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蒸汽喷射加热的设计要点和使用特点
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在蒸汽的制程加热应用中,一般会使用的汽水换热器进行间接加热,在这些系统中,热量通过传热表面进行传递。而在某些热水加热中,会使用直接蒸汽喷射加热,蒸汽直接喷射到低温的液体中与被加热介质混合,蒸汽冷凝并对周围液体放热。
热传递发生于蒸汽和液体直接接触,因此,这种方法只能适用于那些允许稀释或流体质量增加的情况。被加热流体通常是水。
蒸汽直接喷射很少用于那些会发生化学反应的情况下,例如:溶液稀释后发生反应并降低产品性能的地方。蒸汽直接喷射加热也不适用于蒸汽的冷凝液会影响被加热介质的应用。
整个工业中,蒸汽直接喷射加热最广泛的应用是用于水箱的加热。之所以选择这种方式主要是它简单,不需要换热面或蒸汽疏水阀,而且不用考虑冷凝水回收系统。
在蒸汽直接喷射加热中,热交换方式与非直接换热器大不相同。因为热量不是通过换热面进行传递的,蒸汽直接与被加热流体自由混合,因此蒸汽中的可利用的热量必须用不同的方式计算,蒸汽喷射利用了蒸汽中所有的蒸发焓(或潜热)和所有的液体焓。最终使用的液体焓的多少取决于最终加热的水温。
间接加热和直接蒸汽喷射的主要区别是,工艺流体的体积(和质量)增加了,增加部分为喷射进来的蒸汽的量。
其它的区别是,当计算蒸汽盘管内的蒸汽流量的时候,考虑的是盘管内的蒸汽压力;但是对蒸汽喷射来说,考虑的是控制阀前的压力。
在有些情况下(那些液体表面不是在漫溢管的液面),随着时间的增加,蒸汽直接喷射会增加液体的静压头,但是,这部分增加非常少,在计算中通常不考虑。
蒸汽耗量直接与需要的热量相关。除非蒸汽喷射系统的设计能保证最大换热效率,否则蒸汽气泡可能直接在液体表面破裂并逃逸到大气中去;蒸汽中含有的热量有一部分会损失到大气环境下,实际的换热率要低于预期值。
对那些浸入式盘管,系统起机时的最大换热量取决于通过控制阀和相关管道的蒸汽量以及盘管表面的最大允许换热量。

在直接加热中,理论的起机时的最大换热量取决于通过控制阀和管道以及喷射器的最大流量,但是,与上边类似,它同样取决于以下因素:
蒸汽气泡的大小 – 蒸汽气泡的冷凝要取决于这些气泡表面的热传递。为保证蒸汽气泡完全冷凝,表面面积与体积的比值必须尽可能大。单位体积的小气泡的表面积要比大气泡的表面积大的多,因此,要冷凝的快,需要产生很小的气泡。气泡形成的压差(蒸汽管道和蒸汽进入水的点)同样会影响蒸汽气泡的大小。蒸汽的比容随着压力升高而降低,因此,压力下降会增加进入水中的气泡的大小。即使蒸汽气泡是从很小的管子里产生的,如果压力很高的话,气泡的体积仍然会增加很多。因此,喷管内的压力越低越好。
喷射点的液体静压 – 喷射点的液体静压会产生一个背压,因此,压差就会小于蒸汽压力。如果液体的静压力增大而喷管内的蒸汽压力降低,因此压力的变化就很小,同样可以得到比较小的蒸汽气泡。
喷射点的液体静压头越大,蒸汽气泡到达表面的时候冷凝的机会就越大。
气泡的速度 – 喷射点的气泡速度同样取决于蒸汽压力和液体静压头的压差。因此只要使这个压差尽可能低,这样蒸汽气泡的速度就很低,这样蒸汽气泡就有足够的时间在到达表面时冷却。
液体的温度 – 蒸汽冷凝的比率与蒸汽和被加热流体的温差成正比。对所有传热工艺来说,换热率与温差成正比。
最佳的选择是把液体的温度控制到工艺要求的最低点,这样可以获得最大的传热率,减少能量浪费。
喷射管是安装在水箱内的一个很简单的管子,从端部看上去,上边按照一定规律钻了一些孔(典型的为一周4个孔和8个孔),在长度方向上距离相等,端部是封闭的。蒸汽从这些孔中喷出,形成细小的气泡。喷射管造价便宜,并容易安装,但是容易产生振动和噪音。
更有效的办法是采用正确设计的蒸汽文丘里混合喷射器。这个喷射器把冷水吸入喷射器与蒸汽在其中混合,然后热水喷射进入水箱。
喷射器本体的工程设计要比简单的蒸汽喷射管成熟的多,并且可以使用高压的蒸汽。在喷射器内部产生涡流区,这样即使在相当高的压力下也可以使蒸汽和液体充分混合,同时,还有对液体的搅拌和循环功能,因此水箱内的温度可以保持一直,并不产生温度梯度。这些喷射器比喷射管结构更紧凑,因此,物体浸入水箱对喷射器并无影响。而且,喷射器要比喷射管更坚固,同时即使安装不当仍然可能出现噪音问题,但比喷射管要好的多。
当使用高压蒸汽喷射器的时候,会根据以下条件的不同产生不同的噪音水平,正常运行时, 蒸汽喷射器进口的蒸汽压力高于2 bar g时,在正常运行条件下产生的噪音类似于轻微的吼声。
在较高的蒸汽压力下,蒸汽冷凝可能会产生振动,因此在开式水箱中不推荐使用较高的压力。但是,在圆柱形的压力容器中使用较高蒸汽压力,不会产生问题。当蒸汽喷射器的进口蒸汽压力在1.5bar g以下时,会听到不同的裂开的声音。在这种条件下,蒸汽在喷射管内无法释放它的蒸发焓。
在蒸汽流速比其他运行模式的流速低的低流速下,本体和连接管道上会出现蒸汽气泡爆裂的现象,这也就是气蚀现象。这种噪音通常不可接受,当蒸汽喷射器选型过大时会出现这种情况。



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