Škrcení přehřáté páry v praxi

Autoři pátrají po fyzikálním vysvětlení příčin nesouladu naměřených průtoků přehřáté páry na výstupu z přehříváku oproti teoretickým výpočtům. Popisují stavy páry i energetické změny při prudké expanzi a zvýšení rychlosti páry za nejužším místem.

Recenzent: Jiří Matějček

Jedna ze základních pouček při škrcení přehřáté páry zní, že škrcením přehřáté páry se zvětšuje stupeň jejího přehřátí. V tomto článku se pokusíme ukázat, že jako každá jednoduchá pravda ani tato nemusí platit absolutně.

LDM se kromě vývoje a výroby regulačních armatur pro odvětví vytápění, CZT, průmyslu a energetiky, včetně jaderných zařízení, zabývá rovněž vývojem a výrobou řízených pojistných armatur pro energetiku a náročné průmyslové aplikace, a to až do max. přetlaku 400 bar a světlostí na vstupu 350 a na výstupu 600 mm. Na takto vysoké parametry je však již nutno použít ventily s přídavným zatížením popř. pojistné ventily řízené, které eliminují proporcionální otevírání běžných pojistných ventilů, viz obr. 1 a od klasických proporcionálních pojistných ventilů se na první pohled liší vzduchovým válcem ve své horní části, viz rovněž obr. 1.

Celé zařízení se skládá z vlastního pojistného ventilu (na obr. 1 je osazen talířovými pružinami), řídicího přístroje se zavzdušňovací soustavou, impulzního potrubí a vzduchového potrubí mezi pojistným ventilem a řídicím přístrojem.

 

Činnost zařízení se dá velice stručně popsat následujícím způsobem: Při dosažení otevíracího přetlaku vypustí řídicí přístroj vzduch nad pístem vzduchového válce (tzv. zatěžovací vzduch). Vlastní tlak média pak spolu s tlakem vzduchu pod pístem vzduchového válce (tzv. zdvihový vzduch) zvedne kuželku okamžitě na plný zdvih bez postupného otevírání. Při poklesu tlaku média pod hodnotu otevíracího přetlaku pak naopak zatěžovací vzduch pomáhá ventil rychle a těsně zavřít. V případě výpadku energie či poruchy řídicího přístroje potom ventil pracuje jako klasický proporcionální pružinový pojistný ventil. Tato konstrukce zcela zásadním způsobem omezuje opotřebení pojistného ventilu (doba aktivní služby takových ventilů je běžně 30 let), výrazně zpřesňuje nastavení otevíracího přetlaku a rovněž jeho hystereze (rozdíl mezi otevíracím a uzavíracím přetlakem) je nepatrná.

Před zhruba deseti lety byla zadána do vývoje nová řada pojistných ventilů s vyšším výkonem, kde jedněmi z hlavních cílů při vývoji byla optimalizace jejich škrticího systému pro dosažení maximálního výkonu při současné definici silových účinků proudícího média na kuželku při otevírání a uzavírání ventilu.

Nejprve se přistoupilo, ve spolupráci s Aerodynamickým institutem Technické univerzity v Aachenu (SRN), k proměření výchozího stavu na vzduchové měřicí trati na třech velikostech pojistných ventilů, které zároveň posloužilo pro ověření našich výpočtů v CFD sy­stému FLUENT. V měřitelných parametrech průtoku bylo dosaženo vynikající shody výpočtu s měřením s maximálními rozdíly pod 2 %, což byla zhruba hranice přesnosti provedeného měření. Střední kvadratická odchylka těchto hodnot byla potom do 1,3 %. Tímto krokem byla mj. ověřena spolehlivost výpočtového aparátu a poté, po zhruba dvouletém vývoji, byl na stejné zkušebně podroben měření prototyp nového optimalizovaného provedení, který potvrdil navýšení průtoku o cca 10 % oproti původnímu provedení při opětovném prokázání vynikající shody výpočtů a měření.

Na obr. 3 je vidět řez sestavy tělesa pojistného ventilu a na obr. 4 je názorně vidět konstrukce prostorové sítě konečných objemů v průtočném kanálu tělesa ventilu. Kvalita této sítě v podstatné míře určuje průběh i dosažitelnou přesnost výpočtu a svojí hustotou i uspořádáním musí respektovat modelovaný fyzikální děj. Proto vytváření této sítě klade poměrně vysoké nároky na výpočtáře a do značné míry je ruční prací.

Dalším krokem byla výpočetní kontrola výkonu a ovládacích sil při průtoku nejčastějšího pracovního média, tedy přehřáté páry. Za etalonové médium byla zvolena přehřátá pára na výstupu z přehříváku o teplotě 550 °C a tlaku 25 MPa, s výstupem do atmosféry. Výpočet na stejné síti podle obr. 4 s výpočetním modelem přehřáté páry však nečekaně vykázal průtok nižší o více než 10 % oproti teoretickým a navíc se vzduchem laboratorně odzkoušeným předpokladům (!).

Nyní začalo téměř detektivní pátrání po příčině této odchylky se základní otázkou: proč to funguje na vzduchu a na přehřáté páře ne? Logickým postupem by v tomto případě bylo předefinování např. výpočtové sítě, nicméně bylo známo, že stávající model dává vynikající shodu s laboratorními testy. Po delším neúspěšném hledání příčin rozdílu se tedy rozhodlo provést složitější výpočet s dvoufázovým prouděním páry. Při tomto výpočtu byl ale náhle průtok v očekávaných mezích. Bylo tedy zřejmé, že ve škrticím mechanizmu by mělo docházet k dvoufázovému proudění, nicméně podstata tohoto jevu zůstávala stále neobjasněna.

Dalším zkoumáním tohoto jevu se zjistilo, že v oblasti blízko za nej­užším místem dochází prudkou ­expanzí a zvýšením rychlosti páry až na 2,3násobek Machova čísla (1140 m·s^–1) ke zvýšení její kinetické energie na úkor tepelné energie. Tím dochází k rychlému podchlazení páry pod hodnoty odpovídající rovnovážnému stavu na mezi sytosti, což vede v této relativně úzce omezené oblasti ke vzniku mokré páry. To následně ovlivňuje celé tlakové i teplotní pole a ve svém důsledku vede k většímu hmotnostnímu průtoku kritickou oblastí i celým ventilem.

Na následujících obrázcích je dokumentován průběh škrcení při výtoku přehřáté páry pojistným ventilem. Parametry páry jsou následu­jící: Teplota na vstupu do ventilu t₁ = 550 °C, tlak na vstupu do ventilu p₁ = 25 MPa, na výstupu potom p₂ = 0,1 MPa (výtok do atmosféry).

Obr. 5 • Rychlost proudění páry v jednotkách Machova čísla (v_max = 2,31 Mach neboli 1140 m·s^–1)

Obr. 6 • Saturační koeficient páry při průtoku ventilem (s_max =  1,3)

Obr. 7 • Detail oblasti se vznikem mokré páry (s_maxv= 1,3)

Na obr. 5 je názorně vidět průběh rychlostí páry při výtoku z částečně otevřeného ventilu v násobcích Machova čísla. V oblasti blízko za nejužším místem dosahuje rychlost proudění hodnoty 2,2 až 2,3násobku Machova čísla. Nejlepší představu o vzniku dvoufázové směsi mokré páry potom dává saturační koeficient, viz obr. 6 a jeho detail viz obr. 7, což je poměr absolutního statického tlaku parní fáze ku tlaku syté páry. Hodnoty menší než 1,0 představují oblast přehřáté páry, hodnota 1,0 přísluší rovnovážnému stavu syté páry na mezní křivce, a hodnoty vyšší než 1 ukazují oblast, kde již začíná docházet ke kondenzaci páry.

Jak je vidět na obrázcích 6 a 7, těsně za nejužším místem mezi sedlem a kuželkou ventilu nabývá saturační koeficient hodnot větších než jedna a v těchto místech vzniká oblast dvoufázové směsi ve tvaru rotačního prstence kolem sedla. V tomto omezeném objemu média potom vypočtené hodnoty teploty a tlaku páry dosahují hodnot odpovídajících za ustáleného stavu již ani ne mokré páry, ale dokonce kapalnému skupenství vody. Z obrázků 8 a 9 můžeme odečíst v centru této oblasti teplotu 161 °C při absolutním tlaku nad 8 bar, přičemž ale této teplotě odpovídá absolutní tlak syté páry 6,34 bar, a proto se lokálně pohybujeme ve vodní fázi.

Obr. 8 • Průběh statického tlaku v Pa (p_{min,lokální} = 8,2 bar)

Obr. 9 • Rozložení teplotního pole v K (t_{min, lokální} = 161 °C)

Z předchozích obrázků lze tedy usuzovat, že se v tomto průřezu pára dostává na zlomky sekundy do stavu, který rozhodně neodpovídá stavu přehřáté ani syté páry, naopak výpočet indikuje změnu fáze u poměrně výrazného procentuálního množství média. Samozřejmě v dalším průběhu škrcení již dochází zpomalením proudění k regeneraci tlaku i teploty, takže na výstupu z ventilu již máme očekávaný výsledek, tj. páru s výrazně vyšším stupněm přehřátí než na vstupu.

Ve prospěch uvedeného modelu svědčí rovněž fakt, že na rozdíl od jednofázového modelu přehřáté páry poskytuje výsledky, které byly v praxi ověřeny měřením průtoku na skutečných parametrech (Plzeňská energetika, 540 °C a 103 bar abs. a teplárna Plzeň, 535 °C a 141 bar abs.), a dává výsledky srovnatelné s výpočty výtoku pojistnými ven­tily dle léty prověřené normy ČSN 13 4309 i dle nové evropské normy EN ISO 4126.

Závěr

Závěrem nelze než konstatovat, že na škrcení přehřáté páry je nutno nahlížet z hlediska škrticího systému pojistných i regulačních ventilů vždy jako na dvoufázové proudění, i když parametry páry ve výstupním hrdle vykazují vyšší přehřátí než na vstupu, zcela v souladu s ­teorií i praktickými zkušenostmi. Nicméně v samotném škrticím sy­stému dochází k jejímu odlišnému chování, čemuž musí být uzpůsobena geometrie vnitřních částí armatury. Tento jev nezávisí na světlosti armatury, pouze na parametrech vstupního/výstupního tlaku a na vstupní teplotě. Právě nerespektování tohoto jevu již při konstrukci armatury (jejího geometrického uspořádání, které musí být imunní vůči lokální změně fáze) vede k vibracím, erozi regulačních/škrticích partií, předčasnému opotřebení armatury a v krajním případě i k únavovým lomům.

---

Superheated steam throttling in practice

Article describes transitional phenomenons during throttling of superheated steam.

Keywords: superheated, steam, throttling, transitional