Давление пара в бойлере
Обновлено: 02.05.2024
Достоинства пара как теплоносителя привели к широкому распространению паровых систем в самых разных областях промышленности. Неизбежный спутник пара – конденсат.
Важной проблемой, которую следует учесть при проектировании систем распределения пара, является конденсация, происходящая из-за тепловых потерь в паропроводе. Скорость конденсации особенно велика при пуске установки, когда температура паропровода мала. Затем скорость образования конденсата снижается, но все же является заметной величиной, даже если трубы хорошо изолированы.
Конденсат образует на внутренних стенках паропровода капли, которые могут сливаться в пленку по мере того, как увлекаются потоком пара. Под действием сил тяжести вода стекает в нижнюю часть трубы. Если скопившийся конденсат не удалить как можно быстрее, могут образоваться объемы воды (так называемые снаряды), которые уносятся паром и вызывают гидравлические удары. Избавиться от подобных трудностей позволяет соблюдение нескольких простых правил.
Трубопровод должен устанавливаться с наклоном по направлению движения. Подходящим считается снижение трубопровода на 40 мм на каждые 10 м его длины (т.е. с уклоном 0,004). Это обеспечивает перенос конденсата до места дренажа.
Между точками дренажа должно выдерживаться определенное расстояние. Оно зависит от размеров трубопровода, его расположения, частоты пусков и составляет обычно от 30 до 50 м. Подходящими для установки дренажей считаются места, где трубопровод меняет направление. Чтобы обеспечить отвод конденсата на протяженных горизонтальных участках, здесь периодически выполняются повороты трубопровода в вертикальной плоскости (рис. 1). Повороты, после которых начинается подъем, являются идеальным местом для установки дренажей.
Штуцер для отвода пара должен быть установлен на верхней образующей паровой магистрали, иначе пользователь будет получать слишком влажный пар. Если использующее пар оборудование оказывается ниже паропровода, штуцер все равно располагают вверху; от него линия для подачи пара поворачивает вниз. В ее нижней точке обычно устанавливают запорный или регулирующий клапан. Конденсат будет скапливаться перед закрытым клапаном, и для его удаления обязателен кондесатоотводчик (рис. 2).
Конденсатоотводчики, используемые для дренирования паропроводов, должны быть рассчитаны на работу с максимальным давлением пара в главном паропроводе, а также иметь достаточную пропускную способность для передачи образовавшегося количества конденсата при перепаде давления, получаемом в данный момент.
Конденсатоотводчики – неотъемлемая часть оборудования, которое должно быть установлено для непрерывного отвода конденсата из аппаратов, обогреваемых паром. После них конденсат попадает в линию возврата. В схемах теплоснабжения наиболее часто встречаются термостатические, механические и термодинамические кондесатоотводчики.
Работа механических конденсатоотводчиков основана на разности плотностей пара и воды. В некоторых из них используется шарообразный поплавок (рис. 3), который поднимается в присутствии конденсата и открывает клапан, позволяющий конденсату пройти через конденсатоотводчик. В других конструкциях имеется перевернутый стакан, изменяющий положение клапана, когда в конденсатоотводчик поступает пар.
В термодинамических конденсатоотводчиках используется увеличение скорости потока, которое происходит при парообразовании. (Если конденсат и пар имеют примерно одинаковую температуру, при снижении давления конденсата в диафрагме происходит мгновенное парообразование.) Скоростной напор приводит к закрытию диска, расположенного напротив седла клапана (рис. 4).
Обычно даже при выполнении всех требований по дренированию конденсата в паре все равно остается влага. Для ее удаления используют сепараторы – ряд отражательных экранов, расположенных так, чтобы заставить пар многократно менять направление. При этом капли влаги выпадают из потока и удаляются через конденсатоотводчик.
Продукты коррозии, частички отложений, а также любой мусор, оставшийся после монтажа, могут легко нарушить работу регулирующего оборудования, повредить при тех скоростях, с которыми движется пар, рабочие поверхности клапанов и т.д. Поэтому паропроводы, как правило, снабжают фильтрами, устанавливая их до клапанов, конденсатоотводчиков и другого оборудования.
Традиционным методом контроля исправности конденсатоотводчиков является установка смотровых стекол после каждого из них. Они позволяют наблюдать за расходом конденсата. Новинкой в данной области становятся электронные устройства, которые используют электропроводность конденсата, чтобы определить исправность конденсатоотводчика. Их измерительные приборы могут быть смонтированы в одном месте, на некотором расстоянии от датчиков, что особенно удобно при затрудненном доступе к конденсатоотводчикам.
Когда при включении установки пар начинает поступать в паропровод, он заполнен воздухом. Для его удаления служат автоматические воздушные клапаны. Воздушники с уравновешенным давлением должны быть установлены на конце любого паропровода; отводящие патрубки располагаются выше уровня конденсата. Выхлоп из воздушника направляется в безопасное место.
Большое значение имеет правильное проектирование системы возврата конденсата. Очень важно не допускать чрезмерного обратного давления в конденсатоотводчиках.
Размеры труб должны обеспечить максимальный расход конденсата; их следует располагать с уклоном, чтобы вода стекала под действием силы тяжести. Впрочем, на практике редко существует возможность таким образом вернуть в котел весь конденсат, образовавшийся в парораспределительной системе. Поэтому обычно жидкость сначала направляется в сборные резервуары, а уже из них перекачивается в котельную.
Как уже говорилось, при пуске оборудования паропроводы имеют температуру окружающего воздуха. Поступающий в них пар быстро конденсируется, и его расход оказывается в 2–3 раза больше, чем при нормальной работе установки. Во столько же раз больше, чем в установившемся режиме, конденсата должна пропустить линия возврата. По мере прогрева всего оборудования расход конденсата будет снижаться до номинальной нагрузки.
Размеры труб должны иметь пропускную способность, достаточную для перекачки конденсата в любых режимах. Необходимо выбрать такую пусковую нагрузку, чтобы расход превышал номинальный не более чем в два раза. Это будет верным для давления пара до 10 бар. При более высоком давлении от линии возврата конденсата может потребоваться дополнительная пропускная способность.
Итак, конденсат должен быть удален из конденсатоотводчика за счет силы тяжести, но бывает, что требуется подать этот конденсат на более высокий уровень. В таких случаях необходимо, чтобы на выходе из конденсатоотводчика было избыточное давление, создаваемое дополнительным оборудованием. При проектировании следует учитывать, что каждые 0,11 мбар давления в конденсатоотводчике позволяют поднять конденсат на высоту 1 м.
В схемах с подъемом конденсата неизбежны гидравлические удары, увеличивающие риск механических повреждений. Как правило, трубопроводы возврата при нормальной работе заполнены перекачиваемым конденсатом. Расход этой жидкости зависит от изменения нагрузки паровых магистралей. Ввод в заполненный трубопровод свежих порций конденсата при более высоких значениях давления и температуры приводит к тому, что часть влаги мгновенно снова превращается в пар. При этом пузырьки пара могут быстро разрушаться в сравнительно холодном конденсате, вызывая сильные гидравлические удары.
Резервуары, в которые собирается конденсат, находятся, как правило, ниже задней стенки котла. Поэтому конденсат приходится перекачивать на уровни, расположенные выше места установки сборных резервуаров. Для решения этой задачи используются конденсатные насосы объемного типа (поршневой) или насосы с электронным управлением.
В насосах объемного типа в качестве рабочего тела обычно используется пар. Альтернативой приводу насоса может стать сжатый воздух от компрессора, но этот вариант чреват ускоренной коррозией из-за аэрации. В данных установках вентилируемый ресивер для конденсата размещают выше насоса, что гарантирует постоянный напор, когда корпус насоса заполняется за счет силы тяжести. С другой стороны, он играет роль резервуара в периоды, когда поршень выдавливает конденсат.
Важными преимуществами насосов объемного типа становятся отсутствие кавитации и способность, если это потребуется, перекачивать конденсат в зону кипения. Кроме того, благодаря отсутствию электродвигателя такие насосы могут работать в условиях высокой влажности и даже при погружении в воду.
Насосы с электронным управлением имеют более объемный ресивер (рис. 5), но могут создать проблемы в тех случаях, когда приходится иметь дело с горячим конденсатом: при высокой температуре он может превращаться в пар. Это явление значительно снижает эффективность агрегата и может привести к повреждению его рабочих колес. Насосы, которые работают с отрицательным напором на всасывающей линии, способны в этих условиях функционировать без поломок.
Поршневые насосы перекачивают конденсат не непрерывно, что должно быть учтено при выборе напорной трубы. Есть хорошее эмпирическое правило: при использовании насоса объемного типа размер напорного трубопровода должен учитывать расход, превышающий номинальный в 3 раза, а для насоса с электронным управлением – в 1,5 раза.
Следует также уделить достаточное внимание снижению противодавления, связанного с трением в трубах. Большое значение имеет и конструкция трубопровода: нужно избегать длинных горизонтальных участков. Наиболее пригодной компоновкой является наличие вертикального подъема сразу же за установкой, с последующим падением за счет силы тяжести обратно к котлу. Длинный горизонтальный участок, следующий за конечным вертикальным подъемом, будет иметь результатом полностью затопленные линии возврата.
Опытный бариста может с легкостью взбить молоко с глянцевой пеной и создать красивый латте-арт в чашке капучино. Но не все зависит от профессионализма бариста, как это кажется на первый взгляд. Разбираемся, какие параметры влияют на взбивание молока и качество пены.
Что такое пена и пузырь
Пена состоит из множества пузырей. Сам пузырь — это газ, удерживаемый пленкой из белков и жиров.
Молочная пена состоит из воды, молочного белка и жира. Белки и жиры могут выстраивать сложные и относительно прочные структуры. Но сами по себе это довольно крупные молекулы, которые делают пену матовой. Поэтому для ее глянцевости нужна вода.
Количество воды в молочной пене зависит от влажности пара, с помощью которого взбивают молоко. На влажность влияет температура пара, количество воды в бойлере, а также насадка на паровике. Об этом расскажем дальше.
Как влажность, температура и давление пара влияет на качество взбиваемого молока
Для приготовления кофейно-молочных напитков молоко взбивают с помощью пара — сильно нагретого влажного воздуха. Температура пара может варьироваться от 110 до 130°C.
На взбивание молока влияет влажность, давление и температура пара. Причем давление и температура находятся в прямой зависимости: изменение одного параметра приводит к изменениям другого. Вот как это происходит:
Высокая влажность пара
- Долго взбивается молоко.
- Глянцевая молочная пена с большим количеством воды.
- Пена быстро оседает.
- Напиток водянистый на вкус.
Низкая влажность пара
- Быстро взбивается молоко.
- Сухая матовая молочная пена.
- Насыщенный вкус напитка.
- Требует большого опыта бариста, чтобы взбить хорошую пену.
Высокое давление пара
- Сухой пар
- Быстро взбивается молоко
- Сухая матовая молочная пена
Низкое давление пара
- Влажный пар
- Медленно взбивается молоко
- Глянцевая молочная пена
Пар, который имеет низкую температуру, называют влажным. Чем ниже температура пара, тем меньше будет его давление в бойлере. Из-за этого молоко будет дольше нагреваться, а пена взбиваться. Но пока молоко будет нагреваться, в него попадет большое количество воды.Однако, если вы работаете на однобойлерной кофемашине с теплообменником , мы не рекомендуем менять температуру воды в бойлере. При ее увеличении будет также расти температура воды для эспрессо, что может негативно сказаться на вкусе. В таком случае лучше регулировать объем воды в бойлере либо менять форсунку на паровике.
Если при взбивании пены в молоко попадает много воды, то и пузырь будет покрыт большим ее количеством. А вода под действием гравитации будет стекать вниз. В итоге чем больше воды будет в молочной пене, тем стремительнее она будет разрушаться.
Пар, который имеет высокую температуру, называют сухим. Если молоко нагревать горячим паром, молоко будет нагреваться и взбиваться гораздо быстрее. За счет этого молоко будет менее разбавленным водой, а кофейно-молочный напиток получится более насыщенным по вкусу. Однако такая скорость требует от бариста большего опыта — только тогда получится идеальная пена.
Если воды будет мало — пена получится сухой и хрупкой. И если лопнет один пузырь, его микрочастицы пробьют стенки соседних пузырей. А из-за того, что в пене было мало воды, пузырю будет нечем восстановить стенки. Это приведет к разрушению большого количества пузырей.
В идеале надо достичь такого баланса, когда вода во взбитом молоке не очень быстро стекает вниз. При этом ее количества достаточно, чтобы компенсировать пробитые стенки в пузырях, если лопнет один.
Также влажностью пара можно управлять с помощью количества воды в бойлере. Чем больше воды в нем будет, тем более влажным будет пар, и наоборот. Но если слишком сильно уменьшить количество воды в бойлере, давление пара будет недостаточным для взбивания молочной пены.
Давление пара напрямую зависит от температуры. Чем выше температура, тем выше будет давление. Эти факторы равноценны и одинаково влияют на качество пены.
Как форсунка влияет на качество молочной пены
Положение форсунки в питчере сильно влияет на качество молочной пены. Разберем два положения.
Когда форсунка расположена близко к стенке питчера, струи пара из нескольких сопел бьют в стенку питчера и создают давление воздуха, чтобы раскрутить воронку внутри. При таком способе взбивания молоко получится глянцевым. Но при вливании в эспрессо сразу же появятся крупные пузыри, которые быстро лопнут.
Когда форсунка расположена чуть дальше от стенки питчера, все сопла форсунки хорошо взаимодействуют с молоком. Пена получается глянцевая, но при этом при вливании молока в эспрессо не появляются пузыри. Поэтому пена дольше сохраняется.
Струи пара не только помогают закрутить воронку в питчере. Также они постоянно разбивают крупные пузыри на мелкие. В первом случае часть пара бьет только в стенку и не разбивает крупные пузыри. Поэтому они остаются большими и быстро лопаются. Во втором случае все сопла взаимодействуют с молоком и разбивают пузыри. Они получаются мелкими и не лопаются так быстро.
Однако нужно не перестараться и закрутить воронку в питчере так, чтобы разбились все большие пузыри, но при этом молоко не вылилось из питчера.
Также на взбивание молока влияет количество и размер сопел в форсунке. Чем меньше сопел, тем медленнее будет вспениваться молоко, потому что точек выхода пара меньше. И наоборот. При этом чем меньше будет диаметр сопла — тем меньше пара будет выходить и молоко будет медленнее нагреваться. Это повлияет лишь на скорость взбивания молока. Однако тонкие струи пара будут лучше разбивать крупные пузыри, поэтому пена будет более качественная.
На какой температуре и давлении пара взбивать молоко, чтобы получить идеальную пену
Существует своеобразный стандарт давления пара — 1,3–1,4 атмосфер. Такое давление достигается примерно при 125°C. Не рекомендуем выходить за этот стандарт без необходимости. Практика подтверждает, что при таких показателях получается наиболее глянцевая пена.
Можно увеличить давление до 1,4–1,45 атмосфер, подняв температуру до 130°C, — если вы редко взбиваете молоко объёмом ниже 170 мл и постоянно работаете с питчером большого объема. За счет повышения давления большой объем молока будет прогреваться быстрее.
Также для получения идеальной пены нужно ориентироваться на напиток, который вы готовите, — капучино, латте или флэт уайт. Например, для флэт уайта необходима самая тонкая пена, поэтому в молоко нужно запустить меньше всего пузырей. Подробнее о различиях мы рассказали в этой статье .
Благодарим Максима Чувашева, бариста кофейни Tasty Coffee, за помощь в подготовке статьи.
Во время работы парового теплообменника насыщенный пар постоянно конденсируется, отдавая тепло и превращаясь в воду (конденсат). Конденсация пара в паровом пространстве всегда происходит при постоянной температуре если давление также постоянно.
Например, насыщенный пар при атмосферном давлении имеет температуру 100ºС , тогда как при избыточном давлении 1 бар температура насыщенного пара равна 120ºС (то есть пар при таком давлении конденсируется при температуре 120ºС). В теплообменниках пар может содержаться и при давлении ниже атмосферного. При давлении на 0,5 бар ниже атмосферного пар имеет температуру около 82ºС, то есть при этой температуре он превращается в конденсат. Связь между давлением и температурой насыщенного пара полностью изучена и отражена в таблицах водяного пара.
Базовая теория теплообмена утверждает, что чем больше разница между температурой пара и температурой нагреваемой среды, тем интенсивнее будет теплоперенос. Для того чтобы изменить количество передаваемой от конденсирующегося пара теплоты, нужно изменить его температуру, а значит, и давление.
Например, если в теплообменнике используется пар при температуре 160ºС при максимальной нагрузке, и нагрузка уменьшается на 50%, то нужно будет, чтобы температура пара уменьшилась. Для этого нужно уменьшить давление пара, которое в таких случаях может стать меньше, чем противодавление.
Пример:
Теплообменник на полной нагрузке использует насыщенный пар давлением 1 бари (120ºС) для нагревания воды с 40ºС до 60ºС. Таким образом, повышение температуры на полной нагрузке соответствует 20ºС и средняя температура воды будет равна:
Средняя температура воды на полной нагрузке = (40ºС+60ºС)/2=50ºС
Разность между температурой пара и средней температурой воды называется средней арифметической разностью температур (САРТ), которая пропорциональна количеству переносимого тепла. САРТ на полной нагрузке в данном примере равна 120ºС - 50ºС = 70ºС.
Рассмотрим ситуацию, когда нагрузка падает до 2/3 от полной нагрузки.
Если нагрузка будет равна 2/3 от полной нагрузки, а температура выходящей из теплообменника воды останется равной 60ºС, значит, повышение температуры будет равно 2/3 от 20ºС.
Таким образом:
При 2/3 нагрузки: повышение температуры = 2/3 от 20ºС = 13,3ºС
Значит, температура на входе = 60ºС – 13,3ºС = 46,7ºС
Следовательно, температура воды на входе в теплообменник повысится до 46,7ºС, поэтому средняя температура воды теперь равна:
Средняя температура воды при 2/3 нагрузки = (47,6ºС+60ºС)/2=53,3ºС
При 2/3 нагрузки количество передаваемого воде тепла должно составлять 2/3 от его количества при полной нагрузке, следовательно, САРТ тоже будет равна 2/3 от САРТ при полной нагрузке, то есть:
САРТ при 2/3 нагрузки = 2/3 х 70ºС = 46,7ºС
Значит, температура пара при 2/3 нагрузки будет равна средней температуре воды при 2/3 нагрузки плюс САРТ при 2/3 нагрузки, то есть:
Температура пара при 2/3 нагрузки = 53,3ºС + 46,7ºС = 100ºС
Поскольку температура насыщенного пара при атмосферном давлении равна 100ºС, давление в паровом пространстве становится равным атмосферному.
Следовательно, в паровом пространстве не будет давления пара, которое могло бы проталкивать конденсат через конденсатоотводчик. Даже если конденсатная линия будет идти к конденсатоотводчику, за которым нет никакого противодавления, конденсат не сможет течь естественным образом. Если не принять специальных мер, он будет скапливаться перед конденсатоотводчиком и затапливать теплообменник.
Если конденсат скапливается в теплообменнике, поверхность теплообмена уменьшается, уменьшается количество передаваемого тепла, и температура воды на выходе из теплообменника начинает падать. Датчик температуры сообщит об этом контроллеру, который, в свою очередь, выдаст регулирующему клапану сигнал на открытие. Клапан откроется, увеличив расход пара и повысив давление пара в паровом пространстве. Давление пара в теплообменнике станет выше атмосферного (в данном случае), и достигнет уровня, достаточного для того, чтобы конденсат начал течь через конденсатоотводчик. Уровень конденсата в теплообменнике упадёт, но давление в паровом пространстве теперь будет выше атмосферного давления, которого в этих условиях достаточно для нагрева воды до 60ºС. Температура воды на выходе начинает повышаться. Это опять будет обнаружено датчиком, и контроллер чуть прикроет регулирующий клапан. Давление в паровом пространстве понизится до атмосферного, и затопление начнётся снова.
В результате температура воды будет циклически колебаться около 60ºС. В некоторых технологических процессах такие колебания абсолютно недопустимы.
Больше интересной информации вы сможете найти на сайте Spirax Sarco в разделе Академия Пара.
Что уж говорить про частные дома, в которых вообще нет возможности подключения к централизованному горячему водоснабжению. В общем, во многих случаях водонагреватель просто необходим для того, чтобы обеспечить людям необходимый уровень комфорта. К счастью, это оборудование становится все более доступным. Но после покупки не всегда получается ему радоваться, ведь иногда возникают различные неполадки, которые весьма озадачивают неопытного хозяина. Например, один из самых часто встречающихся вопросов — почему в бойлере скапливается воздух?
Возможные причины
Воздух может попасть в бойлер несколькими способами. Первый из них довольно прост — это наличие протечки где-то в системе водоснабжения. Конечно, зачастую данная проблема очевидна. Если вы периодически видите лужу на полу в одном и том же месте, это явно говорит о нарушении герметичности соответствующего сегмента трубопровода.
Но бывает и так, что протечка расположена в скрытом месте — например, прохудилось соединение труб, расположенное в полу или в стене. Или же она настолько мала, что вода выделяется буквально по чуть-чуть, но воздух при этом все же успевает попадать внутрь.
В первом случае найти место разгерметизации, конечно, довольно сложно. Именно поэтому рекомендуется еще при монтаже скрытой разводки обустроить возможность доступа к основным узлам. В противном случае, для поиска нужного места вам придется разбирать все это дело.
Что касается второй ситуации — то есть наличия совсем слабой протечки — то найти ее можно с помощью обычной туалетной бумаги. Та хорошо впитывает воду, поэтому будет видна даже малейшая капля. Просто приложите бумагу поочередно к каждому месту соединения элементов и внимательно осматривайте ее после каждого действия.
Если проблема действительно заключается в протечке, то выход очевиден. Ее нужно устранить, избавившись таким образом и от опасности прорыва, и от дальнейшего скопления воздуха в водонагревателе.
Если же причина не в протечке, то это может говорить о неполадках в работе обратного клапана. Этот элемент предназначен для того, чтобы уже нагревшаяся в бойлере вода шла строго по нужному маршруту. В противном случае она пойдет в общий стояк, тем самым провоцируя образование в бойлере большого количества воздуха.
Как правило, обратный клапан входит в комплектацию водонагревателя. Но в дешевых моделях зачастую используются не самые качественные элементы. Поэтому клапан может выйти из строя. Решение проблемы одно — замена элемента.
Третья причина наличия воздуха в водонагревателе предельно проста — вы только что установили бойлер. Естественно, поначалу бак заполнен воздухом, а не водой. Чтобы избежать проблем при дальнейшем использовании оборудования, его нужно правильно запустить. Делается это в определенной последовательности.
Как вы понимаете, если в бойлере есть воздух, нужно не только его выгнать, но и устранить причину данного явления. Только в этом случае водонагреватель будет приносить вам настоящий комфорт, служить долго и качественно. Успехов!
Читайте также: