Конденсатоотводчики

Типы и принцип действия

В английском языке отсутствует прямой перевод слова конденсатоотводчик.

Конденсатоотводчик именуется Steam trap, что переводится как паровая ловушка.

Эти определения красноречиво характеризуют различие в философии решения этой проблемы двумя различными технико-экономическими культурами. Российская (советская) инженерная мысль сконцентрирована на процессе отвода конденсата из паровой области теплообменных аппаратов, не останавливаясь на том, как достигается эффективность теплопередачи в паро-конденсатном цикле. Для удаления конденсата в определенных случаях можно найти схемы с использованием пролетного пара. Англо-говорящие коллеги в этой же проблеме подошли с другой стороны: при конденсации пара его потери в технологическом процессе должны отсутствовать.

Следует констатировать, что в массовом применении в промышленности и паровом отоплении второй подход оказался более перспективным. Как известно, пролетный пар является основным компонентом в общей сумме потерь пара в системах пароиспользования. Его доля составляет в среднем порядка 25-30% общего потребления пара. Не говоря об истоках, сформировавшееся пренебрежение к «ловле пара» привело к дискредитации применения конденсатоотводчиков, прекращению развития их производства и сопутствующих схем использования. Завышенные расходы пара являются повсеместным признаком производств, созданных в рамках философии отвода конденсата любыми средствами, причиной ускоренного старения оборудования и трубопроводов, неумолимого падения конкурентной способности выпускаемой продукции.

К сожалению, типичной картиной на производстве является наличие неработающего конденсатоотводчика, в котором внутренние части удалены персоналом для обеспечения отвода конденсата. Сожаление вызывает не то, что конденсатоотводчик неисправен, а то, что его «модернизация» обеспечила приемлемые условия для работы основного оборудования.

Средний срок службы различных типов конденсатоотводчиков

Тип конденсатоотводчика	Давление
	45 бар	14 бар	2 бар
С перевернутым стаканом	18 месяцев	5-7 лет	12-15 лет
Поплавковый	-	1-6 месяцев	9 мес. - 4 года
Термодинамический	10-12 месяцев	12 месяцев	5-7 лет
Термостатический	-	6 месяцев	5-7 лет
Биметаллический	3-12 месяцев	2-3 года	7-10 лет

Сегодня широкое применение нашли порядка десяти типов конденсатоотводчиков. Как правило, все типы выпускаются ведущими изготовителями. По основному принципу действия можно выделить три класса приборов:
- поплавковый;
- термодинамический;
- термостатический.

Каждый изготовитель имеет особое пристрастие к той конструкции, которая определила развитие предприятия, технология производства и применения которой им наиболее развиты. Таких предприятий, специализирующихся на разработке, производстве и применении «всех» типов конденсатоотводчиков, в мире также не более десятка.

Компания Армстронг Интернешнл является одной из старейших в мире компанией в данной области и, несомненно, одной из мудрейших. Визитной карточкой компании является конденсатоотводчик с перевернутым стаканом (с отрезанным снизу закрытым поплавком), изобретенный Адамом Армстронгом в 1911 году. В отличие от разрезанного поплавка, плавающего в конденсате подобно ковшику, перевернутый стакан совершил целую революцию в области конденсатоотвода. Вошедший во все учебники конденсатоотводчик составил основу успешного развития семейного бизнеса. А опыт, приобретенный в течение века в борьбе с потерями пара, определил мировую славу университетов Армстронг.

«Неразделенное знание ведет к потере энергии» - утверждение, определяющее кредо компании, базируется на вековом собственном опыте. Большинство советов, оценок и руководств, приведенных здесь, взяты из материалов, присылаемых регулярно компанией своим партнерам, и не требует специального разрешения для публикации. Они вошли в руководства многих конкурирующих между собой предприятий и служат одной цели: обеспечить устойчивые темпы снижения потребления пара за счет эффективного применения качественного оборудования.

Существуют и экзотические модели приборов, доказывающие гибкость и неуспокоенность инженерной мысли в изобретении устройств, формирующих физическую границу фазового перехода пара при передаче нагреваемой среде своей скрытой теплоты. Невостребованные в советское время модели продолжают поиск своей области применения и своих инвесторов.

1. Конденсатоотводчики поплавковые

1.1. Конденсатоотводчик с перевернутым стаканом

Запатентован А.Армстронг в 1911 г. в США.

1. Конденсат заполняет внутреннее пространство конденсатоотводчика и поднимается к седлу, установленному в крышке прибора. Стакан под собственным весом находится внизу корпуса, удерживая золотник, укрепленный на донышке стакана, от закрытия проходного сечения седла. Конденсат истекает через седло в конденсатопровод под действием разности давлений на входе конденсатоотводчика и в конденсатопроводе.
2. Когда пар начинает поступать в конденсатоотводчик, он попадает в открытую полость стакана, выдавливает конденсат и, занимая больший объем, создает подъемную силу, заставляющую стакан всплыть и закрыть седло.
3. Пар начинает конденсироваться, разделяясь на жидкую и газообразную фазы. Последняя поступает вверх через вентиляционное отверстие в донышке стакана и отодвигает стакан (золотник) от седла.
4. Конденсат и «воздух» уходят через седло в крышке конденсатоотводчика, объем воздуха в стакане уменьшается и он под собственным весом начинает опускаться,

1. Седло находится в верхней части прибора и практически всегда свободно от загрязнения.
2. Конденсат отводится при температуре насыщения.
3. Открытый стакан поплавка не боится гидроударов, обеспечивая длительный срок службы прибора.
4. Золотник при работе притирается (подбивается) к седлу, что повышает герметичность прибора и исключая наличие пролетного пара.
5. За счет выбора типоразмера седла отводит конденсат в широком диапазоне расходов и перепадов давлений.
6. Функционирует при высоких давлениях и температурах.
7. При поломке седло не блокируется и остается открытым (важное требование для пароспутников).
8. Доступные опции: фильтр, обратный клапан - устанавливаются в корпусе прибора, не увеличивая габариты узла.

1. Широкий ряд седел и корпусов с подтвержденными характеристиками пропускной способности;
2. Унифицированный свободно плавающий механизм присоединения стакана из нержавеющей стали (отсутствие перекосов и заклинивания стакана);
3. Широкий ряд встраиваемых аксессуаров (обратный клапан, фильтр, клапан защиты от замерзания, термоклапан отвода воздуха, датчик контроля работоспособности прибора);
4. Специальная модификация прибора для работы на перегретом паре;
5. Исполнения горизонтального, вертикального (снизу вверх) и произвольного подключения конденсатоотводчиков с помощью универсальной присоединительной головки, в том числе с отводом конденсата сверху вниз;
6. Модификация конденсатоотводчика для работы на воздуховодах путем установки иглы для разрыва пузырьков или масляной пленки, что существенно при отводе конденсата с существенным наличием масла.

1. Большие габариты и, соответственно, высокие тепловые потери на неизолированном корпусе.
2. Циклическое повышение давления в конденсатопроводе при работе.
3. Ограниченная пропускная способность по отводу воздуха.
4. Необходимость предварительного заполнения корпуса конденсатом для исключения проскоков пара при начальном запуске (организация гидрозатвора).

Так как при охлаждении водяного пара образуется конденсат и воздух (в первую очередь углекислый газ, который вступая в реакцию с конденсатом образует угольную кислоту – основную причину коррозии стальных конструкций и оборудования), а седло находится в нижней части, что исключает возможность отвода неконденсируемых газов через него, то поплавковые конденсатоотводчики для обеспечения функционирования имеют термостатический воздушный клапан, который выполняет две функции: удаление неконденсируемых газов и исключение образования в корпусе воздушной пробки.

Слабость закрытого (полого) поплавка к гидроударам, засорение («заиливание») седла твердыми частицами вследствие эрозии внутренних поверхностей трубопроводов и отложением солей, большой объем неконденсируемых газов, образующихся при конденсации водяного пара, стимулировали конструкторов на поиски различных модификаций поплавкового механизма (свободно плавающий поплавок; рычаг, оснащенный иглой для очистки седла; клапан для удаления воздушной пробки, ...). Основной областью применения поплавковых конденсатоотводчиков остается зона свободного истечения конденсата больших объемов.

Принцип действия:

Конденсатоотводчик использует закрытый поплавок в качестве силового элемента, выталкиваемого Архимедовой силой и открывающего седло для отвода конденсата. Для предотвращения блокировки отвода конденсата неконденсируемыми газами (с последующим ростом давления в системе) и для исключения образования угольной кислоты, в верхней части крышки конденсатоотводчика устанавливается термостатический воздушный клапан, открывающийся при его охлаждении нерастворимыми газами и холодным конденсатом.

1. При заполнении прибора конденсатом поплавок поднимается и открывает выпускное отверстие (седло), расположенное в нижней части конденсатоотводчика.
2. При поступлении в прибор пара, закрывается термостатический воздушный клапан и под давлением пара и собственной тяжестью поплавок опускается, закрывая выпускное отверстие.

1. Непрерывный отвод конденсата при температуре насыщения пара и больших расходах.
2. Устойчивый и непрерывный отвод больших объемов неконденсируемых газов.
3. Большой срок службы.
4. Нечувствительность к переменным нагрузкам.

1. Большие габариты и, соответственно, высокие тепловые потери на неизолированном корпусе.
2. При поломке, как правило, блокируется седло.
3. Чувствителен к гидроударам и образованию воздушной пробки.
4. Седло склонно к «заиливанию».
5. Дополнительные приборы (фильтр, обратный клапан) устанавливаются вне корпуса, увеличивая габариты узла отвода конденсата.

1. Конденсатоотводчик состоит из камеры «вскипания», образуемой свободным пространством над золотником-диском, перекрывающим вход и выход из камеры.
2. Холодный конденсат своим давлением на входе поднимает диск в корпусе клапана, открывая проходной канал между входом и выходом для отвода конденсата.
3. При поступлении пара скорость истечения среды под диском возрастает, а давление падает, вынуждая диск опускаться и прикрывать проходной канал.
4. Горячий конденсат, попадая в камеру более низкого давления за диском, вскипает и формирует повышенное давление над диском.
5. Под действием двух сил сверху и снизу диск закрывается и садится на седло.
6. Пар вторичного вскипания над диском конденсируется, образуя вакуум, который поднимает диск. Конденсат начинает поступать под диском в корпус и камеру «вскипания» конденсатоотводчика, цикл повторяется.

1. Отвод конденсата при температуре насыщенного пара.
2. Компактные размеры и широкий диапазон давлений и температур эксплуатации
3. Низкие тепловые потери
4. Сравнительно низкая цена
5. При поломке седло остается открытым (в качественно изготовленном приборе).

1. Не пропускает неконденсируемые газы.
2. Чувствителен к загрязнениям. Требует обязательной установки фильтра.
3. Циклическое повышение давления в конденсатопроводе при работе.
4. Допускает проскоки острого пара.
5. Требует высоких скоростей для работы (давление на входе должно превышать противодавление, как правило, не менее чем в 2 раза).
6. Ограниченный срок службы (из-за интенсивного износа диска).

Принцип действия

1. Горячий конденсат проходит через сужающее устройство с скоростью, пропорциональной квадратному корню из разности давлений на «шайбе».
2. Попадая в область низкого давления за сужением, конденсат вскипает, пар вторичного вскипания создает дополнительное противодавление и формирует гидрозатвор перед проходным сечением.
3. При постоянном перепаде давлений и проходном сечении, отвечающем расходу конденсируемого пара, устройство обеспечивает устойчивый отвод конденсата при отсутствии пролетного пара.

1. Простота и доступность изготовления.
2. Компактность.
3. Непрерывный отвод конденсата при температуре насыщенного пара (при адекватном расчете).

1. Заиливание или эрозия кромки проходного сечения. «Отказ» конденсатоотводчика выражается в закрытии седла или появлению пролетного пара.
2. При колебаниях нагрузки теряется устойчивость отвода конденсата (появляется пролетный пар и/или обводнение паропровода (возвратное течение конденсата).
3. Вторичный пар ведет к повышению давления в конденсатопроводе.
4. Нестационарный режим работы оборудования приводит к неработоспособности данной конструкции (потере гидрозатвора, постоянным гидроударам, пролету пара через седло, либо обводнению парового пространства).

В настоящее время данная конструкция приобретает усилиями ряда компаний второе «цивилизованное» дыхание. Использование сопла вентури, рассчитанного на рабочие условия, обеспечивает условия «саморегуляции» в некотором диапазоне, что улучшает эксплуатационные свойства данного типа конденсатоотводчиков.

3. Термостатический конденсатоотводчик

• термостатический конденсатоотводчик, сбалансированный по давлению;
• терможидкостной конденсатоотводчик;
• биметаллический конденсатоотводчик.

Принцип действия.

1. Холодный конденсат поступает в корпус конденсатоотводчика и, обходя гофрированную емкость (сильфон) с жидкостью, отводится через калиброванное седло прибора. Жидкость имеет кривую температуры насыщения (t-P), близкую к кривой насыщения воды.
2. При повышении температуры конденсата в корпусе конденсатоотводчика жидкость, залитая в термостатический элемент, вскипает при давлении, близком к рабочему давлению пара, и расширяется в сильфоне.
3. Сильфон при повышении внутреннего давления жидкости изменяет габариты и заставляет золотник закрыть седло.
4. Пар конденсируется и конденсат охлаждается, жидкость в термостатическом элементе конденсируется, под действием «вакуума» внутри и давления пара извне сильфон возвращается к начальной форме, открывая седло.
5. Цикл повторяется.

Пропускная способность термостатического конденсатоотводчика определяется перепадом давления на седле и его проходным сечением. Регулировка проходного сечения выполняется путем начальной установки золотника в седле относительно заданной температуры охлаждения конденсата в корпусе прибора, что ведет к различной интенсивности охлаждения конденсата до седла. Сильфон автоматически настраивается к изменению нагрузки, имея максимальную пропускную способность при холодном конденсате. При повышении температуры конденсата проходное сечение незначительно уменьшается за счет расширения жидкости, а при температуре кипения жидкости (при температуре конденсата, близком температуре насыщения пара) проходное сечение резко уменьшается за счет расширения сильфона или капсулы, обеспечивая минимальный расход конденсата на прогретом оборудовании. При появлении пара седло закрывается полностью.

Преимущества

1. Непрерывный отвод конденсата и неконденсируемых газов
2. Компактность
3. Пониженная температура конденсата на выходе
4. Пониженное давление в конденсатопроводе

1. При «отказе» закрывается седло
2. Не работает на перегретом паре
3. Чувствителен к гидроударам и резким колебаниям давления
4. Чувствителен к размораживанию
5. Ограниченный срок службы сильфона

Термостатические конденсатоотводчики с деформируемой капсулой на рынке появились в начале 80-х годах ХХ века. Встроенный термоэлемент представляет капсулу с наполнителем, который при изменении температуры деформирует изнутри форму капсулы, при этом изменяется пропускная способность и быстродействие конденсатоотводчика. Капсула заменяется в корпусе прибора в считанные минуты. Появление быстро восстанавливаемых конденсатоотводчиков было вызвано необходимостью обеспечить высокую живучесть систем парового отопления, где на радиаторах устанавливались термостатические конденсатоотводчики. Быстрая замена капсулы открыла вторую жизнь паровому отоплению, широко используемому в офисных, гостиничных, больничных зданиях и университетских городках США.

Отличительной особенностью термостатических конденсатоотводчиков является наличие конденсата в корпусе прибора (и перед ним), иначе говоря его «подтопленность». Этим обеспечивается формирование гидрозатвора и охлаждение конденсата на выходе на 10 °С и ниже температуры насыщения. Данная особенность является существенной - снижает образование вторичного пара и позволяет утилизировать в определенных системах (прежде всего системах парового отопления) теплоту в конденсате, охлаждаемом в паровой области тепловых аппаратов.

«Подтопленность» прибора ограничивает его применение при низких температурах, а также в случаях, когда паровая область теплообменного аппарата должна быть осушена при температуре насыщения.

3.2. Конденсатоотводчик биметаллический:

Является визитной карточкой компании Velan (Канада). Идеальный прибор для отвода конденсата, образующегося при транспортировке перегретого пара. Набор биметаллических дисков позволяет подобрать очень точный и широкий динамический диапазон перекрытия седла в зависимости от температуры среды и перепада давления конденсата, действующих на биметаллические диски. Биметаллические конденсатоотводчики изменяют свою пропускную способность в больших пределах в зависимости от нагрева, что особенно важно при прогреве паропроводов и высокотемпературных аппаратов.

Принцип действия:

1. Пластина, выполненная из двух слоев металла с различными коэффициентами теплового расширения, изгибается при изменении температуры среды, поднимая золотник и открывая проходное сечение.
2. Изгиб пластины вызывает изменение положения золотника.
3. Давление пара на клапан, закрывающее седло, и изгиб пластин по действием температуры, поднимающий клапан, определяют равнодействующую сил, которая автоматически регулирует положение золотника.
4. Установленное проходное сечение по температуре охлажденного конденсата обеспечивает минимальный расход на рабочих параметрах.
5. При установленной температуре и отсутствии конденсата конденсатоотводчик полностью закрывается.
6. Ход и скорость хода штока (расход конденсата) регулируются числом пластин в широких пределах изменения температур и давлений.

1. Непрерывный отвод конденсата при высоких температурах и низких давлениях
2. Изменяющаяся и регулируемая пропускная способность в широких пределах
3. Высокая пропускная способность
4. Компактность
5. Снижение температуры конденсата
6. Ремонтнопригодность

1. Чувствительность к загрязнениям
2. Повышенная эрозия седла и золотника
3. При «отказе» может быть в любом положении
4. На насыщенном паре низкая скорость реакции на колебания давления
5. Чувствителен к «размораживанию»

На рынке появились в конце 80-х годах ХХ века, также как и термостатические конденсатоотводчики с заменяемой капсулой.



Принцип действия:

1. Термоэлемент изменяет свой объем пропорционально температуре конденсата.
2. Изменение объема термоэлемента ведет к изменению положения золотника на седле и соответствующему изменению проходного сечения конденсатоотводчика.

Характеристика термоэлемента изменяет пропускную способность в широких пределах от холодного конденсата до минимального уровня в зависимости от температуры, действующий на термоэлемент. Регулирование расхода по температуре позволяет выпускать различные конструкции термостатических клапанов и реализовать различные энергоэффективные режимы отвода конденсата, например, при низких давлениях пара, отводить конденсат по температуре окружающего воздуха и т.п.

Преимущества:

1. Непрерывный отвод конденсата и неконденсируемых газов
2. Компактность
3. Работает при низких давлениях и низких температурах
4. Адаптивная пропускная способность
5. Снижение температуры конденсата

1. При «отказе» может быть в любом положении.
2. Чувствителен к гидроударам
3. Не работает при высоких давлениях и больших расходах
4. Чувствителен к «размораживанию» (если конденсат не сливается самотеком вниз).

В НАЧАЛО