Ю.С. КУЛАКОВ,
Н.В. СИТОСЕНКО, инженер – теплофизик

Пар — для чего он нужен?

Пар как теплоноситель

Наиболее часто пар используется в качестве теплоносителя. Вызвано это тем, что процесс фазового перехода «вода–пар» требует очень большого количества энергии. Соответственно, и обратный процесс — конденсация — протекает с выделением большого количества энергии. Таким образом, пар очень удобно использовать для отопления помещений, нагрева различного рода сред, химических реакторов, процессов варки и т. п.

Вот некоторые наиболее характерные примеры применения пара: паровые рубашки автоклавов и реакторов, разогрев«смерзающихся» материалов, теплообменники, отопительные системы и т. п.

В других случаях нужен непосредственный контакт пара с разогреваемой средой. Это может быть необходимо при пропарке бетонных изделий, продукции легкой промышленности, при использовании пара в качестве греющей среды в особого рода теплообменниках.

Пар используется не только как необходимый агент в различных технологических процессах. Часто потребность в нем возникает сезонно. Известно, что при понижении температуры многие вязкие среды, например, мазут, масло, патока, различные химические вещества настолько теряют свойство текучести, что их перемещение и транспортировка практически не осуществимы. Паровой разогрев емкостей и трубопроводов признан самым оптимальным способом разрешения подобных проблем.

Пар как увлажнитель
При непосредственном контакте пар весьма эффективен в качестве «увлажнителя». Он применяется для пропарки древесины, комбикорма, изделий легкой промышленности, в различных технологических процессах, требующих одновременно нагрева и увлажнения.

Насыщенный водяной пар используется в следующих случаях:

• в строительной отрасли и коммунальном хозяйстве — для предотвращения смерзания в бункерах инертных веществ (например, песка или гравия), разогрева вязких сред — масла, мазута;

• в производстве железобетонных изделий, фанеры;

• в кондитерском, консервном и ином пищевом производстве;

• в химической и парфюмерной промышленности;

• в деревообрабатывающих производствах;

• для стерилизации и дезинфекции, например, стеклянных бутылок при производстве пива;

• в сельскохозяйственном производстве.

Пар и парообразование, какой бывает пар и его параметры

    Парообразование — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. От парообразования следует отличать кипение и испарение.
    Испарение — парообразование, которое происходит только с поверхности жидкости. С повышением температуры жидкости интенсивность испарения возрастает.
    Кипение — процесс превращения жидкости в пар, который происходит не только с поверхности жидкости, но и внутри нее, т. е. это процесс парообразования во всему объему жидкости. Кипение происходит при определенной температуре, зависящей от рода жидкости и давления. Процесс кипения осуществляется посредством подвода к жидкости теплоты при неизменном давлении.
    Конденсация — процесс, обратный парообразованию. Это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое. Процесс конденсации происходит при отводе от пара теплоты при неизменном давлении. Конденсация, так же как и процесс кипения, происходит при постоянной температуре.
    При парообразовании в неограниченном объеме вся жидкость может превратиться в пар. Если процесс парообразования происходит в закрытой емкости, то между процессами парообразования и конденсации может наступить равновесие. Пар в таком состоянии принимает максимальную плотность приданной температуре и давлении и называется насыщенным.
    Таким образом, насыщенный пар — это пар, находящийся в равновесном состоянии с жидкостью, из которой он получается. При изменении температуры жидкости равновесие нарушается, что приводит к соответствующему изменению плотности и давления насыщенного пара.
    При испарении всей жидкости получается сухой насыщенный пар, не содержащий частиц жидкой фазы.
    Влажный насыщенный пар — насыщенный пар, который содержит мельчайшие капельки жидкости.
    Отношение массы сухого насыщенного пара, содержащегося во влажном паре, к общей массе влажного насыщенного пара называется степенью сухости пара (паросодержанием) т. е. степень сухости определяет долю сухого насыщенного пара во влажном паре.

Массовая доля жидкости во влажном паре называется степенью влажности пара.

Если к сухому насыщенному пару подводить тепло, то температура его будет возрастать, в результате чего получится перегретый пар.

Разность между температурой tп перегретого пара и температурой tс сухого насыщенного пара называется степенью перегрева. Перегретый пар является ненасыщенным. При данном давлении его плотность меньше плотности сухого насыщенного пара, а удельный объем — больше. Чем выше степень перегрева, тем больше перегретый пар по своим свойствам приближается к идеальному газу.

Для перегрева пара чаще всего используют специальные устройства —пароперегреватели, которые могут быть как электрическими, так и иного принципа действия.

Давление пара в парогенераторе напрямую зависит от его температуры и наоборот: p = f(t). В таблице приведены не которые характерные соотношения.

Напомним, что давление газа (и пара, соответственно) может быть абсолютным — отсчитываемым от нуля(полного вакуума), и избыточным —равным разности между абсолютными атмосферным давлением. В случае применения единицы измерения давления «атм» (технической или физической) соотношение абсолютного и относительного давления выглядит примерно так: рабс = ризб + 1.

Возможные источники пара для вашего производства

«Чужой» пар — пар от паровых котлов централизованных котельных установок, собственных котельных предприятия арендодателя.

Часто встречается ситуация, когда собственник монополист некогда общей для всего предприятия котельной диктует «драконовские» условия отпуска пара «независимому» потребителю. При том, что качество такого пара чаще всего не подконтрольно потребителю.

Основные претензии арендаторов к пару, предоставляемому арендодателем:

• перебои подачи пара;

• несоответствие параметров пара требуемым (давление, температура, влажность, степень загрязнения и т. п.);

• невозможность объективного контроля потребителем количества пара, полученного от котельной;

• частые случаи «списания» на арендатора различного рода утечек пара и иных проблем котельной.

«Свой» пар — пар, получаемый с использованием относительно маломощных парогенераторов, устанавливаемых непосредственно вблизи потребителя.

Парогенераторы используют в качестве топлива не только традиционные газ, дизельное и твердое топлива, мазут. Весьма распространены электропарогенераторы.

Использование «своего» пара, несмотря на очевидное отсутствие недостатков «чужого», имеет ряд особенностей:

• парогенератор необходимо установить и подключить к коммуникациям;

• процесс производства пара, независимо от способа и оборудования, —весьма энергоемкий процесс.

Парогенераторы и паровые котлы — есть ли разница?

Четкого разделения агрегатов, производящих пар, на парогенераторы и паровые котлы, нет. Понятие «парогенератор» используется в следующих случаях:

• агрегат не имеет собственной топки или иного источника энергии и использует для превращения воды в пар «стороннюю» энергию. Например, теплоноситель из контура атомного реактора или газообразные продукты сгорания сжигаемого в топке топлива;

• агрегат использует электроэнергию для превращения воды в пар (электропарогенератор);

• паропроизводительность агрегата не превышает 1000 кг/час;

• процесс производства пара из воды проистекает в «змеевике», а не в экранных трубах и «барабане»,как это происходит в традиционном паровом котле.

Несмотря на это, в названиях многих отечественных парогенераторов фигурирует понятие «паровой котел».

Какой выбрать парогенератор?

Выбирая какую-то конкретную модель парогенератора среди аналогов со сходными техническими характеристиками, необходимо отталкиваться от каких-либо характерных особенностей. Такими особенностями, или потребительскими характеристиками, можно считать следующие:

• дополнительные возможности регулировки выходных параметров пара: давления, влажности, расхода пара; а также возможность регулирования потребляемой мощности в соответствии с текущими потребностями;

• наличие в конструкции парогенератора всех необходимых для его полноценной работы элементов, комплектующих;

• степень автоматизации процесса выработки пара, возможности аварийной сигнализации и т. п.;

• ремонтопригодность парогенератора, популярность и, как следствие, степень развития рынка запчастей и комплектующих к данной модели;

• современный внешний вид, удобство эксплуатации, доступность элементов регулировки процесса производства пара, отсутствие травмоопасных элементов конструкции.

Регистрация парогенераторов в органах Госгортехнадзора

Данный вопрос чаще всего упускается из виду потребителем и опускается поставщиком. Следует отметить, что большой спектр энергетического оборудования, связанного с выработкой и потреблением пара, требует при вводе в эксплуатацию регистрации в органах Госгортехнадзора. Все паровые котлы паропроизводительностью более 1000 кг пара в час за редким исключением подлежатобязательной регистрации.

Что касается электропарогенераторов, необходимость их регистрации определяется Госгортехнадзором по специальной формуле1:

 ,

где V — объем камеры парообразования за вычетом объема греющих элементов (ТЭНов или электродов), м3; tраб — предполагаемая максимальная рабочая температура внутри камеры парообразования, °С.

В случае выполнения данного условия электропарогенератор в регистрации не нуждается (по данным, полученным из телефонного разговора с представителем Госгортехнадзора, уже в ближайшее время порядок регистрации электропарогенераторов может измениться, какие именно изменения произойдут в нормативной базе, пока не разглашается).

Электропарогенераторы — принципиальные конструктивные различия

Основное конструктивное различие электропарогенераторов — в методе, которым электроэнергия преобразуется в тепловую.

Основные методы перевода электроэнергии в тепловую энергию пара:

1.ТЭНовый нагрев — самый распространенный, наглядный и не требующий дополнительных пояснений. Вода греется несколькими ТЭНами различной мощности.

2. Электродный нагрев. Вода — проводник электроэнергии. Подводя к ней с помощью электродов напряжение, мы заставляем протекать электрический ток непосредственно через воду. Джоулево тепло, выделяющееся при прохождении электротока через любой проводник(в данном случае это вода), нагревает его. Вопреки бытующему мнению, данный способ нагрева воды не опасен для людей в случае выполнения ими инструкции по эксплуатации.

3. Индукционный нагрев — нагрев воды с помощью высокочастотного излучателя. Данный способ аналогичен тому, как кипятится вода в обычной печи СВЧ.

Особенности электродного, ТЭНового, индукционного нагрева

ТЭНовый нагрев

Положительные моменты:

• «рубашка» ТЭНа слабо растворяется в нагреваемой воде и паре, не загрязняет пар продуктами окисления металла, что особенно важно припредполагаемом контакте пара с пищевыми или особо чистыми продуктами;

• при использовании ТЭНа электропроводность нагреваемой воды не играет особой роли.

Отрицательные моменты:

• «рубашка» ТЭНа имеет весьма высокую температуру, что вызывает интенсивное отложение солей жесткости на его поверхности (образуется накипь). Накипь снижает теплоотдачу с поверхности ТЭНа, что вызывает стремительный рост температуры внутри него и со временем приводит к выходу ТЭНа из строя. Избежать этого можно только используя глубоко умягченную подпиточную воду, что значительно удорожает стоимость процесса;

• мощность ТЭНового парогенератора может регулироваться только лишь включением или выключением ТЭНа целиком, т. е. ступенчато.

Электродный нагрев

Положительные моменты:

• температура поверхности электрода практически равна температуре самой воды. Это существенно снижает скорость отложения солей жесткости на поверхности электродов;

• электроды, будучи «кусками металла», не могут «сгорать», что делает их существенно долговечнее ТЭНована логичной мощности;

• используя электроды можно добиться плавной регулировки мощности парогенератора путем изменения площади соприкосновения электрода с нагреваемой водой;

• электродная группа существенно компактнее ТЭНовой группы аналогичной мощности;

• значительно меньшая стоимость по сравнению с ТЭНовыми парогенераторами.

Отрицательные моменты:

• постепенное растворение электродов в процессе эксплуатации. Это может играть определенную роль в случае контактов пара с пищевыми продуктами или с особо чистыми средами.

Индукционный нагрев

Основным положительным моментом использования индукционного нагрева является отсутствие всякого контакта воды и пара с нагревательным устройством, что позволяет получить особо чистый «медицинский» пар.

Отрицательным моментом, перевешивающим пока все положительные, является высокая стоимость самого парогенератора и высокая себестоимость получаемого с его помощью пара.

1 Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов ПБ 100592. Согласно «Правилам устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов ПБ 1057403», на котлы с электрическим обогревом данные правила не распространяются. Парогенератор ЭП60 М1