基本减温器类型 | Spirax Sarco

减温器

最简单的减温器类型是一段未保温的管道，热量可以辐射到环境中。然而，除了这种高温设备对人员造成伤害的明显风险以及昂贵的能源浪费之外，这种方法无法调节以补偿环境条件、蒸汽温度或蒸汽流量的变化。有几种减温器设计可供选择，建议在为给定应用选型和选择合适的减温站时考虑以下特性：

调节比 - “调节比”用于描述减温器将运行的流量范围，如公式4.2.1所示。这是一个重要参数，因为入口压力、温度或流量的任何变化都会导致冷却液需求的变化。

通常，可以为特定的减温器指定两个调节比值：

蒸汽调节比 - 反映设备可以有效减温的蒸汽流量范围。

冷却水调节比 - 反映可以使用的冷却流量范围。

虽然这直接影响蒸汽调节比，但这种关系取决于过热蒸汽、冷却水和所得减温蒸汽的温度。公式15.1.1是此应用的质量/热量平衡方程：应注意，蒸汽和水流量彼此直接成正比；比例常数”k”取决于过热蒸汽、冷却水和所需减温蒸汽的焓值。如果使用单个减温器无法达到所需的调节比，可以并联安装两个减温器，操作从一个切换到另一个；或者两者都可以根据蒸汽需求运行。应注意，减温器本身只是减温站的一部分，减温站将包括用于正确操作的必要控制系统。

工作压力和温度。
蒸汽和水流量。
过程前的过热度以及过程后所需的减温蒸汽量。
可用的水压力（可能需要增压泵）。
最终温度所需的精度。
对于在线式减温器，蒸汽在完全减温之前行进的距离也是一个重要的考虑因素。这被称为吸收长度。以下各节描述了可用的常见减温器类型、其局限性和典型应用。

间接接触式减温器

管束式减温器 这种类型的减温器（图15.2.2）由一个换热器组成，通常是壳管式，一侧是过热蒸汽，另一侧是冷却介质。第一个换热器（包含冷却水）的壳体在入口侧两端固定，而在出口侧，底部固定，顶部开口。浮动头允许壳体两个部分中的压力均衡。冷却介质是处于饱和温度和压力的水。当过热蒸汽进入第一组然后第二组管束时，它向水释放热量，其中一部分水将因这一能量输入而蒸发。任何蒸发的冷却水通过浮动头，并将积聚在壳体的出口侧。然后它通过壳体的开口端通过，在那里与减温蒸汽混合。 优点：

调节比仅受安装的控制装置限制。
这种设计能够将减温蒸汽生产到饱和温度5°C以内。
高最大工作温度和压力，通常约60 bar和450°C。
响应速度快。 缺点：
体积大 - 由于现在有许多在线式设备可用，它们已在很大程度上被取代。
成本高。
这种减温器的一个重要问题是换热过程的效率。空气或水垢薄膜在换热表面积聚可能成为极其有效的传热屏障。 应用：
经历宽负荷变化的应用。

直接接触式减温器

水浴式减温器 这是最简单的直接接触式减温器形式。过热蒸汽被注入水中。这一额外热量将导致饱和蒸汽从水浴表面蒸发。压力控制器维持容器中的恒定压力，从而维持下游管道中饱和蒸汽的温度和压力。由于过热蒸汽每单位质量比饱和蒸汽具有更多的能量，蒸发的蒸汽将多于实际进入减温器的蒸汽。因此，水位将下降，因此必须做出维持水位的规定。这通常需要类似于锅炉给水泵的泵，因为水必须在容器压力下被泵入。

在过热蒸汽供应中需要一个良好的止回阀，以防止在过热主管道中的压力下降时，水浴中的水被吸入过热蒸汽系统。 优点：

简单
以饱和温度产生蒸汽。
可以产生干度为0.98的蒸汽。
调节比仅受安装的控制装置限制。

缺点：

体积大。
不适用于高温。

应用：

流量的大范围变化。
不能容忍任何残余过热度的场合。

喷水减温

这种减温方式代表了绝大多数减温应用。在喷水减温器中，过热蒸汽通过装有一个或多个喷嘴的管道段。这些喷嘴将冷却水的细雾喷入过热蒸汽中，导致水被转化为蒸汽，减少过热量。冷却水可以通过多种方式引入过热蒸汽中；因此有多种不同类型的喷水减温器。

尽管如此，大多数喷水减温器受以下因素影响：

颗粒尺寸 - 水颗粒尺寸越小，表面积与质量的比越大，传热速率越高。由于水被直接注入流动的过热蒸汽中，颗粒尺寸越小，进行热交换所需的距离越短。水通过机械装置（如可变或固定孔口喷嘴）或蒸汽雾化喷嘴被破碎成小颗粒。
湍流 - 随着管道内流动变得更加湍流，各个夹带的水颗粒在减温器中停留时间更长，允许更大的传热。此外，湍流促进冷却水和过热蒸汽的混合。增加的湍流导致完全减温所需的距离更短。湍流可以通过两种方式产生：
喷嘴上的压降 - 使冷却水承受更高的压降将增加其速度并引发更大的湍流。
速度 - 通过增加水和蒸汽混合物的整体速度，湍流量固有地增加。速度的增加通常通过在蒸汽流道中产生限制来实现，这进一步通过涡旋脱落产生湍流。除了这些高速度之外，如果使用不良的管道设计做法，过热蒸汽的速度理论上可能接近马赫1。在如此速度下会出现一些问题（包括产生冲击波）。然而，这远远超过良好管道设计中使用的速度。进入减温器的蒸汽典型速度应在40至60 m/s左右。
冷却水流量 - 冷却水可以添加到过热蒸汽的速率受许多因素影响，这些因素通过公式4.2.11关联：考虑到C和g是常数，审查公式4.2.11表明只有两个因素可以操纵来改变冷却水流量qv：

改变孔口（喷嘴）上的压降h - 将流量表示为喷嘴上压降的函数：这意味着，例如，如果流量增加5倍，可用压力必须增加52 = 25倍。这种关系的效果是严重阻碍调节比。除了影响冷却水流量外，在确定所需冷却水压力时还有两个重要考虑因素：

冷却水压力必须大于注入点处的过热蒸汽压力。
喷嘴上的压降越大，冷却水的雾化效果越好。改变孔口面积A - 将流量表示为孔口面积的函数： V ∝ A 这种直接关系意味着，例如，如果流量要增加5倍，可用面积也必须增加5倍。这种变化可以通过具有面积变化能力的孔口（见图15.2.4）简单实现，或者通过改变通过冷却剂的孔口数量来实现。

热套管 - 需要仔细控制喷雾以确保水不会从悬浮中沉降出来，因为这可能导致管道中产生热应力并可能出现开裂。然而，在某些情况下，可以使用内部热套管来提供保护。热套管还允许过热蒸汽在套管和管道内径之间的环形区域循环。这提供了一个热表面，注入的水可以在其上蒸发，而不是在减温器不可避免地较冷的壁面上蒸发。

喷水式减温器

单点径向注入喷雾减温器 注入冷却水最简单的方法是通过管壁引入喷嘴。冷却水颗粒被喷洒在过热蒸汽的流道上。注入的冷却水量通过改变喷嘴中心阀门的位置来控制。 优点：

操作简单。
成本效益高。
最小蒸汽压降。 缺点：
低调节比，蒸汽和冷却水流量最大通常为3:1。
减温蒸汽温度只能降低到饱和温度以上10°C。
比蒸汽雾化型更长的吸收长度。
最容易造成内部管道的侵蚀损坏。这可以通过使用热套管来克服。
受限的管道尺寸。 应用：
恒定蒸汽负荷。
恒定蒸汽温度。
恒定冷却剂温度。所有这些都意味着相对恒定的冷却水需求。 多点径向注入喷雾减温器 ****这是单点径向注入喷雾减温器的升级版。冷却水从管道周围的多个孔口喷入。

轴向注入喷雾减温器

这也是一种简单的在线注入喷雾减温器，但注入点被移到管道轴线上。冷却水通过一个或多个雾化喷嘴注入蒸汽流中（见图15.2.8）。该装置通常采用热套管。冷却水的轴向注入通过两种方式改善了水和过热蒸汽的混合：

由于水沿管道中心注入，它将更均匀地分布在整个过热蒸汽中。
插入管道中的冷却水输送管作为障碍物，在水注入点由于涡旋脱落产生额外的湍流。对这种基本布置的一种修改是将喷嘴转向，使冷却水逆蒸汽流向上游喷射。过热蒸汽的高速度反转了喷雾水流模式，并将其送回混合室。这在较短的吸收长度上实现了水和蒸汽更有效的混合。 优点：
操作简单。
无运动部件。
在整个尺寸范围内成本效益高。
最小蒸汽压降。 缺点：
低调节比，蒸汽和冷却水流量最大通常为3:1。
减温蒸汽温度只能降低到饱和温度以上10°C。
比蒸汽雾化型更长的吸收长度，但比径向型减温器短。
最容易造成内部管道的侵蚀损坏。这可以通过使用热套管来克服。 应用：
恒定蒸汽负荷。
恒定蒸汽温度。
恒定冷却剂温度。所有这些都意味着相对恒定的冷却水需求。

多喷嘴轴向注入减温器

与单喷嘴不同，多喷嘴轴向注入减温器在过热蒸汽的流道上提供多个喷嘴。这提供了良好的水滴分散效果。有三种主要类型的多喷嘴轴向注入减温器：

固定面积型 - 减温器运行时所有喷嘴都打开，冷却水由喷水控制阀调节。
可变喷雾型 - 下游温度决定暴露的喷嘴数量。冷却水通过水套进入减温器到圆盘上方的密封区域（见图15.2.12）。当相关的温度控制系统检测到下游蒸汽温度升高时，执行机构将阀杆向下移动，逐步暴露更多的喷嘴。当冷却水需求变化时，阀杆和圆盘组件根据需要上下移动。这起到了改变总孔口面积的效果。
弹簧辅助型 - 这基本上是前两种类型的组合。阀杆和圆盘组件不由执行机构控制，弹簧辅助型包含一个弹簧加载的流量塞，它响应冷却剂和过热蒸汽之间的压差变化而移动。移动的塞子改变打开喷嘴的数量，从而调节进入主管道的流量。此外，冷却水由喷水控制阀调节。

能够同时控制冷却水的压力和流量，可以精确控制注入过热蒸汽的水量。然而，这种类型需要高冷却水压力。 优点：

固定面积型可实现高达8:1的调节比，弹簧辅助型可实现高达9:1的调节比，可变面积型可实现12:1的调节比。
更好的水滴分散意味着吸收长度小于单喷嘴装置。
最小蒸汽压降。 缺点：
减温蒸汽温度只能降低到饱和温度以上8°C。
比蒸汽雾化型更长的吸收长度。
如果不使用热套管，最容易造成内部管道的侵蚀损坏。
不适用于小管道尺寸。
需要高压冷却水（特别是弹簧辅助型）。
可变面积型和弹簧辅助型可能价格昂贵。 应用：
需要比单喷嘴装置更高调节比，但更复杂设备的费用无法证明合理的应用。
恒定蒸汽负荷。
恒定蒸汽温度。
恒定冷却剂温度。所有这些都要求相对恒定的减温负荷。