蒸汽工程原理与传热

蒸汽管道

在任何蒸汽系统中，必须考虑由管道本身引起的蒸汽冷凝。在预热期间，冷凝率将达到最高值，这应控制用于总管排水的疏水阀的尺寸。使用蒸汽总管时，也会有较小（但持续）的冷凝率管道的热损失。这两个部分都可以计算为“预热负荷”和“运行负荷”。

预热负荷

首先需要加热使冷管达到工作温度。出于安全考虑，最好是慢慢地进行，管道还可以减少热应力和机械应力。这将减少泄漏，降低维护成本，延长管道的使用寿命。通过在主隔离阀并联安装一个小阀门，可以实现缓慢的预热(图2.12.1)。这种阀门的通径可以根据所需的预热时间来确定。在大型管道上实现预热阀缓慢开启的自动化可以提高安全性。

单个主隔离阀可以成功地使用，但是，由于它的尺寸将通过管道设计流量要求，因此在预热期间，它将是超大的，因此此时将非常接近其阀座运行。在阀门前放置一个分离器，可以确保蒸汽是干燥的，防止阀内件过早磨损。

加热蒸汽主管道的时间应该尽可能长，在可接受的范围内，以最小化机械管道的压力，优化安全性，并减少启动负载。

如果用10分钟代替5分钟，初始蒸汽流量将减少一半。20分钟的预热时间将进一步降低预热负荷。

使管道系统达到工作温度所需的蒸汽流量是物料的质量和比热、温度升高、所使用蒸汽的蒸发焓和允许时间的函数。

这可以用公式2.12.1表示:

例2.12.1蒸汽管道的热损失

一个系统由100米的100毫米碳钢主体组成，其中包括9对PN40法兰连接，和一个隔离阀。

cp钢= 0.49 kJ/kg°C

环境/启动温度为20℃，蒸汽压力为14.0 bar g, 198℃(见表2.12.2)。

确定:

第1部分。预热时间为30分钟的预热冷凝率。
第二部分。绝缘厚度为75 mm时的运行荷载。

第一部分计算预热负荷

注:此冷凝速率将用于选择合适的预热控制阀。

在选择疏水阀时，冷凝速率应乘以2，以考虑到在预热完成之前所产生的较低的蒸汽压力，然后除以所安装的疏水阀的数量，以满足每个疏水阀所需的容量。

第二部分运行负载

冷凝速率取决于以下因素:

• 蒸汽的温度。
• 环境温度。
• 滞后的效率。

表2.12.4给出了未滞后钢管在20°C静空气中预期的典型热发射率。

然而，配电干线通常会滞后，如果法兰和其他管道设备也滞后，这显然是一个优势。如果主管道是法兰连接的，每对法兰的表面面积将近似于相同尺寸的300毫米管道。

当传热表面受到空气运动时，传热率增加。在这种情况下，应考虑表2.12.5所示的倍增系数。

如果安装了翅片管或波纹管，则应始终使用制造商的散热数据。

在日常生活中，风速高达4或5米/秒(约10英里/小时)代表微风，5至10米/秒(约10 - 20英里/小时)代表强风。相比之下，典型的风道速度约为3m /s。

请注意：由于涉及到许多因素，很难确定准确的数字。表2.12.5中的系数是推导出来的，并粗略说明了表2.12.4中的数字应该乘以多少。受到空气运动速度高达1 m/s左右的管道可以被视为处于静止空气中，热损失在这一点上是相当恒定的。作为指导，涂漆管道将具有高发射率，氧化钢将具有中等发射率，抛光不锈钢将具有高发射率
低发射率。

热损失的减少将取决于所使用的滞后材料的类型和厚度，以及它的一般条件。在大多数实际应用中，蒸汽管线的滞后会使表2.12.4中的热量排放减少，减少量相当于表2.12.6中的绝缘系数(f)。

请注意，这些系数仅为标称值。有关具体计算，请咨询绝缘制造商。

绝缘市电的热损失可由式2.12.2表示:

确定长度，L:

假设每对法兰的余量为0.3 m，每个截止阀的余量为1.2 m，本例中蒸汽总管的总有效长度(L)为:

确定散热率Q̇：

当环境温度为20℃时，蒸汽温度为198℃，温差为178℃。
由表2.12.4可知:100mm管道的热损失≈1374 W / m

确定绝缘系数f:

在14 bar g(从表2.12.6)下，100mm管上的75mm绝缘的绝缘系数约为0.07。

从这个例子可以看出，161 kg/h的预热负荷(见例2.12.1，第1部分)大大大于18.3 kg/h的运行负荷，而且，一般来说，预热负荷的疏水阀会自动适应运行负荷。

如果上面的蒸汽管道没有滞后或滞后损坏，运行负荷将大约增加14倍。

对于没有绝缘的管道，或绝缘较差的管道，总是比较运行和预热负载。如上所述，应该使用较高的负荷来确定疏水阀的通径。理想情况下，绝缘质量应得到改善。

注:在计算升温损失时，考虑正确的管道规格是明智的，因为不同的管道标准会导致管道重量不同。

空气加热管道

加热空气是需要的许多应用，包括:

• 空间加热。
• 通风。
• 处理应用程序。

所需的设备通常由一组充满蒸汽的管组成，安装在气流中。当空气通过管道时，热量从蒸汽转移到空气中。通常,为了减少设备的尺寸和质量,并允许它被安装在密闭空间,同时降低支持工作,和成本限制,传热率从管空气增加了额外的鳍片管的外壁。

这样可以增加可用的传热面积，从而减少所需的管道数量。图2.12.2为翅片管的一个例子。

一般而言，空气加热器可分为两类:

• 单位加热器。
• 空气加热器电池。

单位加热器

它们由一个紧凑的外壳内的加热电池和风扇组成(图2.12.3)。主介质(蒸汽)在加热器电池中冷凝，空气在吹过线圈时被加热，并被释放到空间中。

单元加热器可以设置有新风入口管道，但更经常使用循环空气。

热空气可垂直向下或水平排放。蒸汽压力、安装高度、排放类型和离开温度都是相互关联的，在选择单元加热器之前，应参考制造商的数据。大多数单元都配有影响额定输出的低速、中速或高速风机再次，应参考制造商的数据，因为高速行驶时的噪音水平可能不可接受。

空气加热器电池

这些都是更大、更复杂的单元加热器版本，见图2.12.4。它们有许多配置，包括屋顶安装，或水平类型，和风扇和过滤器也可以合并。它们通常被集成到管道空气系统中。

• 可提供可调节百叶窗，以调节新鲜空气与再循环空气的比率。
• 一些加热器组可能被合并以提供霜冻保护。

单元加热器和空气加热器电池的制造商通常给出其加热器在工作压力下的输出功率，单位为kW。由此，可通过将输出热量除以该压力下蒸汽的蒸发焓来计算冷凝率。溶液单位为kg/s；乘以3600（一小时内的秒数）将以kg/h为单位提供溶液。

因此，工作在3.5 bar g（hfg=蒸汽表中的2 120 kJ/kg）下的44 kW单元加热器将冷凝：

注:公式中包含常数3 600，以kg/h而不是kg/s表示流量。如果没有制造商的数据，但已知以下情况:

• 被加热的空气的体积流量。
• 被加热的空气的温度上升。
• 加热器中的蒸汽压力。

则近似的冷凝速率可由式2.12.3计算:

注：常数3600给出的溶液单位为kg/h，而不是kg/s。

随着管道数量的增加，水平管道组装成多排管道的盘管，依靠自然对流，效率会降低。计算此类盘管的冷凝率时，表2.12.5中给出的数值应乘以表2.12.7中的排放系数。

垂直安装的加热管也不如水平管道有效。可通过将表2.12.4中的数字乘以表2.12.6中的系数来确定此类管道的冷凝率。

表2.12.7也可用于确定用于加热静止空气的水平管道中的冷凝率。在这种情况下，使用方程式2.12.4：

空气流量的影响

当使用风扇增加管盘管上的空气流量时，凝结率会增加。根据表2.12.5、2.12.7及2.12.8的因子，可计算裸钢管(表2.12.4)的散热值。

如果考虑鳍片管，则应在所有情况下使用制造商的散热数据。

2.12.2计算空气加热器电池的蒸汽负荷

空气加热器电池将以2.3 m³/s速度流动的空气温度从18°C提高到82°C (ΔT = 64°C)，线圈内的蒸汽为3.0 bar g。