过热蒸汽Word下载.docx

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排气压力为0.06bara绝对压力（部分真空）and10%湿度，

饱和温度=36.2°

C.

注意：

在以下例子中用到的温度和能量数值均来自于蒸汽表

公式2.3.1

2.3.1.1计算卡诺循环效率（C）

公式2.3.2

2.3.1.2计算郎肯循环效率（R）

根据以上两种循环公式可以看出，为了得到更高的热效率：

汽轮机进口的温度或能量应尽可能高，这就意味着实际中所能达到的压力和温度；

过热蒸汽是达到这种条件的最简单的办法。

排气的温度或能量应尽可能低，这就意味着实际中所能达到的压力和温度；

这通常是通过在汽轮机排气处装冷凝器来实现的。

例2.3.1.1和2.3.1.2计算的是热力学效率，不能和机械效率相混淆。

尽管效率看起来很低，但不能把它们孤立起来看待，应当与其它热机比较来看待。

例如：

气轮机、蒸汽轮机和柴油机。

过热蒸汽表

过热蒸汽表显示的是蒸汽在不同压力下的性质，这与饱和蒸汽表采用的是同样的办法。

但是，对过热蒸汽来说，它的压力和温度没有直接关系，因此，在特定压力下的过热蒸汽可能对应有很大的范围的温度值。

通常，饱和蒸汽对应的是表压，过热蒸汽对应的是绝对压力。

表2.3.1摘录自过热蒸汽表

例2.3.2

压力1.013bara（0barg）、温度400°

C的过热蒸汽比同样压力的饱和蒸汽含有多多少热量？

1.013bara时饱和蒸汽焓hg

=

2676kJ/kg（饱和蒸汽表）

1.013bara和400°

C的蒸汽焓hg

3278kJ/kg（过热蒸汽表）

过热部分的焓

=

3278kJ/kg-2676kJ/kg:

602kJ/kg

看起来可利用的能量多了，但是实际上，这对那些想利用蒸汽来做加热用途的工程师来说更为困难。

从过热部分的能量来看，比热容可以由饱和蒸汽（100°

C）和过热蒸汽（400°

C）之间的温度差别来计算：

但是，与水的比热容不同，过热蒸汽的比热容受到压力和温度的影响而变化，并不是一个常数。

因此，上边计算的比热容的值2.0kJ/kg°

仅表示在那个压力下特定的温度范围下的值。

由于过热蒸汽的温度、压力和比热之间没有直接的对应关系，然而，在过热度比较小的时候，随着压力的增加比热容的变化趋势却可以确定，本例中不讨论该问题：

典型的值:

2.0kJ/kg°

Cat125°

Cand1.013bara（0barg）

3.5kJ/kg°

Cat400°

Cand120bara.

过热蒸汽可以用在过程热交换器和其它热系统上？

尽管不是一个理想的换热媒介，过热蒸汽仍然在世界上很多工厂中得到了广泛应用，尤其是用于HPIs（烃类工艺工业）中，这些工艺是生产各类油和石化产品的。

这方面的应用类似于电站使用的过热蒸汽，是由于过热蒸汽更适合于汽轮机使用，而并非是说它比饱和蒸汽对加热工艺更有优势。

为了弄清楚这一点，在更多情况下，饱和蒸汽更适合用于热交换工艺，有时甚至需要把过热蒸汽减温成饱和蒸汽来使用。

HPIs中通常通过减温把蒸汽过热度降到10度以内，这个过热度通过第一个换热表面而被消除，过大的过热度无法做到这一点而且对加热目的来说并不经济，最好避免过大的过热度。

有很多理由可以证明过热蒸汽为什么不如饱和蒸汽适合于过程加热。

过热蒸汽必须先冷却到饱和温度才能释放出蒸发焓，这部分从过热蒸汽冷却到饱和温度所放出的热量与蒸发焓相比来说很小。

如果蒸汽过热度很小，这很小的一部分热量比较容易释放出来，但是过热度很大的时候，冷却的时间相对要长很多，而且，在那段时间内仅能放出很少一部分热量。

与饱和蒸汽不同的是，过热蒸汽的温度并不确定，过热蒸汽必须冷却来放热，而饱和蒸汽仅是发生相变来放热，这就是说过热蒸汽放热的时候可能在换热表面产生温度梯度。

在换热器中，使用过热蒸汽会在沸腾区内靠近管片的地方形成干墙，干墙区会很快鳞化和变粗糙，管墙的高温会导致管子失效。

这些都清楚地表明了在热交换应用中，过热度过大的蒸汽应用很少，因为：

-在冷却到饱和温度前放出热量很少；

-热交换表面温度梯度较大；

-蒸汽过热时换热率较低；

-需要更多的换热面；

所以，在传热应用中，过热蒸汽没有饱和蒸汽效率高。

这看起来很奇怪，一般热交换的比率与换热面上的温度差别成正比，如果相同压力下，过热蒸汽比饱和蒸汽温度更高，那么当然应该过热蒸汽能释放更多的热量？

这个答案是否定的，现在我们更详细地讨论这个问题。

根据公式2.5.3，温度的差别对换热的效果有影响，这是正确的。

公式2.5.3

其中：

单位时间传递的热量（W）

U

总的传热系数（W/m2°

C）

A

传热面积（m2）

T

两种流体之间的温度差（°

公式2.5.3也表明了热传递也同样取决于总的传热系数“U”和换热面积“A”。

对任何单一的应用中，传热面积可以固定，但是，对“U”值则不能固定；

饱和蒸汽和过热蒸汽的换热系数是它们的主要区别。

过热蒸汽的“U”随着工艺而不同，但远小于饱和蒸汽。

对过热蒸汽来说，很难预知“U”值，但是总的来说，过热度越高，“U”值越小。

典型地，对水平蒸汽盘管换热器来说，过热蒸汽的“U”一般低于50到100W/m2°

C，而饱和蒸汽则为1200W/m2°

C，如图2.3.2所示。

对蒸汽加热油的应用来说，“U”值更小，过热蒸汽一般低于20W/m2°

C而饱和蒸汽则为150W/m2°

C。

在管壳式热交换器中，过热蒸汽为100W/m2°

C而饱和蒸汽为500W/m2°

C，这些数据比较典型，实际的数据会因设计和运行情况不同而有所区别。

图2.3.2对过热蒸汽和饱和蒸汽加热水的典型‘U’值

尽管相同压力下的过热蒸汽的温度总是大于饱和蒸汽的，它的传热能力要远小于饱和蒸汽。

因此，在相同压力下的热传递过程中，过热蒸汽的效率要比饱和蒸汽的低很多。

下一节中“结垢”中将更详细介绍。

过热蒸汽在传热中不仅效率低，而且还很难根据公式2.5.3,

=UADT来量化，因为蒸汽通过换热面的时候温度会下降。

预先确定过热蒸汽的换热面积非常困难且复杂，实践中，需要的基础数据要么无法确定要么根据经验获得，这就使它们的可靠性和精确性受到质疑。

显然，既然过热蒸汽在热传递方面比饱和蒸汽效率低，那么，在换热量相同的情况下，使用过热蒸汽换热的需要的盘管面积就比饱和蒸汽大。

如果别无选择只能使用过热蒸汽时，那么想要在整个换热盘管或换热器中维持蒸汽的过热度是不可能的，因为在其中，蒸汽冷却到饱和温度并把热量传递给了二次侧流体，在饱和状态以前释放的热量相比冷凝释放的热量来说是非常小的一部分。

在过程中，蒸汽必须很快冷却到饱和状态，然后冷凝放出较多的热量，从而使整个换热的过程中的“U”达到比较高的值，如图2.3.3所示。

为了达到这个目的，热传递过程中的过热度不要超过10°

图2.3.3少量的过热度使蒸汽在盘管中冷凝并提高总的‘U’值到接近于饱和蒸汽

如果是这样的，那么设计换热器或盘管就变的方便且可行，先用同等压力的饱和蒸汽计算，然后加上一定的换热面积来允许一定的过热度。

根据这个方针，盘管的第一部分完全是为了把过热蒸汽的温度将到饱和温度，其余的盘管就可以利用饱和蒸汽的高换热能力，这样，总的“U”值就不会比饱和蒸汽的小很多。

根据实际经验，如果过热蒸汽的额外需要的换热面积是每2°

C过热度增加1%，那么盘管（或换热器）已经足够大，这对过热度小于10°

C的情况下适用。

对加热目的来说，不推荐使用过热度超过10°

C的过热蒸汽，主要是因为可能换热面并不按照上边这个比例以及经济性比较差，而且容易结垢以及产品容易被不均匀的高温所损坏。

结垢

结垢是在传热表面沉积形成的，对传热有一定阻抗作用。

很多过程中液体可以在换热表面沉积淤泥或水垢，而且随着温度升高，结垢速度变快。

另外，过热蒸汽是一种干的气体。

热量从蒸汽流向金属墙壁时必须通过这层附着于管壁的薄膜层，这样会阻止热传递。

与之对应的是，饱和蒸汽的冷凝使蒸汽朝着管壁运动，并直接在冷凝面上放出大量的潜热。

这些综合因素意味着过热蒸汽传热率要低的多，即便蒸汽和二次侧流体的温差比较大。

例2.3.3选取过热蒸汽的管径

3barg的过热蒸汽，过热度为10°

C（154°

C）用作管壳式换热器的加热源，热负荷为250kW，被加热流体从80°

C到120°

C（二次侧流体温度的算术平均值为100°

C）.计算需要的主蒸汽盘管的换热面。

（温差用算术平均值是为了使计算简单化，实际中，对数平均值更为精确，请参考2.5章“热传递”相关内容了解更多算术平均值和对数平均值温差）

首先，考虑盘管被饱和蒸汽加热3barg（144°

C）.

饱和蒸汽加热新的钢制盘管的‘U’值取500W/m2°

其它使用过热蒸汽的应用：

以上应用中均为蒸汽通过相对较小的通道，如：

管壳式换热器的管子或板式换热器的板。

在一些应用中，如造纸机械中的烘干筒，过热蒸汽被引入一个很大的容积，因此流速变的非常小。

这里，靠近烘筒壁的蒸汽温度快速下降并开始冷凝，这样，热量通过管壁的传递与饱和蒸汽的一样。

过热度仅存在于蒸汽空间的中心，对传热率没有影响。

这里有一些例子表明过热度实际上降低了过程性能，这些过程中，蒸汽被用作工艺材料。

有些工艺中需要把蒸汽冷凝后产生的湿气引入工艺，如动物饲料的造粒工艺中，这是蒸汽的水分是工艺中必须的一部分，如果使用过热蒸汽会使这些饲料过于干燥，很难进行颗粒化。

降低蒸汽压力的影响

除了可以采用附加的换热器（通常称为过热器）来获得过热度外，还可以通过让蒸汽通过减压阀的喷嘴后膨胀到低压下来获得。

这是因为经过节流过程，低压蒸汽与高压蒸汽具有相同的焓（除去通过减压阀时造成的一小部分能量损失），但是，节流后蒸汽温度总是比供气温度低。

节流蒸汽的状态取决于：

供给蒸汽的压力.

供给蒸汽的状态.

通过阀门喷嘴的压降.

对供给蒸汽压力小于30barg的干饱和蒸汽来说，节流后任何压力的下降都会导致过热蒸汽的产生。

过热度的多少要取决于压降的多少。

对于供给蒸汽压力大于30barg的干饱和蒸汽来说，节流后的蒸汽可能是过热蒸汽、干饱和蒸汽或者甚至是湿蒸汽，这取决于压降。

60barg的干饱和蒸汽降低到大约10.5barg时产生干饱和蒸汽，压降少于这些会产生湿蒸汽，更大的压降会产生过热蒸汽。

同样的，任何压力下的供给蒸汽的状态会影响节流后蒸汽的状态。

10barg和0.95干度系数的湿蒸汽的压力需要减到0.135barg才能产生干饱和蒸汽。

压降小于这个会产生湿蒸汽，压降大于这个会产生过热度。

.

例2.3.4用控制阀来提高湿蒸汽的干度

用减压阀把干度系数（

）为0.95的湿蒸汽压力从6barg减到1barg

那么减压后蒸汽的条件

蒸汽压力减到1barg时的能量与减压前相同：

由于实际蒸汽的焓值小于1barg干饱和蒸汽的总焓，所以蒸汽不会过热，还有一部分水分包含其中：

既然减压后的总焓仍小于1barg时蒸汽的焓值，蒸汽仍是湿蒸汽。

例2.3.5控制阀产生过热度

用减压阀把干度系数为0.98的蒸汽压力由10barg减为1barg（见图2.3.4）.

计算阀门后的过热度

在前边的例子中（2.3.3），1barg时的干饱和蒸汽的焓（hg）为2706.7kJ/kg.

实际蒸汽的焓大于干饱和蒸汽的焓，因此，蒸汽不仅干度为100%，而且还有一部分过热度。

过剩的能量=2741.7-2706.7=35kJ/kg，这些能量使蒸汽温度由120°

C升高到136°

图.2.3.4减压产生过热度

过热度既可以用过热蒸汽表来计算，也可以用莫里埃曲线来查取。

莫里埃曲线

莫里埃曲线是蒸汽的熵和焓的关系图

图.2.3.5蒸汽焓-熵图或莫里埃图

图2.3.5显示的是简单的、小刻度的莫里埃曲线。

莫里埃曲线显示了很多熵、焓、温度、压力和干度系数之间的不同关系，这个图看起来非常复杂，由很多线组成：

定焓线（水平）

定熵线（垂直）

图表中心的蒸汽饱和线把整个图表分为过热蒸汽区和湿蒸汽区，在饱和线以上的任何点的蒸汽为过热蒸汽，在饱和线以下的点为湿蒸汽，饱和线本身代表不同压力下的饱和蒸汽。

所有区域的等压线

过热区的等温线

湿蒸汽区域的等干度系数线（

）

例如:

在汽轮机和蒸汽发动机内的绝热膨胀是等熵膨胀过程,在莫里埃曲线上可以描述为从初始状态点到最终状态点的从上到下的一条垂直直线。

再比如：

减压阀前后的绝热节流过程是等焓过程，在莫里埃曲线上可以描述为从初始状态点到最终状态点的从左到右的一条水平直线。

这两个过程中压力都有一定下降，但不同的是达到最终结果的途径不同。

图2.3.6中的例子说明了利用图表分析蒸汽过程的优势；

在这里用图来表示这些过程，但是，蒸汽过程同样可以用数字表示在过热蒸汽表中。

图2.3.6示例-膨胀和节流

例2.3.6绝热等熵膨胀所做的功

蒸汽通过汽轮机进行绝热膨胀，初始状态为压力50bara,温度300°

C,最终压力为0.04bara.

由于过程为绝热膨胀，那么熵不变，那么最终状态点可以通过从初始点做垂直向下的直线而得到（见图2.3.7）

在初始条件下，熵大约为6.25kJ/kg°

C，如上所示做垂线得到最终状态点的压力为0.04bara，那么膨胀后的蒸汽可以计算出来，这一点的比焓为1890kJ/kg,干度系数为0.72（见图2.3.7）.

最终条件也可以通过过热蒸汽表来获得。

图.2.3.7示例-蒸汽焓-熵图

既然0.04bara的干饱和蒸汽的焓（8.473kJ/kg°

C）大于过热蒸汽50bara/300°

C的焓（6.212kJ/kg°

C），这就说明一部分干蒸汽已经冷凝，从而保证熵维持不变。

由于熵不变，那么在最终条件下：

这个答案与用莫里埃图得到的答案非常接近，考虑到读图时的一些错误，这些误差是可以接受的。