蒸汽喷射加热大桶和储罐

直接蒸汽喷射是将蒸汽气泡排入较低温度的液体中以传递热量的过程。本教程解释了这一过程和所使用的方法，包括相关的传热计算。

直接蒸汽喷射是将一系列蒸汽气泡排入较低温度的液体中。蒸汽气泡凝结并将热量释放给周围液体。 热量通过蒸汽与液体之间的直接接触传递，因此该方法仅在稀释和液体质量增加可以接受时使用。因此，被加热的液体通常是水。直接蒸汽喷射很少用于加热发生化学反应的溶液，因为溶液的稀释会降低反应速率并降低生产率。 直接蒸汽喷射是整个工业中最广泛使用的锅炉给水箱加热方法。该方法因其简单性而常被选用。不需要传热表面或蒸汽疏水阀组，也无需考虑冷凝水回水系统。

蒸汽消耗计算

在直接蒸汽喷射过程中，热量传递方式与间接换热不同。由于热量不是通过表面传递的，且蒸汽与被加热的工艺流体自由混合，因此必须以不同的方式计算蒸汽中可用热量的量。这可以通过公式2.11.1求得：

公式2.11.1表明，蒸汽喷射利用了全部蒸发焓（或潜热）以及蒸汽中所含液体焓的一部分。液体焓的实际利用比例取决于喷射过程结束时水的温度。

间接加热与直接蒸汽喷射的一个主要区别是，随着蒸汽的加入，工艺流体的体积（和质量）增加了，增加量等于注入的蒸汽量。 另一个区别是，在计算蒸汽盘管的蒸汽流量时，考虑的是盘管内的压力，但对于蒸汽喷射，考虑的是控制阀之前的压力。 在某些情况下（当液面不在溢流管水平时），随着进程推进，喷射器上方的液位将增加。然而，这种增加可能很小，在计算中很少考虑。

影响传热速率的因素

在公式2.11.1中，蒸汽消耗速率与热需求直接相关。除非蒸汽喷射系统的设计使所有条件都有利于最大传热，否则蒸汽气泡可能只是冲破液面逸散到大气中；蒸汽中包含的部分热量将损失到大气中，实际传热速率将低于预期。 在浸没盘管的情况下，预热期间开始时的最大传热速率取决于通过控制阀及其相关管道的最大蒸汽流量，以及盘管表面积允许的最大热输出。 在直接蒸汽喷射过程中，预热期间开始时的最大传热速率可能取决于通过控制阀、管道或喷射器本身的最大流量。然而，如上所述，它还将取决于其他因素，例如：

• 蒸汽气泡的大小 蒸汽气泡的凝结取决于气泡表面的传热。为确保蒸汽气泡完全凝结，表面积/体积比必须尽可能大。较小的气泡每单位体积具有比大气泡更大的表面积，因此希望产生非常小的气泡。气泡出现时的压差（蒸汽管与蒸汽排入水中位置之间）也会影响蒸汽气泡的大小。蒸汽的比容随压力降低而增加，因此压力下降将增加蒸汽气泡逸入液体时的大小。即使蒸汽气泡从非常小的孔排出，如果蒸汽压力较高，气泡也可能显著增大。因此，分布管中较低的压力更为有利。
• 喷射点上方的液位 喷射点上方的液位将产生背压，使压差小于蒸汽压力。如果液位较高且分布管中的蒸汽压力较低，则可能只有很小的压力变化，从而使形成的气泡大小保持在最小。喷射点上方更大的液位将给蒸汽气泡提供在到达表面之前凝结的最大机会。
• 气泡的速度 气泡在喷射点的速度也取决于蒸汽压力与液位之间的差异。希望将此压差保持在尽可能低的水平，使气泡速度也尽可能低，从而使气泡有最多的时间在到达表面之前凝结。
• 液体的温度 蒸汽凝结的速率与蒸汽和被加热液体之间的温差成正比。与所有传热过程一样，换热速率与温差成正比。 始终建议确保液体温度得到正确控制并保持在应用所需的最低水平，以维持最大传热速率并避免能量浪费。

这是一种简单的安装在罐内的管道，在管道上以等间距钻孔（通常在4点钟和8点钟方向），沿管道长度均匀分布，末端封堵。蒸汽通过孔洞以小气泡形式从管道中逸出，这些气泡将按预期凝结或到达液面（见图2.11.1）。

分布管制造成本低且易于安装，但容易引起高振动和噪声。更有效的方法是使用设计合理的蒸汽喷射器。

例2.11.1——确定通过蒸汽喷射加热一罐水的蒸汽负荷

这些计算（步骤1至5）基于示例2.9.1和2.10.1中的热损失，但罐中装的是水（cp = 4.19 kJ/kg °C），而非稀酸溶液，且水通过蒸汽喷射而非蒸汽盘管加热。 步骤1——使用公式2.6.1求取将12 000 kg水从8°C加热到60°C所需的能量（2小时内）：

蒸汽以2.6 bar g的压力供给控制阀。为计算平均蒸汽流量，需要确定此压力下蒸汽的总焓（hg）。从表2.11.1（蒸汽表摘录）可以看出，2.6 bar g时蒸汽的总焓（hg）为2733.89 kJ/kg。

表2.11.1 蒸汽表摘录

步骤2——使用公式2.11.1求取加热水的平均蒸汽流量：

步骤3——求取加热罐体材料（钢）的平均蒸汽流量。 根据示例2.9.1，罐体材料的平均传热速率 = Q̇(tank) = 14 kW 再次使用公式2.11.1计算加热罐体材料的平均蒸汽流量：

步骤4——求取预热期间补偿罐体热损失的平均蒸汽流量。根据示例2.9.1：

虽然可以合理地接受蒸汽的液体焓将有助于水和罐体材料的温升，但较难理解蒸汽的液体焓如何有助于罐体因辐射而损失的热量。因此，计算热损失所用蒸汽的方程（公式2.11.2）仅考虑大气压下蒸汽的蒸发焓。

步骤5——确定通过蒸汽喷射加热一罐水的蒸汽负荷。总平均蒸汽流量可计算如下：

在蒸汽喷射系统中需要牢记的重要一点是，液体的最终质量等于冷液体质量加上加入的蒸汽质量。

在本例中，过程开始时有12 000 kg水。在所需的2小时加热期间，蒸汽以569 kg/h的速率注入。因此液体质量增加了2 h x 569 kg/h = 1 138 kg。 液体最终质量为：12 000 kg + 1 138 kg = 13 138 kg 额外的1138 kg冷凝水的体积约为1 138升（1.138 m³），水位将增加：

显然，工艺罐需要在起始水位上方有足够的空间来容纳这种增加。出于安全考虑，涉及蒸汽喷射的罐体结构中应始终包括溢流口。

或者，如果工艺要求最终质量为12 000 kg，则过程开始时水的质量应为：

比分布管更有效的替代方案是如图2.11.3所示的蒸汽喷射器。喷射器吸入冷水并在喷射器内部与蒸汽混合，将加热后的液体分配到罐中。

喷射器主体的工程设计比简单的分布管更为精密，允许使用更高压力的蒸汽。在喷射器主体内形成湍流区，确保蒸汽和液体充分混合，即使在相对较高的压力下也是如此。这具有搅拌和循环液体的效果，使整个罐内保持恒温，无温度分层或冷点。

这些喷射器比分布管更紧凑，因此可以避免与浸入罐中的物体发生干扰。它们比分布管更坚固且通常更安静，但如果安装不当仍可能遇到噪声问题。

蒸汽喷射器相关的噪声

使用高压蒸汽喷射器时，在以下条件下会产生三种不同的噪声水平：

• 正常运行 当喷射器入口处的蒸汽压力高于2 bar g时，正常运行期间产生的噪声可以描述为低沉的轰鸣声。 噪声是由蒸汽在排放管内凝结引起的，蒸汽与通过孔洞吸入铸造体内的循环水混合。正常条件下，喷射器管的排放温度比进入的水高约10 °C。 此类噪声随蒸汽压力、水温和喷射器数量的增加而增大，但在蒸汽压力低于8 bar g时通常不会令人不适。虽然在8 bar g以上压力下罐内容物会产生强烈循环，但应该不会出现太大的振动。
• 不完全凝结 其特征是低沉的撞击声，有时伴有强烈振动。当液体温度过高时（通常高于90 °C）会发生这种情况。当液体过热时，喷射器效率降低，部分蒸汽从排放管中逸出。 在较高蒸汽压力下，蒸汽凝结可能引起振动，这对于常压罐是不建议的。然而，在设计坚固的圆柱形压力容器中，这可能不会造成任何问题。
• 低流量 当喷射器入口处的蒸汽压力降至1.5 bar g以下时，可以听到独特的噼啪声。在这些条件下，蒸汽在离开喷射器管之前无法释放其蒸发焓。 在低流量下，蒸汽行进速度低于其他运行模式，在铸造体和连接管道中会发现蒸汽气泡坍塌，引起气蚀。这种噪声通常被认为是令人不适的，如果蒸汽喷射系统被过大选型就可能出现。 噪声也可能是由喷射器安装不当引起的。矩形罐的侧面可能由相当柔性的面板构成。将喷射器连接到柔性面板的中部可能引起振动和噪声。通常将喷射器安装在靠近罐角的位置（该处结构更刚性）可能更好。

例2.11.2

基于例2.11.1的数据，设计一个蒸汽喷射系统。 所需蒸汽喷射速率 = 569 kg/h 蒸汽喷射压力 = 1.0 bar

表2.11.2 典型蒸汽喷射器容量表

最大喷射器（IN40M）在1.0 bar时容量为400 kg/h，因此本应用需要：

理想情况下，由于涉及较低压力，喷射器应安装在罐的相对两端以获得良好的混合效果。

另一种方案是使用更高压力的蒸汽。这将允许使用一个更小的喷射器，降低成本的同时仍能提供良好的混合效果。

计算注入蒸汽负荷的替代方法

本模块中先前使用的计算平均蒸汽流量的方法需要先计算平均热负荷。这由公式2.11.1表示：

如果不知道平均传热速率，可以使用另一种方法来确定平均蒸汽流量。这需要使用如下所述的热平衡。

应当注意的是，两种方法返回的结果完全相同，因此使用哪种方法取决于用户的选择。 通过热平衡计算平均蒸汽流量 考虑水中的初始热含量加上蒸汽加入的热量等于最终热含量的热平衡。罐中水的热平衡方程如公式2.11.3所示：

注入蒸汽的质量

注入蒸汽的质量可以从公式2.11.4更直接地确定，该公式由公式2.11.3推导而来。

例2.11.3

考虑与例2.11.1相同的条件。

使用公式2.11.4对罐中水进行热平衡：

对罐体材料进行热平衡

罐体侧面和水面的热损失与之前计算的相同，即24 kg/h。

这与本模块中先前通过公式2.11.1和2.11.2获得的结果相同，证明两种方法均可用于计算加热罐体及其内容物的平均蒸汽流量。