Установка парового теплообменника для зерносушилки

Многие проблемы, вызывающие неисправности теплообменников зерносушилок, связаны с застоем конденсата внутри. Если не будут приняты соответствующие меры для подачи чистого и сухого пара в змеевик и своевременного удаления конденсата во время его формирования, проект не может считаться завершенным и нельзя ожидать длительного срока эксплуатации теплообменника.

Конденсат внутри труб теплообменника создает ряд проблем:

• снижает производительность (тепловую мощность);
• вызывает коррозию и эрозию труб;
• провоцирует гидравлический удар.

Как правило, в змеевике теплообменника при подаче пара происходит следующая электрохимическая реакция:

3Fe + 4H2O = Fe3O4+ 4H2 ,

которая создает магнетитовую пленку с хорошими защитными антикоррозийными свойствами. Этот эффект очень похож на то, как защищает себя кортеновская сталь, которая используется для производства воздушных коробов современных зерносушилок.

Плёнка непрерывно и равномерно образуется по всей поверхности металла. Если по химическим или механическим причинам пленка не полностью формируется или подвержена разрыву, металл немедленно подвергается коррозии.

Пленка может быть повреждена различными элементами, такими как кислород, углекислый газ и хлориды.

Вода, используемая в котлах для производства пара, очень редко характеризуется такой чистотой, чтобы ее можно было использовать без предварительной обработки. Как правило, она содержит растворенные твердые вещества и газы, такие как кислород и диоксид углерода, как указано выше. Они переносятся паром по поверхности трубы змеевика теплообменника, где могут легко застаиваться во время конденсации пара. Когда их концентрация увеличивается, газы начинают растворяться в жидкости, что делает ее коррозийной.

Для коррозии стенок труб потребуется разное время, от нескольких недель до нескольких месяцев, в зависимости от условий использования теплообменника – непрерывной, циклической или сезонной – и от качества предварительной подготовки питающей воды в котле.

На рисунке 1 показано уменьшение стенки в увеличенном сечении стальной трубы диаметром 33,7 мм с первоначальной толщиной 2,9 мм, подверженной эрозии и коррозии из-за конденсата.

Рекомендация:

Очень важно уделить внимание узлу подготовки воды!

Образующийся конденсат застаивается в нижней части трубы, а сам пар распространяется с высокой скоростью (около 30-35 м/с) по “свободной поверхности”.

Если конденсат не отвести, он медленно накапливается, блокируя проход пара, таким образом становясь пробкой, как показано на рисунке 2.

Образующийся слой увлекается паром и течет по трубам с высокой скоростью. Когда жидкость встречает препятствие или внезапно отклоняется на своем пути, кинетическая энергия создаёт значительно увеличение давления в змеевике. Чем больше интенсивность явления и меньше упругость используемого материала, тем больше наносимый ущерб!

Такое явление общеизвестно как «Гидравлический удар».

На рисунке 2 показано как происходит накопление конденсата в змеевике перед гидроударом.

Конденсация является желательным явлением в паровых теплообменниках, поскольку оно намеренно вызывается для использования тепла, переносимого паром. Тем не менее, ради длительного срока службы и эффективности змеевика очень важно как можно скорее удалить конденсат, чтобы он не оставался в трубах, а направлялся в линию сбора и отвода конденсата.

Иногда неправильный дренаж парового змеевика приводит к медленному, но прогрессирующему и необратимому износу, приводящему к механическому «напряжению» и образованию микродефектов, которые могут легко привести к поломке змеевика при случайном гидравлическом ударе, как описано выше. 

В большинстве случаев неправильно змеевики с неправильно организованной системой дренажа ломаются рядом с выходным патрубком и вокруг сварочных швов труб, как показано на рисунке 3.

На рисунке 4 показано увеличение разрыва, произошедшего на трубе из нержавеющей стали, которая подверглась гидравлическому удару из-за неправильной организации дренажа.

Паровой теплообменник зерносушилки обычно отключается системой регулирования потока пара (регулирующим клапаном), которая изменяет впуск пара в соответствии с теплом, необходимым для сушки зерна. Такая терморегуляция вызывает изменение нагрузки (емкость и давление) внутри теплообменника.

Паровой клапан в полностью закрытом положении может образовывать вакуум в змеевике теплообменника с застоем конденсата. Кроме того, вдоль линии подачи пара могут накапливаться отложения и шлаки, которые при попадании в змеевик могут вызвать эрозию.

Рекомендации:

• Обеспечить снабжение теплообменника паром через «ручку зонта» в верхней части паропровода.
• Установить защитный Y-образный фильтр в паропровод.
• Применить систему устранения вакуума (вакуумный клапан).
• Никогда не сливать несколько теплообменников только одним конденсатоотводчиком.
• Использовать механические конденсатоотводчики (перевернутые ведра или поплавки).
• Организовать (если оно не встроено в конденсатоотводчик) автоматическое устройство удаления воздуха для операций запуска зерносушилки на пару.
• В случае повторного появления конденсата после конденсатоотводчика, выполните необходимые операции, чтобы предотвратить его возврат в змеевик теплообменника, пока система остановлена и/или когда теплообменник выключен.

Длина дренажного трубопровода

Дренажная линия должна иметь минимальную длину, в идеале – до 2 метров. Длинные дренажные линии от теплообменника до конденсатоотводчика могут заполняться паром и предотвращать попадание конденсата в конденсатоотводчик. Этот эффект называется паровой блокировкой. 

Чтобы свести к минимуму этот риск, дренажные линии должны быть короткими (см. рисунок 5).

Трубопровод от теплообменника

В паровой зерносушилке труба от конденсатного патрубка теплообменника должна опускаться вертикально примерно на 10 диаметров трубы до уровня конденсатоотводчика. 

При условии установки конденсатоотводчика с шариковым поплавком правильного размера это гарантирует, что “волны” конденсата не будут скапливаться в нижней части системы с сопутствующим риском коррозии и гидравлического удара. 

Он также будет обеспечивать небольшой вертикальный статический напор, который будет способствовать удалению конденсата во время запуска. Ведь при запуске системы давление пара изначально может быть очень низким.

Далее трубопровод должен быть установлен горизонтально, но с минимальным уклоном в направлении потока. Уклон должен быть таким, чтобы конденсат мог течь свободно (см. Рисунок 6).

Дренаж из основного паропровода

При отводе из основного паропровода дренажная линия может быть горизонтальной (см. рисунок 7), но только при условии установки дренажных карманов рекомендованого размера (см. таблицу ниже). 

Если дренажный карман имеет габариты меньше, чем рекомендовано, то конденсатоотводчик следует установить на эквивалентном расстоянии ниже него.

Таблица рекомендованных размеров дренажного кармана

Для отвода конденсата из основного паропровода подачи пара в теплообменник зерносушилки.

Несколько теплообменников

Зерносушилка является потребителем тепла с регулируемой температурой. Т.е., по мере надобности, она должна через встроенный ПИД-регулятор отдавать команды открытия и закрытия регулирующему паровому клапану для поддержания требуемой температуры сушения. 

В результате таких регулировок производительность конденсатоотводчика может уменьшиться до точки, при которой поток конденсата полностью прекратится. В таких случаях говорят, что система заглохла.

Остановка возникает в результате падения давления пара, которого может оказаться недостаточно для продувки паровой системы от конденсата. Проблема более вероятна, когда система (как в случае с зерносушилкой) имеет большой диапазон регулировки подачи пара от полной нагрузки до малой.

Не все системы с регулируемой температурой остановятся, но противодавление, создаваемое в системе сбора и отвода конденсата, может отрицательно повлиять на работу конденсатоотводчика. Это, в свою очередь, может ухудшить теплопередачу процесса.

Поэтому линии отвода конденсата должны быть сконфигурированы так, чтобы конденсат не затопил общую магистраль, в которую они сливаются, как показано на рисунке 8.

На фото: Из-за отсутствия правильной системы дренажа конденсата, при наступлении отрицательных температур воздуха, конденсат, накопившийся в трубах теплообменника зерносушилки, может замерзнуть. Это с высокой долей вероятности приведёт к тому, что трубы лопнут. Особенно, если теплообменник из углеродистой стали, а не из нержавейки. Чтобы такое не происходило, зимой нужно сливать конденсат немедленно после остановки зерносушилки. Лучше, если это будет происходить автоматически без вмешательства человеческого фактора.

Вход сверху, выход снизу

Вход сверху сбоку, выход снизу сбоку

Два теплообменника

Снабжение теплообменника через правильную линию подачи пара, правильное подключение, быстрый и надлежащий отвод конденсата вместе с удалением пускового воздуха, хорошая станция подготовки воды — это основные требования для получения:

• Высокой степени теплопередачи (производительности);
• Снижения нагрузок на теплообменник и трубы;
• Длительного срока эксплуатации без поломок.

Поэтому, перед монтажом сушилки и парового хозяйства, вам нужно заказать проект в профессиональной проектной организации, которая имеет соответствующий опыт.

В противном случае вы потратите гораздо больше времени и средств на исправление последствий неправильного проектирования.