от аккумулятора, а освободившийся пар используется для покрытия пиков в сети высокого давления.

Для регулирования давления в процессах зарядки и разрядки аккумулятора перепускной клапан 2 снабжен регулятором предельного давления 9.

 

Рис. IX. 10. Схемы включения аккумулятора Рутса:

1 – котел; 2 – перепускной вентиль: 3 – аккумулятор Рутса; 4 – дроссельный вентиль; 5 – потребитель теплоты; 6 – насос; 7 – конденсацнонная турбина; 8 – конденсационная турбина с несколькими подводами пара; 9 – регулятор предельного давления пара.

 

Количество пара, которое можно получить из аккумулятора в процессе разрядки при заданном перепаде давления, называется аккумулирующей способностью аккумулятора. Эта величина, отнесенная к одному кубическому метру водяного объема аккумулятора, называется удельной аккумулирующей способностью.

Необходимый объем аккумулятора Рутса можно определить по формуле

где S – аккумулирующая способность аккумулятора, кг; α – удельная аккумулирующая способность водяного объема аккумулятора, кг/м3; σ – коэффициент заполнения водой внутреннего объема аккумулятора (обычно α = 0,90...0,95).

Величина α является функцией принятых давлений пара в аккумуляторе в конце и в начале зарядки. Ее можно определить из уравнения удельного теплового баланса аккумулятора

где i1 – энтальпия пара, идущего на зарядку, кДж/кг; i1' – энтальпия воды в конце зарядки, кДж/кг; i'2 – энтальпия воды в начале зарядки, кДж/кг; ρ' – плотность воды при принятом давлении и в конце зарядки, кг/м3.

Из уравнения (IX. 14) получаем

Водяные аккумуляторы. Основным назначением водяных аккумуляторов является создание запаса теплоты в питательной воде. В ак¬кумуляторах вытесняющего типа это осуществляется конденсацией избыточного пара из котлов, а в аккумуляторах циркуляционного типа – непосредственным отбором горячей воды из котла в аккумулятор.

Особую группу представляют собой аккумуляторы, которые применяются в установках, приготавливающих горячую воду для отопления, в производственных целях и для бытовых нужд. Эти аккумуляторы могут обогреваться как острым, так и отработавшим паром, а также использовать другие виды ВЭР.

Рассмотрим основные схемы включения водяных аккумуляторов (рис. IX. 12). По схеме а котел 1 постоянно питается водой из аккумулятора 3, подогретой избыточным паром из паровой магистрали. Верхняя часть аккумулятора заполнена горячей, нижняя – теплой водой Постоянное количество питательной воды насосом 7 перекачивается через экономайзер 6 и при средней нагрузке котла насосом 5 подается в аккумулятор. При уменьшении нагрузки котла в аккумулятор поступает большое количество пара, для его конденсации увеличится открытие регулирующего вентиля 4 и насосом 5 будет подано больще теплой воды за счет отвода ее из нижней части аккумулятора. При уменьшении нагрузки котла поступление пара в аккумулятор уменьшится, насосом 5 будет подаваться меньше воды, избытки ее, подаваемые насосом 7, будут поступать в нижнюю часть аккумулятора, вытесняя горячую воду, которой питается котел. При этом происходит разрядка аккумулятора.

 

 

Рис. IX.12. Схемы включения водяных аккумуляторов.

 

По схеме б аккумулятор циркуляционного типа включен параллельно водяному объему котла. Насосом 10 вода из аккумулятора подается в котел и по обратному трубопроводу с температурой кипения сливается самотеком в аккумулятор, расположенный ниже котла. Паровые пространства котла и аккумулятора соединены уравнительным паропроводом 9. При уменьшении нагрузки подача теплой воды в котел увеличивается, избытки ее сливаются в аккумулятор, он заряжается. При увеличении нагрузки насос 2 подает меньше воды, и парообразование происходит за счет накопления воды в аккумуляторе. Для нормальной работы экономайзера при переменном режиме питания котла водой после экономайзера установлен уравнительный бак 8, благодаря которому экономайзер работает постоянно при среднем режиме.

По схеме в нагревание воды производится острым или отработавшим паром в подогревателе 11. Насосом 5 в системе создается непрерывная циркуляция воды. При прерывистом поступлении пара в подогреватель температура циркулирующей воды будет изменяться. Однако благодаря большой массе ее в аккумуляторе и непрерывному переме¬шиванию, к потребителю вода поступает примерно одинаковой температуры.

Объем водяного аккумулятора можно определить по формуле (IX. 13). Удельная аккумулирующая способность для циркуляционных аккумуляторов


1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 |

При использовании материала ссылка на сайт Конспекта.Нет обязательна! (0.178 сек.)