管道和空气加热器的蒸汽消耗量

蒸汽将在任何温度较低的管道壁上凝结并释放蒸发焓。通常无法或无需精确计算蒸汽消耗量。本教程可以为大多数实际用途做出令人满意的估算。

蒸汽将在暴露于环境空气的任何管道壁上凝结并释放蒸发焓。在某些情况下，如蒸汽总管，通过管道保温来最大限度减少传热。在其他情况下，如空气加热器组件，可以通过在管道外部使用翅片来促进传热。 通常无法或无需精确计算蒸汽消耗量。本模块中的示例可以为大多数实际用途做出足够的估算。

蒸汽总管

在任何蒸汽系统中，必须考虑由管道本身引起的蒸汽凝结。凝结速率在预热期间最高，这应决定用于总管疏水的蒸汽疏水阀尺寸。蒸汽总管使用中，管道也会产生较小（但持续的）热损失。这两个分量都可以计算为”预热负荷”和”运行负荷”。

预热负荷

最初需要热量将冷管道提升到工作温度。出于安全原因，缓慢进行是良好的做法，管道也受益于降低的热应力和机械应力。这将导致更少的泄漏、更低的维护成本和更长的管道寿命。可以通过在主隔离阀旁边并联安装一个小阀门来实现缓慢预热（图2.12.1）。可以根据所需的预热时间对阀门进行选型。自动化预热阀使其在大管道上缓慢打开可以提高安全性。 单个主隔离阀可以成功使用，但由于它将设计为通过管道设计流量要求，在预热期间将过大，因此在此期间将非常接近阀座运行。在阀门之前安装汽水分离器将确保通过的蒸汽是干燥的，保护内件免受过早磨损。 任何蒸汽总管的预热时间应在可接受范围内尽可能长，以最大限度减少管道机械应力，优化安全性和降低启动负荷。

如果可以用10分钟代替5分钟，初始蒸汽流量将减少一半。20分钟的预热时间将进一步减少预热负荷。

将管道系统加热到工作温度所需的蒸汽流量是材料的质量和比热、温升、所用蒸汽的蒸发焓和允许时间的函数。 这可以用公式2.12.1表示：

例2.12.1 蒸汽管线的热损失

一个系统由100 m的100 mm碳钢总管组成，包括9对PN40法兰接头和一个隔离阀。 cp（钢）= 0.49 kJ/kg °C 环境/起始温度为20°C，蒸汽压力为14.0 bar g，198°C（来自蒸汽表，见表2.12.2）。

表2.12.2 蒸汽表摘录

确定：

第1部分：预热时间为30分钟的预热凝结速率。

第2部分：保温厚度为75 mm时的运行负荷。 第1部分 计算预热负荷

注意：此凝结速率将用于选择适当的预热控制阀。

在选择蒸汽疏水阀时，此凝结速率应乘以2的系数，以考虑预热完成前将出现的较低蒸汽压力，然后除以安装的疏水阀数量，得到每个疏水阀的所需容量。

表2.12.3 钢管、法兰和螺栓以及隔离阀的典型重量（kg）

第2部分 运行负荷 ****蒸汽将在热量从管道散失到环境时凝结：凝结速率取决于以下因素：

• 蒸汽温度。
• 环境温度。
• 保温的效率。 表2.12.4给出了20°C静止空气中未保温钢管的预期典型散热速率。

表2.12.4 20 °C空气中自由暴露的未保温钢管散热速率（W/m）

分配总管通常会进行保温，如果法兰和其他管道设备也进行保温，显然具有优势。如果总管是法兰连接的，每对法兰的表面积大约与相同尺寸的300 mm管道相同。

当传热表面受到空气流动时，传热速率会增加。在这些情况下，应考虑表2.12.5所示的乘数系数。 如果安装了翅片管或波纹管，则应始终使用制造商的散热数据。 在日常用语中，高达4或5 m/s（约10 mph）的风速代表微风，5至10 m/s（约10-20 mph）代表强风。相比之下，典型的风管速度约为3 m/s。

表2.12.5 高发射率管道上空气流动引起的散热近似增加

注意：精确数值难以确定，因为涉及许多因素。表2.12.5中的系数是推导出来的，粗略指示了表2.12.4中的数值应乘以多少。受高达约1 m/s空气流动的管道可视为处于静止空气中，热损失在此点之前相当恒定。作为参考，涂漆管道将具有高发射率，氧化钢具有中等发射率，抛光不锈钢具有

低发射率。 热损失的减少将取决于所用保温材料的类型和厚度，以及其一般状况。对于大多数实际用途，蒸汽管线的保温将使表2.12.4中的散热减少表2.12.6所示的保温系数（f）。 注意这些系数仅为名义值。对于特定计算，请咨询保温材料制造商。

表2.12.6 保温系数 ‘f’

保温总管的热损失可以用公式2.12.2表示如下：

确定长度 L： 假设每对法兰的预留相当于0.3 m，每个截止阀为1.2 m，本例中蒸汽总管的总有效长度（L）为：

确定散热速率 Q̇： 14.0 bar表压时蒸汽温度为198 °C，环境温度为20 °C，温差为178 °C。

根据表2.12.4：100 mm管道的热损失约为1 374 W / m 确定保温系数 f： 14 bar g下100 mm管道75 mm保温的保温系数（来自表2.12.6）约为0.07。

从本例可以看出，161 kg/h的预热负荷（见例2.12.1第1部分）远大于18.3 kg/h的运行负荷，一般来说，按预热工况选型的蒸汽疏水阀将自动满足运行负荷。

如果上述蒸汽管线未保温或保温损坏，运行负荷将大约大十四倍。 对于未保温管道或保温不良的管道，始终比较运行负荷和预热负荷。应使用较高的负荷来选型蒸汽疏水阀，如上所述。理想情况下，应提高保温质量。 注意：在计算预热损失时，考虑正确的管道规格是明智的，因为不同管道标准之间的管道重量可能不同。

空气的密度和比热随温度略有变化。对于大多数实际用途，在以下述方式加热空气用于暖通空调和工艺应用时，名义值1.3 kJ/m³ °C可用作比热，1.3 kg/m3可用作密度。

空气加热管道

加热空气需要用于许多应用，包括：

• 空间供暖。
• 通风。
• 工艺应用。

所需的设备通常由充满蒸汽的管排矩阵组成，安装在空气流路中。当空气流过管子时，热量从蒸汽传递到空气。通常，为了最大限度减少设备的尺寸和质量，允许在有限空间中安装并减少支撑结构，并限制成本，通过在管外壁添加翅片来增加从管到空气的传热速率。

这具有增加可用传热面积的效果，从而减少所需的管道量。图2.12.2显示了翅片管的示例。 大致上，空气加热器可分为两类：

• 单元式加热器。
• 空气加热器组件。

单元式加热器

这些由一个加热器组件和风扇组成在一个紧凑的外壳中（图2.12.3）。一次介质（蒸汽）在加热器组件中凝结，空气在吹过盘管时被加热并排放到空间中。 单元式加热器可以配置有新风入口管道，但更常见的是使用循环空气运行。

暖空气可以垂直向下或水平排放。蒸汽压力、安装高度、排放类型和出口温度都是相互关联的，在选择单元式加热器之前应查阅制造商数据。大多数设备配有低速、中速或高速风扇，这会影响额定输出，同样应查阅制造商数据，因为高速时的噪声水平可能是不可接受的。

空气加热器组件

这些实际上是更大更精密的单元式加热器版本，见图2.12.4。它们有多种配置，包括屋顶安装型或水平型，还可以整合风扇和过滤器。它们通常集成到管道空气系统中。

• 可提供可调百叶窗以调节新风与循环空气的比例。
• 可纳入多个加热器组以防霜冻保护。

单元式加热器和空气加热器组件的制造商通常以kW和工作压力提供其加热器的输出。由此，可以通过将热输出除以该压力下蒸汽的蒸发焓来计算凝结速率。结果为kg/s；乘以3 600（一小时的秒数）将得到kg/h的结果。

因此，一台在3.5 bar g下工作的44 kW单元式加热器（hfg = 2 120 kJ/kg，来自蒸汽表）将凝结：

注意：公式中包含常数3 600是为了给出kg/h而非kg/s的流量。如果制造商数据不可用但已知以下数据：

• 被加热空气的体积流量。
• 被加热空气的温升。
• 加热器中的蒸汽压力。 则可以使用公式2.12.3计算近似凝结速率：

注意：常数3 600给出kg/h而非kg/s的结果。

组装成多排管上下排列的水平管道盘管，依靠自然对流，随着管数增加效率降低。在计算此类盘管的凝结速率时，表2.12.5中的数值应乘以表2.12.7中的散热系数。 垂直安装的加热管道也比水平管道效率低。此类管道的凝结速率可以通过将表2.12.4中的数值乘以表2.12.6中的系数来确定。 表2.12.7也可用于求取用于加热静止空气的水平管道的凝结速率。在此情况下使用公式2.12.4：

空气流量的影响

当使用风扇增加通过管排的空气流量时，凝结速率将增加。裸钢管的散热数据（表2.12.4）可以根据需要乘以表2.12.5、2.12.7和2.12.8中的系数使用。 如果考虑翅片管，则在所有情况下应使用制造商的散热数据。

例2.12.2 计算空气加热器组件的蒸汽负荷

空气加热器组件将2.3 m³/s的空气从18 °C加热到82 °C（ΔT = 64 °C），盘管中蒸汽为3.0 bar g。