蒸汽品质

蒸汽应在使用点以正确的量、正确的压力、清洁、干燥且不含空气及其他不凝性气体的状态供给。本教程解释了为何需要满足这些条件，以及如何确保蒸汽品质。

正确的蒸汽量

任何加热工艺都必须提供正确量的蒸汽，以确保有足够的热流来实现传热。 同样，还必须提供正确的流量，以避免产品损坏或生产速率下降。必须正确计算蒸汽负荷，并正确选择管道尺寸以达到所需的流量。

正确的蒸汽压力和温度

蒸汽应以所需压力到达使用点，并为每个应用提供所需的温度，否则性能将受到影响。正确选择管道及管路附件的尺寸可确保实现这一目标。 但是，即使压力表正确显示所需压力，如果蒸汽含有空气和/或不凝性气体，相应的饱和温度可能无法达到。

空气及其他不凝性气体

在启动时，空气存在于蒸汽供应管道和设备中。即使系统上次使用时充满纯蒸汽，停机时蒸汽会冷凝，并由产生的真空将空气吸入。 当蒸汽进入系统时，它会将空气推向排放点，或推至离蒸汽入口最远的点，即所谓的远端点。因此，应在这些排放点安装具有足够排气能力的疏水阀，并在所有远端点安装自动排气阀。 然而，如果存在任何湍流，蒸汽和空气将混合，空气会被带到传热表面。随着蒸汽冷凝，一层隔热的空气层会留在表面上，形成传热的障碍。

蒸汽与空气混合物

在空气和蒸汽的混合物中，空气的存在会导致温度低于预期值。气体混合物的总压力由混合物中各组分的分压之和组成。 这就是道尔顿分压定律。分压是指每种组分在占据与混合物相同体积时所施加的压力：

注意：这是一个热力学关系，因此所有压力必须以绝对压力（bar a）表示。

例 2.4.1

考虑一个由 ¾ 蒸汽和 ¼ 空气（按体积计）组成的蒸汽/空气混合物。 总压力为 4 bar a。

因此，蒸汽的有效压力仅为 3 bar a，而非其表观压力 4 bar a。该混合物的温度仅为 134 °C，而非预期的饱和温度 144 °C。

这一现象不仅在换热应用中很重要（传热速率随温差增大而增加），而且在工艺应用中也很重要，其中可能需要最低温度才能实现产品的化学或物理变化。例如，在灭菌器中，必须达到最低温度才能杀死细菌。

蒸汽和冷凝水回路中的其他空气来源

空气还可以溶解在锅炉给水中进入系统。补水和暴露在大气中的冷凝水会很容易地吸收氮气、氧气和二氧化碳：这些是大气空气的主要成分。当水在锅炉中被加热时，这些气体随蒸汽释放并带入分配系统。 大气空气按体积分析由 78% 的氮气、21% 的氧气和 0.03% 的二氧化碳组成。然而，氧气的溶解度大约是氮气的两倍，而二氧化碳的溶解度大约是氧气的 30 倍！ 这意味着溶解在锅炉给水中的”空气”将含有更大比例的二氧化碳和氧气：两者都会引起锅炉和管道的腐蚀。 给水箱的温度通常维持在不低于 80 °C，以便将氧气和二氧化碳释放回大气中，因为这些溶解气体的溶解度随温度升高而降低。

通过在外部水处理阶段对补水进行脱矿和脱气，溶解二氧化碳的浓度也可保持在最低水平。 水中溶解气体的浓度可以使用亨利定律来确定。该定律指出，一定体积液体能够溶解的气体质量与该气体的分压成正比。 然而，这只有在温度恒定且液体与气体之间没有化学反应时才成立。

蒸汽的清洁度

管壁上发现的水垢层可能是由于老旧蒸汽系统中形成的锈蚀，或硬水地区的碳酸盐沉积。在蒸汽供应管路中可能发现的其他类型的污垢包括焊接渣和涂抹不当或过量的密封材料，这些可能在管道初始安装时留在了系统中。这些碎片会增加管道弯头、疏水阀和阀门小孔的冲蚀速率。 因此，良好的工程实践是在每个疏水阀、流量计、减压阀和控制阀的上游安装管道过滤器（如图 2.4.2 所示）。

蒸汽从入口 A 流经穿孔滤网 B 到出口 C。虽然蒸汽和水可以轻松通过滤网，但污垢会被拦截。可以拆下端盖 D，将滤网取出定期清洗。

当过滤器安装在蒸汽管路中时，应水平安装以避免冷凝水积聚和水锤问题。这种安装方式还可以使滤网的最大面积暴露在流体中。 传热表面上也可能存在水垢层，形成传热的额外障碍。水垢层的形成通常是以下原因的结果：

• 锅炉运行不当，导致杂质以水滴的形式从锅炉中带出。
• 锅房中的水处理不当。 通过仔细关注锅炉运行和去除任何水分液滴，可以减缓该水垢层的积累速率。

蒸汽的干燥度

不正确的化学给水处理和峰值负荷期间可能导致汽水共腾和锅炉给水携带进入蒸汽总管，导致化学物质和其他材料沉积在传热表面上。这些沉积物会随时间积累，逐渐降低设备的效率。 此外，当蒸汽离开锅炉时，由于管壁的热损失，部分蒸汽必然会冷凝。尽管这些管道可能有良好的保温，但这一过程无法完全消除。 总体结果是到达设备的蒸汽相对潮湿，随蒸汽携带的水滴会冲蚀管道、管件和阀门，特别是在流速较高时。 前面已经说明，蒸汽中水滴的存在会降低实际蒸发焓，并导致管壁和传热表面上形成水垢。蒸汽中夹带的水滴还会增加蒸汽冷凝时产生的水膜阻力，从而形成传热过程的又一障碍。 蒸汽管路中的汽水分离器将去除蒸汽流中夹带的水分液滴，以及沉降到管道底部的冷凝水。在图 2.4.3 所示的分离器中，蒸汽在流经主体时被迫多次改变方向。挡板为较重的水滴形成障碍，而较轻的干蒸汽则可以自由通过分离器。 水滴沿挡板流下，通过分离器底部的连接口排放到疏水阀。这将允许冷凝水从系统中排出，但不会允许任何蒸汽通过。

水锤

当蒸汽由于管道中的热损失开始冷凝时，冷凝水在管壁内侧形成液滴。当它们被蒸汽流裹挟时，会汇合形成水膜。冷凝水随后沉向管道底部，水膜厚度在此处逐渐增大。 沿一段蒸汽管道积聚的冷凝水液滴最终会形成一段水塞（如图 2.4.4 所示），它将以蒸汽速度（25 - 30 m/s）沿管道输送。

这段水塞是致密且不可压缩的，当高速运动时，具有相当大的动能。

热力学定律指出，能量不能被创造或消灭，只能转换为另一种形式。 当受到阻碍时，例如管道中的弯头或三通，水的动能转化为压力能，并对障碍物施加压力冲击。 冷凝水也会在低点积聚，冷凝水水塞可能被蒸汽流拾起并抛向下游的阀门和管件。

这些低点可能包括下垂的总管，这可能是由于管道支架不足或吊架损坏造成的。其他水锤的潜在来源包括同心异径管和过滤器的不正确使用，或蒸汽总管上升段前排水不充分。其中一些如图 2.4.5 所示。 水塞与障碍物之间的冲击所产生的噪音和振动，称为水锤。 水锤会显著缩短管路附件的使用寿命。在严重情况下，管件可能以近乎爆炸的效果破裂。后果可能是断裂处泄漏活蒸汽，造成危险情况。 蒸汽管道的安装在第 10 章”蒸汽分配”中有详细讨论。