Akademia automatyki: Odpowietrzanie i odwadnianie. Dobór odwadniaczy w systemach dystrybucji pary.

Zastosowanie odpowiednich odwadniaczy stanowi jeden z kluczowych warunków uzyskania wysokiej wydajności systemów parowych, które odgrywają istotna rolę w dziesiątkach różnych procesów. Aby dokonać właściwego wyboru urządzenia odpowiedzialnego za minimalizację kosztów związanych z niewłaściwym odwadnianiem i odpowietrzaniem
systemu, należy wziąć pod uwagę zarówno warunki pracy jak i parametry techniczne. W artykule postaram się przedstawić pokrótce podstawowe typy odwadniaczy, odsłaniając ich wady jak i pokazując zalety.

 

Rodzaje odwadniaczy i zasady ich działania
Odwadniacze pływakowe z odpowietrzeniem termostatycznym są odwadniaczami mechaniczno-termostatycznymi, których działanie oparte jest na różnicy gęstości medium i temperatury. Dzięki ciągłej regulacji nie dochodzi w nich do spiętrzenia kondensatu w warunkach gdy ciśnienie i ilość kondensatu ulega ciągłym zmianom. Głównymi zaletami tych odwadniaczy są wysoka wydajność odwadniania, bardzo dobre odprowadzenie powietrza przy rozruchu, gdy system jest zapowietrzony, odporność na ciśnienie zwrotne oraz skuteczne odwadnianie przy małych różnicach ciśnienia. Niestety są one praktycznie nieodporne na zabrudzenia (zawór na dole) oraz na uderzenia hydrauliczne. Wiąże się to często z koniecznością wymiany kuli pływaka, dlatego trzeba stosować obejścia. Dodatkowo, element termostatyczny przy ciągłej pracy systemu parowego nie odprowadza powietrza i gazów niekondensujących, co powoduje korozje na korpusie.

Odwadniacze termodynamiczne są czasowo – opóźnionymi urządzeniami, których działanie wykorzystuje różnice prędkości pomiędzy parą, a kondensatem. Ze względu na niewielkie gabaryty stosuje się je w układach gdzie jest bardzo niewiele miejsca, na odwodnieniu rurociągów przesyłowych. Główną wadą tych odwadniaczy jest brak zdolności do odpowietrzania systemu i mała odporność na zanieczyszczenia, czego konsekwencją są znaczne straty pary. Odwadniacz termodynamiczny jest tani w zakupie, ale kosztowny w eksploatacji.

Odwadniacze termostatyczne swoją zasadę działania opierają na różnicy temperatur. Znajdują zastosowanie w systemach gdzie ciśnienie pary jest zmienne. Ze względu na element termostatyczny dzielimy je na:
• bimetaliczne – wykorzystują efekt różnicy rozszerzalności cieplnej dwu metali elementu bimetalicznego
• mieszkowe – opierają się na zmianie objętości mieszka
• membranowe – działanie płytki termostatycznej jest bardzo zbliżone do działania mieszka, jednakże element sterujący przepływem jest bardziej odporny na uderzenia hydrauliczne

Wszystkie te typy odwaniaczy termostatycznych doskonale radzą sobie z odpowietrzaniem systemu. Ponieważ pracują na przechłodzonym kondensacie, należy wziąć pod uwagę konieczność budowy odstojnika. Odwadniacze termostatyczne są mało odporne na zanieczyszczenia, co skutkuje – podobnie jak w przypadku odwadniaczy termodynamicznych – stratami pary i krótszą żywotnością urządzenia.

Odwadniacze dzwonowe są urządzeniami mechanicznymi, działającymi na zasadzie różnicy gęstości pomiędzy parą, a kondensatem (rys 1). Para wpływając do odwadniacza powoduje podniesienie dzwonu (pływaka otwartego) i zamknięcie zaworu wylotowego. Napływ kondensatu powoduje opadnięcie dzwonu pod własnym ciężarem, otwarcie zaworu i wypływ kondensatu. W tym typie odwadniaczy, powietrze i CO2 są odprowadzane w sposób ciągły (w temperaturze pary), co zapobiega korozji korpusu oraz rurociągu kondensatu. Te proste zasady usuwania kondensatu zostały wprowadzone przez firmę Armstrong w 1911 roku. Dzisiejsze odwadniacze, chociaż doskonalsze pod względem technologicznym i materiałowym, nadal wykorzystują te zasady. Efektem tego jest urządzenie skuteczne, niezawodne i długotrwałe.

Rysunek 1. Cykliczna praca odwadniacza dzwonowego

Nr 1 – dzwonowe
Niezawodność działania odwadniaczy dzwonowych i ich długa żywotność wynikają z kilku zasadniczych zalet:
• prosta zasada działania i budowa – odwadniacz składa się z korpusu, dzwonu i systemu dźwigni. Posiada tylko dwie ruchome części – mechanizm zamykający otwór oraz dzwon. Brak jest jakichkolwiek mocowań, wiązań oraz zamknięć
• odporność na ścieranie i korozję – luźny mechanizm zaworu pozwala na „beztarciowe” i niezawodne działanie. Wszystkie pracujące części wykonane są ze stal nierdzewnej. Zawór i gniazdo są indywidualnie dobierane, szlifowane, a podczas pracy stale się docierają, powodując coraz lepszą współpracę
• odporność na ciśnienie wsteczne
• odporność na zanieczyszczenia – dzięki cyklicznej pracy dzwonu, jego ruch powoduje rozdrobnienie ewentualnych zanieczyszczeni i utrzymanie ich w zawieszeniu, a następnie usunięcie razem z kondensatem. Oczywiście fakt, iż otwór zaworowy jest umieszczony w górnej części, ma również duże znaczenie. W związku z powyższym, nie ma potrzeby – w przeciwieństwie do innych odwadniaczy – instalowania dodatkowych filtrów
• odprowadzanie powietrza i CO2 w temperaturze pary, czyli oszczędność pary. Strata pary ulatującej wraz z powietrzem i dwutlenkiem węgla przez otwór w dzwonie jest pomijalnie mała
• odporność na uszkodzenie wywołane uderzeniem wodnym. Jeśli silne i długotrwałe uderzenia wodne w końcu zniszczą pływak, to nie trzeba stosować obejść, gdyż pływak opada i zawór zostaje otwarty, straty na otworze odwadniającym są zdecydowanie mniejsze niż na otwartej (od 1/2”) średnicy obejścia
• odporność na warunki atmosferyczne.

Możemy dobrać odwadniacze dzwonowe pracujące przy dodatniej, niewielkiej różnicy ciśnień, aż do 186 bar, oraz temperaturze od -90°C aż do 454°C. Dostępne są takie wykonania materiałowe jak: żeliwne, stalowe, nierdzewne, stal kuta. Odwadniacze dzwonowe można wykorzystać również do odzyskiwania pary wtórnej oraz wspomagania podnoszenia kondensatu, a nawet do odwodnienia (najczęściej zabrudzonego) powietrza.
Po dokładnej analizie powyższych informacji możemy śmiało stwierdzić, że wśród dostępnych na rynku odwadniaczy, prym wiodą odwadniacze dzwonowe. Właśnie ten typ spełnia najlepiej większość wymagań jakie stawiają przed nimi aplikacje parowe. Na zakończenie należy dodać, iż nie istnieje pojęcie odwadniacza uniwersalnego. Niemniej jednak, określając właściwe parametry pracy i wymagania jakim ma sprostać – można dobrać odpowiedni odwadniacz, który pozwoli osiągnąć wysokie efekty pracy systemów parowych. Innymi słowy, optymalnie dobrany odwadniacz pozwoli na zminimalizowanie strat pary, które determinują przecież znaczne koszty.
Mam nadzieje, że informacje zawarte w artykule przydadzą się naszym Czytelnikom w dokonywaniu właściwego wyboru odwadniacza, a tym samym ograniczeniu kosztów zakupu, wydłużeniu okresu użytkowania, zmniejszeniu nakładów na serwis i konserwację oraz uzyskaniu maksymalnych parametrów systemów parowych.

 

TABELA
Znając zasady działania poszczególnych odwaniaczy możemy przystąpić do analizy podstawowych
właściwości, które decydują o efektywności ich pracy (skala: 1-niedostateczny, 5 bardzo dobry).

 

 

1. Odpowietrza ale bardzo powoli (3). Jeśli w instalacji jest dużo powietrza, można wykonać specjalne wykonanie BVSW (5)
2. Zła jakość odpowietrzania jest spowodowana przez ciśnienie powietrza, które zamyka dysk. Dodatkowo, aby zapewnić choć w minimalnym stopniu odprowadzenie powietrza, wykonuje się nacięcie (szczelinę) w dysku, którą także „ucieka” para
3. Wysoka jakoś odpowietrzania jest zapewniona tylko wówczas gdy w systemie panuje niska temperatura
4. Rozrzut oceny odporności na uderzenia jest związany z rodzajem pływaka
5. Odwadniacze dzwonowe w zależności od materiału, z którego wykonany jest korpus wykazują zróżnicowaną odporność na zamarzanie i warunki otoczenia. I tak odporność odwadniaczy o korpusie żeliwnym jest mała (1), a z kolei odwadniaczy wykonanych ze stali nierdzewnej bardzo duża (5).
6. Odwadniacze mieszkowe są odporne na zamarzanie pod warunkiem, że instalacja jest pionowa gdyż w przypadku instalacji poziomych mają tendencje do gromadzenia się w nich wody.
7. Odwadniacze dzwonowe wykonane ze stali nierdzewnej są spawane, bezobsługowe, a więc pozbawione dostępu do części wewnętrznych. Natomiast odwadniacze w innym wykonaniu materiałowym mogą mieć bezproblemowo wymieniane części wewnętrzne.
8. Dane na podstawie badań przeprowadzonych przez ICI Engineer w maju 1991 r.

 

Sposób wykonania zaworów odwadniających w odwadniaczach dzwonowych firmy Armstrong