一、制程中為什么要使用飽和蒸汽,而盡量避免使用過熱蒸汽?
1、過熱蒸汽怎樣產生的?
如果鍋爐中產生的飽和蒸汽通過更高溫度的換熱面,繼續加熱,它的溫度會上升并超過蒸發溫度,這時,蒸汽就會變成具有一定過熱度的過熱蒸汽。
當仍有水存在的時候,過熱度是無法產生的,因為吸收的熱量首先會蒸發更多的水。飽和蒸汽必須通過額外的換熱器才能得到更高的溫度,這就需要在鍋爐中二次換熱或經過單獨的過熱器,主要的加熱媒介可以是熱煙氣或者單獨的加熱裝置。
2、過熱蒸汽的主要應用
2.1過熱蒸汽大多數時候是用作驅動蒸汽,例如,在火力發電廠的汽輪機中,利用蒸汽驅動葉輪轉動,帶動發電機轉子使其旋轉發電。汽輪機通常有很多級,從同一個軸的第一級轉子出來的蒸汽需要進入第二級轉子繼續做功,如果采用飽和蒸汽,那么飽和蒸汽失去能量后會使部分蒸汽冷凝。這就是說通過連續不斷的做功過程, 蒸汽會變的越來越濕,這樣不僅會導致水錘現象,而且這些水滴還會沖蝕汽輪機。所以,最佳解決方法是使用過熱蒸汽,利用過熱蒸汽做功,直到溫度/壓力比較接近飽和時再將蒸汽排出。
為了提高汽輪機的熱效率,應該滿足以下兩個條件:
A、汽輪機進口蒸汽的溫度或能量應盡可能高,所以要盡可能提高蒸汽的壓力和溫度。
B、排氣蒸汽的溫度或能量應盡可能低,所以要盡可能降低蒸汽壓力和溫度,通常在汽輪機排氣處裝冷凝器來實現。
2.2 過熱蒸汽還會用來加熱一些要求溫度非常高的產品,如某些烘干類設備。
3、過熱蒸汽與飽和蒸汽的熱量對比
下面過熱蒸汽表顯示的是蒸汽在不同壓力下的性質,這與飽和蒸汽表采用的是同樣的辦法。但是,對過熱蒸汽來說,它的壓力和溫度并不是一一對應的,兩者沒有直接關系,因此,在特定壓力下的過熱蒸汽可能對應有很大的范圍溫度值。
表1.6.1 過熱蒸汽表舉例
絕對壓力 (bar a) | 單位 | 溫度(℃) | |||||
150 | 200 | 250 | 300 | 400 | 500 | ||
1.013 | Vg(m3/kg) | 1.912 | 2.145 | 2.375 | 2.604 | 3.062 | 3.519 |
ug (kJ /kg) | 2583 | 2659 | 2734 | 2811 | 2968 | 3131 | |
hg (kJ /kg) | 2777 | 2876 | 2975 | 3075 | 3278 | 3488 | |
sg (kJ /kg) | 7.608 | 7.828 | 8.027 | 8.209 | 8.537 | 8.828 |
表1.6.2 飽和蒸汽表舉例
絕對壓力 | 溫度 | 比焓 | ||
(bar a) | (℃) | hf (kJ /kg) | hg (kJ /kg) | hfg (kJ /kg) |
1.013 | 99.974 | 418.99 | 2675.53 | 2256.54 |
從上表1可以看出,在大氣壓下,即壓力1.013 bar a(0 bar g) 、溫度400℃的過熱蒸汽,
其蒸汽焓hg = 3278 kJ /kg (過熱蒸汽表)
從上表2可以看出,在大氣壓下,即壓力1.013 bar a(0 bar g) 、溫度100℃的飽和蒸汽,
其蒸汽焓hg = 2676 kJ /kg (飽和蒸汽表)
過熱部分的焓 = 3278 – 2676=602kJ /kg
表面上看起來過熱蒸汽可利用的能量多了,但是實際上,這對那些想利用蒸汽來加熱的工況來說,實際情況則相反,而且非常麻煩。從過熱部分的能量來看,比熱容可以由飽和蒸汽(100℃)和過熱蒸汽(400℃)之間的溫度差別來計算:
但是,與水的比熱容不同(水的比熱容=4.19 kJ/kg. ℃,是個常數),過熱蒸汽的比熱容受到壓力和溫度的影響而變化,并不是一個常數。因此,上邊計算的比熱容的值2.0 kJ/(kg·℃)僅表示在0 bar g壓力下特定的溫度范圍下的值。
過熱蒸汽的溫度、壓力和比熱之間沒有直接的對應關系。但在過熱度比較小的時候,隨著壓力的增加比熱容也會逐漸增加。
4、過熱蒸汽為什么不如飽和蒸汽適合于過程加熱?
過熱蒸汽必須先冷卻到飽和溫度才能釋放出蒸發焓,從過熱蒸汽冷卻到飽和溫度所放出的熱量與蒸發焓相比來說很小。如果蒸汽過熱度很小,這很小的一部分熱量比較容易釋放出來,但是過熱度很大的時候,冷卻的時間相對要長很多,而且,在那段時間內僅能放出很少一部分熱量。
與飽和蒸汽不同的是,過熱蒸汽的溫度并不確定,過熱蒸汽必須冷卻來放熱,而飽和蒸汽僅是發生相變放熱,這就是說過熱蒸汽放熱的時候可能在換熱沿程產生溫度梯度。
在換熱器中,使用過熱蒸汽會在管殼式換熱器管板附近形成干墻,干墻區會很快結垢,造成管壁超溫導致管子失效。
這些都清楚地表明了在熱交換應用中,過熱度過大的蒸汽應用很少,因為:
在冷卻到飽和溫度前放出熱量很少;
熱交換表面溫度梯度較大;
蒸汽過熱的換熱率較低;
需要更多的換熱面。
由此可見,在傳熱應用中,過熱蒸汽沒有飽和蒸汽效率高。這看起來違背了我們的常規認識,一般傳熱率與換熱面上的溫度差別成正比,如果相同壓力下,過熱蒸汽比飽和蒸汽溫度更高,那么當然應該過熱蒸汽能釋放更多的熱量?但這個答案是否定的,因為:
Q=UAΔT,對任何換熱設備來說,傳熱面積A是固定的,但是,傳熱系數U值則是不固定的,過熱蒸汽的“U”隨制程不同而不同,但遠小于飽和蒸汽,而且過熱度越高,“U”值就越小。
過熱蒸汽的“U”一般為50到100 W/(m2·℃),而飽和蒸汽則為1200 W/( m2·℃)
因此,盡管相同壓力下的過熱蒸汽的溫度總是高于飽和蒸汽的,但它的傳熱能力要遠低于飽和蒸汽。因此,在相同壓力下的熱傳遞過程中,過熱蒸汽的效率要比飽和蒸汽低很多。
所以在實際生產中,尤其現在越來越多的用戶是使用熱電廠集中供熱,電廠生產出來的都是高溫高壓的過熱蒸汽,都需要先通過減溫減壓站系統,把過熱蒸汽變成飽和蒸汽以后,再輸送給各用戶使用,過熱蒸汽只有在冷卻到飽和狀態時,才能釋放出最有用的潛熱。