第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节214蒸汽和冷凝

第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节2.14蒸汽和冷凝水系统手册第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节2.14工厂设备的蒸汽耗量本节所讨论的设备部分在前面的章节已经提到过，但是参数有些改变，同时还讨论一些其它设备的蒸汽耗量。加热器蒸汽冷凝水空气空气加热机组冷凝水图典型的空气加热机组大多数加热单元和空气加热机组的制造商用kW来表示其设备的输出功率。这样可以用设备功率除以蒸汽蒸发焓来算出消耗的蒸汽量，计算结果乘以3600得到的每小时的蒸汽耗量kg/h。蒸汽流量（ms）=负荷kg/s公式2.8.1工作压力下的hfg因此，额定功率为44KW的加热单元，当供给蒸汽压力为bar3.5g(hfg=2210kJ/kg)时，冷凝水量为：（ms）=442120（ms）=0.02kg/s（ms）=75kg/h如果制造商的数据未知，但可以获得以下的数据：空气体积流量；温升；蒸汽压力。这样，冷凝水量可以用公式2.12.3计算出来：ms=3600VTcpkgh公式2.12.3hfg式中：ms=冷凝水量(kg/h)；V=空气体积流量3；(m/h)?T=温升(℃)；cp=常压下的空气比热容3(kJ/(m·℃))；hfg=工作压力下的蒸汽蒸发焓(kJ/kg)。注意:乘以系数3600得到的每小时的冷凝水量kg/h。蒸汽和冷凝水系统手册第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节2.14如无更多正式的数据，可以采用以下一些近似值：空气密度≈1.3kg/m空气的比热c(体积流量)≈1.3kJ/mp空气比热c(质量流量)≈1.0kJ/kgp例一台空气加热器设计用于将空气温度从-5℃加热到30℃，风道尺寸为2m×2m，其中空气流速为3m/s，空气加热器组的蒸汽压力为3barg，空气比热容取1.33·℃kJ/(m)。计算蒸汽冷凝量空气体积流率V=速度×面积V=3m/s×2m×2mV=12m3/s温升?T=30-(-5)?T=35℃cp=1.3kJ/m3℃3barg下的h=2133kJ/kgfg33ms=3600×12m/s×35℃×1.3kJ/(m·℃)2133kJ/kgms=2073kg/h非储存式换热器蒸汽流出换热器冷凝水回水冷凝水图典型非储存式换热器安装图与空气加热器相同，非储存式换热器的制造商同样也提供了他们设备的功率，蒸汽耗量也可以用功率除以蒸汽的蒸发焓来算出，算出的结果是kg/s（见公式2.81），但是，通常非储存式换热器的热功率要远大于实际的需要，这是因为：最初的建筑物热负荷计算中采用了过多过分谨慎的安全系数。非储存式换热器本身选择的是标准的型号，因此选择的换热器计算负荷要大一档。换热器制造商在设计换热器时已经包含了一定的安全系数。任何一点的回水温度、出水温度和泵的功率已知的情况下，实际的负荷就可以估算出。需要指出的是排放侧的压力会影响泵的输出量，因此，流量不一定是恒定的。例4l/s的低温热水(出水/回水温度=82/71℃)在加热系统中循环。计算输出热量：输出热量=水流量x水的比热容x温度变化输出热量=4l/sx4.19kJ/(kg·℃)x(82-71℃)输出热量=184kW蒸汽和冷凝水系统手册第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节2.14计算非储存式换热器的热负荷的另一个方法是计算被加热的建筑物。通过以下的数据可以计算出热负荷：新风次数。通过墙、窗户和屋顶的换热量。但是，一个比较更合理的估算方法是根据该建筑物的体积，取热负荷为W/m330，这就可以计算出当室内温度为20℃而室外温度为－1℃时，换热器的运行负荷。典型的出水、回水温度为：低温热水系统(LTHW)82℃和71℃?T(=11℃)。中温热水系统(MTHW)94℃和72℃?T(=22℃)。高温热水系统(HTHW)的数据变化很大，需要针对不同的应用单独考虑。例2.14.3流入换热器的蒸汽流量为227kg/h，室外温度为7℃，室内温度为18℃。如果室外温度降为-1℃，室内温度为19℃，计算近似的蒸汽流量。这可以用比例的方法进行计算：初始状态的温度差=18-7=11℃设计工况下的温度差=19-(-1)=20℃设计工况下的近似蒸汽流率=20×22711设计工况下的近似蒸汽流率=413kg/h热水储存式换热器热水储存式换热器通常是要在规定时间内将其整个容积内液体从冷态加热到设定温度。图典型的热水储存式换热器在英国使用的典型数据为：冷水温度10℃热水温度60℃加热时间(也称为恢复时间)=1h。被加热的水的质量由容器的体积决定(水的密度ρ=1000kg/m3，比热容(cp)=4.19kJ/(kg·℃))。例一台储存式换热器包括一个圆柱型容器，直径为1.5m，高2m，容积内水需要在1h内加热到60℃。进水温度为10℃，蒸汽压力为7barg。蒸汽和冷凝水系统手册第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节2.14计算蒸汽流量：π×D22容器的体积=×高=π×D34×2=3.53m4水的质量=3.53m3×1000kg/m3=3530kg温升=60－10=50℃所需能量=3530kg×4.19kJ/(kg·℃)×50℃1h=739535kJ/h7barg压力下的蒸发焓=2048kJ/kg所需蒸汽流量=739535kg/g2048kJ/kg所需蒸汽流量=361kg/h烘干滚筒烘干滚筒根据布置及应用区别很大，因此，蒸汽耗量差别也很大。根据尺寸、蒸汽压力和运行速度的不同，烘干滚筒可以在机器框架边疏水，如纺织品的干燥机；也可以通过像高速造纸机械那样利用吹通系统疏水。相反的，膜式干燥机和低速的造纸机械通常在每台烘筒上配备蒸汽疏水阀来疏水。这些制程的要求各不相同，干燥棉线烘筒的负荷较小且稳定，造纸机械或膜式干燥机的负荷大，因此需求也不相同。图烘干筒正因为如此，精确的数据需要通过测量才能获得。但是，在一定条件下，还是有一些公式可以用来计算蒸汽耗量。在纺织品的烘干滚筒机械中，根据烘筒的数量，并测量各个烘筒的周长和宽度就可以得到总的加热面积。同时还要加上每个烘筒的两个端面面积，并且每台烘筒要加2额0.75外面m积用以涵盖框回架和蒸汽轴头等区域，但是如果每个滚筒有单独的疏水器则不需要增加此面积。这些机械静止时的辐射散热损失的蒸汽耗量（kg/h）可以由总面积乘以系数2.44。运行负荷则乘以系数8.3（在英制单位中，面积单位为平方英尺，相应的系数分别为0.5和1.7）。这些数据是根据机器每分钟干燥产品的速度为64到73米的基础上得到的，(英制单位为每分钟70到80码)。如果考虑一些余量，则可用于计算机器工作在不同条件下时的蒸汽耗量。如果产品中需要去除的水分的量已知，蒸汽耗量可以用的经验公式计算，假定湿的和干的材料重量已知。1.5([Ww-W]d2550x1.26Wd[T2-T]1)ms=hfg公式2.14.1蒸汽和冷凝水系统手册第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节2.14式中：ms=蒸汽质量流量(kg/h)；Ww=湿物料的产量(kg/h)；Wd=干物料的产量(kg/h)；T2=物料离开机器的温度(℃)；T1=物料进入机器的温度(℃)；hfg=烘筒中蒸汽的蒸发焓(kJ/kg)。以上公式中的系数根据经验取以下常数：1.5=烘筒干燥机根据的系数；2550=平均水焓+蒸发掉水分的蒸发焓；1.26=物料的平均比热容。烘干滚筒的启动负荷很大，这是因为蒸汽空间的体积很大，需要加热的金属质量很大，所以选择疏水阀时应根据3倍的运行负荷来选型。需要提醒的是，空气的存在会造成很大的麻烦，如延长暖机时间并造成表面温度不均匀，因此必须采取措施排除烘筒中的空气。压烫机压烫机，像烘干滚筒一样，形状、尺寸和工作压力差别很大，可应用于多种用途，如塑料粉末的浇模、预碾压、制造汽车轮胎（图）以及制造胶合板等制程中，这些制程中通常还包括有冷却过程。很显然，要想准确计算出蒸汽负荷是很困难的，唯一的方法是通过测量得到可信的结果。这种设备可以“打开”，此时对环境辐射散热；或者“关闭”，此时两个加热表面之间被产品隔离开。尽管一些热量被产品吸收了，以及在开关过程中会有一些波动。设备在工作和停用时的蒸汽消耗量基本上是一样的。图轮胎压机蒸汽和冷凝水系统手册第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节2.14蒸汽耗量可以用传热基本公式来计算：Q=UA?T式中：Q=单位时间传热量(W)；U=总的传热系数22·℃))；(W/(m·K)或W/(mA=2传热面积(m)；?T=蒸汽和产品之间的温度差(K或℃)。此中的U值可以用图中的数据，这些数据用于大的平板压烫机时结果比较合理，但是用于小的结构复杂的设备就不够精确，这主要因为很难估算其表面面积。这种设备的特点是蒸汽空间很小，冷态加热的时候蒸汽负荷很大。为了适应这种工况和负荷波动，蒸汽疏水阀必须按照2倍的运行负荷来选型。可以使用先导式直接作用式减压阀来提供稳定的蒸汽压力，保证换热面温度稳定并均匀。减压阀按照设计的蒸汽负荷选型即可。伴热管线输送黏性流体的管线常常需要用蒸汽伴热来提高温度。这常常需要布置一些小口径的蒸汽管线伴随着产品管线，产品管线和伴热管线都被包覆在保温层内。理论上，很难计算伴热管线的蒸汽耗量，因为这取决于：两个管线的接触程度以及是否使用了导热胶；产品的温度；伴热管线的长度、温度和压降；环境温度；风速；覆盖层的辐射率。图蒸汽伴热管线图夹套伴热管线图取样点伴热蒸汽和冷凝水系统手册第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节2.14实践中，可以假定伴热管线的输入热量就等于产品管线本身的辐射散热量。在此基础上，伴热管线的蒸汽耗量就可以根据产品管线上的辐射散热量计算得出。表2.14.1给出了保温层厚度为50mm或100mm的管道的散热损失。表2.14.1风速为10m/s(36km/h)的环境下保温的管道的散热损失（W/m）管道保温层产品和环境之间的温差(℃)直径厚度2575100125150175200(mm)(mm)1005014435871861001151009263645546271150502059779711613615510012354658698192200502472971201441681921001441557084981122505029871161451742022311001649668299115131300503310113516820123526810018567594113131151400504112316420624628832910023689111313615818150050511512012523013524031002882109136163191217一旦散热损失确定下来了，蒸汽耗量可以用公式2.12.4来计算：公式式中：ms=需要蒸汽量(kg/h)；Q=从表中查出的热损失(W/m)；=伴热管线长度(m)；hfg=工作压力下的蒸发焓(kJ/kg)。注:乘以系数3.6得到的结果是kg/h。例一个50m长直径为200mm的管道里产品温度为120℃，环境温度为20℃，管道保温厚度为50mm，伴热管线的蒸汽压力为7barg，计算蒸汽耗量：管道长度(L)=50m产品温度和环境温度的差值=120℃-20℃=100℃每米管道的散热损失(Q)=97W/m(见表2.14.1)焓=2048kJ/kg(蒸汽表)用公式2.14.37barg的蒸汽的蒸发hfgms=3.6QLhfgms=3.6×97W/m×50m2048kJ/kgms=8.53kg/h对夹套管线来说，热损失可以假定与夹套直径相同的主管散热损失相同，同样也需要考虑保温的情况。蒸汽和冷凝水系统手册第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节2.14当选择这些蒸汽疏水阀的时候，要按照运行负荷的2倍来选择，这样可以保证启动条件下正常运行，但是温控阀根据设计负荷选型即可。伴热管线的选型例在管道热损失的基础上计算蒸汽伴热管线负荷实践中，伴热管线无法精确计算来与热损失匹配，表给出的是15mm和20mm钢制和铜制伴热管线在不同蒸汽压力下和不同被伴热产品温度情况下的输出热量。表中数据表示从伴热管线通过保温层散失到周围空气的热损失。表2.14.2钢制和铜制伴热管线的输出热量（W/m）钢(公称)铜(外径)蒸汽3barg5barg7barg9barg3barg5barg7barg9barg压力伴热管15201520152015201520152015201520直径(mm)10℃11314512516113517414318480197891199612910213525℃16202937384946591120293738494659度791019211810113010914156756587729778104温50℃品75℃5874719180103881144155506757776384产37475064597667862635354742564864100℃125℃16202937384946591120293738494659150℃--81017222532--5712161824在例2.14.5中，管道散热损失为97W/m，伴热管线最少要提供以上的热量。表2.14.2表明，产品温度为120℃，蒸汽压力为5barg的15mm钢制伴热管线的输出热量为33W/m，维持产品温度为120℃需要的伴热管线的数量为：制程管线的热损失率伴热管线数量=伴热管线的热量输出率97W/m=33W/m2.94根伴热管因此需要3根15mm钢制伴热管线，如图所示。保温层产品管道伴热线伴热线伴热线图个15mm伴热管线布置在一个200mm制程管道上蒸汽和冷凝水系统手册第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节2.14蒸汽和冷凝水系统手册第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节2.14QuestionsA30kWairheaterunit,700mmx700mm,issuppliedwithsteamat3barg.Iftheairvelocityis2.5m/s,andtheincomingairtemperatureis10°C,whatisthetempairleavingtheheaterunit(Specificheatofair≈1.3kJ/m3°C)?a|25.7°Cb|23.9°Cc|28.8°Cd|35.6°CAbuildinghasaninternalvolumeofapproximately5000m3.Determinetheapproximateheatingloadiftheoutsidetemperatureis-5°C.a|175.5kWb|178.6kWc|180.4kWd|150.0kWWhatistheapproximateheatlossfroma100mmborecarryingoilpipesurroundedbya150mmboresteamjacket?Steamtothejacketis4barg.Theoilbeingcarriedisat65Assumeanambienttemperatureof20°Candstillairconditions.Thelaggingaroundthejacketis50mmthick.a|60W/mb|97W/mc|120W/md|112W/m4.Adryingcylinderisdesignedformaterialenteringthemachineat30°C.Tnow22°C.Whatwillbetheeffectonthesteamconsumptionofthecylinder?a|Noneb|Thesteamflowratewillbehigherc|Thesteamflowratewillbelowerd|ThesteamflowratewillbelowerandthemachinespeedmustbereducedAtextiledryingcylinderoperatesat70m/minuteandissuppliedwithsteamat4bar.Thecylinderis1.5mdiameterand3mlong.Whatwillbetheapproximaterunningloadsteamconsumptionofthecylinder?a|147kg/hb|153kg/hc|43kg/hd|87kg/h蒸汽和冷凝水系统手册第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节2.14Temperaturecontrolofadryingcylinderisbestachievedby:a|Apneumaticcontrolsensingthetemperatureofthecondensateleavingthecylinderb|Supplyingsteamatapressurecorrespondingtotherequiredtemperaturec|Manualcontrolofthesteamsupplytogivetherequireddegreeofdryingd|AtemperaturecontrolonthesteamsupplycoupledtoasensorstrappedtothecylindersurfaceAnswersb:6,b:5,b:4,d:3,b:2,c:1蒸汽和冷凝水系统手册第2章蒸汽工程和传热工厂设备的蒸汽耗量章节2.14蒸汽和冷凝水系统手册