估算蒸汽消耗量的方法

如何计算流动和非流动应用的蒸汽需求量。包括预热、热损失和运行负荷。

蒸汽系统的最佳设计在很大程度上取决于是否已准确确定蒸汽消耗速率。这将使管道尺寸得以计算，同时可以对控制阀和蒸汽疏水阀等辅助设备进行选型，以获得最佳效果。设备的蒸汽需求可以通过多种不同的方法来确定： 计算

通过使用传热方程分析设备项目的热输出，可能获得蒸汽消耗量的估算值。虽然传热不是一门精确的科学，可能存在许多未知变量，但可以利用类似应用的先前实验数据。使用此方法获得的结果通常对于大多数目的来说足够精确。 测量

蒸汽消耗量可以通过直接测量来确定，使用流量计量设备。这将为现有设备的蒸汽消耗提供相对准确的数据。然而，对于仍处于设计阶段或尚未运行的设备，此方法几乎没有用处。 热额定值

热额定值（或设计额定值）通常显示在制造商提供的单个设备项目的铭牌上。这些额定值通常以kW表示预期热输出，但以kg/h表示的所需蒸汽消耗量将取决于推荐的蒸汽压力。 任何可能改变预期热输出的参数变化，意味着热（设计）额定值和连接负荷（实际蒸汽消耗量）将不相同。制造商的额定值是设备理想容量的指示，不一定等同于连接负荷。

在大多数情况下，蒸汽中的热量需要做两件事：

1. 使产品产生温度变化，即提供”加热”分量
2. 在产品因自然原因或设计原因损失热量时维持产品温度，即提供”热损失”分量。 在任何加热过程中，随着产品温度升高以及加热盘管与产品之间的温差减小，“加热”分量将减少。然而，随着产品温度升高以及容器或管道向环境散失更多热量，“热损失”分量将增加。 任何时刻的总热需求是这两个分量之和。 用于确定提高物质温度所需热量的方程（公式2.1.4，来自模块2）可以扩展应用于一系列传热过程。

原始形式的此方程可用于确定整个过程中的总热能。然而，以目前的形式，它没有考虑传热速率。为确定传热速率，各种类型的换热应用可以分为两大类： 非流动类型应用

被加热的产品是固定质量的单一批次，位于容器内部。 流动类型应用

被加热的流体持续流过传热表面。

在非流动类型应用中，工艺流体作为单一批次存在于容器内。位于容器中的蒸汽盘管或容器周围的蒸汽夹套可构成加热表面。典型示例包括图2.6.1所示的热水储存式换热器以及大型圆形钢制储油罐，其中装有粘性油，需要在泵送前进行加热。某些工艺涉及加热固体；典型示例包括轮胎压机、洗衣熨烫机、硫化机和高压釜。

在一些非流动类型应用中，工艺预热时间不重要且被忽略。然而在其他应用中，如储罐和硫化机，它不仅重要而且对整个工艺至关重要。

考虑两个需要相同热量但加热时间不同的非流动加热过程。传热速率将不同，而传递的总热量将相同。

此类应用的平均传热速率可以通过将公式2.1.4修改为公式2.6.1来获得：

例2.6.1

计算非流动应用中的平均传热速率。 一批油在10分钟（600秒）内从35 °C加热到120 °C。油的体积为35升，比重为0.9，在该温度范围内的比热容为1.9 kJ/kg °C。 确定所需的传热速率： 由于水在标准温度和压力（STP）下的密度为1 000 kg/m³

公式2.6.1可适用于被加热物质为固体、液体或气体的情况。

然而，它没有考虑相变时涉及的热量传递。 蒸汽凝结提供的热量可以通过公式2.6.2确定：

因此，蒸汽消耗量可以根据传热速率从公式2.6.3确定，反之亦然。

如果在此阶段假设传热效率为100%，则蒸汽提供的热量必须等于被加热流体的热量需求。然后可以用来构建热平衡，其中供给和所需的热能相等：

例2.6.2

一个装有400 kg煤油的储罐需要在20分钟（1 200秒）内使用4 bar g蒸汽从10 °C加热到40 °C。煤油在该温度范围内的比热容为2.0 kJ/kg °C。4.0 bar g时的hfg为2 108.1 kJ/kg。储罐保温良好，热损失可忽略不计。

在一些非流动类型应用中，批次过程的时间长度可能不是关键的，较长的预热时间可能是可以接受的。这将降低瞬时蒸汽消耗量和所需设备的规模。

典型示例包括壳管式换热器（见图2.6.2，也称为非储存式换热器）和板式换热器，为加热系统或工业过程提供热水。另一个例子是空气加热器组件，蒸汽将热量释放给持续流过的空气。

图2.6.3显示了具有恒定二次流体流量的换热器中的典型温度分布。凝结温度（TS）在整个换热器中保持恒定。

流体从入口阀处的T1加热到换热器出口处的TS。

对于固定的二次流量，所需的热负荷（Q̇）与产品温升（ΔT）成正比。使用公式2.6.1：

平均蒸汽消耗量

流动类型应用（如工艺换热器或加热换热器）的平均蒸汽消耗量可以从公式2.6.6确定，如公式2.6.7所示。

但由于平均传热本身就是从质量流量、比热和温升计算的，使用公式2.6.7更容易。

例2.6.3

3 bar g的干饱和蒸汽用于将以1.5 l/s恒定流量流动的水从10°C加热到60°C。 3 bar g时的hfg为2 133.4 kJ/kg，水的比热为4.19 kJ/kg °C 使用公式2.6.7确定蒸汽流量： 由于1升水的质量为1 kg，质量流量 = 1.5 kg/s

在启动时，入口温度T1可能低于满负荷运行时预期的入口温度，导致更高的热需求。如果预热时间对工艺很重要，则换热器需要按提供此增加的热需求来选型。然而，预热负荷通常在流动类型设计计算中被忽略，因为启动通常不频繁，达到设计条件所需的时间不太重要。因此换热器加热表面通常按运行负荷条件选型。

在流动类型应用中，系统的热损失往往远小于加热需求，通常被忽略。然而，如果热损失较大，在计算加热表面积时应包括平均热损失（主要来自分配管道）。

预热和热损失分量

在任何加热过程中，随着产品温度升高以及加热盘管上的温差减小，预热分量将减少。然而，随着产品和容器温度升高以及容器或管道向环境散失更多热量，热损失分量将增加。任何时刻的总热需求是这两个分量之和。 如果加热表面仅考虑预热分量进行选型，工艺可能没有足够的热量达到预期温度。加热元件在按这两个分量的平均值之和选型时，通常应能满足应用的整体热需求。 有时，对于非常大的散装储油罐，将保温温度保持在低于所需泵送温度可能是有意义的，因为这将减少储罐表面积的热损失。可以采用另一种加热方法，如出口加热器，如图2.6.4所示。

加热元件封装在金属外壳中，伸入罐内，设计为仅吸入附近区域的油并加热到泵送温度。因此仅在抽取油时才需要热量，由于罐温降低了，通常可以省去保温层。出口加热器的大小取决于散装油的温度、泵送温度和泵送速率。

向开口工艺罐中添加材料也可以视为增加热需求的热损失分量。这些材料在浸入时将起到热沉的作用，在选型加热表面积时需要考虑它们。 无论何种应用，当需要计算传热表面时，首先需要评估总平均传热速率。由此可以确定满负荷和启动时的热需求和蒸汽负荷。这将允许控制阀的尺寸根据选择基于这两种条件中的任一种。