汽水分离器

“湿”蒸汽是蒸汽系统中的一个主要问题，因为它可能导致工艺和维护问题，包括较低的生产率、侵蚀和腐蚀。汽水分离器旨在有效地去除蒸汽流中的水分。本文考虑了不同类型的应用和选型。

湿蒸汽是含有一定水分的蒸汽，是任何蒸汽系统中主要关注的问题之一。它可能降低设备生产率和产品质量，并可能损坏大多数设备和装置。虽然仔细的排水和疏水可以去除大部分水分，但它无法处理悬浮在蒸汽中的水滴。为了去除这些悬浮的水滴，在蒸汽管道中安装汽水分离器。

设计用于产生饱和蒸汽的锅炉产生的蒸汽本身是湿的。虽然干度会因锅炉类型而异，但大多数壳式蒸汽锅炉产生的蒸汽干度在95%至98%之间。如果发生汽水共腾和飞水，锅炉产生的蒸汽水分含量会进一步增加。 分配管道总会存在一定程度的热量损失，导致蒸汽冷凝。冷凝的水分子最终会沉到管道底部形成水膜。流过水面的蒸汽可以掀起波纹，逐渐发展成波浪。波浪的尖端往往会断裂，将冷凝水滴抛入蒸汽流中。 蒸汽中存在水分会导致许多问题：

• 由于水是极其有效的热传递障碍，它的存在可能降低设备生产率和产品质量。这可以在图12.5.1中看到，该图显示了典型换热表面的温度分布。

• 以高速蒸汽速度运动的水滴会侵蚀阀座和管件，这种情况称为拉丝腐蚀。水滴还会增加腐蚀量。
• 水滴中携带的杂质导致管道和加热面结垢增加。
• 控制阀和流量计的不稳定运行。
• 阀门和流量计因快速磨损或水锤而失效。 虽然汽水分离器有多种不同的设计，但它们都试图去除悬浮在蒸汽流中的水分，这些水分无法通过排水和蒸汽疏水阀去除。蒸汽系统中常用的汽水分离器有三种类型：

挡板式——

挡板或叶片式汽水分离器由多个挡板组成，当蒸汽流过分离器本体时，使流动方向多次改变。悬浮的水滴比蒸汽具有更大的质量和惯性；因此，当流动方向改变时，干蒸汽绕过挡板流动，水滴聚集在挡板上。此外，由于分离器具有较大的横截面积，流体速度随之降低。这减少了水滴的动能，大多数水滴将从悬浮中落出。冷凝水聚集在分离器底部，通过蒸汽疏水阀排出。

旋风式——

旋风式或离心式汽水分离器使用一系列翅片来产生高速旋流。蒸汽的速度使其围绕分离器本体旋转，将较重的悬浮水抛向器壁，在那里它排入安装在设备下方的蒸汽疏水阀。

聚结式——

聚结式汽水分离器在蒸汽路径中提供障碍物。该障碍物通常是金属丝网垫（有时称为除雾器垫），水分子在其上被捕获。这些水分子倾向于聚结，产生过大的液滴，气体系统无法继续携带。随着液滴尺寸增大，它们变得过重，最终落入分离器底部。 通常可以发现结合聚结式和旋风式操作的汽水分离器。通过结合两种方法，汽水分离器的整体效率得到提高。

分离器效率是衡量分离出的水量占蒸汽携带的总水量比例的指标。在实验室之外，很难确定分离器的确切效率，因为它取决于入口干度、流体速度和流动模式。然而，管道弯头的侵蚀、拉丝腐蚀和水锤是蒸汽管道中存在湿蒸汽的指标。

挡板式与旋风式和聚结式汽水分离器之间性能的主要区别之一是，挡板式能够在更宽的管道速度范围内保持高水平的效率。旋风式和聚结式汽水分离器在速度高达13 m/s时通常表现出98%的效率，但根据英国大学的研究，这会急剧下降，在25 m/s时效率通常约为50%。 该研究还证明，对于挡板式汽水分离器，在10 m/s到30 m/s的范围内效率保持接近100%。结论是，挡板式汽水分离器更适合蒸汽应用，因为蒸汽应用通常存在一定程度的速度波动。此外，如果管道尺寸不足，湿蒸汽的运行速度将超过30 m/s。 克服此问题的一种方法是使用更大尺寸的汽水分离器，并增加紧接在汽水分离器上游的管道直径。这将起到降低蒸汽在进入汽水分离器之前的速度的效果。

示例12.5.1

如果在含有干度为0.95的蒸汽的蒸汽总管上安装了效率为90%的汽水分离器，下游干度将是多少？ 如果初始干度为0.95，每千克（1000克）蒸汽含有：

虽然相比原始干度0.95有所改善，但蒸汽仍将含有大量水分。

挡板式汽水分离器的压力降非常低，这是由于汽水分离器本体提供的大面积横截面积造成的蒸汽速度降低。压力降通常小于相同公称直径管道的等效长度。相比之下，旋风式汽水分离器的压力降略高，因为必须维持流体速度以产生旋风效应。 在非关键应用中，挡板式汽水分离器通常根据管道尺寸确定尺寸；然而，有必要检查所选尺寸是否确保最大分离效率，以及压力降是否在可接受范围内。在关键应用中，更常见的是根据工作压力和流量选择汽水分离器，以提供合适的效率和压力降。旋风式汽水分离器的尺寸确定更为复杂，因为必须确保通过汽水分离器的速度适合维持高水平的效率，并且通过汽水分离器的压力降是可接受的。 示例12.5.2概述了从典型制造商规格图表中选择挡板式汽水分离器的方法。

示例12.5.2

使用图12.5.5中的选型图表，为减压站选择合适尺寸的汽水分离器，上游压力为12 bar g，通过32 mm管道的蒸汽流量为500 kg/h。如果流量加倍至1000 kg/h，汽水分离器应选多大尺寸？

1. 绘制蒸汽压力和流量相交的点A，从该点画一条水平线。在阴影区域内被该线穿过的任何汽水分离器曲线都将在接近100%的效率下运行。
2. 选择管线尺寸的汽水分离器，即在B点的32 mm。
3. 任何尺寸的管线速度都可以通过从该交点画垂直线来确定。从B点，这条线在速度轴上交叉于18 m/s。
4. 要确定通过汽水分离器的压力降，在从B点延伸的垂直线穿过C-C线的地方，绘制一条水平线。然后从A点画一条垂直线。交点D是汽水分离器的压力降。
5. 对1000 kg/h的流量重复此过程，生成点X、Y和Z。可以看出，点Y落在阴影区域之外，汽水分离器不会以最大效率运行。在这种情况下，建议使用更大尺寸的汽水分离器；应选择DN40汽水分离器，如点Z所示，点W处的压力降约为0.07 bar。

表12.5.1总结了挡板式和旋风式汽水分离器性能的重要差异。

表12.5.1 挡板式和离心式汽水分离器的比较

应在汽水分离器的冷凝水出口安装合适的蒸汽疏水阀，以确保有效去除冷凝水，同时不损失活蒸汽。最合适的蒸汽疏水阀类型是浮球式，它可以确保及时去除冷凝水。某些汽水分离器将蒸汽疏水阀机构包含在分离器本体内部。

大多数立式汽水分离器在本体顶部有一个螺纹接口。这可用于安装排气阀，便于在启动期间从蒸汽空间排出空气。

保温

如果汽水分离器不进行保温，由于暴露在环境中的大面积表面，它实际上可能促使水滴形成而不是消除它们。此外，大量热能可能从汽水分离器表面损失。例如，对含有150°C蒸汽且暴露在15°C环境温度下的汽水分离器进行保温，每年可节省8600 MJ的能量（仅基于辐射散热，假设空气静止且每年运行8760小时）。通过安装保温套，这种热量损失可以大幅减少，节能效果可在极短的时间内证明保温的初始成本是合理的。 应使用专为特定汽水分离器设计的保温套，因为汽水分离器的形状（特别是法兰式）使其难以保温。标准法兰盖使本体暴露在外，因此对减少热量损失的效果有限。 即使使用最好的保温材料，也不可能完全消除产品的热量损失。汽水分离器保温的效率通常在90%以上。重要的是使用专为特定汽水分离器设计的保温套；否则，保温效率会降低。正确保温的汽水分离器还降低了烧伤的人身伤害风险。