Kondens Dönüş Hatlarının Boyutlandırılması

Kondenstoplara giden ve gelen kondens hatlarının boyutlandırılmasına ilişkin bir rehber, kondens boru boyutlandırma çizelgesi kullanılarak örnekler ve hesaplamalar dahil.

Kondens Dönüş Hatlarının Boyutlandırılması

Modül 14.2’de bahsedilen dört ana kondens hattı tipi Tablo 14.3.1’de gösterilmiştir:

Tablo 14.3.1 Dört temel kondens hattı tipi

Tüm kondens hatlarının boyutlandırılması şunların bir fonksiyonudur:

• Basınç - Borunun bir ucu ile diğeri arasındaki basınç farkı. Bu basınç farkı akışı teşvik edebilir veya kondensin bir kısmının buhara dönüşmesine neden olabilir.
• Miktar - İşlenmesi gereken kondens miktarı.
• Durum - Kondens ağırlıklı olarak sıvı mı yoksa flaş buhar mı? Modül 14.4’te tartışılacak pompalanmış dönüş hatları hariç, diğer üç ana kondens hattı tipi ve boyutlandırmaları bu Modülde ele alınacaktır.

Kendenstoplara drene hatlarının boyutlandırılması

Drene hattının (ve kendenstopun) tesis çıkış bağlantısıyla aynı boyutta olacağı varsayılmamalıdır. Tesis, özellikle sıcaklık kontrollü olduğunda, bir dizi farklı çalışma basıncı ve akış hızıyla çalışabilir. Ancak, kendenstop doğru boyutlandırıldıktan sonra, genellikle drene hattının kendenstop giriş bağlantısıyla aynı boyutta olması durumu söz konusudur (Şekil 14.3.1’e bakınız).

Drene hattının içindeki koşullarla ilgili olarak, tesis ile kendenstop arasında önemli bir basınç düşüşü olmadığı için, boruda flaş buhar bulunmaz ve yalnızca kondens taşımak üzere boyutlandırılabilir.

Drene hattını boyutlandırırken aşağıdakilerin dikkate alınması gerekir:

• Tam yükte boşaltılan ekipmanın yoğuşma hızı.
• Başlangıçta ekipmanın yoğuşma hızı. Tesis başlangıcında, yoğuşma hızı çalışma yükünün üç katına kadar olabilir - bu, buhar ile daha soğuk ürün arasındaki sıcaklık farkının en yüksek olduğu noktadır. Drene hattı, kendenstop ve tahliye hattı aynı zamanda bu süre zarfında giren buhar tarafından yerinden havayı da taşımalıdır. Buhar kendenstopunun boyutlandırma rutini bu iki değişkenin her ikisini de dikkate almalıdır, ancak genel olarak:
• Buhar ana hattı drenajı için, her drene kendenstopu için kondens yükü, genellikle 50 m aralıklarla drene noktalarına dayanan ana hattın buhar kapasitesinin %1’idir ve iyi yalıtımlı olduğunda. Çoğu drene noktası için, kendenstopu çalışma basıncında (herhangi bir ters basınç hariç) çalışma yükünün iki katından geçecek şekilde boyutlandırmak, başlangıç yüküyle başa çıkmasına izin verecektir.
• Presler, ütüler, ünite ısıtıcılar, radyant paneller ve kaynatma kapları gibi sabit buhar basıncı proseslerinde, kendenstopları çalışma basıncında (herhangi bir ters basınç hariç) yaklaşık olarak çalışma yükünün iki katına boyutlandırmak, başlangıç yüküyle başa çıkmak için yeterli kapasite sağlayacaktır.
• Sıcaklık kontrollü uygulamalarda, buhar basıncı, tesis dönüş oranı, ayar sıcaklığı ve buhar kendenstopu konumu ayrıntılı olarak dikkate alınmalıdır ve kendenstop, hem tam hem de minimum yük koşullarına uyacak şekilde boyutlandırılmalıdır. Bu koşullar bilinmiyorsa, buhar kendenstopunun çalışma diferansiyel basıncında 3 x çalışma yüküne göre boyutlandırılması önerilir. Bu, başlangıç koşulunu karşılamalı ve minimum yüklerde uygun drenaj sağlamalıdır. Kendenstop bu şekilde boyutlandırıldığında, başlangıç yüküne de uyacaktır. Sonuç olarak, kendenstopa giden drene hattı kendenstop boyutuna göre boyutlandırılırsa, asla küçük boyutlu olmayacaktır. Pratik amaçlarla, drene hattı 10 m’den kısa olduğunda, uygulama için seçilen buhar kendenstopu ile aynı boru boyutunda olabilir. 10 m’den kısa drene hatları ayrıca Ek 14.3.1’e göre kontrol edilebilir ve maksimum akış hızında basınç kaybının metre uzunluk başına 200 Pa’dan ve hızın 1.5 m/s’den büyük olmamasını sağlayan bir boru boyutu seçilmelidir. Tablo 14.3.2, Ek 14.3.1’den bir özüttür. Daha uzun drene hatlarında (10 m’nin üzerinde) maksimum akış hızındaki basınç kaybı 100 Pa/m’den fazla olmamalı ve hız 1 m/s’den büyük olmamalıdır.

Tablo 14.3.2 Ağır çelik borularda su akışı

Örnek 14.3.1 Sabit basınçta buhar kullanan bir tesis ekipmanı, tam yükte saatte 470 kg buhar yoğuşturur. Tesis ekipmanı ile buhar kendenstopu arasındaki boru hattının eşdeğer uzunluğu 2 m’dir. Kullanılacak boru boyutunu belirleyin. Başlangıç için düzeltilmiş yük = 470 kg /h x 2 = 940 kg /h. Boru uzunluğu 10 metreden az olduğundan, maksimum izin verilen basınç düşüşü 200 Pa/m’dir. Tablo 14.3.1 kullanılarak, 200 Pa/m’den bakıldığında 25 mm’lik bir borunun 1 141 kg /h kapasiteye sahip olduğu ve bu nedenle beklenen 940 kg /h’lik başlangıç yükü için uygun olacağı görülebilir. 25 mm sütununda daha yukarı kontrol edildiğinde, 940 kg /h’lik bir akış hızının 25 mm’lik bir boruda akan 140 Pa/m’nin hemen altında gerçek bir basınç düşüşüne neden olacağı görülebilir.

Kendenstoplardan tahliye hatlarının boyutlandırılması

Kendenstopun alt boru hattı bölümü, aynı basınç ve sıcaklıkta hem kondens hem de flaş buhar taşıyacaktır. Bu iki fazlı akış olarak adlandırılır ve sıvı ile buhar karışımı, her birinin mevcut olma oranına bağlı olarak hem buharın hem de suyun özelliklerine sahip olacaktır. Aşağıdaki örneği düşünün. Örnek 14.3.2 Bir tesis ekipmanı sabit 4 bar g basınçta buhar kullanır. Mekanik bir buhar kendenstopu takılmıştır ve doyma sıcaklığındaki kondens 0.5 bar g’de çalışan bir kondens ana hattına boşaltılır. Kondens ana hattındaki su ve buharın kütle ve hacim oranlarını belirleyin. Bölüm 1 - Kütle oranlarını belirleyin Buhar tablolarından:

Açıkça, %7.9 buhara dönüşüyorsa, kalan 100 – 7.9 = %92.1’lik ilk kütle akışı su olarak kalacaktır. Bölüm 2 - Hacim oranlarını belirleyin 4 bar g doyma sıcaklığında boşaltılan 1 kg’lık ilk kondens kütlesine dayanarak, flaş buharın kütlesi 0.079 kg ve kondensin kütlesi 0.921 kg’dır (Bölüm 1’den belirlenmiştir). Su: 0.5 bar g’de doymuş suyun yoğunluğu 950 kg/m3’tür,

Bundan, kendenstop tahliye hattındaki iki fazlı akışkanın sudan çok buharla ortak noktaya sahip olacağı ve hesaplama temeli olarak nispeten küçük kondens hacmini kullanmak yerine makul buhar hızlarına göre boyutlandırmanın mantıklı olduğu sonucu çıkar. Hatlar küçük boyutlandırılırsa, flaş buhar hızı ve ters basınç artacak, bu da su darbesine neden olabilir, kendenstop kapasitesini azaltabilir ve prosesi su basabilir.

Buhar hatları maksimum hızlara dikkat edilerek boyutlandırılır. Kuru doymuş buhar 40 m/s’den hızlı hareket etmemelidir. Islak buhar, nem taşıdığı için biraz daha yavaş hareket etmelidir (15 ila 20 m/s), aksi takdirde fittingsler ve vanalar üzerinde aşındırıcı ve zararlı bir etkiye sahip olabilir. Kendenstop tahliye hatları, çok ıslak buhar taşıyan buhar hatları olarak kabul edilebilir ve benzer şekilde düşük hızlara göre boyutlandırılmalıdır. Kendenstoplardan kondens tahliye hatları, iki fazlı akış özelliği nedeniyle buhar hatlarından boyutlandırması bilindiği üzere daha zordur. Pratikte, borunun içindeki akışkanın kesin durumunu belirlemek imkansızdır (ve genellikle gereksizdir). Üretilen flaş buhar miktarı (Şekil 14.3.2) kendenstoptaki basınç farkıyla ilişkili olmasına rağmen, diğer faktörlerin de etkisi olacaktır.

Borunun içindeki iki fazlı akışı etkileyen faktörler şunlardır:

• Kendenstopun yukarısındaki kondens doyma sıcaklığından daha soğuksa (örneğin: termostatik bir buhar kendenstopu kullanılıyorsa), kendenstoptan sonra oluşan flaş buhar miktarı azalır. Bu, gereken hat boyutunu küçültebilir.
• Hat kendenstoptan sonuna doğru eğimliyse, eğim kondens akışını etkilecektir, ancak ne ölçüde ve bu nasıl nicelleştirilebilir?
• Daha uzun hatlarda, hattan kaynaklanan radyasyon kayıpları flaş buharın bir kısmını yoğuşturabilir, hacmini ve hızını azaltabilir ve hat boyutunun küçültülmesi için bir durum olabilir. Ancak ne noktada ve ne ölçüde azaltılmalıdır?
• Tahliye hattı yukarı doğru yükselerek üstten dönüş hattına çıkarsa, kaldırma hattının zaman zaman soğuk kondensle dolu olacağı ve kendenstoptan gelen flaş buharın bu kondensin bir kısmını veya tamamını buharlaştıracağı zamanlar olacaktır. Yükselen tahliye hattı flaş buhar hızına göre mi yoksa kondens miktarına göre mi boyutlandırılmalıdır?
• Çoğu proses, çalışma döngüsünün büyük bir bölümünde tam yük koşullarının altında çalışır ve bu da zamanın çoğu için flaş buharı azaltır. Bu nedenle soru ortaya çıkar: ekipman kalıcı olarak daha düşük bir çalışma yükünde çalışıyorsa, sistemin tam yük koşuluna göre boyutlandırılması gerekir mi?
• Sıcaklık kontrollü tesislerde, kendenstoptaki basınç farkı ısı yüküne bağlı olarak kendisi değişecektir. Bu, hattaki flaş buhar miktarını etkileyecektir. Kendenstop tahliye hatları hakkında öneriler Değişken sayısı nedeniyle, hat boyutunun kesin hesaplanması karmaşık ve muhtemelen yanlış olur. Deneyim, kendenstop tahliye hatlarının 15 ila 20 m/s flaş buhar hızlarına göre boyutlandırılması ve belirli tavsiyelere uyulması durumunda, birkaç sorunun ortaya çıkacağını göstermiştir. Öneriler:

1. Akış yönünde eğimli ve ucunda açık veya alıcıda havalandırmalı olan doğru boyutlandırılmış kendenstop tahliye hatları, su basmayacak ve flaş buharın kondensin üzerinde engelsiz geçmesine izin verecektir (Şekil 14.3.3). 1’e 70 minimum eğim (her 10 m’de 150 mm düşüş) önerilir. Basit bir görsel kontrol genellikle hattın eğimli olup olmadığını doğrulayacaktır - eğim görünmüyorsa yeterince eğimli değildir!

2. Kaçınılmaz ise, pompalanmayan yükselen hatlar (Şekil 14.3.4) mümkün olduğunca kısa tutulmalı ve kondensin kendenstopa geri düşmesini durdurmak için bir çek valf takılmalıdır. Yükselme boruları, üstten dönüş hatlarının üst kısmına boşaltılmalıdır. Bu, kendenstop tahliye yaptıktan sonra kondensin dönüş ana hattından yükselen boruya geri akmasını önler ve flaş buharın yükselen boruda kolay geçişine yardımcı olur.

Biraz daha büyük bir yükselen boru kullanmayı düşünmek mantıklıdır, bu daha düşük bir flaş buhar hızı üretecektir.

Bu, buharın yükselen borudaki sıvı kondens arasından geçmeye çalışmasından kaynaklanan su darbesi ve gürültü riskini azaltacaktır. Önemli: Yükselen hat, yalnızca proses buhar basıncının kendenstop çıkışındaki kondens ters basıncından daha yüksek olacağı garanti edilen yerlerde kullanılmalıdır. Aksi takdirde, ters basınca karşı uygun drenaj sağlamak için bir pompalama kendenstopu veya pompa-kendenstop kombinasyonu kullanılmadığı sürece proses su basacaktır. 3. Ortak dönüş hatları da eğimli olmalı ve su basmamalıdır (Şekil 14.3.4). Uzun dönüş hatlarında flaş buhar oluşumunu önlemek için, kendenstop tahliye hatlarından gelen sıcak kondens havalandırmalı alıcılara (veya uygun yerlerde flaş kaplarına) drene olmalıdır, buradan daha düşük sıcaklıkta su basmış bir hat üzerinden son varış noktasına pompalanabilir. Kondens pompalama Modül 14.4’te daha ayrıntılı olarak ele alınmaktadır.

The condensate pipe siz​ing chart

The condensate pipe sizing chart (Figure 14.3.5) can be used to size any type of condensate line, including:

• Drain lines containing no flash steam.
• Lines consisting of two-phase flow, such as trap discharge lines, which are selected according to the pressures either side of the trap. The chart (Figure 14.3.5):
• Works around acceptable flash steam velocities of 15 - 20 m/s, according to the pipe size and the proportion of flash steam formed.
• Can be used with condensate temperatures lower than the steam saturation temperature, as will be the case when using thermostatic steam traps.
• Is used to size trap discharge lines on full-load conditions. It is not necessary to consider any oversizing factors for start-up load or the removal of non-condensable gases.
• May also be used to estimate sizes for pumped lines containing condensate below 100°C. This will be discussed in Module 14.4.

Using the condensate pipe sizing chart (Also available in Appendix 14.3.2) Establish the point where the steam and condensate pressures meet (lower part of the chart, Figure 14.3.5). From this point, move vertically up to the upper chart to meet the required condensate rate. If the discharge line is falling (non-flooded) and the selection is on or between lines, choose the lower line size. If the discharge line is rising, and therefore likely to be flooded, choose the upper line size. Note: The reasoning employed for the sizing of a steam trap is different to that used for a discharge line, and it is perfectly normal for a trap discharge line to be sized different to the trap it is serving. However, when the trap is correctly sized, the usual ancillary equipment associated with a steam trap station, such as isolation valves, strainer, trap testing chamber, and check valve, can be the same size as the trapping device selected, whatever the discharge line size.

Example 14.3.3 1 On the chart (Figure 14.3.6)

A steam trap passing a full-load of 1000 kg/h at 6 bar g saturated steam pressure through a falling discharge line down to a flash vessel at 1.7 bar g. As the discharge line is non-flooded, the lower figure of 25 mm is selected from the chart (Figure 14.3.5).

Example 14.3.4 2 on the chart (Figure 14.3.7)

A steam trap passing a full-load of 1 000 kg/h at 18 bar g saturated steam pressure through a discharge line rising 5 m up to a pressurised condensate return line at 3.5 bar g. Add the 0.5 bar static pressure (5 m head) to the 3.5 bar condensate pressure to give 4 bar g backpressure. As the discharge line is rising and thus flooded, the upper figure of 32 mm is selected from the chart, (Figure 14.3.5).

Example 14.3.5 3 on the chart (Figure 14.3.8)

A steam trap passing a full-load of 200 kg/h at 2 bar g saturated steam pressure through a sloping discharge line falling down to a vented condensate receiver at atmospheric pressure (0 bar g). As the line is non-flooded, the lower figure of 20 mm is selected from the chart, (Figure 14.3.5).

Example 14.3.6 4 on the chart (Figure 14.3.9)

A pump-trap passing a full-load of 200 kg/h at 4 bar g saturated steam space pressure through a discharge line rising 5 m up to a non-flooded condensate return line at atmospheric pressure. The 5 m static pressure contributes the total backpressure of 0.5 bar g. As the trap discharge line is rising, the upper figure of 25 mm is selected from the chart, (Figure 14.3.5).

Example 14.3.7 5 on the chart (Figure 14.3.10)

Consider a condensate load of 200 kg/h to a receiver and pump. In this case, the condensate line is based on the maximum capacity of the pump to achieve the desired delivery head. Calculating pump capacities is covered in Module 14.4 ‘Pumping Condensate from Vented Receivers’, but for this example, it is assumed that the maximum condensate load will be 1 200 kg/h. Because the condensate will have lost its flash steam content to atmosphere via the receiver vent, the pump will only be pumping liquid condensate. In this instance, it is only necessary to use the top part of the chart in Figure 14.3.5. As the line from the pump is rising, the upper figure of 25 mm is chosen. Note: If the pumped line were longer than 100 m, the next larger size must be taken, which for this example would be 32 mm. A useful tip for lines of 100 m or less is to choose a discharge pipe which is the same size as the pump. For further details refer to Module 14.4 ‘Pumping condensate from vented receivers’.

Common return lines - falling lines

It is sometimes necessary to connect several trap discharge lines from separate processes into a common return line. Problems will not occur if the following considerations are met:

• The common line is not flooded and slopes in the direction of flow to an open end or a vented receiver, or a flash vessel if the conditions allow.
• The common line is sized on the cumulative sizes of the branch lines, and the branch lines are sized from Figure 14.3.5. Example 14.3.8 Figure 14.3.11 shows three heat exchangers, each separately controlled and operating at the same time. The condensate loads shown are full loads and occur with 3 bar g in the steam space. The common line slopes down to the flash vessel at 1.5 bar g, situated in the same plant room. Condensate in the flash vessel falls via a float trap down to a vented receiver, from where it is pumped directly to the boiler house. The trap discharge lines are sized on full-load with steam pressure at 3 bar g and condensate pressure of 1.5 bar g, and as each is not flooded, the lower line sizes are picked from the graph. Determine the condensate line sizes for the falling discharge lines and common lines.

Common return lines - rising lines

It is sometimes unavoidable for condensate discharge and common lines to rise at some point between the trap and the point of final termination. When this is the case, each discharge line is sized by moving up to the next size on the chart, as previously discussed in this Module. Example 14.3.9 Figure 14.3.12 shows the same three heat exchangers as in Example 14.3.8. However, in this instance, the common line rises 15 m and terminates in an overhead non-flooded condensate return main, giving the same backpressure of 1.5 bar as in Example 14.3.8. Each of the discharge lines is sized as a rising line. Determine the condensate line sizes for the discharge lines and common lines.

Example 14.3.10 - Falling common line

Calculating the common line sizes for the application shown in Fig. 14.3.12 which falls to a final termination point:

Example 14.3.11 - Rising common line

Calculating the common line sizes for the application shown in Fig. 14.3.14 which rises to a final termination point: Note that the steam loads are the same as Example 14.3.10, but the discharge lines are one size larger due to the rising common line.

The procedure shown in Examples 14.3.10 and 14.3.11 can be simplified by using Appendix 14.3.3.

For example, where pipes A and B (20 mm and 50 mm) join, the minimum required pipe diameter is shown as 54 mm. Clearly, the user would fit the next largest size of commercial pipe available, unless the calculated bore is close to a nominal bore size pipe.

Appendix 14.3.1 Flow of water in heavy steel pipes

Appendix 14.3.3 Common pipe sizing table D1 = Connecting branch size (N.B.) D2 = Common pipe size