盘管和夹套加热

本教程涵盖流体的间接加热，包括盘管和夹套的布局、控制和疏水，以及传热计算。

容器可以通过多种不同的方式加热。本模块将讨论间接加热。 在这些系统中，热量通过传热表面传递。选项包括：

储罐盘管的使用在船舶应用中尤为普遍，其中原油、食用油、油脂和糖蜜等货物在深舱中加热。许多液体在环境温度下由于粘度大而难以处理。蒸汽加热盘管用于提高这些液体的温度，降低其粘度使其更容易泵送。

储罐盘管也广泛用于电镀和金属处理。电镀是将工件通过多个工艺槽，以便将金属镀层沉积在其表面上。该过程的第一个阶段称为酸洗，其中将钢材和铜材等材料浸入酸或碱溶液罐中处理，以去除可能形成的任何氧化皮或氧化物（如锈蚀）。

蒸汽盘管选型

在确定了所需能量（前一模块）以及了解盘管中蒸汽压力/温度的基础上，可以使用公式2.5.3确定传热面积：

计算的传热面积相当于盘管的表面积，可用于确定合适的尺寸和布局。 确定’U’值 要计算传热面积，必须选择总传热系数U的值。这将随两种流体的热性质和传输性质以及其他一系列条件而有很大变化。 在盘管的产品侧，将存在热边界层，其中在表面和主体流体之间存在温度梯度。如果该温差相对较大，则自然对流将是显著的，传热系数将较高。 辅助循环（如搅拌）引起的强制对流也将导致更高的系数。由于对流部分依赖于流体的整体运动，粘度（随温度变化）也对热边界层有重要影响。 在盘管的蒸汽侧也可能出现额外的变化，特别是在长管道中。盘管入口可能具有较高的蒸汽速度且相对不含水。

然而，沿盘管长度方向，蒸汽速度可能较低，盘管可能部分充满水。在很长的盘管中，如有时在远洋油轮或大型散装储罐中发现的盘管，沿盘管长度会出现显著的压降。为达到平均盘管温度，可以使用约为入口压力75%的平均蒸汽压力。在极端情况下，使用的平均压力可能低至入口压力的40%。 另一个变量是盘管材料本身。盘管材料的导热系数可能有很大差异。然而，总传热在很大程度上受热阻膜的控制，盘管材料的导热系数不如它们的综合效果重要。表2.10.1提供了浸没式蒸汽盘管在各种应用条件下的典型总传热系数。2 bar g和6 bar g之间蒸汽压力的’U’值应通过表中数据插值求得。

表2.10.1 浸没在水中的蒸汽盘管的传热速率

表2.10.1中显示的数据范围说明了提供确定’U’值的困难。较高范围的常用值适用于供应清洁干燥蒸汽、小盘管和良好冷凝水疏水的装置。较低范围更适用于蒸汽质量差、长盘管和冷凝水疏水不良的情况。

推荐的总传热系数将适用于典型条件和装置。 这些推荐速率是经验推导的，通常将确保盘管选型具有充裕的安全裕度。 对于水以外的流体，传热系数的变化会更大，因为粘度随温度的变化方式不同。然而，表2.10.2中的值将作为一些常见物质的参考，而表2.10.3给出了管道每米长度的典型表面积。

表2.10.2 浸没在各种液体中的蒸汽盘管的传热速率

• 某些材料如油脂和人造黄油在常温下是固体，但在熔融状态下粘度相当低。

** 商业糖蜜通常含有水，粘度要低得多。

表2.10.3 钢管每米长度的公称表面积

例2.10.1

接续例2.9.1，确定：

• 第1部分：启动期间的平均蒸汽质量流量。（平均热负荷 = 367 kW）
• 第2部分：所需的传热面积。
• 第3部分：推荐的盘管表面积。
• 第4部分：使用推荐传热面积时的最大蒸汽质量流量。
• 第5部分：安装建议，包括盘管直径和布局。 提供以下附加信息：
• 控制阀入口的蒸汽压力 = 2.6 bar g（3.6 bar a）。
• 不锈钢蒸汽盘管提供热量。
• 蒸汽/盘管/液体的传热系数 U = 650 W/m² °C 第1部分：计算启动期间的平均蒸汽质量流量 控制阀入口的蒸汽压力 = 2.6 bar g（3.6 bar a） 启动期间控制阀上将出现临界压降（CPD），因此加热盘管中的最低蒸汽压力应取为上游绝对压力的58%。相关解释在模块5中。

第2部分：计算所需传热面积

第3部分：推荐盘管表面积 由于提供准确’U’值的困难，以及考虑到换热表面未来的结垢，通常在计算传热面积上增加10%。

第4部分：使用推荐传热面积时的最大蒸汽质量流量 最大传热（以及蒸汽需求）将出现在蒸汽与工艺流体之间温差最大时，并应考虑为结垢预留的额外管面积。 (a) 考虑盘管的最大加热能力 Q̇(coil)

(b) 提供519 kW所需的蒸汽流量

第5部分：安装建议，包括盘管直径和布局 (a) 确定盘管直径和长度

在3 m x 3 m的罐中容纳这种长度的大口径加热管可能比较困难。

一种解决方案是在蒸汽集管和冷凝水集管之间运行一组平行管道，设置在不同高度以促进冷凝水流向较低的（冷凝水）集管。排放管线必须从冷凝水集管底部向下倾斜到蒸汽疏水阀（或泵式疏水阀）。 建议布局见图2.10.1。

注意蒸汽供应位于其集管的一端，而疏水阀组位于另一端。这将有助于蒸汽流动并将冷凝水推过盘管。

在本应用中，蒸汽和冷凝水集管各长2.8 m。由于冷凝水集管容纳冷凝水，与蒸汽集管相比其热量很小，在计算中可以忽略。 蒸汽集管应为100 mm直径，由先前的速度计算确定。这将提供加热面积： 2.8 m x 0.358 m²/m = 1.0 m² 因此还需要7 m² - 1 m² = 6 m²的传热面积，必须由连接管道提供。 任意选择32 mm管道作为坚固性和可操作性之间的良好折衷：

验证 有必要确认通过连接管的蒸汽速度： 基于传热面积的比例，蒸汽集管将凝结：

其他蒸汽盘管布局

蒸汽盘管的设计和布局将取决于被加热的工艺流体。当被加热的工艺流体是腐蚀性溶液时，通常建议盘管入口和出口接管从罐体上缘引出，因为通常不建议在罐体侧壁的耐腐蚀衬里上钻孔。这将确保罐体衬里中没有薄弱点，避免腐蚀性液体泄漏的风险。在这些情况下，盘管本身也可以由耐腐蚀材料制成，如包铅钢管或铜管，或钛等合金。 然而，在没有腐蚀危险的情况下，应避免跨越罐体结构的提升，蒸汽入口和出口接管可以穿过罐体侧壁。任何提升的存在将导致部分盘管长度积水，并可能产生水锤、噪声和管道泄漏。 蒸汽加热盘管通常应从入口到出口有渐进的坡度，以确保冷凝水向出口流动，不在盘管底部积聚。 在不可避免的提升情况下，应在提升底部设计密封装置和小口径插入管，如图2.10.2所示。

密封装置允许少量冷凝水积聚作为水封，并防止汽锁的发生。如果没有此密封，蒸汽可以在积聚在管道底部的任何冷凝水上方通过，并关闭提升管顶部的蒸汽疏水阀。

冷凝水水位随后将上升并形成临时水封，将蒸汽锁定在提升管底部和蒸汽疏水阀之间。蒸汽疏水阀保持关闭，直到被锁定的蒸汽凝结，期间盘管继续积水。 当被锁定的蒸汽凝结且蒸汽疏水阀打开时，一股水柱被排放到提升管中。一旦水封被打破，蒸汽将进入提升管并关闭疏水阀，而断裂的水柱回落到加热盘管底部。 小口径插入管只允许极少量的蒸汽在提升管中被锁定。它使得水柱易于维持而不会被蒸汽穿透，确保有稳定连续的冷凝水流向出口。 当密封最终被打破时，与无限制的大口径提升管相比，返回加热盘管的水量更少，但由于水封装置需要较少的冷凝水体积来形成水封，它将立即重新形成。 如果工艺涉及将工件浸入液体中，将盘管安装在罐底可能不太方便——它可能被浸入溶液中的物体损坏。

此外，在某些工艺过程中，重质沉积物将沉降到罐底，并可能迅速覆盖加热表面，抑制传热。 因此，在电镀行业中经常使用侧挂盘管。在这种情况下，蛇形或板式盘管沿罐体侧面布置，如图2.10.3所示。这些盘管也应有向下到底部的坡度，并带有水封和小口径插入管。这种布置的优点是通常更容易安装，也更容易拆卸以进行定期清洁。

如果要将工件浸入罐中，可能无法使用任何类型的搅拌器来引起强制对流并防止整个罐中出现温度梯度。无论是使用底部盘管还是侧面盘管，都必须安排足够的覆盖范围，使热量在整个液体体积中均匀分布。

盘管的直径应提供足够的盘管长度以实现良好的分布。大直径的短盘管可能无法提供足够的温度分布。然而，非常长的连续盘管可能由于端到端的压降而经历温度梯度，导致液体加热不均匀。 虽然以下两个标题”控制阀选型”和”冷凝水排放设备”包含在本模块中，新读者应参考学习中心的后续模块以获取全面完整的信息，然后再尝试设备的选型和选择。

控制阀布置

控制阀组可以是并联的一个或两个阀门。一个足够大的单个控制阀来应对启动时遇到的最大流量，可能无法在预期最小流量下精确控制流量。这可能导致温度控制不稳定。

替代方案是并联安装两个温度控制阀：

• 一个阀门（运行阀）设计为在较低流量下控制。
• 第二个阀门（启动阀）通过第一个阀门容量与最大流量之间的差值。 启动阀的设定点略低于运行阀，因此它将首先关闭，让运行阀在低负荷下控制。

控制阀选型

控制阀组（一个阀门或两个并联阀门）。 盘管已基于平均传热值选型。然而，控制阀最好按最大（启动）负荷选型。对于罐中的大盘管，这将有助于在开启蒸汽时在整个盘管长度上维持一定程度的蒸汽压力，帮助将冷凝水推过盘管到蒸汽疏水设备。如果控制阀按平均值选型，启动时盘管中的蒸汽压力将趋于较低，盘管可能会积水。

使用单个阀门

继续例2.10.1，最大蒸汽负荷为850 kg/h，盘管设计在此压力下以1.1 bar g输送。蒸汽阀选型表将显示，要在控制阀入口压力为2.6 bar g且阀门上为临界压降（CPD）的条件下通过850 kg/h的蒸汽，需要约20的Kv。（模块6.4将展示如何通过计算确定阀门尺寸）。 因此需要选择Kvs为25的DN40控制阀用于本应用。 如果使用单个阀门，此阀门必须确保满足最大热负荷，同时在启动时维持盘管中所需的蒸汽压力以协助冷凝水排出。然而，由于前面解释的原因，两个阀门可能更好。 运行负荷为52 kW，盘管在1.1 bar g下运行时的运行蒸汽负荷：

蒸汽阀选型表显示，在上游压力3.6 bar、临界压降条件下通过85 kg/h需要Kv为2。

DN15 KE型阀门（Kvs = 4）和DN25活塞执行机构阀门（Kvs = 18.6）共同运行将满足启动负荷。当接近控制温度时，较大的阀门将被设定关闭，允许较小的阀门提供良好的控制。

冷凝水排放设备

冷凝水排放设备的选择和选型将很大程度上受到冷凝水背压的影响。在本例中，假设背压为大气压。设备的选型应使其能够满足以下两个条件：

1. 在盘管压力为1.1 bar g时通过850 kg/h的冷凝水，即满负荷条件。
2. 当盘管中的蒸汽压力等于冷凝水背压时通过冷凝水负荷，即停滞负荷条件。 如果蒸汽疏水阀仅按第一个条件选型，它可能无法通过停滞负荷（产品接近所需温度且控制阀调节以降低蒸汽压力的条件）。停滞负荷可能相当可观。对于像储罐这样的非流动类型应用，从热学角度看这可能不太严重，因为罐内容物几乎已达到所需温度，并且具有巨大的热量储备。 因此，加热过程此阶段的任何传热降低可能对罐内容物没有直接影响。 然而，冷凝水将回流到盘管中并发生水锤，伴随相关的症状和机械应力。大型圆形罐中的罐体盘管往往结构坚固，通常能够承受这种应力。然而，在矩形罐（通常较小）中可能出现问题，盘管中的振动对罐体结构的影响更大。这里，水锤耗散的能量引起振动，可能对盘管、罐体和蒸汽疏水阀的寿命有害，同时产生令人不适的噪声。 对于像板式换热器这样的流动型应用，不考虑停滞条件通常会产生严重后果。这主要是由于换热器内的小体积。 对于换热器，任何不希望的加热表面积减少（如冷凝水回流到蒸汽空间中造成的减少）都会影响通过加热表面的热流。这可能导致控制系统变得不稳定和不稳定，需要稳定或精确控制的工艺可能性能不佳。 如果换热器被过大选型，当冷凝水回流到蒸汽空间时可能仍有足够的加热表面，热性能的降低可能不会总是发生。 然而，对于没有设计来应对积水影响的换热器，这可能导致加热表面腐蚀，不可避免地缩短换热器的使用寿命。在某些应用中，积水可能是昂贵的。考虑一个积水的空气加热器防冻盘管。4 °C的冷空气以3 m/s的速度流动，可以很快冻结锁定在盘管中的冷凝水，导致过早且不必要的损坏。正确的冷凝水排放对于维持任何换热器和空气加热器的使用寿命至关重要。 蒸汽疏水阀是调节设备，允许在不同条件下从应用中排出不同数量的冷凝水。浮球式蒸汽疏水阀设计为在接近蒸汽温度下调节和释放冷凝水，提供最大的设备性能、最长的设备寿命和最大的设备投资回报。 当出现停滞条件且无法使用蒸汽疏水阀时，自动泵式疏水阀或泵与疏水阀组合将确保在所有时间正确排放冷凝水，从而最大限度地提高设备的热能力和降低生命周期成本。

最常用的蒸汽夹套类型仅由包围容器的外圆筒组成，如图2.10.4所示。蒸汽在外夹套中循环，并在容器壁上凝结。夹套容器也可以保温，或在夹套周围包含内部空气间隙。这是为了确保尽可能少的蒸汽在外夹套壁上凝结，热量向内传递到容器。

传热面积（容器壁表面积）可以用与蒸汽盘管相同的方式计算，使用公式2.5.3和表2.10.4中提供的总传热系数。

虽然蒸汽夹套由于向周围环境的辐射损失通常在热效率上不如浸没盘管，但它们确实为容器搅拌留出了空间以促进传热。表2.10.4中列出的U值适用于适度的非近距离搅拌。 通常容器壁由不锈钢或搪瓷碳钢制成。搪瓷将提供额外的耐腐蚀层。蒸汽夹套空间的大小取决于容器的大小，但宽度通常在50 mm到300 mm之间。

表2.10.4 蒸汽夹套的总传热系数