Instalaii industriale bazate pe transferul de căldură şi masă
Instalaii de degazare (degazoare) Instalaii de uscare Turnuri de răcire
DEGAZOARE
procesul de îndepărtare a unui gaz (sau a mai multor gaze) dintr-un lichid, dintr-un spaiu închis sau de pe o suprafaă solidă. Degazarea =
Degazoarele = instalaii termotehnice sau termochimice cu ajutorul c ărora se elimină unul sau mai multe gaze dizolvate, fie în scopul purificării lichidului, fie pentru a capta gazele respective şi a le utiliza în alte instala ins talaii. Degazarea apei presupune eliminarea gazelor din apa de alimentare folosită în toate instalaiile industriale (reele termice, centrale termo şi nuclearelectrice, instalaii din industria chimică etc.).
Gazele cele mai periculoase: O2 (coroziv) şi CO2 (pH ↓)
Prescripiile de tratare a apei de alimentare a generatoarelor de abur (O2): 0,02 mg/l pentru generatoarele de abur de înaltă presiune; 0,1 mg/l pentru generatoarele de medie şi joasă presiune.
Degazarea lichidelor se poate realiza: pe cale termică; pe cale chimică.
Solubilitatea gazelor în ap ă =f(p, T) Apa → fierbere la presiunea respectivă prin încălzire sau expandare → două procedee: degazarea prin fierbere şi degazarea prin expandare. Degazoarele termice funcionează pe baza proprietăii gazelor de a părăsi lichidul în care sunt dizolvate, în momentul când presiunea lor parială din soluie la temperatura acesteia este mai mare decât presiunea parială a gazului respectiv, aflat în amestecul de deasupra oglinzii lichidului.
INSTALAII DE DEGAZARE TERMIC Ă Degazoarele termice = schimbătoare de căldură prin amestec, în care apa este încălzită până la temperatura de saturaie cu ajutorul aburului prelevat de la prizele
unei turbine sau dintr-un proces termic. Procesul de transfer termic între abur şi apă este însoit de un proces de schimb de masă, datorat diferenei de concentraie a O2 şi CO2 dintre apă şi abur. În timpul degazării se produce o desorbie a gazelor din masa lichidului şi îndepărtarea lor, pentru a împiedica o nouă absorbie. Clasificare
1) după presiunea de lucru: - degazoare sub vid; - degazoare atmosferice; - degazoare cu suprapresiune. 2) după regimul de lucru: - degazoare cu presiune constantă; - degazoare cu presiune variabilă alunecătoare. 3) după modul de repartizare şi de curgere a apei: - degazoare cu jet de apă curgând în şuvie; - degazoare cu peliculă; - degazoare cu pulverizare - degazoare combinate din tipurile de mai sus. 4) după modul de realizare a degază rii rii: - degazoare cu o treaptă de degazare; - degazoare cu două trepte de degazare (cu barbotare). Eliminarea gazelor prin difuzie se uşurează prin creşterea suprafeei de contact între apă şi abur: prin pulverizarea apei în particule mici (degazoare de tip STORK); prin crearea de şuvie (degazoare cu talere sau site); prin crearea unei pelicule (degazoare cu evi concentrice, cu table ondulate, cu umplutură).
Tipuri constructive
Degazorul cu jet de apă stropită, curgând în şuvie (Degazorul cu şuvie şi site); Degazorul cu peliculă; Degazor cu pulverizare
Degazorul cu jet de apă stropită, curgând în şuvie (Degazorul cu şuvie şi site)
3
gaze + abur necondensat 7
1
1
apă
apă 4 5 6 2 abur apă degazată 8
1 – racord intrare apă; 2 – racord intrare abur; 3 – racord evacuare gaze + abur; 4 – manta; 5 – talere (site); 6 – sistem de distribuie abur; 7 – sistem de distribuie apă; 8 – rezervorul de apă degazată.
Degazorul cu peliculă
1 2
apă gaze + abur necondensat 6 7 3 5 9 abur 4
8 1 – racord intrare apă; 2 – ajutaj convergent; 3 – rozetă împrăştiere; 4 – racord intrare abur; 5 – cilindri aşezai concentric; 6 – racord evacuare gaze + abur necondensat; 7 – tablă deflectoare; 8 – rezervorul de apă degazată; 9 – dispozitiv de susinere.
Degazor cu cameră de pulverizare şi instalaie de fierbere suplimentară (ATLAS)
5
1
C. Degazorul cu pulverizare
aerisire
1 – eşapări – ieşire superioară; 2 – ieşire inferioară eşapări; 3 – instalaie de fierbere suplimentară; 4 – evi de distribuie a aburului; 5 – cameră de pulverizare.
apă
abur 3
2
4
spre PA Degazor cu cameră de pulverizare (ATLAS)
Calculul degazoarelor termice
dimensionarea suprafeei de contact dintre apă şi abur; determinarea modului de realizare a acestei suprafee în şuvie sau în peliculă.
Prin contactul cu apa, aburul transmite acesteia fluxul termic Q, după care cea mai mare parte din abur condensează, amestecându-se cu restul apei. Acest flux termic este necesar apei pentru aşi ridica temperatura de la T1 (la intrare) la T2 (la ieşire). & a ⋅ c p , a ⋅ (T 2 − T Q=m 1 ) + Q p
[W]
Debitul de gaze care urmează a fi desorbit se calculează cu formula: [kg/s]
&g =m & a ⋅ ( x1 − x2 ) m
unde: x1 , x2 reprezintă fracia molară iniială şi finală a gazului;
Debitul de abur care trebuie să circule prin degazor se determină cu relaia: & ab = m
& a ⋅ (i2 − i1 ) m & ev +m iab − i1
[kg/s],
În general, m& ev = 1,5 ... 5 kg / tona de ap ă degazată. Suprafaa de transfer de căldură se determină cu relaia: T & m c T T ( ) ⋅ ⋅ − Q 2 1 a p , a [m2] S= = α ⋅ ∆T med
α ⋅ ∆T med
α ∈ (13000K17000)
∆T med =
∆Tmin
2
[W/(m .K)]
∆T max − ∆T min T 2 − T 1 = ∆T T − T ln max ln S 1 ∆T min T S − T 2
Ts T2
∆Tmax
[K] T1 S
Diferena (T S − T 2 ) se alege între 0,25 şi 1°C şi anume, limita inferioară pentru apa de alimentare a generatoarelor de abur de înaltă presiune, iar limita superioară pentru apa de adaos în reelele de termoficare care sunt mai puin pretenioase la degazare.
Relaia de calcul a suprafeei de contact: S=
& a ⋅ c p , a m
α
⋅ ln
T S − T 1 T S − T 2
[m2].
Degazorul cu şuvie
Curgerea în curent încrucişat:
Curgerea în echicurent:
T − T l lg S 1 = A 0,7 T S − T 2 d
l = 0,0586 ⋅ lg T S − T 2 d T S − T 1
w ⋅ n wo
0,3
0 ,5
⋅ w00, 3
unde: A este un coeficient care depinde de presiunea din degazor; d – diametrul găurilor din taler, în m; l – lungimea şuvielor, în m; w0 - viteza medie de scurgere a apei din găurile talerului, în m/s; wn - viteza medie a aburului prin fasciculul de şuvie, în m/s. Se recomandă w0 = 0,4 ... 1,2 m/s.
Viteza medie de scurgere a apei se determină cu formula: w0 = µ
2 gh
[m/s]
în care µ este coeficientul de îngustare a şuviei (se recomandă µ=0,65); h – nivelul apei pe taler, în m.
Suprafaa unei şuvie se determină cu formula: s = 4,2d ⋅ h ⋅
(1 + l / h )3 / 4 − 1 [m2]
Suprafaa de contact dintre apă şi abur, la nivelul unui taler, St este: [m2]
St = n ⋅ s
unde: n este numărul de găuri în taler.
Suprafaa totală de contact, S devine: [m2]
S = z ⋅ St
în care z este numărul de talere (site) din coloană.
Numărul găurilor din sită trebuie să asigure curgerea prin ele a debitului de apă & a , el calculându-se cu una din relaiile: m n=
&a m
27900 ⋅ d 2 ⋅
h
sau n =
& a ⋅ va m
0,75 ⋅ d 2 ⋅ w0
=
& a ⋅ va m
3,4775 ⋅ d 2 ⋅ µ ⋅
h
.
Debitul de apă care trece printr-o gaură a talerului, m& a , g se determină astfel: & a , g = 27900 ⋅ d 2 ⋅ h m
sau m& a, g = 3,4775 ⋅ ρ a ⋅ d 2 ⋅ µ ⋅ h [kg/s],
unde: va este volumul specific al apei, în [m3 /kg]; kg/m3.
ρ a -
(3.21)
densitatea apei, în
Recomandări:
d = 5..8 mm;
Pentru găuri de 5...8 mm şi grosimea talerului de 4–6 mm, se recomandă un coeficient de îngustare µ = 0,65; Nivelul apei pe taler, h = 0,06...0,08 m, cu condiia să nu depăşească valoarea de 0,1 m la sarcina maximă şi să nu scadă sub 0,01 m la sarcina minimă;
Pentru lungimea şuvielor, l = 0,4...0,6 m (max. 0,8...0,9 m);
Viteza aburului nu trebuie să depăşească 15 m/s.
Degazorul cu peliculă
Pentru degazoarele cu peliculă, suprafaa de contact dintre apă şi abur este egală cu dublul suprafeei corpurilor pe care se formează pelicula. Aceste corpuri pot fi table cilindrice sau evi. Distana dintre table sau evi se ia de 20-30 mm,iar înălimea lor de 500-1000 mm.
Suprafaa apei care curge în peliculă pe evile concentrice şi pe mantaua interioară se determină cu relaia: 2
S c = 2 ⋅ π ⋅ h ⋅ (n − 0,5) ⋅ d + (n − 1) ⋅ s
[m2]
unde: d este diametrul evii interioare, în m; h – înălimea evilor, în m; s – distana dintre evi, în m; n – numărul evilor.
Diametrul interior al mantalei degazorului se determină cu formula: Di = d + 2 ⋅ s ⋅ (n − 1)
[m]
Se recomandă ca viteza aburului să nu depăşească 25 m/s. Repartizarea apei în degazorul cu peliculă se face cu ajutorul sitelor sau al ajutajelor prevăzute cu rozete. Diametrul ajutajului se calculează cu relaia: d a = 0,16
& a2 100 ⋅m 4
p
[m]
în care p [Pa] este presiunea disponibilă la ajutaj ( p=20000...60000 Pa).
Exploatarea degazoarelor termice
Exploatarea sigură a degazoarelor termice este realizabilă numai printr-o reglare automată a debitului de abur care intră în degazor, pentru meninerea constantă a presiunii sau temperaturii din degazor şi a nivelului apei în rezervorul de acumulare. În cazul unei reglări manuale este practic imposibil să se evite oscilaiile temperaturii apei, ale presiunii şi ale nivelului. Reglarea manuală favorizează şi pătrunderea periodică de oxigen în apa de alimentare. Regulatorul de presiune menine constantă presiunea în degazor, independent de sarcina lui termică şi hidraulică. Prin aceasta se asigură un regim constant pentru degazare. Regulatorul trebuie să aibă o mare sensibilitate la variaiile de presiune (± 0,01 – 0,02 bar). Regulatorul automat de presiune devine absolut necesar în cazul când alimentarea cu abur a degazorului se face de la o priză de abur nereglabilă a turbinei, unde presiunea depinde de sarcina turbinei. Dacă priza turbinei este reglabilă, ac iunea principală de reglare va fi dirijată în acest loc. Regulatorul de temperatură se utilizează relativ rar în cazul degazoarelor. În cazul ând există, aciunea lui se exercită tot asupra supapei care comandă intrarea aburului în degazor. Regulatorul de temperatură are însă o inerie mai mare, aşa că se preferă regulatorul de presiune, care este mult mai sensibil. Regulatoarele de nivel se construiesc de obicei, cu flotor, care comandă supapa de pe conducta de intrare a apei de degazat. Dacă se măreşte debitul de ap ă care trece prin degazor peste cel nominal, apa va depăşi marginea cutiilor cu site şi se va revărsa sub formă de vâne groase, care oferă suprafaă prea mică de contact cu aburul. Din timp în timp este necesar să se scoată degazorul din funciune, pentru a se verifica starea dispozitivului de distribuie a apei, a sitelor şi a dispozitivului de intrare a aburului. Găurile sitelor se pot astupa cu n ămol sau cu piatră. Dacă este vorba de gaze agresive, cum este totdeauna oxigenul în amestec cu vaporii de apă, se pot produce coroziuni în interiorul degazorului. Pentru a proteja de coroziuni dispozitivele din interiorul degazorului şi mantaua sa, acestea se confecionează din oel inoxidabil. Controlul coninutului de oxigen din apa degazată se face cu aparate chimice sau electrice deosebit de sensibile, având în vedere coninutul foarte mic de oxigen existent în mod normal în apa degazată.
Degazare chimică a apei
Prin degazarea chimică se elimină O2 şi eventual CO2. Ea se aplică pentru eliminarea restului de O2 din apa degazată termic, în instalaiile cu presiuni mari ale aburului sau în cele cu presiuni mici, acolo unde nu este posibilă degazarea termică. Pentru degazarea chimică a apei se pot folosi dou ă procedee:
introducerea în apa de alimentare a generatoarelor de abur sau a reelelor termice a unui reactiv chimic, care combină oxigenul în compuşi stabili, f ără aciune corozivă; trecerea apei peste un filtru, care prin aciune chimică reine oxigenul şi dioxidul de carbon (cum ar fi aşchiile de oel).
Reactivi chimici:
sulfitul (Na2SO3) sau bisulfitul de sodiu (NaHSO3); acidul sulfuros (H2SO3); hidroxidul feros (Fe (OH)2); hidratul de hidrazină (N2H5OH); sulfatul de hidrazină ((N2H5)2SO4); fosfatul de hidrazină ((N2H5)2HPO4); schimbători de ioni.
Reactivii se introduc în apă în mod continuu şi automat în conducta de alimentare a pompelor (după degazor), proporional cu debitul de apă şi cu coninutul de oxigen. Hidratul de hidrazină – se dozează ca soluie diluată 1 – 2 %, din vase închise,
legate cu atmosfera printr-un capilar. N 2 H 4 + O2 → N 2 + 2 H 2 O
Hidrazina protejează împotriva coroziunii provocate de oxigen, generatoarele de joasă presiune, alimentate cu apă nedegazată, la o concentraie de 20 ... 30 mg/l oxigen în apa de alimentare. La CTE se foloseşte hidratul de hidrazina în scopul completării degazării termice, fiind introdusă în mod continuu în aspiraia pompelor de alimentare cu ajutorul unor dozatoare.
