Mokrá pára a separátory vlhkosti SPIRAX SARCO

1. ÚVOD
V současné době se stále více používají parní vyvíječe. Použití vyvíječů páry většinou souvisí s celkovou rekonstrukcí paro-kondenzátní sítě. Parní kotle, které vyráběly technologickou páru a současně páru pro účely vytápění průmyslového závodu, jsou nahrazovány horkovodními či teplovodními kotli. Parní otopná síť se nahradí horkovodní (většinou sálavou) nebo teplovodní otopnou soustavou, která se dá obvykle lépe regulovat. Technologická pára je vyráběna v parních vyvíječích, které mohou být umístěny v kotelně či přímo u parních spotřebičů. Cílem článku je upozornit na některé odlišnosti, které jsou spojeny s výrobou technologické páry v parních vyvíječích. Je nutné si uvědomit, že výroba páry v parních vyvíječích se diametrálně liší od výroby páry v parních kotlích a tomu odpovídá i její kvalita. Opomenutím těchto aspektů vznikají zbytečné provozní obtíže, jejichž dodatečné řešení je často značně obtížné (prostorové dispozice) a finačně náročné.

2. VÝROBA PÁRY V PARNÍCH KOTLÍCH
K výrobě technologické páry se obvykle používají žárotrubné parní kotle, které vyrábějí sytou až mírně přehřátou páru. Spaliny z hořáku (obsahuje ventilátor a zabezpečovací techniku) proudí postupně plamencem, obratovými komorami a žárovými trubkami (2 a 3 tahové kotle). Plamenec a žárové trubky jsou obklopeny vodou (plášť kotle), která je přes stěny plamence a žárových trubek spalinami postupně ohřívána až do bodu varu. Parní bubliny postupně probublávají na hladinu vody v kotli, kde dochází k odpařování vody a vývinu páry. Vznikající sytá pára se shromažďuje v horní části pláště kotle a je odváděna z nejvyšší části kotle do rozvodného parního potrubí. Pokud je vyráběna přehřátá pára, součástí parního kotle je přehřívák, ve kterém spaliny dále ohřívají sytou páru a vzniká přehřátá pára. V parním kotli vždy dochází k vlnění hladiny vody, které je způsobeno více faktory. Vlnění hladiny nejvíce ovlivňuje množství rozpuštěných solí v kotelní vodě, které závisí na způsobu úpravy napájecí vody, a dále pak tlak páry v parním prostoru kotle, který je ovlivněn okamžitým odběrem páry. Při déle trvajících větších odběrových špičkách (připojení velkých technologických spotřebičů) dochází k poklesu tlaku v celé parní rozvodné síti a následně přímo v parním prostoru kotle. Výsledkem je intenzivnější var vody v kotli (roste velikost parních bublin), který se projevuje intenzivním vlněním hladiny vody v kotli, kde vzniká vrstva pěny. Pěna a kotelní voda je strhávána do parního potrubí (přestřik) a výsledkem je dodávka mokré páry, která způsobuje problémy s účinností a životností technologických zařízení. Voda strhnutá do potrubí může navíc zaplnit celý příčný průřez potrubí. Vzniká vodní zátka, jež je hnána vysokou rychlostí parním potrubím (rychlost proudění syté páry cca 25 m/s). Vodní zátka má vysokou kinetickou energii, která se v místě změny směru proudění (koleno, armatury, atd.) přemění na tlakovou energii a vzniká vodní ráz, který ničí armatury a tvarovky v potrubí. Pokud je parní kotel vybaven přehřívákem páry, voda přestříknutá do přehříváku se v přehříváku odpaří a zůstanou pouze jemné částice solí a minerálů, které se usazují na stěnách přehříváku, v potrubí a zejména armaturách, kde způsobují vážné provozní potíže (ucpání sedel odvaděčů kondenzátu, ucpání odběrů tlaku u systémů měření páry, atd.). Tento jev je zvláště patrný v případě špatné úpravy napájecí vody (procento rozpuštěných solí a minerálů je vyšší než má být). Z výše uvedeného je zřejmé, že při návrhu parního zdroje a parní sítě je nutné navrhnout taková opatření, aby za všech provozních stavů nedocházelo k přestřikům vody či dodávce mokré páry do parního potrubí.

3. VÝROBA PÁRY V PARNÍCH VYVÍJEČÍCH
Výroba páry v parních vyvíječích se výrazně liší od způsobu výroby páry v parních kotlích. Základní částí parního vyvíječe používaného pro výrobu technologické páry je šroubovitě vinutá trubka, která je umístěna v proudu spalin z hořáku. Proud spalin proudí prostorem mezi pláštěm vyvíječe a šroubovitě vinutou trubkou a postupně ohřívá vodu v trubce, která se mění v páru. Šroubovitě vinutá trubka obsahuje velmi malé množství vody, a proto je náběh parního vyvíječe ze studeného stavu podstatně rychlejší než v případě velkoobjemového parního kotle. Na druhé straně při výrobě páry v šroubovitě vinuté trubce dochází k vývinu mokré páry, neboť var vody a následné odpařování páry probíhá na velmi malé ploše (příčný průřez trubky). Dále zde může docházet i k přestřikům vody. Výše uvedené jevy jsou markantní zejména při uvedení parního vyvíječe do provozu. Parní vyvíječe obvykle nemají přehřívák páry, který by odstranil kapičky kondenzátu z páry. Kapičky kondenzátu z páry odstraní spolehlivě pouze vhodně navržený separátor vlhkosti, který musí být osazen hned na výstupu páry z parního vyvíječe. Proto je vhodné přednostně používat parní vyvíječe s vestavěným separátorem vlhkosti. Pokud daný vyvíječ nemá separátor vlhkosti, je nutné instalovat externí separátor vlhkosti.V případě, že napájecí voda do parního vyvíječe není upravována, hrozí nebezpečí vylučování solí a minerálů rozpuštěných v napájecí vodě, které jsou strhávány do vznikající páry, čímž je značně snížena kvalita páry. S vylučováním solí a minerálů souvisí tvorba usazenin na teplosměnných plochách vyvíječe, což má za následek horší účinnost vyvíječe, která se projevuje zvýšenou spotřebou paliva. Další nevýhodou parního vyvíječe oproti parním kotlům je nulová schopnost zvládat i krátkodobé odběrové špičky. Krátkodobé menší odběrové špičky jsou v případě parního kotle zvládány, neboť horká kotelní voda o vyšším tlaku (obvykle kolem 1 MPa) tvoří vlastně parní akumulátor. Při krátkodobé menší odběrové špičce dochází k poklesu tlaku nad hladinou kotelní vody. Při nižším tlaku dochází k varu vody při nižší teplotě, a proto část kotelní vody se okamžitě přemění na páru, čímž se pokryje zvýšený odběr páry za cenu snížení tlaku v parním prostoru kotle. Pokud odběrová špička trvá delší dobu nebo dojde k souběhu více krátkodobých špiček, dochází k nežádoucím přestřikům kotelní vody do potrubí. V případě parního vyvíječe je objem vody ve vyvíječi zanedbatelný, a proto i při sebemenší odběrové špičce dojde k přestříknutí vody z vyvíječe do parního potrubí. Navíc velmi záleží, při jakém tlaku se uvádí maximální parní výkon vyvíječe. V každém případě je při výrobě páry ve vyvíječích nutné zajistit odběrovou kázeň.

4. MOKRÁ PÁRA A SEPARÁTORY VLHKOSTI
Základním úkolem separátorů vlhkosti je odstranit kapičky kondenzátu, které jsou rovnoměrně rozptýleny po celém příčném průřezu potrubí. Kapičky nelze odstranit pouhým odvodněním parních rozvodů. Řádně navrženým odvodněním (odvodňovací kapsy v pravidelných intervalech) se odvádí vrstva kondenzátu ze dna parního potrubí. Tvorba kondenzátu je výsledkem tepelných ztrát parního potrubí (vysoký rozdíl teploty páry a okolí). Důkladné tepelné zaizolování parního potrubí může tepelné ztráty výrazně omezit, ale ne potlačit (a to i v letním období). Charakteristickým znakem mokré páry je přítomnost kapiček kondenzátu, které způsobují, že skutečná teplota páry je nižší než teplota sytosti odpovídající danému tlaku podle parních tabulek. Mokrá pára vzniká při přestřicích vody na parních zdrojích, ale také vlivem tepelných ztrát potrubních rozvodů, kdy proudící pára strhává kapičky kondenzátu z hladiny kondenzátu u dna parního potrubí. Mokrá pára způsobuje značné potíže při provozu parních sítí a spotřebičů. Kapičky kondenzátu způsobují výraznou erozi kuželek a sedel regulačních a redukčních ventilů, neboť v prostoru mezi kuželkou a sedlem regulačního (redukčního) ventilu se dosahuje rychlosti proudění páry cca 100 až 200 m/s i více (důsledek rychlého nárůstu měrného objemu páry při skokovém snížení tlaku). Výsledkem je snížená životnost regulačních a redukčních ventilů. Podobný problém nastává při měření páry např. měřícími clonami. Přesnost měření závisí na ostrosti náběhové hrany clony. Kapičky kondenzátu doslova obrousí náběhovou hranu, čímž znemožní přesné měření průtoku páry. Technologické spotřebiče, které jsou zásobovány mokrou parou, nemají požadovaný výkon, neboť kapičky kondenzátu obsažené v páře snižují entalpii syté páry, která by odpovídala danému tlaku. Mokrá pára se dá odstranit výrobou přehřáté páry, kdy tepelné ztráty rozvodné sítě snižují pouze stupeň přehřátí páry. Přehřátá pára může vznikat také při redukci tlaku syté páry, která se obvykle provádí těsně před technologickými spotřebiči. Výroba přehřáté páry je finančně nákladná a pokud se pára používá pouze pro otopné účely technologických zařízení, není výroba přehřáté páry ekonomicky efektivní. Teplo vzniklé přehřátím páry je zanedbatelné při srovnání s kondenzačním teplem páry. Je ekonomicky výhodnější vyrábět sytou páru a kapičky kondenzátu následně odstraňovat mechanickou cestou, tj. použitím separátorů vlhkosti. Existuje celá řada mechanických separátorů vlhkosti, které využívají různé principy odlučování kapiček kondenzátu z páry.

5. SEPARÁTORY VLHKOSTI SPIRAX SARCO

Obr. 1 Separátor S1 SPIRAX SARCO

Separátory vlhkosti Spirax Sarco jsou uvedeny na obr. 1, 2 a 3. Nejjednodušším separátorem je separátor S1 (obr. 1), který využívá gravitační a setrvačný princip odlučování kapiček kondenzátu. Při vstupu páry do separátoru dochází ke skokovému rozšíření průřezu, což se projeví velmi rychlým poklesem rychlosti proudění. Kapičky kondenzátu padají vlivem převládajících gravitačních sil ke dnu separátoru. Dosud neodloučené kapičky kondenzátu se odlučují dále, kde do směru proudění páry je vřazena kolmá deska, která obsahuje labyrintové vestavby. Pára musí velmi rychle několikanásobně měnit směr proudění. Kapičky kondenzátu, které mají vyšší hmotnost, nestačí rychle měnit směr proudění, zachycují se na vestavbách separátoru a jsou odváděny do spodní části separátoru, kde je odvodnění. Separátor S1 má závitové připojení a vyrábí se z tvárné litiny (do 1,35 MPa/200 °C) ve velikostech 1/2", 3/4" a 1". Na podobném principu (menší rozšíření průřezu) pracuje přírubový separátor S3 (obr. 2). U separátoru S3 jsou do směru proudění vřazeny pouze vestavby. Separátor se vyrábí ze šedé litiny (do 1 MPa/185 °C) ve světlostech DN40 až DN200. Dalším typem separátoru je separátor S5. Přírubový separátor S5 (obr. 3) se vyznačuje velmi robustní konstrukcí a vysokou účinností odlučování kapiček kondenzátu. Princip činnosti je shodný se separátorem S1. Deska vřazená do směru proudění páry je zesílena v místě proti vstupu páry, což zajišťuje dobrou odolnost proti účinkům eroze kapičkami kondenzátu.

Obr. 2 Separátor S3 SPIRAX SARCO

Na horní část separátoru S5 lze namontovat automatický odvzdušňovací ventil či manometr. Při vhodném návrhu (rychlost proudění páry ve vstupní přírubě v rozmezí 10 - 27 m/s) je dosahováno účinnosti odloučení středních a větších kapiček kondenzátu až 98 %. Účinnost odloučení malých kapiček kondenzátu je nižší, ale je nutné si uvědomit, že malé kapičky kondenzátu (kondenzační jádra) mají menší erozivní účinky. Pokud dochází v parní soustavě k výrazně proměnlivému průtoku páry, separátor se navrhuje na nejvyšší možný průtok (rychlost by neměla přesáhnout 30 až 33 m/s). Při malém průtoku je účinnost separátoru snížena, ale vzhledem k tomu, že pára proudí potrubím menší rychlostí, je částečně omezeno riziko eroze regulačních a redukčních armatur.

Obr. 3 Separátor S5 SPIRAX SARCO

Separátor S5 a jeho deriváty, které mají shodnou konstrukci (S6, 1808), se vyrábějí z uhlíkové oceli (odléváním či svařováním) nebo z nerez oceli ve světlostech DN15 až 350 a v tlakových třídách PN16 a PN40. Zde je nutné zdůraznit, že pouze velkoobjemové separátory, kde je dosahováno skokového snížení rychlosti, zajistí maximální účinnost odlučování kapiček kondenzátu. Velkoobjemové separátory vlhkosti musí být důkladně tepelně izolovány, zejména pokud jsou umístěny ve venkovním prostředí. V opačném případě může být separátor zdrojem výrazných tepelných ztrát, které mají vliv na parametry páry. Firma Spirax Sarco dodává prefabrikované tepelné izolace (izolační kabátky) na velkoobjemové separátory S5/S6, jejichž montáž/demontáž je velmi snadná, neboť jsou opatřeny důmyslným systémem spojení (suché zipy nebo přezky). Velkoobjemové separátory vlhkosti se používají před redukčními a regulačními armaturami a před parními průtokoměry. Dále je velmi vhodné namontovat separátor těsně za výstup páry z parního kotle. Velmi osvědčená je montáž separátoru na vstupu do výměníkové stanice pára-voda (odvodnění parní přípojky). Důležitou roli hraje volba odvaděče kondenzátu, který je použit na výstupu kondenzátu ze separátoru. Zásadně nevhodné je používat termické odvaděče kondenzátu, které mají vysoké podchlazení. Výsledkem je zaplavení separátoru kondenzátem, což je nevhodné. Pro odvodnění separátorů se nejvíce používají odvaděče, které odvádí kondenzát okamžitě, tj. na teplotě sytosti páry. Při menších množstvích kondenzátu se používají termodynamické odvaděče, při větších množstvích kondenzátu (např. přestřiky kotelní vody) se používají plovákové odvaděče kondenzátu.

6. ZÁVĚR
Z výše uvedeného je zřejmé, že separátory vlhkosti plní více funkcí: oddělují kapičky kondenzátu z proudící páry, plní funkci odvodňovacího místa, mohou zajišťovat odvzdušnění a slouží jako kalník. Z toho důvodu je vhodné vždy předřadit filtr před odvaděč kondenzátu ze separátoru. Velkoobjemové robustní separátory navíc mohou pojmout menší vodní zátku, která se šíří potrubím (nutnost použít ve spojení s plovákovým odvaděčem). Tímto způsobem předcházejí vzniku vodních rázů, tj. chrání citlivé armatury či zařízení, a tak prodlužují jejich životnost. Separátory vlhkosti jsou jednoduchá zařízení, která neobsahují žádné pohyblivé části vyžadující pravidelnou údržbu. Dají se použít i pro odstranění vlhkosti ze stlačeného vzduchu (i jiných technických plynů).