空气的影响
空气的影响
如果空气与蒸汽混合并随其流动，空气团将残留在蒸汽冷凝的传热表面上。逐渐地，一层薄层积聚形成隔热层，阻碍传热，如图 11.12.1 所示。空气因其低导热性而被广泛用作隔热材料（例如，现代窗户中使用的双层玻璃只是两层玻璃中间夹了一层隔热空气层）。同样，空气被用来减少蒸汽管道的热损失。大多数隔热材料由数百万个微观空气单元组成，嵌入在玻璃纤维、矿棉或聚合物类材料的基质中。空气是隔热材料，固体材料只是将其保持在原位。同样，传热表面蒸汽侧的空气膜对热流有阻力，降低传热速率。
空气的导热系数为 0.025 W/m °C，而水的相应数值通常为 0.6 W/m °C，铁约为 75 W/m °C，铜约为 390 W/m °C。仅 1 mm 厚的空气膜对热流的阻力大约相当于 15 米厚的铜墙！
空气不太可能在换热器内部以均匀的薄膜形式存在。更可能的情况是，空气浓度在靠近冷凝表面处较高，远离处较低。然而，在试图说明其对热流的阻力时，将其视为均质层是方便的。
当空气加入蒸汽时，给定体积混合物的热含量低于相同体积纯蒸汽的热含量，因此混合温度降低。
道尔顿分压定律指出：“在蒸汽和空气的混合物中，总压力是每种气体在单独占据总体积时所产生的分压之和”。
例如，如果 2 bar（绝对压力）下蒸汽/空气混合物的总压力由 3 份蒸汽和 1 份空气（按体积计）组成，则：
空气的分压 = ¼ x 2 bar a = 0.5 bar a
蒸汽的分压 = ¾ x 2 bar a = 1.5 bar a
混合物的总压力 = 0.5 + 1.5 bar a = 2 bar a (1 bar g)
压力表将指示 1 bar g 的压力，向观察者暗示相应的温度为 120°C。然而，混合物中存在的蒸汽分压仅为 0.5 bar g（1.5 bar a），对应温度仅为 112°C。因此，空气的存在具有双重效果：
- 通过其分层效应提供传热阻力。
- 降低蒸汽空间的温度，从而减小传热表面的温差。
总体效果是将传热速率降低到关键工艺可能要求的水平以下，在最坏情况下甚至可能阻止达到最终要求的工艺温度。
在许多工艺中，需要最低温度才能实现产品的化学或物理变化，就像灭菌器中的最低温度是必不可少的。空气的存在尤其成问题，因为它会导致压力表产生误导。因此，无法从压力推断温度。
系统中的空气
系统中的空气
在启动时，空气存在于蒸汽管道和蒸汽设备中。即使系统上次使用时充满纯蒸汽，冷凝的蒸汽也会造成真空，在停机时将空气吸入管道。
空气还可以溶解在给水中进入系统。在 80°C 时，水可以溶解约其体积 0.6% 的空气。氧气的溶解度大约是氮气的两倍，因此溶解在水中的”空气”含氧量与含氮量之比约为 1:2，而非大气空气中的 1:4。二氧化碳的溶解度更高，大约是氧气的 30 倍。
锅炉给水和暴露在大气中的冷凝水可以很容易地吸收这些气体。当水在锅炉中被加热时，气体随蒸汽释放并被带入分配系统。除非锅炉”补水”完全脱矿和脱气，否则通常含有来自水处理工艺化学交换的可溶性碳酸钠。碳酸钠在锅炉中会在一定程度上释放，再次形成二氧化碳。
对于较高压力的锅炉，给水通常在泵送至锅炉之前通过除氧器。最好的除氧器可以将水中氧含量降低到百万分之三（ppm）。然后可以通过化学处理来解决这种残留氧气。然而，如此量的氧气将伴随约 6 ppm 的氮气，化学处理对氮气无效。如果锅炉规模适中，每小时产生 10,000 kg 蒸汽，它每小时使用约 10,000 升水，相应产生 60 cm³ 的氮气。如果不从系统中去除，这将随时间累积，对传热产生显著影响。
最好的物理和化学处理仍会让一些未经处理的不凝性气体随蒸汽离开锅炉。空气——经常未被怀疑——在蒸汽系统中比人们认为的更为普遍，它是导致产量受限和设备腐蚀的原因。
空气的迹象
空气的迹象
- 任何蒸汽加热设备的输出逐渐下降。
- 冷凝水中有气泡。
- 腐蚀。 从蒸汽系统中去除空气至关重要。以下页面通过讨论排气阀的应用来解决这一问题。
空气去除
空气去除
排气最有效的方式是使用自动装置。与蒸汽混合的空气降低了混合物温度。这使得恒温装置（基于平衡压力或双金属原理）能够排放蒸汽系统中的空气。安装在容器蒸汽空间的排气阀（图 11.12.3）或蒸汽总管末端的排气阀（图 11.12.4）将在存在空气时打开。为了最大限度地去除空气，排放应尽可能畅通。通常安装管道将排放物引导到安全位置，最好不是冷凝水回流管，因为那会限制空气的自由释放，还可能促进腐蚀。
当排气阀安装在疏水阀旁路时（图 11.12.5），它在排气后将起到疏水阀的作用，并可能不时排放冷凝水。在这种情况下，有必要将排气阀重新连接到疏水阀后的冷凝水管路。
如果疏水阀的冷凝水排放管上升到高位，充满水的管线会对疏水阀和排气阀施加背压。排气阀排放空气的能力会降低，特别是在启动时。当排气阀集成在疏水阀内部时，这同样适用。当应用蒸汽空间的形状和蒸汽入口位置意味着大部分空气通过冷凝水出口排出时，疏水阀和排气阀的排放管最好不升到高位。
排气阀的位置
排气阀的位置
当盘管或容器具有相对较小的横截面时，进入其中的蒸汽将像活塞一样工作，将空气推向远离蒸汽入口的点。这个”远端点”通常是排气阀的最佳位置。对于图 11.12.6 所示形状的蒸汽用户，部分空气将通过冷凝水出口排出，取决于疏水阀或旁路中处理空气的设置。其余空气可能如图所示积聚，在加热表面形成冷点。设备无法均匀预热，某些设备（如洗衣熨烫机的床台）可能会产生变形。
由于空气/蒸汽混合物比同压力下的纯蒸汽密度更大，通常在低位安装的疏水阀中提供排气能力就足够了。然而，疏水阀的工作模式意味着冷凝水在疏水阀入口处形成水封，有时会阻止空气到达疏水阀。可能需要考虑在任何冷凝水液位以上的蒸汽空间连接自动排气阀。通常，方便且足够有效的方法是将其连接到蒸汽空间的顶部，如图 11.12.6 所示。
然而，对于两个尺寸和形状相同但蒸汽入口位置不同的蒸汽空间，排气阀的位置可能不同。在图 11.12.7 和图 11.12.8 中，冷凝水从容器底部排出，但对于底部蒸汽入口，启动时空气倾向于被推到远端点，即顶部。最好在顶部安装排气阀，同时浮球-恒温式疏水阀将处理积聚在容器底部的任何残留空气。