Принципы работы

Термодинамические свойства пара делают его превосходной средой для передачи тепла к автоклавам и технологическим процессам тепловой стерилизации. В тех случаях, когда пар используется для тепловой стерилизации, в качестве источника тепла используется паровой котел. Котел вырабатывает пар, который подается к автоклавам по соответствующим системам трубопроводов. Существует несколько систем трубопроводов, самая простая из которых — однотрубная. Эта система будет использована для описания принципов работы систем парового теплоснабжения.

Основы парового отопления

Перед вводом в эксплуатацию система заполняется водой до уровня водяного трубопровода котла. Уровень воды в котле и вертикальном ответвлении обратного трубопровода должен быть одинаковым до начала работы котла на пару. Паровое пространство котла и системы будет заполнено воздухом, и при нагревании воды из котла будет удаляться дополнительный объем воздуха. Этот воздух препятствует поступлению пара к теплообменникам. На каждом теплообменнике и на конце подводящей магистрали установлены термостатические воздухоотводящие клапаны, позволяющие воздуху удаляться паром по мере заполнения системы. Эти вентиляционные отверстия обычно открыты и закрываются по мере поступления горячего пара. Пар поступает к теплообменникам и конденсируется, отдавая свое тепло автоклавам, для которых они установлены. Этот конденсат возвращается в магистраль по той же трубе, по которой подается пар к теплообменникам.

В описываемой системе пар и накопленный конденсат движутся в одном направлении вниз по подающей магистрали до ее конца. Здесь они стекают в вертикальный отвод обратной магистрали. Точка наибольшего давления в паровой системе находится в котле, где вырабатывается пар. Давление в теплообменниках системы имеет тенденцию к снижению по мере конденсации содержащегося в них пара. Именно этот перепад давления приводит к тому, что пар поступает из котла в теплообменники. Пар будет проходить через систему со скоростью, зависящей от перепада давления, существующего между котлом и концом паропровода. Эта разность давлений будет использоваться для преодоления трения пара, движущегося по трубопроводу.

Это называется перепадом давления в системе. Конденсат, поступающий по обратному трубопроводу в котел, также сталкивается с перепадом давления в трубопроводе, и для перемещения этой жидкости требуется энергия. Энергия, необходимая для преодоления этих перепадов давления, обеспечивается давлением пара, создаваемым котлом. Давление в паровом отсеке будет выше, чем в конце паропровода, на величину, равную общему перепаду давления в системе. На рисунке показано, как это влияет на относительный уровень воды в котле и на вертикальном участке обратного трубопровода системы.

Более высокое давление в бойлере приводит к подъему воды в этой трубе, которая подвергается воздействию более низкого давления, существующего в конце системы. Водяной столб будет подниматься до тех пор, пока его вес не компенсирует существующую разницу давлений между этими двумя точками. Как показано на чертеже, напор, обеспечиваемый высотой этой колонны, складывается из перепада давления в паровой системе и статического напора, необходимого для преодоления перепада давления в линии возврата конденсата.

При проектировании паровых систем были приняты стандартные правила, согласно которым перепаду давления в системе присваиваются определенные практические значения. Они позволяют установить минимальные значения для размера “А”, как показано на чертеже системы. Этот размер отражает высоту конца трубопровода подачи пара над линией подачи воды в котел. Эта высота включает в себя общий перепад давления в системе, а также коэффициент запаса прочности, гарантирующий отсутствие затопления системы подачи пара.

Определения и термины

Компоненты, входящие в состав системы парового отопления, обозначаются определенными четко определенными терминами.

Паровой котел – Паровые котлы изготавливаются из стали или чугуна. На рисунке показан паровой котел, оснащенный необходимой отделкой. Для визуального контроля уровня воды в котле предусмотрено смотровое стекло. Предохранительный клапан защищает котел от повреждения в случае возникновения избыточного давления.

Горелка приводится в действие регулятором давления, который размыкает контакты при заданном давлении. Устройство отключения низкого уровня воды, подключенное последовательно к регулятору горелки, отключает горелку, если уровень воды в котле падает до заданного значения. Паровые отопительные котлы, как правило, относятся к типу котлов низкого давления с максимальным рабочим давлением. Также общепринятой практикой является оценка паровых котлов с точки зрения количества излучения, которое они будут потреблять.

Коллекторные котлы, в зависимости от их размера, имеют один или несколько выходных патрубков. Вертикальный паропровод, идущий от выпускного патрубка, соединяется с горизонтальной трубой, называемой “коллектором”. К этому коллектору подсоединяются магистрали подачи пара.

Магистраль подачи пара – магистраль подачи пара подает пар из коллектора к теплообменникам, подключенным по всей ее длине. В случае однотрубных систем она также отводит конденсат из этих агрегатов обратно в капельный патрубок. Когда поток конденсата в подающей магистрали направлен в том же направлении, что и поток пара, как показано на рисунке, система называется системой с параллельным потоком.

Стояки – Вертикальная труба, по которой пар поступает к теплообменникам от подводящей магистрали, называется стояком. В случае однотрубной системы на рисунке стояк также отводит конденсат из теплообменника обратно в подводящую магистраль. В однотрубных системах горизонтальные отводы, соединяющие магистраль со стояком, должны быть подведены к теплообменникам, чтобы обеспечить возможность отвода воды.

Капельные соединения – В тех случаях, когда по трубопроводу проходит как пар, так и конденсат, часто желательно отводить конденсат в различных местах для ускорения подачи пара. Конденсат отводится в обратную линию с помощью соединения, называемого “капельным”. Например, на рисунке магистраль подачи пара подается в систему сухого возврата, которая, в свою очередь, подается в систему мокрого возврата.

Система сухого возврата – это та часть системы обратного потока, которая расположена выше уровня воды в котле.

Мокрый возврат – мокрый возврат — это та часть магистрали возврата, которая расположена ниже уровня воды в котле. Она всегда полностью заполнена водой и не пропускает воздух или пар, в отличие от сухого возврата.

Вентиляционные отверстия – пар не может циркулировать, или радиаторы нагреваются до тех пор, пока из системы не будет удален воздух. Вентиляционные отверстия с термостатом, некоторые из которых показаны на рисунке, должны быть установлены на каждом радиаторе и на конце каждого паропровода.

Клапаны теплообменников – Подача пара в теплообменники системы регулируется регулирующим клапаном. Каждый теплообменник должен быть оснащен регулирующим клапаном подачи пара с угловым расположением.

Термины, обсуждаемые в этом разделе, необходимы для понимания работы простых однотрубных систем парового отопления. Эти термины будут подробно описаны ниже.

Типы паровых систем

Трубопроводы парового отопления классифицируются по способу подачи пара и конденсата. В однотрубных системах используются общие трубопроводы для обоих типов систем. В двухтрубных системах используются отдельные трубопроводы для пара и конденсата. У каждого из этих типов систем есть свои варианты, которые будут описаны в этом разделе.

Однотрубные системы

Только что рассмотренные однотрубные системы, которые возвращают конденсат непосредственно в котел, называются системами самотечного возврата. Если высота котла недостаточна для поддержания заданного минимального размера “А”, необходимо предусмотреть механические средства для возврата конденсата. В последнем случае для этой цели используется конденсатный насос. Важным фактором в работе однотрубных систем является расстояние между трубопроводами подачи пара и сухого возврата. Они должны быть расположены с шагом не менее одного дюйма на расстоянии 20 футов в направлении потока конденсата. Для возврата во влажном состоянии подача не требуется. В следующих примерах описаны различные типы однотрубных систем.

Система противотока

Конденсат течет в направлении, противоположном направлению пара. Из-за этого магистраль должна иметь уклон вверх и в сторону от котла не менее одного дюйма на каждые 10 футов. Паропровод должен быть на один размер больше, чем тот, который использовался бы для других типов однотрубных систем. Высота “А’ должна быть достаточной для возврата конденсата в котел, как обсуждалось ранее. Использование этого типа систем обычно ограничивается небольшими жилыми помещениями.

Система с параллельным потоком

Пар и конденсат стекают в одном направлении по горизонтальной магистрали подачи пара и обратному трубопроводу. На рисунке показана эта система с мокрым обратным трубопроводом с конца магистрали подачи пара, а на рисунке — с сухим обратным трубопроводом с этой точки. В любом случае размер “А” должен быть достаточным для обеспечения возврата конденсата самотеком. Эта система используется в больших одноуровневых зданиях.

Система параллельной подачи конденсата вверх

Этот тип систем устанавливается в многоэтажных зданиях. Пар подается вверх по магистрали, расположенной в подвале. Эта магистраль выходит из котла вниз, и с ее конца стекает вода в систему обратной подачи.

Система подачи пара параллельным потоком вниз

Когда однотрубная распределительная магистраль проходит над головой, например, на потолке или чердаке, она называется системой с нисходящей подачей. По стоякам с нисходящей подачей пар и конденсат текут в одном направлении. Для обеспечения хорошего отвода конденсата все стояки подачи воды должны быть удалены от нижней части приточной магистрали. Главный вентиляционный канал может быть установлен в конце приточной магистрали или на стояках подачи воды под первым этажом в качестве дополнительного места. При установке на стояках вентиляционные отверстия должны быть установлены таким образом, чтобы размер ‘А” был достаточным для предотвращения попадания в них воды. Эти вентиляционные отверстия снабжены встроенными поплавками, которые перекроют вентиляционное отверстие в случае попадания в него воды.

Механические системы возврата конденсата

При недостаточной высоте для поддержания размера ‘А” на должном уровне необходимо использовать конденсатный насос. Это устройство состоит из открытого атмосферному воздуху резервуара, в который по обратному трубопроводу отводится конденсат. Центробежный насос также является частью этого устройства. Этот насос отводит конденсат из ресивера в котел. Поплавковый выключатель в ресивере включает насос для возврата воды в котел по мере ее накопления.

На рисунке показан конденсатный насос во время рабочего цикла. Поплавок привел в действие переключатель насоса, и насос сбрасывает конденсат в котел через обратный клапан. Когда уровень конденсата в ресивере падает до уровня, установленного поплавковым выключателем, насос останавливается. Давление в котле приводит к закрытию обратного клапана, предотвращая попадание воды из котла в ресивер. На линии отвода конденсатного насоса предусмотрен запорный клапан, позволяющий обслуживать насос без слива воды из котла.

На рисунке показана однотрубная система обратной подачи пара с насосом. Обратите внимание, что на конце магистрали подачи пара имеется поплавок и термостатический конденсатоотводчик. Этот конденсатоотводчик позволяет воздуху и конденсату выходить из магистрали в этом месте, но предотвращает потерю пара. Выпускной патрубок этих конденсатоотводчиков “F” и “T” соединен с ресивером для обеспечения самотечного отвода конденсата. Соединительный патрубок называется “обратным безнапорным” из-за этого самотечного потока.

Принцип работы конденсатоотводчиков ‘F’ и “T” показан на рисунке. Воздух, пар и вода поступают в корпус конденсатоотводчика. Обычно открытое термостатическое вентиляционное отверстие пропускает воздух, но закрывается, когда в него попадает горячий пар. Поплавковый клапан регулируется таким образом, чтобы конденсат стекал по мере его поступления в корпус конденсатоотводчика. Таким образом, воздух и конденсат из системы отводятся в ресивер.

Двухтрубные системы

Двухтрубные системы отличаются от однотрубных тем, что пар и конденсат подаются по отдельным трубопроводам. Паропроводы подают пар к радиаторам, которые отводят воздух и конденсат в обратные трубопроводы. На каждом радиаторе и в конце каждой подводящей магистрали установлены ловушки, предотвращающие попадание пара в обратные трубопроводы.

Системы самотечного возврата

На рисунке изображена двухтрубная система самотечного возврата. Пар поступает в радиатор из стояка подачи, выталкивая воздух через обратное отверстие через термостатический конденсатоотводчик. Эти конденсатоотводчики отличаются от конденсатоотводчиков типа “F” и “T” тем, что их работа строго регулируется с помощью термостата. Эти конденсатоотводчики обычно открыты, как показано на рисунке. Воздух или конденсат может свободно проходить через конденсатоотводчик. Если через него начнет проходить пар, рабочий сильфон или мембранный узел расширится, закрывая конденсатоотводчик. В верхней части иллюстрации показан сильфонный конденсатоотводчик. Другой — мембранный тип со сбалансированным давлением. Его тепловой элемент состоит из мембран, расположенных таким образом, чтобы образовывать соединительные ячейки, которые расширяются таким же образом, как и сильфон.

Термостатические конденсатоотводчики, как правило, задерживают конденсат, если он очень горячий и близок к температуре насыщения, и открываются, когда конденсат немного остывает. Это не проблема для радиатора, объем которого достаточен для удержания избыточного конденсата. Однако там, где важен быстрый отвод конденсата, необходимо использовать выходное седло воздушного канала с опорным штифтом.

Термостатический конденсатоотводчик отводит воздух и конденсат конденсата из радиатора в магистраль сухого возврата. Поскольку этот конденсатоотводчик отводит воздух из радиатора, в данном случае нет необходимости в отдельном вентиляционном отверстии. Из магистрали подачи пара вода поступает в систему сухого возврата через быстродействующие конденсатоотводчики “F” и ‘T”.

Конденсат в магистрали подачи пара образуется из-за конденсации пара в ней, главным образом, во время цикла запуска. Этот конденсат необходимо быстро слить, чтобы обеспечить свободный доступ пара к радиаторам. Система сухого возврата подключается к системе мокрого возврата, как показано на рисунке, с помощью контура на бойлере. В конце системы сухого возврата установлено основное вентиляционное отверстие для выпуска воздуха, скапливающегося в этом месте. На рисунке показан вариант вентиляционного отверстия в разрезе, предназначенный для торцевой части основной установки.

Вентиляционное отверстие обычно открыто. Если в клапан попадет вода, поплавок поднимется со своей опоры и перекроет отверстие клапана. Если в вентиляционное отверстие попадет пар, летучая жидкость в опоре поплавка испарится и приведет к расширению его гибкого верхнего элемента. Это также перекроет вентиляционное отверстие. При нормальной работе системы конденсат из системы стекает через различные конденсатоотводчики в систему мокрого возврата, в то время как главный вентиляционный канал отводит скопившийся воздух. Размер ‘А” должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить напор, необходимый для возврата конденсата в котел. Для возврата конденсата при давлении в котле 1 фунт/кв. дюйм требуется водяной столб высотой 28 дюймов, что в большинстве случаев ограничивает рабочее давление в системах самотечного возврата от 1/2 до 1 фунт/кв. дюйм.

Системы механического возврата конденсата

Установки, в которых уровень сухого возврата над линией подачи воды в котел недостаточен для обеспечения самотечного возврата конденсата, должны быть оснащены насосом для возврата конденсата. Двухтрубная система подачи конденсата этого типа показана на рисунке. Термостатические конденсатоотводчики на каждом радиаторе и конденсатоотводчики “F” и “T’ на конце магистрали подачи пара отводят воздух и конденсат в ресивер через обратный клапан без давления.

При использовании двухтрубных систем подачи вниз необходимо довести концы подающих стояков до состояния отсутствия обратного давления, как показано на рисунке. В этих местах скапливается конденсат, который необходимо сливать. Для обеспечения подачи пара необходимо выпустить воздух. Для этого применения рекомендуются ловушки типа “F” и “T”, поскольку они способны быстро удалять воздух и конденсат.

Вакуумные системы

Когда двухтрубные системы становятся большими и предусматривают использование длинных трубопроводов, в них скапливается большое количество воздуха. Если этот воздух не удаляется быстро, он препятствует поступлению пара к радиаторам. В результате происходит медленный прогрев и медленный возврат конденсата в котел.

Уровень воды в котле упадет из-за отсутствия возврата конденсата, в результате чего устройство подачи подпиточной воды начнет подавать дополнительную воду. По мере прогрева системы будет устанавливаться нормальная скорость возврата конденсата, что может привести к затоплению парового пространства котла.

Одним из способов решения этой проблемы с распределением пара и отрицательным эффектом возврата конденсата является использование вакуумного насоса для быстрого удаления воздуха из системы. Эти насосы разработаны специально для систем парового отопления. Они рассчитаны на работу с определенным количеством воздуха при среднем разрежении 5-1/2” ртутного столба и преобладающей температуре конденсата 160°F. Обычно насос включается при давлении 3 ” рт.ст. и выключается при давлении 8” рт. ст. На рисунке показан вакуумный насос, установленный в двухтрубной системе подачи вниз. Насос поддерживает разрежение в обратных трубопроводах системы, а также возвращает накопившийся конденсат в котел.

Во время цикла пропаривания давление в паропроводе и радиаторах будет выше, чем в обратном трубопроводе, что обеспечивает хороший отвод конденсата. При выключении котла конденсация пара на стороне подачи в систему может привести к образованию разрежения. Это разрежение может превышать разрежение в обратном трубопроводе, что препятствует попаданию конденсата в насос. Уравнительный трубопровод между вакуумным насосом и трубопроводом подачи пара позволяет в случае необходимости выровнять давление в системе.

Как показано на рисунке, этот уравнительный трубопровод отводится от переливного патрубка вакуумного насоса. Обратный клапан на сливе из этой магистрали предотвращает потерю вакуума во время рабочего цикла. Обратный клапан в уравнительной магистрали вакуумного насоса остается закрытым до тех пор, пока давление на стороне подачи пара превышает давление на обратном трубопроводе.

Если давление на стороне подачи пара упадет ниже давления на обратном трубопроводе, этот клапан откроется и позволит этим давлениям выровняться. Вакуумный выключатель, который приводит в действие насос, определяет давление в конце обратного разрежения, как показано на рисунке. Слишком низкий уровень создаваемого разрежения отрицательно скажется на работе насоса. На входе вакуумного насоса установлен вакуумный выключатель, обычно настраиваемый на размыкание при давлении около 15 дюймов ртутного столба. Это позволит открыться и впустить воздух, если вакуум упадет ниже заданного значения.