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2.12.1第2章蒸汽工程和传热管道和空气加热器的蒸汽耗量计算章节2.12蒸汽和冷凝水系统手册1212.12.2第2章蒸汽工程和传热管道和空气加热器的蒸汽耗量计算章节2.12蒸汽和冷凝水系统手册管道和空气加热器的蒸汽耗量计算蒸汽会在任何暴露在大气中的管道表面冷凝并释放出蒸发焓。某些情况下，如蒸汽主管上采用保温措施以减少热传递。在另外一些情况下，如在空气加热器机组内，通常在管子外边采用鳍片来加强换热。但是要非常精确地计算出蒸汽耗量通常是不可能的，同时也没有必要。本节例子中的计算对大部分工程应用都具有一定的指导意义。蒸汽主管在任何系统中，蒸汽管道本身散热导致的蒸汽冷凝必须进行考虑。这种冷凝量一般在系统启动暖管时达到最大，这个量通常用来选择合适的疏水阀来进行管道疏水。当管道正常运行时，同样会有一小部分稳定的管道散热损失。这两部分可以分别参考“暖管负荷”和“运行负荷”。暖管负荷在启动阶段，需要一部分热量先把冷的管道加热到工作温度，为安全起见，暖管应缓慢进行，同时这样做可以减少热应力和机械应力。这样有很多优点，如管道不容易泄漏、维护费用少，使用寿命长等。可以使用如图2.12.1所示的布置，在主截断阀旁边并联一个小的阀门来进行暖管，这个阀门根据暖管时间长短来选择不同的口径。大管道上选用自动的慢开阀可以提高安全性。使用单个主截断阀也可以，但是，主截断阀可以通过管道的设计流量，这个流量对暖管负荷来说过大，因此，启动时阀门开度很小。在主截断阀前安装汽水分离器可以保证通过的蒸汽更干燥，从而保护阀门内件不被过早磨损。蒸汽主管的暖管时间应尽可能长，这样可以尽可能减少管道机械应力，提高安全性，并减少启动负荷。如果暖管时间可以用10min而不是5min，那么初始的暖管蒸汽流量就可以减半，用20min暖管会进一步减少暖管负荷。把管网系统加热到工作温度需要的蒸汽流量是管道的质量、比热、温升、蒸汽的蒸发焓和暖管时间的函数，可以用公式2.12.1来表示：图2.12.1旁路的自动暖管阀控制器汽水分离器和疏水阀组与管道口径相同的截止阀蒸汽冷凝水控制器1222.12.3第2章蒸汽工程和传热管道和空气加热器的蒸汽耗量计算章节2.12蒸汽和冷凝水系统手册例2.12.1蒸汽管道的热损失100m的口径为100mm的碳钢蒸汽主管，有9对PN40的法兰接头和一个隔断阀。钢的比热cp=0.49kJ/(kg·℃)启动时的环境温度为20℃，蒸汽压力14.0barg，查蒸汽表得出温度为198℃(见表2.12.2)。计算:第1部分暖管时间为30min的暧管蒸汽负荷。第2部分保温层厚度为75mm的运行负荷。式中:ms=蒸汽的平均冷凝率(kg/h)；W=管道与法兰以及接头的总重量(kg)；Ts=蒸汽温度(℃)；Tamb=环境温度(℃)；cp=管道材质的比热(kJ/(kg·℃))；hfg=工作压力下的蒸发焓(kJ/kg)；t=暖管时间(min)。注:公式中常数60，并且时间用分钟得到的蒸汽流量为kg/h。管道材质300℃时的比热(kJ/(kg·℃))铜0.385碳钢0.490铬钢0.443AISI302不锈钢0.480AISI304不锈钢0.477AISI316不锈钢0.468AISI347不锈钢0.480表2.12.1典型金属管道的比热饱和焓（能量）(kJ/kg)压力温度水蒸发蒸汽比容(barg)(℃)hfhfghg(m3/kg)14198845194727920.132表2.12.2节选自蒸汽表第1部分计算暖管负荷公式2.12.1ms=kg/h60W(Ts-Tamb)cphfgt公式2.12.1ms=kg/h60W(Ts-Tamb)cphfgt为了得到W，从表2.12.3中找到不同的蒸汽主管材料的质量100mm主管=16.1kg/m100mm的PN40的法兰=16.0kg/对100mm截止阀=44.0kg因此：W=(100x16.1)+(9x16)+(1x44)=1798kg所以，平均暖管负荷：ms=kg/h60×1789kg×(198℃-20℃)×0.49kJ/(kg·℃)1947kJ/kg×30min=161kg/h1232.12.4第2章蒸汽工程和传热管道和空气加热器的蒸汽耗量计算章节2.12蒸汽和冷凝水系统手册第2部分运行负荷蒸汽管道向环境散热后蒸汽会冷凝，冷凝率取决于以下因素：蒸汽温度。环境温度。保温层的效率。表2.12.4给出的是典型的未保温钢管在20℃的静止空气中的辐射散热。注:冷凝水量用于选择适当的暖管控制阀当选择蒸汽疏水阀时，考虑到暖管结束前蒸汽压力较低，此冷凝水量应再乘以2，然后再除以疏水阀的数量得到每个疏水阀的需要排放量。管道口径Sch.40管道每对法兰重量PN40法兰(mm)(kg/m)PN40ANSI150ANSI300截止阀151.31.71.824201.72.32.235252.52.62.446323.44.03.068404.15.04.0811505.46.06.0914658.69.08.012198011.311.011.0152610016.116.016.0234415028.228.026.03288表2.12.3典型的钢管、法兰、螺栓以及截止阀的重量通常蒸汽管道都进行保温，很显然如果法兰也进行保温效果会更好。如果管道是法兰连接的，每对法兰的表面积大约等于同样口径的300mm管道的表面积。当换热面暴露在流动的空气中，换热量会增加，这种条件下，需要乘以表2.12.5中的系数。如果采用的是鳍片管或波纹管，那需要使用制造商提供的数据。在普通条件下，空气流速在4到5m/s以下(大约10m/h)，称为微风；在5~10m/s(大约10~20m/h)称为劲风。风道内典型的空气速度在3m/s，见表2.12.5：蒸汽和空气的温度差管道口径(mm)(℃)1520253240506580100150505668821001131361681912413326069851021251401702082382984127084102124152170206252289360500801001221481802022452993434285941001351641992432723304034645778041201732102563133514265226007461042140216262319391439533653751936130816026331938947653565179991811451603180313381464569640780958110013741925200368448546670754919113112971623227622042752063477887710691318151018922655表2.12.4未保温钢管暴露在20℃的空气中的辐射散热量(W/m)1242.12.5第2章蒸汽工程和传热管道和空气加热器的蒸汽耗量计算章节2.12蒸汽和冷凝水系统手册空气流速(m/s)散热因子0.001.00.501.01.001.31.501.52.001.72.501.83.002.04.002.36.002.98.003.510.004.0表2.12.5环境的空气流动对管道表面辐射散热的影响注:由于涉及到很多因素，因此很难得到准确的数据。在表2.12.5给出的因子表示的是表2.12.4中数据需要乘的一个大概的数据。暴露于1m/s风速的环境中可以认为其无空气流动，这时的热损失基本上是常数。通常，喷漆管辐射系数高，氧化管的辐射系数中等，抛光的不锈钢管辐射系数低。通常条件下，使用的保温层的材料和厚度决定了散热损失的多少。对大多数实际应用来说，蒸汽管道的保温会减少表2.12.4所示的辐射散热损失，此系数(f)如表2.12.6所示。需要注意的是这些系数只是常用值，对特殊的计算来说，请参考保温层制造商的数据。式中:ms=冷凝率(kg/h)；Q=从表2.12.4查取的辐射换热率(W/m)；L=包括法兰和接头在内的管道等效长度(m)；f=保温系数(从表2.12.6中查取)；hfg=工作压力下的蒸发焓(kJ/kg)。保温后的管道散热损失可由公式2.12.2得出：公式2.12.2=h3.6LffgQmkg/hs注:如果管道无保温则f=1.0公式2.12.2中系数3.6确保计算结果的单位为kg/h。计算等效长度L:每对法兰等效于0.3m的管道长度，每个截止阀等效于1.2m的管道长度，本例中总的等效长度(L)为：L=100+(9x0.3)+(1x1.2)L=104m确定辐射换热量Q:蒸汽14.0barg时温度为198℃，环境温度为20℃，温差为178℃。从表2.12.4查到：100mm管道的散热损失1374W/m。确定保温系数f:100mm管道保温层厚度为75mm，在14barg压力下保温系数近似为0.07。14barg下的hfg=1947kJ/kgms=kgms=18.5kg/h3.6×1374W/m×104m×0.071947kJ/kg1252.12.6第2章蒸汽工程和传热管道和空气加热器的蒸汽耗量计算章节2.12蒸汽和冷凝水系统手册表2.12.6保温系数(f)本例中暖管负荷为161kg/h(见例2.12.1，第1部分)，暖管负荷要比运行负荷18.5kg/h要大的多。因此，通常情况下，按照暖管负荷选择的疏水阀足以满足运行负荷。如果蒸汽管道未保温或保温层损坏，运行负荷将会是现在的14倍以上。对于无保温或保温较差的管道来说，需要比较运行负荷和暖管负荷，较高的值用来选择蒸汽疏水阀。当然，理想的做法是提高保温层的质量。注：当计算暖管损失的时候，必须注意管道参数，因为不同的管道标准，管道重量差别很大。管道口径NB蒸汽压力(mm)1barg5barg15barg20barg50mm保温层150.160.140.130.12200.150.130.120.11250.140.120.110.10320.130.110.100.10400.120.110.100.09500.120.100.090.08650.110.100.090.08800.100.100.080.071000.100.090.080.071500.100.090.070.0775mm保温层150.140.130.120.11200.130.110.110.10250.130.110.100.09320.110.100.090.08400.100.090.090.08500.100.090.080.07650.100.080.080.07800.090.080.070.071000.080.080.070.061500.080.070.070.06100mm保温层150.120.110.100.08200.110.100.090.07250.100.090.080.07320.100.080.080.06400.090.080.080.06500.080.080.070.06650.080.070.060.05800.070.070.060.051000.070.070.060.051500.070.060.050.041262.12.7第2章蒸汽工程和传热管道和空气加热器的蒸汽耗量计算章节2.12蒸汽和冷凝水系统手册空气加热管很多应用中需要加热空气：空间加热通风制程应用加热空气需要的设备内通常有很多管排，管子内部为蒸汽，当空气通过管排的时候，热量从蒸汽传递给空气。通常为了减少设备的尺寸和重量，这些管排被布置在狭小的空间内，这样可以减少支撑的数量，同时，为了降低成本，通常采用在管子外侧增加鳍片。这样可以增加换热面积，因此减少了总共需要的管子的数量。如图2.12.2所示为鳍片管。通常，空气加热器可以分为2种：加热单元空气加热组加热单元加热单元包括一个换热机组和风扇，如图2.12.3所示，主加热媒介（蒸汽）在加热机组内冷凝，空气通图2.12.3加热单元蒸汽冷凝水空气加热空气的密度和比热随温度变化很小，对大多数工程应用来说，如HVAC和其他空气加热的制程来说，通常取空气比热容为1.3kJ/(m3