Деаэратор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Термический струйный деаэратор атмосферного давления
Атмосферный деаэратор на квартальной котельной

Деаэратор — техническое устройство, реализующее процесс деаэрации[1] некоторой жидкости (обычно воды или жидкого топлива), то есть её очистки от присутствующих в ней нежелательных газовых примесей. На многих электрических станциях также играет роль ступени регенерации и бака запаса питательной воды.

Иностранная терминология[править | править вики-текст]

В значительной части зарубежных систем технических терминов нет единого термина «деаэратор» для описания элемента тепловой схемы станции в виде бака с колонкой; например, в немецком колонка называется Entragaserdom, и понятие «деаэратор» (Entgaser) относится только к ней, а бак запаса питательной воды — Speisewasserbehälter. В последнее время и в некоторых русскоязычных публикациях (о нетрадиционных для наших предприятий конструкциях либо переводных) бак отделяют от деаэратора.

Типы деаэраторов[править | править вики-текст]

Существует большое количество видов вертикальных и горизонтальных деаэраторов, выпускаемых различными производителями, каждый из которых может иметь конструкционные отличия. На рисунках 1 и 2 схематично показаны элементы устройства двух основных видов деаэраторов.

Деаэратор тарельчатого типа[править | править вики-текст]

Рис. 1 Схема устройства тарельчатого деаэратора атмосферного давления.

Обычно горизонтальный тарельчатый деаэратор, изображенный на рисунке 1 имеет вертикальный бак деаэрации, установленный на горизонтальном баке с питательной водой для котла. Недеаэрированная питательная вода сверху подаётся в вертикальную деаэрационную камеру и стекает вниз через ряд перфорированных тарелок деаэрационной колонны и попадает в бак с питательной водой через отверстия перфорации. Пар низкого давления для деаэрациии вводится снизу стопки перфорированных тарелок и проходит вверх через их отверстия. В некоторых конструкциях деаэраторов используются различные виды прокладок и мембран вместо перфорированных тарелок для обеспечения большей поверхности раздела фаз и перемешивания пара с водой.

Растворенный в воде газ переходит в газовую паровую фазу, парогазовая смесь сбрасывается через вентиляционное отверстие в верхней части колонны (так называемый «выпар»). Обычно отверстие сброса выпара снабжено клапаном, регулирующим количество отходящего пара и рассчитанном на открывание при превышении некоторого давления — давления насыщенного пара при рабочей температуре деаэратора (102—110 С для деаэраторов атмосферного типа). В некоторых конструкциях может быть предусмотрен конденсатор выпара для конденсации воды из выпара и возврата уносимого тепла в систему.

Деаэрированная вода стекает в горизонтальный накопительный бак, из которого она подается в парогенирирующую установку.

Во многих конструкциях деаэраторов часть пара подаётся через перфорированную трубу в нижней части накопительного бака, расположенную под поверхностью воды. Этот пар поддерживает температуру воды в баке и дополнительно деаэрирует её барботацией.

Для уменьшения потерь тепла через теплообмен с окружающим воздухом поверхность деаэратора теплоизолируют.

Деаэратор распылительного типа[править | править вики-текст]

Рис. 2 Схема устройства распылительного деаэратора

Как показано на рисунке 2, обычно деаэратор распылительного типа представляет собой горизонтальную емкость, в которой есть зона подогрева (E) и зона деаэрации (F). Эти зоны разделены пластиной (С). Пар низкого давления попадает в емкость через паровую гребенку в нижней части бака.

Питающая вода котла распыляется в зоне (Е), в которой она нагревается паром при помощи паровой гребенки. Распылитель питающей воды (А) и зона подогрева нагревают воду до точки кипения для удаления растворенных газов в зоне деаэрации.

Предварительно нагретая питающая вода попадает в зону деаэрации (F), в которой происходит ее деаэрация под действием пара, поднимающегося от паровой гребенки. Газы, выделяемые из воды удаляются через вентиляцию, предусмотренную в верхней части емкости. Аналогично деаэраторам тарельчатого типа, в некоторых конструкциях предусмотрены устройства рекуперации воды из отходящего газа. Также, вентиляционный тракт снабжают клапаном, регулирующим количество отходящего пара, для обеспечения наличия сигнальной видимой струи пара.

Деаэрированная питающая вода подается насосом из нижней части деаэратора в парогененрирующую установку.

Назначение[править | править вики-текст]

Принцип действия[править | править вики-текст]

В жидкости газ может присутствовать в виде:

  • собственно растворённых молекул;
  • микропузырьков (порядка 10−7м), образующихся вокруг частиц гидрофобных примесей;
  • в составе соединений, разрушающихся на последующих стадиях технологического цикла с выделением газа (например, NaHCO3).

В деаэраторе происходит процесс массообмена между двумя фазами: жидкостью и парогазовой смесью. Кинетическое уравнение для концентрации C_\Gamma растворённого в жидкости газа при его равновесной (с учётом содержания во второй фазе) концентрации C_\Gamma^P, исходя из закона Генри, выглядит как

{dC_\Gamma \over d\tau}=kf(C_\Gamma^P-C_\Gamma),

где \tau — время; f — удельная поверхность раздела фаз; k — скоростной коэффициент, зависящий, в частности, от характерного диффузионного пути, который газ должен преодолеть для выхода из жидкости. Очевидно, для полного удаления газов из жидкости требуется C_\Gamma^P=0 (парциальное давление газа над жидкостью должно стремиться к нулю, то есть выделившиеся газы должны эффективно удаляться и замещаться паром) и бесконечное время протекания процесса. На практике задаются технологически допустимой и экономически целесообразной глубиной дегазации.

В термических деаэраторах, основанных на принципе диффузионной десорбции, жидкость нагревается до кипения; при этом растворимость газов близка к нулю, образующийся пар (выпар) уносит газы (C_\Gamma^P снижается), а коэффициент диффузии высок (растёт k).

В вихревых деаэраторах собственно обогрева жидкости не происходит (это делается в теплообменниках перед ними), а используются гидродинамические эффекты, вызывающие принудительную десорбцию: жидкость разрывается в самых слабых местах — по микропузырькам газа, а затем в вихре фазы разделяются силами инерции под действием разности плотности.

Кроме того, известны небольшие установки, где некоторая степень деаэрации достигается облучением жидкости ультразвуком[2]. При облучении воды ультразвуком интенсивностью порядка 1 Вт/см2 происходит снижение C_\Gamma^P на 30—50 %, k возрастает примерно в 1000 раз, что приводит к коагуляции пузырьков с последующим выходом из воды под действием Архимедовой силы.

Выпар[править | править вики-текст]

Выпар — это смесь выделившихся из воды газов и небольшого количества пара, подлежащая эвакуации из деаэратора. Для нормальной работы деаэраторов распространённых конструкций его расход (по пару по отношению к производительности) должен составлять не менее 1—2 кг/т, а при наличии в исходной воде значительного количества свободной или связанной углекислоты — 2—3 кг/т. Чтобы избежать потерь рабочего тела из цикла, выпар на крупных установках конденсируют. Если охладитель выпара, применяемый для этой цели, устанавливается на исходной воде деаэратора (как на рис.), она должна быть достаточно сильно недогрета до температуры насыщения в деаэраторе. При использовании выпара на эжекторах он конденсируется на их холодильниках, и специальный теплообменник не нужен.

Термические деаэраторы[править | править вики-текст]

Термические деаэраторы классифицируютя по давлению.

Обозна­чение Тип Давление, МПа Температура, °C Применение
ДВ Вакуумные 0,0075—0,05 40—80 Подпиточная вода тепловых сетей, вода в тракте химической водоподготовки
ДА Атмосферные 0,01—0,03 102—107 Добавочная вода ТЭС, питательная вода испарителей, подпиточная вода тепловых сетей
ДП Повышенного давления 0,6—0,7,
реже
0,8—1,2
158—167

170—188
Питательная вода энергетических котлов с начальным давлением пара от 9,8 МПа и выше

Атмосферные деаэраторы (см. рис.) требуют наименьшей толщины стенок; выпар удаляется из них самотёком под действием небольшого избытка давления над атмосферным. Вакуумные деаэраторы могут работать в условиях, когда на котельной нет пара; однако им требуется специальное устройство для отсоса выпара (вакуумный эжектор) и б́ольшая толщина стенок, к тому же бикарбонаты при низких температурах разлагаются не полностью и есть опасность повторного подсоса воздуха по тракту до насосов. Деаэраторы ДП имеют больш́ую толщину стенок, зато их применение в схеме ТЭС позволяет сократить количество металлоёмких ПВД и использовать выпар как дешёвую рабочую среду для пароструйных эжекторов конденсатора; деаэрационная приставка конденсатора, в свою очередь, является вакуумным деаэратором.

Как теплообменные аппараты термические деаэраторы могут быть смесительными (обычно, греющие пар и/или вода подаются в объём деаэратора) или поверхностными (греющая среда отделена от нагреваемой поверхностью теплообмена); последнее часто встречается у вакуумных подпиточных деаэраторов теплосетей.

По способу создания поверхности контакта фаз смесительные деаэраторы подразделяются на струйные, плёночные и барботажные (встречаются смешанные конструкции).

В струйных и плёночных деаэраторах основным элементом является колонка деаэратора — устройство, в котором вода стекает сверху вниз в бак, а греющий пар поднимается снизу вверх на выпар, попутно конденсируясь на воде. В небольших деаэраторах колонка может быть интегрирована в один корпус с баком; обычно же она выглядит как вертикальный цилиндр, пристыкованный сверху к горизонтальному баку (цилиндрической ёмкости с эллиптическими либо коническими днищами). Сверху находится водораспределитель, снизу — парораспределитель (например, кольцевая перфорированная труба), между ними — активная зона. Толщина колонки данной производительности определяется допустимой плотностью орошения активной зоны (расходом воды через единицу площади).

В деаэраторах струйного типа вода проходит активную зону в виде струй, на которые она может быть разбита 5—10 дырчатыми тарелками (кольцевые с центральным проходом пара чередуются с круговыми меньшего диаметра, обтекаемыми по краю). Струйные деаэрационные устройства имеют простую конструкцию и малое паровое сопротивление, но интенсивность деаэрации воды сравнительно низка. Колонки струйного типа имеют большую высоту (3,5—4 м и более), что требует высокого расхода металла и неудобно при ремонтных работах. Такие колонки применяются как первая ступень обработки воды в двухступенчатых деаэраторах струйно-барботажного типа.

Также существуют форсуночные (капельные) деаэраторы, где вода разбрызгивается из форсунок в капельном виде; эффективность за счёт измельчения фазы велика, однако работа форсунок ухудшается при засорении и при сниженных расходах, а на преодоление сопротивления сопел уходит очень много электроэнергии[3].

В деаэраторах с колонками плёночного типа поток воды расчленяется на пленки, обволакивающие насадку-заполнитель, по поверхности которой вода стекает вниз. Применяется насадка двух типов: упорядоченная и неупорядоченная. Упорядоченную насадку выполняют из вертикальных, наклонных или зигзагообразных листов, а также из укладываемых правильными рядами колец, концентрических цилиндров или других элементов. Преимущества упорядоченной насадки — возможность работы с высокими плотностями орошения при значительном подогреве воды (20—30 °C) и возможность деаэрации неумягчённой воды. Недостаток — неравномерность распределения потока воды по насадке. Неупорядоченная насадка выполняется из небольших элементов определенной формы, засыпаемых произвольно в выделенную часть колонки (кольца, шары, сёдла, омегаобразные элементы). Она обеспечивает более высокий коэффициент массоотдачи, чем упорядоченная насадка. Пленочные деаэраторы малочувствительны к загрязнению накипью, шламом и окислами железа, но более чувствительны к перегрузке.

В деаэраторах барботажного типа поток пара, который вводится в слой воды, дробится на пузыри. Преимуществом этих деаэраторов является их компактность при высоком качестве деаэрации. В них происходит некоторый перегрев воды относительно температуры насыщения, соответствующей давлению в паровом пространстве над поверхностью. Величина перегрева определяется высотой столба жидкости над барботажным устройством. При движении увлекаемой пузырьками пара воды вверх происходит её вскипание, способствующее лучшему выделению из раствора не только кислорода, но и углекислоты, которая в деаэраторах других типов удаляется из воды не полностью; в том числе разлагаются и бикарбонаты NaHCO3, NH4HCO3. В барботажном устройстве наряду со значительным развитием суммарной поверхности контакта фаз обеспечивается интенсивная турбулизация жидкости. Эффективность барботажных устройств снижается при значительном уменьшении удельного расхода пара. Для обеспечения глубокой деаэрации вода в деаэраторе должна подогреваться не менее чем на 10 °C, если нет возможности для увеличения расхода выпара. Барботажные устройства могут быть затопленными в баке в виде перфорированных листов (при этом трудно обеспечить беспровальный режим) или устанавливаться в колонке в виде тарелок.

Показатели и обозначения[править | править вики-текст]

Производительность деаэратора — расход деаэрированной воды на выходе из деаэратора. В деаэраторах типа ДВ при использовании в качестве греющей среды (теплоносителя) перегретой деаэрированной воды расход последней в производительность не входит.

Полезная вместимость деаэраторного бака — расчетный полезный объём бака, определяемый в размере 85 % его полного объёма.

ГОСТ устанавливает ряды для подбора ёмкости баков (для ДА 1—75 м³, ДП 65—185 м³) и производительности (1—2800 т/ч). Деаэратор обозначается по принципу ДА(ДП,ДВ)-(производительность, т/ч)/(полезная вместимость бака, м³); колонки отдельно КДА(КДП)-(производительность), баки БДА(БДП)-(вместимость).

Литература[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Как правило, оборудование для химической деаэрации к деаэраторам не относят, говорят о «бездеаэраторной схеме» теплоэнергетической установки; в этой статье оно не рассматривается.
  2. Ultrasonic Degassing and Defoaming of Liquids (англ.). Архивировано из первоисточника 8 апреля 2012.
  3. Способы. Блог Вспомогательного оборудования. Архивировано из первоисточника 8 апреля 2012.