蒸汽品质

蒸汽品质章节2.4第2章蒸汽工程和传热蒸汽和冷凝水系统手册2.4.1蒸汽品质61蒸汽品质章节2.4第2章蒸汽工程和传热蒸汽和冷凝水系统手册2.4.2过滤器过滤器图2.4.1带有自动排空气阀和过滤器的蒸汽制程设备蒸汽蒸汽和空气混合物对于蒸汽和空气混合物，由于空气的存在会使蒸汽的温度比实际的饱和温度低。混合气体的总压力是各混合气体的分压力之和，这称为道尔顿分压定理。分压力为每个组分充满整个混合气体空间所产生的压力。蒸汽品质蒸汽到达用汽点应该具有以下品质：正确的蒸汽量；正确的压力和温度；没有空气和其它不凝性气体；干净；干燥。正确的蒸汽量对于任何一个加热制程必须提供正确的蒸汽量以确保能提供足够的热量。同样，正确的蒸汽量能避免产品损坏或生产率的下降。为了得到所需的蒸汽量，蒸汽负荷必须正确计算、蒸汽管道必须选型正确。正确的压力和温度蒸汽到达用汽点压力应该达到需要的值，从而为制程提供合适的温度，否则制程的性能将受到影响。正确选择管道和附件口径能确保做到这一点。如果蒸汽中含有空气和/或其它不凝性气体，虽然压力表显示了正确的压力，但压力所对应的饱和温度却无法达到。空气和其它不凝性气体蒸汽管道和设备起动时会有空气，即使在最后时刻系统中充满了纯蒸汽，但系统停机时蒸汽会冷凝，随之产生的真空会吸入空气。当蒸汽进入系统时，它会推动空气到达排放点或离蒸汽进口的最远端。因此在排放点安装的疏水阀应该具有足够的排空气能力，在管道的最远端应该安装自动排空气阀。但是，系统内存在的湍流会混合蒸汽和空气，空气被蒸汽一起携带到换热表面。蒸汽冷凝后，空气会残留在换热表面形成绝热层—成为传热的热阻。蒸汽加热煮锅冷凝水空气排至安全地自动排空气阀



公式2.4.162蒸汽品质章节2.4第2章蒸汽工程和传热蒸汽和冷凝水系统手册2.4.3图2.4.2管道过滤器ACDB注：这是一种热力关系，所有的压力必须用绝对压力表示bara。例2.4.1假定蒸汽和空气的混合物，蒸汽占总体积的3/4，空气占1/4，总的压力为4bara。决定混合物温度的压力为:因此，虽然压力表显示的压力为4bara而实际蒸汽的有效压力为3bara，混合物的温度只有134℃，而不是所期望的144℃的饱和温度。这种现象不仅对换热应用（随温差的增大换热率会增大），而且对那些需要保证最低温度以确保物理或化学变化的制程都很重要。例如，对于杀菌罐为了杀死细菌，必须保证最低的灭菌温度，如果有空气存在，蒸汽就无源达到要求的温度。蒸汽和冷凝水系统的其它空气来源空气也可能溶解在锅炉补给水和冷凝水（暴露在空气中吸收空气中的氮气、氧气和二氧化碳等）中而进入系统。当水在锅炉中被加热，这些气体会释放出来并随蒸汽进入分配系统。大气中含有78%氮气、21%的氧气和0.03%二氧化碳，氧气的溶解性大约是氮气的2倍，而二氧化碳的溶解性大约比氧气大30倍。这表示溶解在锅炉给水中的“空气”含有很大比例的二氧化碳和氧气，这两种物质会引起锅炉和管道的腐蚀。这些可溶气体在水中的溶解度随温度的上升而下降。因此通常给水箱的温度应不低于80℃，这样空气和二氧化碳能析出。通过对补给水的除盐和除气处理也可以使溶解的二氧化碳浓度降到最低。水中的溶解气体的浓度由亨利定律决定，其描述为对于给定液体，气体溶解量大小和气体的分压力成正比。这只有在恒定的温度和气体不与液体发生化学反应情况下才适用。蒸汽的清洁度管道上污垢层的形成可能是由于老的蒸汽系统内铁锈或硬水中的碳酸盐沉积物而形成。蒸汽系统中可能会有其它类型的杂质，例如管道安装后残留的焊渣、使用不当或过剩的连接材料。这些杂质将会增加弯管疏水阀及其它阀门的磨损。基于这个原因，安装管道过滤器是通常使用的有效方法，如图2.4.2所示。它应该在所有的疏水阀、流量计、减压阀和控制阀的上游安装。蒸汽从入口A流入经过多孔过滤网B达到出口C。蒸汽和水能容易地通过过滤网而杂质会被过滤下来。端盖D可以拆卸，可以取出过滤网进行定期清洗。当蒸汽管道安装过滤器时应保证端盖D朝向管道侧面，这样可以避免冷凝水的积聚而造成的水锤问题，同时也可以最大程度地使用过滤网的面积。换热器的表面也可能产生污垢层，引起额外的传热热阻。以下两点是造成污垢层的主要原因：锅炉运行不当，杂质随汽水携带进入系统。锅炉房水处理不当。如果能改进锅炉运行和消除蒸汽中的水分，污垢层的积聚会大大减少。3x4bara=3bara463蒸汽品质章节2.4第2章蒸汽工程和传热蒸汽和冷凝水系统手册2.4.4蒸汽的干度不正确的锅炉水处理和短时间的峰值负荷会引起汽水共腾，锅炉水会被携带进入蒸汽主管，引起化学物质和其它杂质沉积在换热器表面。随着时间的推移，沉积物不断积聚，工厂的效率将逐渐降低。除此以外，蒸汽离开锅炉，由于管道的散热损失，部分蒸汽会冷凝。即使管道的保温再好，该过程也无法完全避免。基于以上这些原因，蒸汽达到用汽点会相对较湿。由于蒸汽中水分的存在降低了蒸汽的蒸发焓，同时也导致在管道和换热设备表面污垢的形成。蒸汽中包含的水分会增加蒸汽冷凝时形成的冷凝水膜，产生额外的传热热阻。蒸汽管道的汽水分离器将分离并排除包含在蒸汽中和沉积在管道底部的冷凝水。在图2.4.3中，当蒸汽通过汽水分离器将改变几次流动方向，挡板对较重的水滴产生阻碍而较轻的蒸汽能自由通过，水分将沿挡板流向汽水分离器底部并通过疏水阀排出。疏水阀可以排放冷凝水而不会泄漏蒸汽。水锤由于管道的散热损失蒸汽冷凝成水，冷凝水在管道的内壁形成水滴。水滴被蒸汽流吹扫形成水膜。由于重力作用，冷凝水会流向管道底部，水膜的厚度不断增加。沿着蒸汽管道流动的冷凝水滴不断积累最终会形成水弹（如图2.4.4所示），水弹以蒸汽的流速在管道中运动（25-30m/s）。图2.4.4水弹的形成蒸汽蒸汽蒸汽冷凝水水弹图2.4.3汽水分离器空气和不凝性气体排放口干蒸汽出口湿蒸汽进口水分通过疏水阀排出64蒸汽品质章节2.4第2章蒸汽工程和传热蒸汽和冷凝水系统手册2.4.5蒸汽蒸汽蒸汽冷凝水冷凝水冷凝水图2.4.5水锤发生的潜在根源同心缩径管道-不正确过滤器安装不当上升管道前排放不充分这种水弹密度高、不可压缩，当高速运动时具有相当大的动量。能量守恒定律告诉我们能量不能被创造或消灭，它只是简单地从一种形式转换成另一种形式。当遇到阻碍时，例如管道的弯头或三通，水的动能转换为压力能，压力波将作用在障碍物上。冷凝水也会在管道低点积聚，蒸汽会携带起冷凝水弹并冲击下游的阀门和管道附件。这些低点包括可能因为没有足够支撑或管架破损引起的主管下沉。其它可能造成水锤的根源包括使用不当的同心缩径管道、过滤器或则在上升的蒸汽主管前冷凝水没有充分排放，如图2.4.5所示。冷凝水弹和阻碍物之间碰撞引起的噪声和震动称为水锤。水锤会大大降低管道附件的寿命，在严重情况下管道连接会断裂，具有如爆炸一样的效果。管道破裂处会泄漏蒸汽，非常危险。在第9章蒸汽输送中，我们将详细讨论蒸汽管道的安装。65蒸汽品质章节2.4第2章蒸汽工程和传热蒸汽和冷凝水系统手册2.4.666蒸汽品质章节2.4第2章蒸汽工程和传热蒸汽和冷凝水系统手册2.4.7Questions1.Steamsuppliedat6.5bargcontains20%airbyvolume.Whatisthetemperatureofthemixture?a|165°Cb|127°Cc|167°Cd|159°C2.Whyisaboilerfeedtankheatedtoapproximately85°C?a|Toreducetheenergyrequiredtoraisesteamb|Toreducethecontentoftotaldissolvedsolidsinthewatersuppliedtotheboilerc|Toreducethegascontentofthewaterd|Toreducethecontentofsuspendedsolidsinthewater3.Whatisusedtodrysteam?a|Aseparatorb|Astrainerc|Asteamtrapd|Ateepiece4.Whatcauseswaterhammer?a|Suspendedwaterdropletsb|Anair/watermixturec|Strainersfittedontheirsidesd|Slugsofwaterinthesteam5.Howdoesairenterasteamsystem?a|Throughjoints,onshutdownofthesteamsystemb|Withmake-upwatertotheboilerfeedtankc|Withcondensateenteringtheboilerfeedtankd|Alloftheabove6.Whyshouldstrainersinstalledonsteamlinesbefittedontheirsides?a|Topreventthebuild-upofwaterinthestrainerbodyb|Totrapmoredirtc|Toreducethefrequencyofcleaningd|Toprovidemaximumscreeningareaforthesteam1:d,2:c,3:a,4:d,5:d,6:aAnswers蒸汽品质章节2.4第2章蒸汽工程和传热蒸汽和冷凝水系统手册2.4.8