过热蒸汽

关于过热蒸汽的性质和用途的说明（例如用于发电）。包括朗肯循环和卡诺热力学循环的解释、过热蒸汽表和莫里尔（H-S）图。

如果锅炉中产生的饱和蒸汽接触到温度更高的表面，其温度将升高到蒸发温度以上。

此时蒸汽被描述为过热，过热度以其温度高于饱和温度的度数来表示。

当蒸汽仍在水中存在时，无法给蒸汽加入过热量，因为任何额外的热量只会蒸发更多的水。饱和蒸汽必须通过额外的换热器。这可以是锅炉中的第二换热阶段，或单独的过热器装置。一次加热介质可以是锅炉的热烟气，也可以是单独加热的。

过热蒸汽在涡轮机等设备中有应用，蒸汽通过喷嘴导向转子，使转子旋转。驱动转子的能量只能来自蒸汽，因此从逻辑上讲，蒸汽通过涡轮转子后能量减少。如果蒸汽处于饱和温度，这种能量损失会导致部分蒸汽冷凝。

涡轮机有多个级段；第一级转子的排汽将被导向同一轴上的第二级转子。这意味着饱和蒸汽在通过连续级段时会越来越湿。这不仅会引发水锤，而且水颗粒还会在涡轮机内部造成严重的冲蚀。解决方案是在入口处为涡轮机提供过热蒸汽，并利用过热部分的能量来驱动转子，直到温度/压力条件接近饱和；然后排出蒸汽。 在涡轮机中使用过热蒸汽的另一个非常重要的原因是提高热效率。 热机（如涡轮机）的热力学效率可以使用以下两种理论之一来确定： （注意：以下示例中使用的温度和能量值来自蒸汽表）

例 2.3.1

一台涡轮机以 90 bar a @ 450 °C 的过热蒸汽供汽。

排汽为 0.06 bar a（部分真空），含湿 10%。

饱和温度 = 36.2 °C。 2.3.1.1 确定卡诺效率 (ηC)

2.3.1.2 确定朗肯效率 (ηR) 对于理论朗肯循环，如图 2.3.2 所示，假设涡轮机中没有摩擦损失，蒸汽在涡轮机中完全膨胀（等熵过程），并忽略给水泵将冷凝水送回锅炉所加入的能量。

使用例 2.3.1 的数据，其中：

• 涡轮机以 90 bar a @ 450 °C 的过热蒸汽供汽。
• 排汽为 0.06 bar a（部分真空），含湿 10%。
• 饱和温度 = 36.2 °C。 这些数据可以绘制在温度/焓曲线上，如图 2.3.3 所示：

对任一循环数值的分析表明，要实现高效率：

• 涡轮机入口处的温度或能量应尽可能高。这意味着实际可能的最高压力和温度。过热蒸汽是提供此条件的最简单方式。
• 排汽中的温度或能量应尽可能低。这意味着实际可能的最低压力和温度，通常通过涡轮机排汽端的冷凝器来实现。 注意事项：
• 例 2.3.1.1 和 2.3.1.2 中计算的数值为热力学效率，不可与机械效率混淆。
• 虽然效率数值看起来很低，但不应孤立地看待它们，而应将其用于将一种热机与另一种进行比较。例如，燃气轮机、蒸汽机和柴油机。

过热蒸汽表以与饱和蒸汽表大致相同的方式显示各种压力下蒸汽的性质。然而，对于过热蒸汽，温度和压力之间没有直接关系。因此在特定压力下，过热蒸汽可以在很宽的温度范围内存在。

通常，饱和蒸汽表给出的是表压，过热蒸汽表给出的是绝对压力。

绝对压力 bar a

单位 温度 (°C)

1.013

150 200 250 300 400 500

vg (m3/kg) 1.912 2.145 2.375 2.604 3.062 3.519

ug (kJ/kg) 2 583 2 659 2 734 2 811 2 968 3 131

hg (kJ/kg) 2 777 2 876 2 975 3 075 3 278 3 488

sg (kJ/kg K) 7.608 7.828 8.027 8.209 8.537 8.828

例 2.3.2

温度为 400 °C、压力为 1.013 bar a（0 bar g）的过热蒸汽比同一压力下的饱和蒸汽多多少热量？

这听起来像是有用的能量增加，但实际上它会使希望使用蒸汽进行加热的工程师的工作更加困难。

从所示的过热能量中，可以通过将该值除以饱和温度（100 °C）与过热蒸汽温度（400 °C）之间的温差来确定比热容：

然而，与水的比热容不同，过热蒸汽的比热容随压力和温度变化很大，不能视为常数。

因此，上面给出的 2.0 kJ/kg °C 值仅是在该压力下指定温度范围内的平均比热容。 过热蒸汽的温度、压力和比热容之间没有直接关系。然而，总体趋势是在低过热度下比热容随压力升高而增大，但情况并非总是如此。

过热蒸汽能否用于工艺换热器和其他加热过程？ 虽然过热蒸汽不是理想的传热介质，但它有时被用于世界各地许多蒸汽工厂的工艺加热，特别是在 HPI（碳氢化合物加工工业）中，用于生产油品和石化产品。这更可能是因为现场已有用于发电的过热蒸汽，它是涡轮机的首选能源，而非因为它在加热方面比饱和蒸汽有任何优势。需要明确的是，在大多数情况下，应使用饱和蒸汽进行传热过程，即使这意味着需要对蒸汽进行减温处理。HPI 通常将过热蒸汽减温至大约十度过热度。这个小量过热可以在加热表面的前部轻松去除。较大程度的过热更难处理，且往往不经济，因此（就加热目的而言）最好避免使用。 有很多原因说明过热蒸汽不如饱和蒸汽适合工艺加热： 过热蒸汽必须冷却到饱和温度后才能冷凝释放其潜热（蒸发焓）。过热蒸汽冷却到饱和温度时释放的热量与其蒸发焓相比相对较小。 如果蒸汽只有几度过热，这少量的热量会在冷凝之前迅速释放。然而，如果蒸汽具有较大的过热度，冷却时间可能相对较长，在此期间蒸汽释放的能量很少。 与饱和蒸汽不同，过热蒸汽的温度不是均匀的。过热蒸汽必须冷却才能释放热量，而饱和蒸汽则发生相变。这意味着使用过热蒸汽时，传热表面可能出现温度梯度。 在换热器中，使用过热蒸汽可能导致在管板附近形成干壁沸腾区。这个干壁区域可能很快结垢或积垢，由此产生的高温管壁可能导致管子失效。 这清楚地表明，在传热应用中，具有大过热度的蒸汽用处不大，因为它：

• 在冷却到饱和温度之前释放的热量很少。
• 在冷却到饱和温度时，在传热表面形成温度梯度。
• 在蒸汽过热期间传热速率较低。
• 需要更大的传热面积。 因此，对于传热应用，过热蒸汽不如饱和蒸汽有效。考虑到通过加热表面的传热速率与其温差成正比，这可能看起来很奇怪。如果过热蒸汽在相同压力下比饱和蒸汽温度更高，过热蒸汽难道不应该能够传递更多热量吗？答案是”不能”。下面将详细探讨这一问题。 温差确实会影响通过传热表面的传热速率，如公式 2.5.3 所示。

公式 2.5.3 还表明，传热取决于总传热系数”U”和传热面积”A”。

对于任何单一应用，传热面积可能是固定的。然而，“U”值则不能这样说；这是饱和蒸汽和过热蒸汽之间的主要区别。 过热蒸汽的总”U”值在整个过程中会变化，但始终远低于饱和蒸汽的”U”值。过热蒸汽的”U”值很难预测，因为它们取决于许多因素，但一般而言，过热度越高，“U”值越低。 通常，对于被水包围的水平蒸汽盘管，过热蒸汽的”U”值可能低至 50 至 100 W/m² °C，而饱和蒸汽为 1 200 W/m² °C，如图 2.3.4 所示。 对于蒸汽加热油的应用，“U”值可能更低，过热蒸汽可能低至 20 W/m² °C，饱和蒸汽为 150 W/m² °C。 在壳管式换热器中，过热蒸汽约为 100 W/m² °C，饱和蒸汽约为 500 W/m² °C。这些数值是典型值；实际数值会因其他设计和运行条件而有所不同。 虽然过热蒸汽的温度始终高于同压力下的饱和蒸汽，但其传热能力因此要低得多。总体效果是，过热蒸汽的传热效果远不如同压力下的饱和蒸汽。下一节”结垢”将提供更多细节。

过热蒸汽不仅传热效果差，而且很难使用公式 2.5.3（Q̇ = U A ΔT）来量化，因为蒸汽在沿加热表面流动时，随着释放热量，温度会下降。

使用过热蒸汽预测传热表面的尺寸既困难又复杂。在实践中，执行此类计算所需的基础数据要么未知，要么是经验获取的，其可靠性和准确性值得怀疑。 显然，由于过热蒸汽的传热效果不如饱和蒸汽，因此使用过热蒸汽的任何加热面积都必须大于在相同压力下运行的饱和蒸汽盘管，才能提供相同的热流量。 如果别无选择只能使用过热蒸汽，不可能在整个加热盘管或换热器中维持蒸汽的过热状态，因为随着蒸汽将其部分热量释放给二次流体，它会冷却向饱和温度。与冷凝发生时可用的大量热量相比，饱和温度以上的热量相当少。 蒸汽应在过程中较早达到饱和；这允许蒸汽冷凝以产生更高的传热速率，并导致整个盘管更高的总”U”值，见图 2.3.5。 为有助于实现这一点，用于传热目的的过热蒸汽不应持有超过约 10 °C 的过热度。

如果情况如此，基于同压力下的饱和蒸汽设计换热器或盘管的加热面积是相对容易和实用的，只需增加一定面积以允许过热。使用此准则，盘管的第一部分将纯粹用于将过热蒸汽的温度降至其饱和点。然后，盘管的其余部分将能够利用饱和蒸汽更高的传热能力。其效果是，总”U”值可能不会比供入饱和蒸汽时低多少。

从实际经验来看，如果过热蒸汽所需的额外加热面积为每 2 °C 过热增加 1%，则盘管（或换热器）将足够大。这似乎在 10 °C 过热度以下适用。不建议使用超过 10 °C 过热度的过热蒸汽进行加热，因为加热表面可能不成比例地大且不经济，容易被污垢积垢，且高而不均匀的过热温度可能导致产品损坏。

结垢

结垢是由沉积物在传热表面积聚，增加热流阻力引起的。许多工艺液体可以在加热表面上沉积污泥或水垢，且在较高温度下沉积速率更快。此外，过热蒸汽是一种干燥气体。从蒸汽流向金属壁的热量必须通过附着在壁面上的静止膜，这些膜对热流有阻力。 相比之下，饱和蒸汽的冷凝导致蒸汽向壁面运动，并在冷凝表面释放大量潜热。这些因素的综合效果意味着，在存在过热蒸汽的情况下，总传热速率要低得多，即使蒸汽与二次流体之间的温差更高。

例 2.3.3 过热蒸汽管束尺寸确定

3 bar g 带 10 °C 过热（154 °C）的过热蒸汽将用作壳管式工艺换热器的主要热源，加热负荷为 250 kW，将油基流体从 80 °C 加热到 120 °C（使算术平均二次温度（ΔTAM）为 100 °C）。估算所需的一次蒸汽盘管面积。 （使用算术平均温差来简化计算；在实践中，使用对数平均温差以获得更高的精度。有关算术和对数平均温差的详细信息，请参见模块 2.5”传热”）。 首先，考虑如果使用 3 bar g（144 °C）的饱和蒸汽加热盘管的情况。 通过新碳钢管束加热油的饱和蒸汽”U”值取为 500 W/m2 °C。

其他使用过热蒸汽的应用

以上所有内容适用于蒸汽流经相对较窄通道的情况，例如壳管式换热器中的管子或板式换热器中的板片。 在某些应用中，例如造纸机中的干燥缸，过热蒸汽被引入一个较大的容积，此时其速度急剧下降到很小的值。在此情况下，靠近缸壁的蒸汽温度迅速降至接近饱和温度，开始冷凝。通过壁面的热流量与使用饱和蒸汽供应时相同。过热仅存在于蒸汽空间的”核心”中，对传热速率没有明显影响。 有些情况下，过热的存在实际上会降低工艺的性能，即蒸汽被用作工艺材料时。 其中一个工艺可能涉及蒸汽冷凝时向产品提供水分，例如在造粒前对动物饲料（粉料）的调质。此处蒸汽提供的水分是工艺的重要组成部分；过热蒸汽会使粉料过度干燥，使造粒变得困难。

降低蒸汽压力的影响

除了使用额外的换热器（通常称为”过热器”）外，还可以通过允许蒸汽在通过减压阀孔口时膨胀到较低压力来给蒸汽加入过热量。这被称为节流过程，低压蒸汽具有与上游高压蒸汽相同的焓值（除了通过阀门时因摩擦损失的少量热量）。然而，节流蒸汽的温度始终低于供汽温度。 节流蒸汽的状态取决于：

• 供汽压力。
• 供汽状态。
• 阀门孔口的压降。 对于低于 30 bar g 的干饱和状态供汽，任何压力下降都会在节流后产生过热蒸汽。过热度取决于压力降低的程度。 对于高于 30 bar g 的干饱和状态供汽，节流蒸汽可能是过热的、干饱和的，甚至是湿的，取决于压降的大小。例如，60 bar g 的干饱和蒸汽需要降低到约 10.5 bar g 才能产生干饱和蒸汽。任何较小的压降会产生湿蒸汽，而任何较大的压降则会产生过热蒸汽。 同样，任何压力下供汽的状态也会影响节流蒸汽的状态。例如，10 bar g 压力下干度为 0.95 的湿蒸汽需要降低到 0.135 bar g 才能产生干饱和蒸汽。任何较小的压降会产生湿蒸汽，而任何较大的压降则会使节流蒸汽过热。

例 2.3.4 使用控制阀提高湿蒸汽干度

干度（χ）为 0.95 的蒸汽使用减压阀从 6 bar g 降至 1 bar g。 确定减压阀后的蒸汽状态。

由于 1 bar g 时蒸汽的实际焓低于 1 bar g 时干饱和蒸汽的焓，因此蒸汽并未过热，仍含有一定比例的水分。

由于减压阀后的总焓低于 1 bar g 时蒸汽的总焓，蒸汽仍为湿蒸汽。

例 2.3.5 控制阀产生的过热

干度为 0.98 的蒸汽使用减压阀（如图 2.3.6 所示）从 10 bar g 降至 1 bar g。

确定阀门后的过热度。

与前例（2.3.4）相同，1 bar g 时干饱和蒸汽的比焓（hg）为 2 706.7 kJ/kg。 蒸汽的实际总焓大于 1 bar g 时干饱和蒸汽的总焓（hg）。因此，蒸汽不仅 100% 干燥，而且还具有一定的过热度。 多余能量 = 2 741.7 - 2 706.7 = 35 kJ/kg，这部分用于将蒸汽温度从饱和温度 120 °C 提高到 136 °C。

过热度可以通过使用过热蒸汽表或莫里尔图来确定。

莫里尔图是蒸汽比焓与比熵（sg）的关系图。

图 2.3.7 显示了莫里尔图的简化、缩小版本。莫里尔图显示了焓、熵、温度、压力和干度之间的许多不同关系。由于线条数量众多，它可能看起来相当复杂：

等焓线（水平）。 等熵线（垂直）。 位于图表中心的蒸汽饱和曲线将其分为过热蒸汽区域和湿蒸汽区域。在饱和曲线以上的任何点，蒸汽是过热的；在饱和曲线以下的任何点，蒸汽是湿的。饱和曲线本身代表不同压力下的干饱和蒸汽状态。 两个区域中的等压线。 过热区域中的等温线。 湿区域中的等干度线（χ）。 完全膨胀过程，例如在蒸汽涡轮机或蒸汽机中，是等熵过程，可以在图上从代表初始状态的点垂直向下移动到代表最终状态的点来表示。 完全节流过程，例如通过减压阀，是等焓过程。可以在图上从左到右水平移动，从代表初始状态的点到代表最终状态的点来表示。 这两个过程都涉及压力降低，但区别在于实现方式不同。 图 2.3.8 中的两个示例说明了使用图表分析蒸汽过程的优势；它们提供了此类过程的图形表示。然而，蒸汽过程也可以通过过热蒸汽表中提供的数值来数值表示。

例 2.3.6 产生功的完全等熵膨胀

考虑蒸汽通过涡轮机的完全膨胀。初始压力为 50 bar a，温度为 300 °C，最终压力为 0.04 bar a。

由于该过程是完全膨胀，熵保持不变。最终状态可以通过从初始状态垂直向下到 0.04 bar a 等压线来找到（见图 2.3.9）。 在初始状态下，熵约为 6.25 kJ/kg °C。如果沿此线垂直向下直到达到 0.04 bar a，可以确定蒸汽的最终状态。在该点，比焓为 1 890 kJ/kg，干度为 0.72（见图 2.3.9）。 最终状态也可以使用过热蒸汽表来确定。 在初始状态（50 bar a/300 °C）：hg = 2 927 kJ/kg 且 sg = 6.212 kJ/kg °C 对于干饱和蒸汽 0.04 bar a：sf = 0.422 kJ/kg °C sfg = 8.051 kJ/kg °C 且 sg = 8.473 kJ/kg °C

由于 0.04 bar a 时干饱和蒸汽的熵（8.473 kJ/kg °C）大于 50 bar a/300 °C 时过热蒸汽的熵（6.212 kJ/kg °C），因此部分干饱和蒸汽必须已冷凝以保持等熵。

由于熵保持不变，在最终状态下：

这些结果与使用莫里尔图获得的结果非常接近。考虑到读取此类图表所涉及的不精确性，两组结果之间的微小差异是可以预期的。