蒸汽管道详解

第一章介绍一、蒸汽二、蒸汽和组织三、蒸汽和冷凝水一、蒸汽——蒸汽是应用最广泛的热量载体之一，它广泛应用于工业系统。蒸汽使用的特点;1.蒸汽的产生高效而经济2.蒸汽可以方便地、高效地传输到用汽点3.蒸汽容易控制4.能量传递方便5.现代蒸汽设备管理容易6.蒸汽应用灵活二、蒸汽和组织•以上所说的种种好处并不是所有的蒸汽用户都关心，根据对事物的不同看法，整齐的好处可以再进一步细分，如：总裁、经理以及操作人员由于职位的不同，对此的感受也不同，他们对蒸汽提出的问题也各不相同。•比如投资、成本、如何充分利用该系统、征用蒸汽对公司的好处、是否有足够的安装空间、维护是否方便、能否自动运行等。三、蒸汽和冷凝水系统•锅炉房室整个蒸汽系统的心脏，典型的现代化快装式锅炉都是采用燃烧器把热量输送到炉管内。燃烧器出来的高温烟气通过管道把热量传递给水，一旦锅炉内的水达到饱和温度，气泡产生并上升到水的表面，然后破裂，蒸汽就释放到上步的蒸汽空间内，准备进入蒸汽系统。•给水，锅炉給水的质量至关重要。为了防止对锅炉造成热冲击，给水必须控制在正确的温度，通常在100度左右，同时又可以保证锅炉高效运行；给水的水质也至关重要，必须保证水质，避免对锅炉造成危害。•排污，对锅炉給水进行化学加药处理会导致锅炉内的悬浮固体物增加，这些固体物质将不可避免地以淤泥的形式沉淀在锅炉的底部，然后通过锅炉底部排污排放掉。排污可以手动进行定期排污。•液位控制，如果锅炉液位没有正确的控制，将会造成灾难性后果。如果液位降低过多，炉管会暴露在水面上并造成过热，从而导致爆炸；如果液位太高，谁可能进入蒸汽系统，对工艺制程造成损坏。所以需装有液位传感器和报警系统。•制程控制，任何使用蒸汽设备都需要用一些措施来控制蒸汽的流量。采用控制阀用来控制蒸汽流量，由传感器提供工艺参数，并为控制器提供信号，控制器比较制程条件与设定值的区别，然后发送信号给执行器，从而调节阀门的开度。•从设备中排出冷凝水，通常，冷凝水可以通过输水阀很方便地排出，进入冷凝水排放系统，如果冷凝水已被污染，应直接排放掉，如果没有被污染，可回收再入锅炉循环利用。第二章蒸汽工程和传热一、工程单位二、什么是蒸汽三、蒸汽品质四、传热五、估计蒸汽耗量的方法六、蒸汽用量的测量七、额定热功率八、管道和空气加热器的蒸汽耗量计算九、换热器的蒸汽耗量十、工厂设备的蒸汽耗量十一、熵的基本理解和实际应用一、工程单位•在工程应用中，人们使用了很多不同的定义和工程单位，用来表征机械和热力学上的特性，这样，就需要制定大家工人党俄国际单位制（简称SI）•国际单位制以七个单位为基础，非别为长度（米）、质量（千克）、时间（秒）、温度（K）、电流（安培）、物质的量（摩尔）、发光强度（坎德拉）•标准温度和压力：标准温度是纯水的冰点0摄氏度活73.15K；标准压力是760mm汞柱，这个压力为1个标准大气压，即1.01325x105Pa，气体密度通常采用标准温度或压力下的值。•绝对压力（a），此压力基于绝对压力，例如：绝对真空的绝对压力是0bara•表压（g），此压力实在大气压下测量的压力数据，通常采用1.01325bara表压=绝对压力-大气压力•密度和比容，物质的密度是指单位体积的物质所具有的质量，比容（Vg）是单位质量物质所占有的体积，因此它是密度的倒数。密度=1/Vg•1.比焓，指物体在给定时间和条件下的总能量，它与压力和温度都有关系，基本单位是焦耳（J），由于1焦耳的能量非常小，通常使用千焦作为单位，比焓的单位是KJ/KG•2.比热容：指的是把1千克的物质升高1摄氏度所需要的能量，可以理解为物质的吸热能力。因此，国际单位制中比热容的单位是KJ/KG·℃，把物质的温度升高所需要的热量可由公式计算Q=MCPΔT，式中Q=能量（KJ），m=物质的质量，CP=该物质的比容，ΔT=温差。•例如：考虑2L水温度从20摄氏度升高70摄氏度所需要的热量•在大气压下谁的密度近似为1000Kg/m3,由于1m3=1000L，因此水的密度也就是1kg/l，2L水的质量是2kg,温度较低时水的比热容是4.19KJ/KG·℃•因此Q=2X4.19X（70-20）=419KJ•419KJ/3.6=116kw\h•3.熵（S），熵指的是系统内的无序程度，无序程度越高，熵越高，国际单位中熵的单位是KJ/（KG·K）,公式：熵的变化ΔS=焓的变化ΔH/ΔT•例如：大气环境下，1kg水的温度从0升高到100度（273到273K），计算熵的变化？•ΔS=ΔH/ΔT=（419-0）/分子（273+373）/2=419/323=1.297二、什么是蒸汽•1.当水的温度上升到他沸腾的状态，一些分子得到足够的动能，具有了足够的速度，这样就可以在落回液体中之前从液体表面逸出，当离开液体表面的分子比那些中心进入液面的分子多的时候，水会自由蒸发，这是他已经达到了他的沸点或饱和温度。•2.蒸发焓或潜热，这是指的是在沸腾温度下水变成蒸汽需要吸收的热量，其间，水和蒸汽的混合物温度不上升，所有的能量用来把水有液态变为气态（饱和蒸汽）•饱和蒸汽的总焓hg=hf+hfg,式中hg=总焓，hf=液体焓（显热），hfg=蒸发焓（潜热），单位为KJ/kg，下面为饱和蒸汽表，是大气压0barg时的干饱和蒸汽的性质。•压力饱和温度焓（KJ/Kg）比容M3/kg水hf蒸发焓hfg蒸汽焓hg0100419225726761.673•干度•在某个压力下，具有沸点温度的蒸汽被称为干饱和蒸汽。在锅炉中，热量仅仅传递给水，且蒸汽气泡表面与水接触，所以产生的蒸汽一般含有5%的水。如果说蒸汽中水的质量份额为5%，那么就说蒸汽是95%的干燥，干度系数为0.95。•湿蒸汽的实际蒸发焓干度（X）和蒸发焓hfg的乘积，湿蒸汽含有的可用能量比干饱和蒸汽少。•公式为实际蒸发焓=hfgX，因此，实际总焓=hf+Xhfg，由于水的比容要比蒸汽的比容小好几个数量及，湿蒸汽中含有的水滴的体积可以忽略，因此，湿蒸汽的比容比干蒸汽的小：实际比容=Vgx，Vgx是干饱和蒸汽的比容三、蒸汽品质•蒸汽离开锅炉，由于管道的散热损失，部分蒸汽会冷凝，即使保温再好，该过程也无法避免。•基于上述原因，蒸汽到达用汽点相对较湿。•由于蒸汽中水的存在降低了蒸汽的蒸发焓，同时也导致在关岛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派出包含在蒸汽中和沉积在管道底部的冷凝水，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，并通过疏水阀排出。•水锤，由于管道的散热损失蒸汽冷凝成水，冷凝水在管道内壁形成水滴，水滴被蒸汽流吹扫成水膜，由于重力作用会流向管道底部，水膜厚度会不断增加形成水弹，水弹以蒸汽的速度在管道内运动，从而破坏用热设备。四、传热•传热的公式为：•Q=KAΔT/材料厚度•式中：Q为单位时间内的传热量•K为材料的导热系数（W/MK）•A传热面积•ΔT通过材料的温度差材质导热系数空气0.025冷凝水0.4污垢0.1-1水0.6钢50铜400五、估计蒸汽耗量的方法•计算,计算加热物质所需热量的公式为Q=MCPΔT，式中Q=能量（KJ），m=物质的质量，CP=该物质的比容，ΔT=温差。•考虑两个非流动加热制成，他们需要的加热量是相同的，但加热时间不同。虽然总的患热量相同，但换热功率不同，对于平均换热功率可用公式：Q=MCPΔT/t，式中Q=能量（KJ），m=物质的质量，CP=该物质的比热，ΔT=温差,t=加热制程的时间秒（s）。•对于给定质量的蒸汽所提供的热量可以用下面公式表示：•Q=mshfg式中ms=蒸汽质量•=在这里如假定热量传递的效率为100%，那么蒸汽提供的热量必须和被加热介质需要的热量相等，这样可以产生一个热量平衡公式：•Q=mshfg=MCPΔT/t•例：一个油箱中有400kg的煤油，在20分钟内从10摄氏度加热到40度，使用4bar的蒸汽，在该温度范围内煤油的比热为2.0KJ/（kg·℃）,4.0bar下饱和蒸汽的蒸汽比焓为2108.1KJ/kg，油箱保温良好，热损失忽略不计，确定蒸汽流量？•解：Q=[400kgx2.0KJ/（kg·℃）x(40-10)]/1200s=20kj/s•因此，ms=20kj/s/2108.1kj/kg=0.0095kg/s=34.2kg/h•平均蒸汽耗量•对于诸如制成换热器或加热气等流动型应用，其平均蒸汽耗量可以用下面公式计算•ms=mCPΔT/hfg•式中ms为平均蒸汽耗量•m为二次测流体流量•CP为二次测流体比热，ΔT二次测流涕温度，•hfg为蒸汽的蒸发比焓•通过上述公式可得ms=Q/hfg，•因为平均传热量本身需要根据质量流量、比热、温度计算所得，因此使用本公式更方便。•例如：使用3bar的干燥饱和蒸汽将恒定流量为1.5L/s的水从10度加热到60度，3bar下蒸汽蒸发比焓为2133.4kj/kg，水的比热为4.19kj/(kg·℃)，确定蒸汽流量？•解：使用公式ms=mCPΔT/hfg•ms=1.5x4.19x(60-10)/2133.4=0.1473kg/s=530kg/h六、蒸汽流量的测量•雷诺数•雷诺数是一个无纲量常数，公式为：•雷诺数（Re）=ρuD/μ，•式中：ρ=密度•u=管道内流体的平均流速（m/s）•D=管道内经•μ=动力黏度（Pa·s）•分析雷诺数的性质•1.对于特定的流体，如果流速较低，那么雷诺数也较低•2.入股噢两种流涕密度相似，两者在管道内的流动速度相等，那么高动力黏度的流体雷诺数较低•3.对于一个给定系统，若管径、动力黏度保持不变，那么雷诺数与速度成线性关系•根据流动特性，分析雷诺数，具体分为以下几个：•1.层流，雷诺数（Re）在100-2300之间•2.过渡流区域，雷诺数（Re）在2300-10000之间•3.湍流，雷诺数（Re）在10000以上区域•例：10bar的饱和蒸汽一25m/s的流速在100mm的管道内流动，计算雷诺数？•根据公式：雷诺数（Re）=ρuD/μ•=(5.64x25x0.1)/(15.2x10-6)•=927631=0.9x106•根据以上信息，计算10bar饱和蒸汽100mm管道内湍流流动时的做大和最小流量？•先计算介质流速：•（Re）=ρuD/μ•Re=(5.64xux0.1)/(15.2x10-6)=1X105•=927631=0.9x106•u=(1x105x15.2x10-6)/(5.64x0.1)=2.695m/s•体积流量qv=AU,qm=qv/vg•式中：qm=质量流量，qv=体积流量，vg=比容•则qm=AU/vg•式中：A=3.14XD2/4•qm=AU/vg=3.14XD2U/4vg=(3.14x0.12x2.695)/(4x0.177)=430kg/h•同样对于流动的最大雷诺数，R=1X106•Re=(5.64xUx0.1)/(15.2x10-6)=1x106•u=[(1x106))x(15.2x10-6)]/(5.64x0.1)=26.95m/s•并且：qm=AU/vg•=3.14XD2U/4vg•=(3.14x0.12x26.95)/(4x0.177)•=4300kg/h•总结：•1.管道内饱和蒸汽的质量流量是密度、黏度、速度的函数•2.为了精确计量蒸汽流量，应正确选择蒸汽管道，使其流动时的雷诺数在1x105---1x106之间•3.由于在给定条件下流涕的黏度是不变的，因此正确确定雷诺数就是正确选择管道的口径•4.如果压力、密度、黏度保持不变，雷诺数增加10倍，那么速度同样也增加10倍•计量的相关术语•重复性•重复性是指在同一条件下对同一被测量进行多次测量所得结果之间的一致程度•不确定度•不确定度通常用精度来代替，这是因为真值永远是未知的，精度也就无从谈起。但是不确定度可以估计，且可根据ISO标准来计算。主要指流量计正确显示的流量与真值之间的差值，通常用百分比来表示。•量程比•量程或量程比，指一台流量计在保证精度和重复性