蒸汽工程基本原理
蒸汽
容易输送 容易控制 可以使用于以下各种场合:
发电
加热 过程工作
水和蒸汽
水 – 资源丰富，价格便宜 安全 在较低的温度下蒸发成蒸汽 水可以吸收大量的热量
蒸汽包括很大的热量
蒸汽在恒定的温度下凝结成水 高的传热系数
便利的压力和温度关系
古老的和现代的蒸汽设备比较
伦敦蒸汽博物馆的18世纪蒸汽机
控制锅炉水的含盐量
控制锅水含盐量的方法有： 控制给水质量：水处理 控制锅炉连续排污量：TDS控制
当水中溶解物质较少时，电导率与溶解物含量成比 测定电导率，可以推断总溶解物的含量。 例，
TDS排污人工手动控制
典型的TDS控制人工排污（表面排污）：
TDS控制人工排污一般每24小时3次
最大允许TDS值 平均TDS值 给水TDS值 则：排污量
需要更多的换热面
二次蒸汽（闪蒸蒸汽）
表压 bar g 0 1 2 3 4 5 6 7 蒸 发 潜 热 kJ/kg (hfg) 饱和干蒸 汽比容 m3/kg 1.673 0.881 0.603 0.461 0.374 0.315 0.272 0.24
温度℃ 100 120 134 144 152 159 165 170
现代结构紧凑高效的汽水换热机组
典型的蒸汽系统
工程单位
温度 压力 ºC, K, ºF bar, MPa, kg/cm2, Pa, Psi 表压 bar g 绝对压力 bar a bar a = bar g + 1 质量流量 kg/h, T/h 体积流量 m3/h, l/s kJ/kg kJ/kg ºC
4) 不合适的液位控制
锅筒中水位的高度将影响蒸汽空间的高度，影响蒸汽带水量。
5) 蒸汽输送管道的保温不当，蒸汽分配系统没有安装 疏水阀
锅炉运行压力偏低
工作压力3barg 比容为0.461m 3 /kg
工作压力10barg 比容为0.177m 3 /kg
锅 炉 2
锅 炉 1
含盐量（TDS）的影响
1. 含盐量增大，水分子结合力增强，汽泡变小，汽泡对水的速 度减慢，锅筒中水空间含汽率增大，水位升高，蒸汽空间高 度减小。 2. 汽泡间粘度增大，汽泡不易破裂，在水面形成汽泡层，减小 了蒸汽空间高度。 3. 含盐量再增大，汽泡层充满整个蒸汽空间，蒸汽和水同时被 吸入蒸汽引出管。被称为汽水共腾。 4. 含盐量高，表面张力大，汽泡只有在液膜很薄时才会破裂， 形成的水滴很细微，更易被蒸汽带出。
蒸汽到达设备应该具有以下的质量条件: 合适的蒸汽量 正确的压力和温度 不能含有空气－ 空气热阻很大，减少传热 干净－污垢和其它固体物质积聚在换热面会增加热阻 干燥－不能含有水分
提高蒸汽系统的效率，从提高蒸汽品质开始！
空气和不凝性气体
空气的存在则意味着： 蒸汽的温度不能根据压力表所确定 产生传热的热阻 腐蚀管道和设备 在疏水阀疏水时产生气堵
过热蒸汽
应用 气轮机

在过程中饱和蒸汽会冷凝，水滴会引起严重的冲蚀和 损坏气轮机 – 等熵过程。 过热蒸汽更加有效 – 提高效率。
电厂气轮机的过热蒸汽可能状态为150 bar g / 550ºC，有200ºC的过热度。
过热蒸汽
和饱和部分相比，过热蒸汽部分所含的热容量很小
过热蒸汽的传热系数较低 热交换表面温度梯度较大
流量
焓
比热
比热 (Cp)
1kg的物质升高1º C所需要的热量(kJ)
• 水的比热 4.19 kJ/kg º C
• 酒精的比热
• 铜的比热
2.64 kJ/kg º C
0.37 kJ/kg º C
• 水银的比热
0.14 kJ/kg º C
什么是蒸汽
从固态溶解成液态 液态温度上升 沸腾 蒸发 饱和蒸汽 过热蒸汽
从蒸汽表可知：1.5 bar a (0.5 bar g)饱和蒸汽的温度 为 111.6 º C 根据压力表的读数1 bar g，蒸汽温度应该为120 º C
道尔顿分压定理
– 结果
任何用汽设备，如果使用该蒸汽，虽然压力表的读数为1 bar g，而实际上使用的蒸汽相当于 0.5 bar g。 如果设备需要 1 bar g的压力达到它的额定功率，则肯定无 法实现。 如果一个医院的杀菌罐或者消毒锅，其最低温度的限制是相 当关键的。即使增大空气/蒸汽混合物的压力，但空气的 存在会阻碍达到杀菌的目的。
温度-压力关系
250 200 150
温度 º C
100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 压力 (bar g)
比容-压力关系
1.8 1.6 1.4
比容 (m3/kg)
1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 压力 (bar g)
过热蒸汽
过热蒸汽是指温度高于饱和蒸汽温度的蒸汽
例如：在大气压力下将饱和蒸汽加热到110 ºC，则它的 过热度为 10 ºC。
通过以下方法可以使蒸汽过热：
将蒸汽通过温度更高的加热表面 减压（前提是蒸汽必须是干燥的）
水管锅炉
蒸汽过热器
蒸汽锅筒
对流管束
烟气挡板 省煤器 燃烧器
通过减压得到过热
? 6 bar
165 ºC
减压阀
1 bar
6 bar g的干饱和蒸气
减压阀下游的温度为多少?
通过减压得到过热
165 ºC
147 ºC 1 bar
6 bar
减压阀
干饱和蒸汽在 6 bar g时的全 热能为 2764 kJ/kg
上游能量 剩余热量 蒸汽比热 @ P2 过热度 饱和温度 最后蒸汽温度
= 下游能量 = 2764 - 2707 = 57 kJ/kg = (2770 - 2707)/30 ºC = 2.1 kJ/kg ºC = (57 kJ/kg)/(2.1 kJ/kg ºC) = 27.1 ºC = 120 ºC = 120 + 27.1 =147.1 ºC
通过减压得到过热
165 ºC
120 ºC 1 bar
6 bar
减压阀
蒸汽压力 6 bar g，干度为0.95的 全热能为697.5 + 2066 x 0.95 = 2660 kJ/kg
上游能量
= 下游能量
1 bar g干饱和蒸汽的全热为
P2 压力下的干度
= 2707 kJ/kg，大于上游的能量
因此通过减压阀后，下游蒸汽中仍含有水分 = (2660-505.6)/2206 = 0.977
= 721.4 kJ/kg = 419.0 kJ/kg = 302.4 kJ/kg = 2257 kJ/kg = 302.4 2257 = 0.134 kg/kg冷凝水
管道内的二次蒸汽
134 kg 二 次 蒸 汽 99.6% 的 总 体 积
866 kg 冷 凝 水
0.4 % 的 总 体 积
蒸汽品质
避免过高的TDS值导致不洁蒸汽，污染产品，堵塞疏水阀 通过对锅炉水状态进行检测和正确的水处理，帮助维持清洁无垢的锅炉

只需最少的人力关注即可获得上述优点
什么是蒸汽
在大气压下形成蒸汽
凝结的蒸汽
蒸汽汽泡
在大气压力下产生蒸汽需要加给水的热量
饱和水的沸点 干蒸汽点
蒸发线
100 oC
温度 (oC)
0.1
0.2
0.3
0.4
干度
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
未饱和水线
0 oC
液态焓 (hf) 总焓 (hg) 蒸发焓(hfg)
焓 (kJ/kg)
什么是蒸汽
不凝性气体影响

道尔顿分压定理
道尔顿分压定律为：
如果蒸汽和空气的混合物，则混合物的总压力为各 组成气体的分压力总和。
混合物总压力
=
蒸汽分压力
+
空气分压力
道尔顿分压定理
– 实例
如果蒸汽和空气的混合物总压力为1 bar g (2 bar a) 并且混合物的组成部分为3份蒸汽和1份空气：
蒸汽的分压力为 空气分压力 = ¾ x 2 bar abs = 1.5 bar a = ¼ x 2 bar abs = 0.5 bar a
保持蒸汽系统干净
蒸汽水平管道过滤器的正确安装
过滤器应侧向安装避免冷凝水的积聚和水锤问题，这种安装也可以充分利用过滤网的 面积。
蒸汽携带水分
冠状阀 汽水分离器 至用汽设备
疏水阀组
蒸汽中携带水分则：


水锤
减低设备的出力 减低蒸汽的含热量，增加蒸汽耗量


污染系统及其设备
增加锅炉的燃料
湿蒸汽以及它对蒸汽含热量的影响
液体焓（饱和水焓）
(hf)
蒸发焓（潜热能）
(hfg)
总热能
(hg)
干度
湿蒸汽的实际蒸发焓是湿蒸汽的干度(x)和蒸发焓(hfg)的乘积
蒸发焓
x
干度
=
实际焓
蒸汽表
表压 bar bar 0 1 2 5 7 10 14 温度 水 º C 100 120 134 159 170 184 198 hf 419 506 562 671 721 782 845 焓 kJ/kg 蒸发 hf g 2257 2201 2163 2086 2048 2000 1947 蒸汽 hg 2676 2707 2725 2757 2769 2782 2792 饱和干蒸汽 比容 m3/kg 1.673 0.881 0.603 0.315 0.24 0.177 0.132
产生湿蒸汽的原因
1) 蒸汽负载的变化
负荷增大，蒸汽在锅筒中的上升速度增大，增加蒸汽带水量。