蒸汽工程原理与传热GydF4y2Ba

例2.3.1.GydF4y2Ba

涡轮机在90巴@ 450℃下提供过热蒸汽。GydF4y2Ba
排气是在0.06巴（部分真空）和10％的湿。GydF4y2Ba
饱和温度= 36.2℃。GydF4y2Ba

2.3.1.1确定Carnot效率（ηc）GydF4y2Ba

2.3.1.2确定朗肯效率(ηR)GydF4y2Ba

为理论兰金循环，图2.3.2中，假设有在涡轮机没有摩擦损失，蒸汽的完美膨胀发生在涡轮机（等熵），并通过给水泵冷凝返回到锅炉加入忽略的能量。GydF4y2Ba

使用例2.3.1其中:GydF4y2Ba

• 涡轮机在90巴@ 450℃下提供过热蒸汽。GydF4y2Ba
• 排气是在0.06巴（部分真空）和10％的湿。GydF4y2Ba
• 饱和温度= 36.2℃。GydF4y2Ba

此数据可以在温度/焓曲线上被绘制成图2.3.3中所示：GydF4y2Ba

对任一循环的图形进行检查表明，为了实现高效率：GydF4y2Ba

• 涡轮机入口处的温度或能量应尽可能高。这意味着实际上可以高的压力和温度。过热的蒸汽是提供这一点的最简单方法。GydF4y2Ba
• 在排气温度或能量必须尽可能低。这意味着尽可能低的压力和温度实际上是可能的，并且通常是由在涡轮机排气的冷凝器来实现。GydF4y2Ba

笔记：GydF4y2Ba

• 在实施例2.3.1.1和2.3.1.2中计算的图是用于热力学效率，并且不得与机械效率混淆。GydF4y2Ba
• 虽然效率数字看起来非常低，但它们不得以隔离观察，而是用于将一种类型的热引擎与另一个类型的热引擎进行比较。例如，燃气轮机，蒸汽发动机和柴油发动机。GydF4y2Ba

例2.3.2GydF4y2Ba

多少更多的热量并在相同压力下过热蒸汽具有400℃的温度和1.013巴一个（0巴克）的压力下具有比饱和蒸汽？GydF4y2Ba

这听起来可能是一种有用的能源增加，但实际上，它将使那些想要使用蒸汽来加热的工程师的生活更加困难。GydF4y2Ba

从示于过热的能量，比热容量可以通过由饱和温度（100℃）和过热蒸汽的温度（400℃）之间的温度差除以该值来确定：GydF4y2Ba

然而，与水的比热容量不同，过热蒸汽的比热容量随压力和温度而变化显着，并且不能作为恒定的。GydF4y2Ba

因此，上面给出的2.0kJ / kg°C的值仅是该压力的指定温度范围内的平均特定热容量。GydF4y2Ba

有温度，压力和过热蒸汽的比热容量之间没有直接关系。然而，有，增加的倾向随着低过热度压力比热容是大势所趋，但这并不总是如此。GydF4y2Ba

可以过热蒸汽在过程热交换器等加热过程中使用？GydF4y2Ba

尽管过热蒸汽不是传递热量的理想介质，但在世界各地的许多蒸汽厂，特别是在生产石油和石化产品的HPI（碳氢化合物加工工业）中，过热蒸汽有时用于工艺加热。这很可能是因为过热蒸汽已经在现场可用于发电，是涡轮机的首选能源，而不是因为它在加热方面比饱和蒸汽有任何优势。为了明确这一点，在大多数情况下，应将饱和蒸汽用于传热过程，即使这意味着对蒸汽进行减温。HPI通常将蒸汽的过热温度降低到大约10度以内。在加热表面的第一部分，很容易消除这种小程度的过热。过热度越大，处理起来就越困难，而且通常不经济，最好避免（用于加热目的）。GydF4y2Ba

有些原因是为什么过热蒸汽不适用于加工加热作为饱和蒸汽的原因：GydF4y2Ba

过热的蒸汽必须冷却到饱和温度才能凝结，释放潜热(蒸发焓)。当过热蒸汽冷却到饱和温度时，它所放弃的热量与蒸发焓相比是比较小的。GydF4y2Ba

如果蒸汽只有几度的过热，那么在它凝结之前，这一小量的热量很快就被释放了。然而，如果蒸汽有很大程度的过热，冷却可能需要较长时间，在此期间蒸汽释放的能量非常少。GydF4y2Ba

不同于饱和蒸汽，过热蒸汽的温度是不均匀的。过热蒸汽必须冷却到放弃的热量，而饱和蒸汽的变化阶段。这意味着，温度梯度在传热表面可以用过热蒸汽发生。GydF4y2Ba

在热交换器中，使用过热的蒸汽可导致形成干壁沸点，靠近管板。这种干壁区域可以迅速变得缩放或污染，由此产生的管壁的高温可能导致管衰竭。GydF4y2Ba

这清楚地表明，在传热应用中，具有很大程度的过热的蒸汽很少使用，因为它：GydF4y2Ba

• 在冷却到饱和温度之前，释放少量热量。GydF4y2Ba
• 当传热表面冷却到饱和温度时，在其上创建温度梯度。GydF4y2Ba
• 在蒸汽过热时提供较低的热转印速率。GydF4y2Ba
• 需要更大的传热面积。GydF4y2Ba

因此，过热的蒸汽与用于传热应用的饱和蒸汽不如饱和蒸汽一样有效。这似乎奇怪，考虑到在加热表面上的热传递速率与其上的温差成比例。如果过热的蒸汽在相同压力下比饱和蒸汽高于饱和蒸汽，则肯定会过热蒸汽应该能够赋予更多的热量？这是“否”的答案。现在将更详细地查看这一点。GydF4y2Ba

确实，温度差将对传热表面上的传热速率产生影响，如图2.5.3所示。GydF4y2Ba

等式2.5.3还表明，传热将取决于整体传热系数'U'和传热区域'a'。GydF4y2Ba

对于任何单一的应用，传热面积可以是固定的。然而，同样不能在“U”的值可以说;这是饱和和过热蒸汽之间的主要区别。GydF4y2Ba

过热蒸汽的整体“U”值在整个过程中会有所不同，但始终远低于饱和蒸汽的“U”值。很难预测过热蒸汽的“U”值，因为这取决于许多因素，但一般来说，过热程度越高，“U”值越低。GydF4y2Ba

通常，对于被水包围的水平蒸汽盘管，过热蒸汽的“U”值可能低至50至100 W/m²°C，而饱和蒸汽的“U”值为1 200 W/m²°C，如图2.3.4所示。GydF4y2Ba

对于蒸汽与油的应用中，“U”值可能是相当少的，也许是低至20 W /平方米℃，过热蒸汽和150W /平方米℃下的饱和蒸汽。GydF4y2Ba

在壳体和管式热交换器中，可以预期100W / m 2℃，可以预期用于饱和蒸汽的500W /m²℃。这些数字是典型的;实际数字会因其他设计和操作考虑而有所不同。GydF4y2Ba

虽然过热蒸汽的温度比在相同压力下的饱和蒸汽始终高，它能够传递热量，因此要低得多。总的效果是，过热蒸汽处于在相同的压力比饱和蒸汽的热量传递不太有效。下一节“污垢”给出更多细节。GydF4y2Ba

过热蒸汽不仅传热效率较低，而且很难用公式2.5.3 Q̇= U A ΔT进行量化，因为蒸汽在经过受热面时，由于放弃热量，其温度会下降。GydF4y2Ba

预测热传递的大小面利用过热蒸汽是困难和复杂的。在实践中，基本数据需要执行这样的计算要么不知道或凭经验获得的，将他们的可靠性和准确性有疑问。GydF4y2Ba

显然，由于过热蒸汽在传递热量方面不如饱和蒸汽有效，因此任何使用过热蒸汽的加热区域都必须大于在相同压力下运行的饱和蒸汽盘管，以提供相同的热量流量。GydF4y2Ba

如果别无选择，只能使用过热蒸汽，就不可能使蒸汽在整个加热盘管或热交换器中保持过热状态，因为当蒸汽向二次流体放弃部分热量时，它会冷却到饱和温度。饱和以上的热量与发生冷凝时的大量热量相比是相当小的。GydF4y2Ba

在此过程中，蒸汽应相对较快地达到饱和；这允许蒸汽冷凝以产生更高的传热速率，并导致整个盘管的整体“U”值更高，见图2.3.5。GydF4y2Ba

为了帮助启用这种情况，用于传热目的的过热蒸汽不应超过约10°C的超热。GydF4y2Ba

如果是这样，这是比较容易和实用的设计的热交换器，或者在相同的压力基于饱和蒸汽的加热表面积的线圈，通过加上一定量的表面面积以允许过热。使用该指针，一个线圈的第一部分将被纯粹用于过热蒸汽的温度降低到其饱和点。然后将线圈的其余部分将能够采取的饱和蒸汽的更高的传热能力的优势。其效果是，整体“U”值可能并不比如果饱和蒸汽被供应到线圈小得多。GydF4y2Ba

从实际经验，如果需要的过热蒸汽的额外加热面积是每2°过热C，该线圈（或热交换器）1％将足够大。这似乎工作长达过热10℃。这是不建议上述过热的10℃的过热蒸汽被用于加热目的，由于加热表面的可能不成比例并且不经济的尺寸，倾向由污垢结垢以及产品变质的由高且不均匀过热的可能性温度。GydF4y2Ba

污染GydF4y2Ba

污垢是由于传热表面上堆积的沉积物增加了对热流的阻力而造成的。许多工艺液体会在受热面上沉积污泥或水垢，并且在较高温度下沉积速度更快。此外，过热蒸汽是一种干气。从蒸汽流向金属壁的热量必须通过附着在壁上的静态薄膜，该薄膜可抵抗热流。GydF4y2Ba

相反，饱和蒸汽的冷凝导致蒸汽朝向壁的运动，以及在冷凝表面处的大量潜热释放。这些因素的组合意味着在存在过热蒸汽的情况下，整体传热速率远低得多，即使蒸汽和二次流体之间的温差更高。GydF4y2Ba

示例2.3.3确定过热蒸汽管束的尺寸GydF4y2Ba

过热蒸汽在3巴克与过热的10℃（154℃）被用作与250千瓦的加热负荷的壳管工艺热交换器的主要热源，加热基流体80的油°C到120°C（使算术平均二次温度（ΔTGydF4y2Ba_是GydF4y2Ba）100℃）。线圈需要估计主蒸汽的面积。GydF4y2Ba

（算术平均温差用于简化计算；在实践中，对数平均温度将用于更高的精度。有关算术平均温差和对数平均温差的详细信息，请参考模块2.5“传热”。GydF4y2Ba

首先，考虑线圈，如果它是由饱和蒸汽在3巴克（144℃）加热。GydF4y2Ba

饱和蒸汽加热油通过一个新的碳钢盘管的' U '值被认为是500 W/mGydF4y2Ba^2GydF4y2Ba°C。GydF4y2Ba

利用过热蒸汽的其他应用GydF4y2Ba

当蒸汽流经相对狭窄的通道时，如管壳式换热器中的管或板式换热器中的板，上述所有条件都适用。GydF4y2Ba

在某些应用中，可能是造纸机中的干燥筒，当其速度降至非常小的值时，过热蒸汽的体积会增大。在这里，汽缸壁附近的蒸汽温度迅速下降到接近饱和，并开始凝结。通过壁面的热流就如同汽缸被饱和蒸汽供应一样。过热只存在于蒸汽空间的“核心”内，对传热率没有明显的影响。GydF4y2Ba

存在过热存在的情况实际上可以降低过程的性能，其中蒸汽被用作工艺材料。GydF4y2Ba

在颗粒之前，一种这样的过程可能涉及从蒸汽的产品赋予产品的水分，例如，在颗粒之前的动物饲料（膳食）的调理。这里由蒸汽提供的水分是该过程的重要组成部分;过热蒸汽会过度干燥饭菜，使造粒难以造成造粒。GydF4y2Ba

降低蒸汽压力的效果GydF4y2Ba

除了使用附加热交换器（通常称为“过热器”）外，还可以通过允许蒸汽在通过减压阀孔口时膨胀到较低的压力来将过热传递给蒸汽。这被称为节流过程，低压蒸汽的焓与上游高压蒸汽相同（除了通过阀门时因摩擦而损失的少量蒸汽）。但是，节流蒸汽的温度始终低于供应蒸汽的温度。GydF4y2Ba

节流蒸汽的状态取决于:GydF4y2Ba

• 供应蒸汽的压力。GydF4y2Ba
• 供应蒸汽的状态。GydF4y2Ba
• 通过阀孔的压降。GydF4y2Ba

对于低于在干燥饱和状态30巴克供给蒸汽，在压力的任何下降都会产生节流后过热蒸汽。过热度将取决于压力降低量。GydF4y2Ba

用于供给上述蒸汽在干燥饱和状态30巴g时，节流蒸汽可能会过热，干燥饱和的，或甚至湿，这取决于压力降的量。例如，干燥在60巴克饱和蒸汽将必须被减小到大约10.5巴克以产生干饱和蒸汽。压降的任何减少将产生的湿蒸汽，而任何更大的压降会产生过热蒸汽。GydF4y2Ba

同样，供应蒸汽在任何压力状态会影响节流蒸汽的状态。例如，在10巴克和0.95干度的压力湿蒸汽将需要被减小到0.135巴克以产生干饱和蒸汽。压降的任何减少将产生的湿蒸汽而任何更大的压降将过热蒸汽节流。GydF4y2Ba

实施例2.3.4提高湿蒸汽的干度的控制阀GydF4y2Ba

蒸汽与0.95的干度（χ）从6巴降低克至1巴克，使用减压阀。GydF4y2Ba

确定压力减少阀后的蒸汽条件。GydF4y2Ba

由于在1巴g的蒸汽的实际焓小于1巴g的干燥饱和蒸汽的焓，然后蒸汽不会过热，并且仍然保持其含量的水分比例。GydF4y2Ba

由于压力还原阀之后的总焓小于1巴g的蒸汽的总焓，蒸汽仍然湿润。GydF4y2Ba

例2.3.5通过控制阀产生的超热GydF4y2Ba

蒸汽具有0.98干度从使用减压阀（如图2.3.6）10巴克下降到1巴克降低。GydF4y2Ba

判断过热阀后的程度。GydF4y2Ba

如在前面的例子（2.3.4）中，1巴g的干燥饱和蒸汽（Hg）的特定焓为2 706.7 kJ / kg。GydF4y2Ba

蒸汽的实际总焓大于1巴g的干燥饱和蒸汽的总焓（Hg）。因此，蒸汽不仅有100％干燥，而且还具有一定程度的过热。GydF4y2Ba

过剩能量=2741.7-2706.7=35 kJ/kg，用于将蒸汽温度从120°C的饱和温度提高到136°C。GydF4y2Ba

通过使用过热的蒸汽表或使用Mollier图表可以确定过热程度。GydF4y2Ba

示例2.3.6完美的概要扩张导致工作GydF4y2Ba

考虑蒸汽通过涡轮的完美扩展。初始压力为50巴的，温度为300℃，最终压力为0.04巴的。GydF4y2Ba
由于这个过程是一个完美的膨胀过程，熵保持不变。最终的条件可以通过从初始条件垂直下降到0.04 bar的恒压线得到(见图2.3.9)。GydF4y2Ba

在初始条件下，熵约为6.25 kJ/kg°C。如果沿着这条线垂直向下，直到达到0.04 bar a，就可以评估蒸汽的最终状态。此时比焓为1 890 kJ/kg，干燥率为0.72(见图2.3.9)。GydF4y2Ba

最终条件也可以通过使用过热的蒸汽表来确定。GydF4y2Ba

由于0.04 bar a（8.473 kJ/kg°C）下干饱和蒸汽的熵大于50 bar a/300°C（6.212 kJ/kg°C）下过热蒸汽的熵，因此一些干饱和蒸汽必须冷凝以保持恒定熵。GydF4y2Ba

当熵保持不变时，在最终条件下：GydF4y2Ba

这些答案使用所述莫里尔图得到的结果密切对应。在两组结果之间值的小的差别是可以预料的，考虑到涉及读取关闭的图表，如本的不准确性。GydF4y2Ba