每次烧开一壶水时，你就在产生蒸汽。
然而，蒸汽不仅仅是烧水的副产品，它是一种强大、多功能且高效的热能来源。这就是为什么蒸汽被广泛应用于各行各业。
在本文中，我们将探讨蒸汽的应用领域、如何控制蒸汽中的能量，以及为什么蒸汽在将热量传递到工业流程中如此高效。
哪些行业使用蒸汽作为热能？
许多行业依赖蒸汽提供热量或热能。企业和组织利用热能为关键流程提供高温。
在食品饮料行业，蒸汽在制造过程的多个阶段被使用，包括巴氏杀菌、烹饪、清洁和干燥。例如，蒸汽的热量在罐内烹饪生的烤豆。
而在医疗保健领域，医院使用高压蒸汽在高压灭菌器中对手术器械进行灭菌。蒸汽杀灭微生物和孢子，确保医疗器械安全使用，无需化学药剂。
这些行业以及许多其他行业使用蒸汽，是因为其作为高效热能源的独特特性。
蒸汽在哪里产生和使用？
蒸汽在锅炉房（A）中产生，通过管路分配到需要热能的各个流程。每个流程使用换热器（B）将蒸汽中的一部分热能转移到该流程中。蒸汽通过在较冷表面上冷凝释放能量，形成液态冷凝水；液体返回锅炉房，为锅炉供水并产生更多蒸汽。整个过程称为蒸汽-冷凝水循环。
蒸汽中含有多少热能？
你可以使用蒸汽表1来计算蒸汽中包含的热能量。蒸汽表显示了压力、温度、体积之间的关系，最重要的是蒸汽包含多少能量。利用这些知识，你可以为不同流程调整蒸汽中的能量。
蒸汽表
在大气压即0 bar g下，水在100°C沸腾（就像烧水壶一样）。蒸汽表的第一行显示，将水加热到沸点需要419kJ/kg的能量，即水的焓值。
然而，要产生蒸汽，还需要再加入2,257kJ/kg的能量，这被称为蒸发焓或有用能量。虽然蒸汽中的总能量现在为2,676kJ/kg，但当蒸汽在换热器中冷凝时，只有有用能量会传递到流程中。
蒸汽表假设你产生的是干饱和蒸汽。然而，也可以产生湿蒸汽和过热蒸汽，这在蒸汽相图中有所展示。
蒸汽相图
A点显示了与蒸汽表第一行相同的信息，在0 bar g下，水需要419kJ/kg的焓（热能）才能达到100°C的沸点并开始蒸发。
A点和B点之间的连线显示了沸水在再加入2,257kJ/kg热能后的变化过程。在B点，水已完全蒸发为干饱和蒸汽。图中的红线是干饱和蒸汽线。A点和B点之间产生的蒸汽是湿蒸汽，因为它仍含有水分。干饱和蒸汽线右侧的蒸汽是过热蒸汽。
哪种类型的蒸汽传热效率最高？
干饱和蒸汽
干饱和蒸汽是传热的理想蒸汽类型，因为它对流程最高效，产生的工程问题也最少。蒸汽是干燥的，因为它不含水分；它是饱和的，因为它充满了能量。在该温度和压力下，蒸汽无法再容纳更多能量。
湿蒸汽
湿蒸汽的效率低于干饱和蒸汽，因为它包含的能量较少。使用湿蒸汽时，流程接收到的能量和蒸汽质量都会减少，这可能延长流程时间、无法达到所需目标温度或导致产品变质。
过热蒸汽
过热蒸汽2在同一压力下温度高于饱和蒸汽。虽然一些蒸汽工厂产生过热蒸汽用于发电，但不建议将过热蒸汽用于传热，因为其传热速率较低。过热蒸汽还需要比干饱和蒸汽更大的换热面积。
为什么蒸汽比低温热水（LTHW）传热更高效？
干饱和蒸汽的传热效率3高于低温热水（LTHW）等替代方案，这得益于其独特的性质。
压力控制蒸汽中的热能
改变压力允许你调节蒸汽以满足流程需求，包括其包含的热能量。
在压力下加热水时，其沸点更高，因此需要更多的热能。根据蒸汽表，在5 bar g下，水在159°C沸腾，需要671kJ/kg的能量才能达到沸点。然而，将沸水转化为蒸汽所需的热能比低压下更少。在5 bar g下，需要2,086kJ/kg的能量，而在0 bar g下需要2,257kJ/kg。
了解压力的影响后，你可以在锅炉房中在高压下产生蒸汽，然后分配到流程中。当蒸汽到达换热器时，降低压力将增加传递到流程中的有用能量。
蒸汽的热含量高于低温热水
蒸汽的产生温度和压力远高于低温热水，因此其热含量显著更高，可以向流程传递更多的热能。换句话说，产生相同的加热效果所需的蒸汽量远少于低温热水。
例如，比较一个汽-水换热器和一个设计用于向流程传递11°C的水-水换热器。每公斤蒸汽的有用热能是每公斤低温热水的50倍。这意味着产生相同的加热效果所需的蒸汽量只有低温热水的1/50，因为水的比热容为4.19kJ/kg°C，而蒸汽中的有用热能为2,200kJ/kg。
蒸汽传热速度是低温热水的三倍
蒸汽的传热速度快于低温热水，因为它通过冷凝释放热能。衡量传热速度的传热系数，汽-水换热器大约是水-水换热器的三倍。
由于蒸汽提供更快的传热速率，换热器内传递相同热能所需的表面积也更小。因此，汽-水换热器所需的占地面积小于同等的水-水换热器。
蒸汽在整个表面积上均匀传热
蒸汽是一种气体会扩散以充满空间。在汽-水换热器内，热量在换热表面上均匀分布，优于水-水换热器。
使用蒸汽传热可最大限度地减少换热器内的冷点，并提供更一致的传热效果。
蒸汽：高效的传热选择
蒸汽是许多行业理想的热能源，这得益于其高效率。改变压力允许你调整蒸汽中的有用能量。蒸汽的热含量和传热速度远大于低温热水。此外，蒸汽所需的换热面积小于其他能源。