盘管和夹套式蒸汽换热器的特点和设计要点

　　本王载自

　　在蒸汽的制程加热应用中，使用的汽水换热器一般是间接加热，在这些系统中，热量通过传热表面进行传递，可以分为：

　　浸入式蒸汽盘管 – 这是一种应用广泛的传热方式，在容器中，蒸汽盘管浸没在过程流体中。

　　蒸汽夹套 – 蒸汽在夹套和容器壁之间的空间循环，热量通过容器壁进行传递。

　　浸没式蒸汽盘管

　　盘管式容积换热器在大容量罐体加热中非常普遍，主要用来对很深的罐体内的原油、食用油、动物油和糖蜜等货物进行加热，很多这些流体在常温下由于粘度太高而无法处理，因此用蒸汽盘管来升高这些液体的温度，降低它们的粘度以便可以被泵送。

　　盘管式容积换热器同样广泛应用于电镀和金属处理上，电镀中物体经过几个工艺容器后金属层才能沉积在表面上。其中一个*初的工艺称为酸洗，在这个工艺中，钢和铜等材料被浸在酸液或腐蚀性溶液中去掉那些形成的任何杂质或氧化层。

　　盘管加热会在产品一侧产生热边界层，流体的表面和内部之间存在温度梯度，如果温差非常大，那么自然对流换热就会很明显，于是换热系数就比较大。辅助循环包括强制对流的换热系数比较高，由于对流主要取决于流体的体积运动，流体的粘度（随温度而不同）对热边界层的影响也很重要。

　　其他变化还会出现在盘管的蒸汽侧，尤其对长距离的管道而言。盘管的进口蒸汽具有比较高的流速，因此几乎不含有水分，但是，随着距离的加长，盘管内的蒸汽流速会越来越低，而且盘管内会部分地充满水。在很长的盘管中，例如那些远航的油轮或大的储油罐中，经常发现盘管内的压降非常显著。这时，平均盘管温度经常采用的是大约为进汽压力的75%的蒸汽温度。在一些极端的例子中，平均压力可能会低于进汽压力的40%。

　　另一个变量是盘管自身的材料，盘管本身材料的热传导性能差别很大。但是，总的传热是由大面积的阻热 隔膜来决定的，盘管的热传导性能并没有它们组合起来的影响大。

　　当使用的蒸汽比较干燥清洁、盘管小并且疏水良好的时候选择比较高的换热系数；当蒸汽品质较差、盘管长并且疏水不好的时候选择较低的值。

　　蒸汽盘管的设计和规划主要取决于工艺中被加热的流体，当被加热的流体为腐蚀性溶液时，通常，盘管的进口和出口连接管应提升并超过水箱，同时，不能对水箱的耐腐蚀的夹层进行钻孔。这样，可以保证水箱夹层里不存在弱点，从而避免腐蚀性流体泄漏的危险。在这些情况下，盘管本身通常是由耐腐蚀性材料制成的，比如用镀铅的钢或铜，或者钛合金等。

　　但是，对那些没有腐蚀危险的地方，应当避免采用上述的提升进出口管的结构，反而应

　　加热盘管进口到出口应有一个下降的坡度，从而使冷凝水沿着管线流到出口，而不会积存于盘管的底部。如提升不可避免，应当在提升的底部布置集水槽并安排一个排放管，集水槽允许积存一部分冷凝水作为水封，并防止蒸汽锁。没有这个水封，蒸汽会通过管子底部的冷凝水收集点，并关闭提升点顶部的蒸汽疏水阀。

　　瓦特节能发现，冷凝水面因此而上升并形成暂时的水封，并把蒸汽封锁于提升点和蒸汽疏水阀之间。直到封锁的蒸汽冷凝后，蒸汽疏水阀才能打开排水，在那段时间内，换热器盘管内积水。

　　当被锁住的蒸汽冷凝，疏水阀打开，水急速从提升点处经过并通过疏水阀排放。一旦水封丧失，蒸汽就进入上升管并关闭疏水阀，这样，冷凝的水会再次掉落并在盘管的底部积存。

　　采用较小的排放管使蒸汽只能少量封存于上升管中，这样比较容易产生水封并防止蒸汽漏过去，从而保证出口有稳定而持续的冷凝水。

　　当水封*终失去后,较小的上升管内需要较少的冷凝水就会重新形成水封，而较大的上升管不容易形成水封，所以，水封失去后，小的上升管内很快就重新形成了水封。

　　对于那些需要把物体浸入液体的工艺，盘管不能放在水箱底部，因为这样容易被浸入的物体损坏。同样的，在某些特定的工艺中，大量的沉积物会在水箱底部的换热面上形成，阻止传热。

　　盘管的直径和长度应选择合理。过短的大口径盘管会产生温度分配的影响，但是过长的盘管也会因为自始至终的压降过大而产生温度梯度，导致加热不均。

　　冷凝水会回流进盘管，并发生水锤等一系列相关的症状，并出现机械应力。大的圆形的水箱一般结构坚固，通常可以承受这些应力。但是那些矩形的水箱（通常比较小）经常发生上述情况，盘管内产生的振动对水箱的结构影响比较大。这些能量导致水锤发生，并产生振动，从而影响盘管、水箱和蒸汽疏水阀的寿命，同时，还产生噪音。

　　对流动型的应用如板式换热器来说，零负荷时无法排除冷凝水通常有更严重的影响，这可能是由于换热器的容量小的缘故。

　　对换热器来说，冷凝水回流进入蒸汽空间导致换热面的减少会影响到热量通过这些换热面的传递效果，这样导致整个控制系统不稳定，这样，会降低控制的稳定性和**性。

　　如果换热器选型偏大，当冷凝水回流进蒸汽空间的时候，对换热性能的影响并不算大，但是，换热器设计时并不考虑到长期积水，这样会导致换热面腐蚀，不可避免地减少换热器工作寿命。同时，在很多应用中，积水会增加开支。比如空气加热盘管内积水并结冰，冷空气温度为4°C，流速为3 m/s，这样冷凝水很快就在盘管内结冰，从而导致盘管过早损坏。冷凝水地正常排除对维持换热器及空气加热器地寿命来说都是*基本地条件。

　　蒸汽疏水阀可以根据不同的应用以及冷凝水量的不同来选择。浮球疏水阀可以在接近蒸汽温度时排除冷凝水，这样可以使设备性能*佳、设备寿命更长，更快的收回工厂投资。

　　在零负荷条件下，蒸汽疏水阀无法使用，这时可以使用自动疏水阀泵或泵和疏水阀组合来保证随时排除冷凝水，这样就可以使热效率更高，工作寿命更长，花费更少。

　　蒸汽夹套*常见的蒸汽夹套是容器外层有一个蒸汽空间，如图2.10.4，蒸汽在外层循环，并在容器外壁冷凝，夹套容器同样也可以再加一层夹套，或在夹套外用空气保温，这样可以使在夹套外层上冷却的蒸汽量减少，热量主要传递给容器。

　　尽管蒸汽夹套效率没有浸入式的盘管高，这是由于对外界的辐射放热损失较大，但是可以使容器内介质强制循环从而提高换热率。

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