換熱器和失流
前言
本章將討論裝備有以下設(shè)備并使用飽和蒸汽作為加熱介質(zhì)的換熱器中冷凝水的排除問題
換熱器蒸汽供給管線上安裝控制閥用于控制溫度。
換熱器使用疏水閥排除冷凝水
換熱器一次側(cè)稱為“蒸汽空間”，蒸汽中冷凝水排除裝置稱為“疏水裝置”。該“疏水裝置”可以是“蒸汽疏水閥”、“疏水閥泵”或“機械泵和疏水閥組合”。
換熱器二次側(cè)被加熱流體的出口安裝有溫度感應(yīng)器，不論負荷如何變化，控制閥通過開度的變化來調(diào)節(jié)蒸汽流量，即調(diào)節(jié)蒸汽空間的壓力，努力將被加熱流體的出口溫度控制在設(shè)定值。
蒸汽疏水閥后的冷凝水管道可能會有一定的提升，或冷凝水管道內(nèi)有一定的壓力，或者冷凝水直接排向大氣環(huán)境。本章將冷凝水管道內(nèi)的壓力稱為“背壓”。
大部分的換熱器都是采用以上的控制方式，例如
管殼式換熱器。
板式換熱器。
風(fēng)道中蒸汽加熱盤管或盤管組。
制程設(shè)備、槽、缸等設(shè)備的加熱管道或盤管。
簡單起見，本章將以上裝置統(tǒng)稱為“熱交換器”或“加熱器”，將被加熱流體所流通的通道稱為換熱器的“二次側(cè)”。
通常換熱器的蒸汽空間內(nèi)積水或者被冷凝水占據(jù)會導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱性能下降。導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)積水的原因主要有以下兩種
使用了錯誤類型的疏水閥。
失流。
重要提示
有些溫度控制系統(tǒng)允許換熱器的蒸汽空間內(nèi)有部分積水，在這些系統(tǒng)中，控制安裝于冷凝水的出口端，通過控制閥的閥位的變化來改變換熱器內(nèi)冷凝水水位。水位的變化使蒸汽與換熱器壁面的接觸面積發(fā)生變化，從而改變換熱器負荷，控制二次側(cè)流體的出口溫度。
對于這種系統(tǒng)，一定要注意換熱器需要特別設(shè)計和制造，必須能夠承受一定的積水。如果不是這樣，換熱器內(nèi)的積水會導(dǎo)致?lián)Q熱器效果下降并降低換熱器的使用壽命。
如果系統(tǒng)設(shè)計正確，這種控制方法的確具有一定的優(yōu)點。換熱器內(nèi)的冷凝水在排放前會進一步地冷卻，這顯著的降低了冷凝水管道內(nèi)的二次蒸汽量，節(jié)能的同時提高冷凝水的回收效果。
這種控制方式的主要缺點是當(dāng)負荷變化時，系統(tǒng)反應(yīng)滯后，跟不上負荷的變化。
什么是失流？
失流是指換熱器內(nèi)蒸汽空間的壓力等于或小于疏水閥后的總背壓從而導(dǎo)致冷凝水無法從換熱器內(nèi)排除的現(xiàn)象。
主要有以下三種情況會導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)的壓力低于疏水閥后背壓： 由于二次側(cè)流體入口溫度升高導(dǎo)致負荷的降低。
由于二次側(cè)流體的流量降低導(dǎo)致負荷的降低。
由于設(shè)定溫度的降低導(dǎo)致二次側(cè)流體出口溫度降低。
在進行疏水閥選型之前，首先必須評估換熱器是否會有失流發(fā)生，如果有失流，到何種程度。如果沒有進行評估，換熱器有可能會在部分工作時段甚至整個工作過程中都發(fā)生積水現(xiàn)象。當(dāng)積水發(fā)生時，可能操作人員或監(jiān)察人員并不會立即發(fā)現(xiàn)，因為對于這個選型過大的換熱器，其換熱效果可能并沒有什么降低。但是對于換熱器而言，除非設(shè)計用于積水狀態(tài)，否則積水會導(dǎo)致短期和長期的危害。
短期問題
如圖13.1.1所示，選型過大的空氣預(yù)熱盤管安裝了一個錯誤型式（或口徑）的疏水閥。
在此例中，該盤管用于預(yù)熱通過主蒸汽盤管的冷空氣。盡管該預(yù)熱盤管到達了其期望的熱負荷，但由于其選型偏大，盤管的下半部分會積滿水。通過盤管的冷空氣接近0℃，（流速通常為3m/s）流過預(yù)熱盤管時很容易導(dǎo)致盤管內(nèi)的積水結(jié)冰。這就需要維修或更換預(yù)熱盤管，不僅麻煩而且造成額外的費用支出。
當(dāng)選型正確時是不會發(fā)生積水和結(jié)冰現(xiàn)象的。
長期問題
如果疏水閥選型過小，但換熱器選型偏大，通常選型過小的疏水閥不會立刻影響換熱器的加熱效果。
相反，表面上這個選型錯誤的疏水閥反而會提高冷凝水系統(tǒng)的性能。例如，安裝于換熱器后的熱靜力式或固定排放孔式疏水閥會阻止冷凝水的排放，因此冷凝水的溫度會降低。這會降低冷凝水管道內(nèi)或集水箱排放口處的二次蒸汽量。部分監(jiān)察人員會認為這樣很節(jié)能，并試圖推廣這種使用方式。不幸的是，情況并不如它所表現(xiàn)的那樣。事實上，讓冷凝水過冷之后再進行排放意味著換熱器具有一定的積水。冷凝水不斷的淹沒蒸汽空間會造成換熱器腐蝕。整個換熱器的使用壽命降低整個使用期內(nèi)使用成本升高。
換熱器積水所造成的影響通常和一些特定的使用環(huán)境有關(guān)。
本章詳細列出了換熱器失流的征兆和影響。
為何會發(fā)生失流？
在了解失流之前，首先必須了解蒸汽是可以冷凝的介質(zhì)，在冷凝時會放出大量的熱量。在蒸汽冷凝的過程中，其溫度和壓力都維持不便。
例如，大氣壓力下飽和蒸汽的溫度為100℃，冷凝成水后仍舊是100℃，表壓1 bar時，蒸汽的飽和溫度為120℃，冷凝成水后水溫仍為120℃。在換熱器內(nèi)，蒸汽的壓力有可能低于大氣壓力，例如，低于大氣壓力0.5 bar的蒸汽，其飽和溫度為82℃，同樣，其冷凝后水溫仍舊是82℃。飽和蒸汽壓力和溫度之間的關(guān)系是確定的，并可以從蒸汽性質(zhì)表中查得。基本的換熱理論告訴我們，蒸汽的溫度比二次側(cè)流體的溫度越高，則加熱效率越高?？梢酝ㄟ^改變一次側(cè)蒸汽的溫度（即改變蒸汽壓力）來改變換熱器的加熱量。
例如，如果換熱器滿負荷時使用的蒸汽溫度為160℃，當(dāng)負荷降低50%后，需要的蒸汽溫度也同時降低。為了達到這樣的效果，蒸汽的壓力必須降低，大部分情況下會出現(xiàn)蒸汽空間的壓力降到比疏水閥的背壓還低的情況。
例如:
換熱器滿負荷時使用1 bar g（120℃）的飽和蒸汽加熱冷水，使其從40℃加熱60℃。滿負荷時二次側(cè)的溫升為20℃，二次側(cè)水的平均溫度為：
大氣壓力下飽和蒸汽的溫度為100℃，此時換熱器內(nèi)的壓力為大氣壓力。結(jié)果導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)沒有足夠的壓力推動冷凝水從疏水閥中排出。即使疏水閥直接排向大氣，冷凝水也不能從換熱器中排出。除非采取一系列防范措施，否則冷凝水會聚集在換熱管中并使換熱器積水。
當(dāng)冷凝水聚集到換熱器中時，會占據(jù)蒸汽和換熱器的熱交換面積，換熱量會減少，被加熱水的出口溫度隨之降低。溫度感應(yīng)器感應(yīng)到溫度的降低將信號傳遞到控制器，控制器會發(fā)出指令讓控制閥的開度增加。隨著閥門開度增加，更多的蒸汽進入換熱器，在此例中蒸汽空間的壓力會逐漸升高到大氣壓力以上，足以推動冷凝水通過疏水閥排出。冷凝水排出之后，其空間被蒸汽占據(jù)。對于僅僅需要將水加熱到60℃這樣熱量需求而言，蒸汽空間的壓力又過高了，水溫又會大幅攀升。感應(yīng)器感應(yīng)到溫度的上升，控制器又會使閥門關(guān)小，蒸汽空間內(nèi)的壓力又會下降，積水會再次產(chǎn)生。
結(jié)果導(dǎo)致水溫不斷的在60℃上下波動。在很多情況下，二次側(cè)的介質(zhì)可能是其它產(chǎn)品，這就會影響產(chǎn)品的質(zhì)量。
什么是失流的征兆，失流會造成什么影響？
簡要的說，失流發(fā)生時，可能會出現(xiàn)以下一種或多種現(xiàn)象：
1.疏水閥溫度很低甚至冰涼。
2.控制閥不斷振蕩。
3.產(chǎn)品出口溫度波動。
4.加熱器溫度出現(xiàn)分層現(xiàn)象。
5.水錘現(xiàn)象。
6.熱量輸出降低。
7.產(chǎn)品質(zhì)量下降。
8.換熱器容易腐蝕。
9.換熱器容易泄漏。
10.換熱器失效。
具體表現(xiàn)為： 疏水閥溫度很低，或者明顯的比換熱器的蒸汽入口管道低。
控制閥會不斷振蕩，例如：出現(xiàn)控制閥不斷地開關(guān)現(xiàn)象。
換熱器二次側(cè)流體出口溫度通常比設(shè)定值低。
換熱器出口二次側(cè)溫度出現(xiàn)分層現(xiàn)象，在空氣加熱器組或加熱單元上這一現(xiàn)象尤為明顯。
例如，在圖13.1.1所示的空氣加熱器組上，這種現(xiàn)象幾乎必然發(fā)生。加熱器通常通過風(fēng)道側(cè)面的檢修門安裝在風(fēng)道內(nèi)。當(dāng)失流發(fā)生時，由于加熱器的頂部靠近蒸汽入口，因此溫度很高，越往下，溫度越來越低，到疏水閥時會變的很冷甚至冰涼。通過加熱器頂部的空氣出口溫度明顯會比通過底部的空氣溫度高許多。
換熱器會連續(xù)的或間歇的發(fā)出振動、敲擊或撞擊的噪聲。有時還會伴隨著水錘現(xiàn)象，造成換熱器或其連接設(shè)備損壞。蒸汽在積聚的冷凝水中冷凝造成水錘現(xiàn)象并產(chǎn)生噪聲，特別是當(dāng)負荷變化造成冷凝水位變化時，這種現(xiàn)象更加嚴重。
在制程應(yīng)用中，以上一系列現(xiàn)象會危害產(chǎn)品質(zhì)量，造成質(zhì)量不穩(wěn)定。
增加腐蝕的可能性
積聚的冷凝水的溫度會比蒸汽溫度低得多。二氧化碳和氧氣更容易溶解在冷水中。由于不當(dāng)?shù)腻仩t水處理，鍋爐在產(chǎn)生蒸汽時，二氧化碳也會不斷產(chǎn)生，二氧化碳通常會由蒸汽攜帶至換熱器處。二氧化碳溶解到水中時形成碳酸，造成腐蝕。原水中存在的氧氣，如果不能通過水處理工藝完全去除掉，同樣也會被蒸汽攜帶。溶解在水中，同樣也具有很強的腐蝕性。
當(dāng)以上兩種氣體都存在時，腐蝕性會更強。
腐蝕的程度取決于換熱器的材料，銅、碳鋼或不銹鋼等受影響程度各不相同。
機械應(yīng)力換熱器頂部蒸汽空間的高溫會使換熱器產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，而其底部由于浸泡在低溫的冷凝水中其作用恰恰相反，會使換熱器發(fā)生收縮現(xiàn)象。不均勻的膨脹和收縮在使換熱器的材料形成機械應(yīng)力，特別是對一些焊接，釬焊或脹接的板式、管殼式換熱器和空氣加熱器組。常見的結(jié)果是蒸汽會向外泄漏或進入到二次側(cè)空氣流中。當(dāng)積聚的冷凝水水位連續(xù)變化，特別是快速變化時，機械應(yīng)力會更加嚴重。負荷變化時，冷凝水的水位會不斷變化，控制閥和疏水閥會努力使控制更加穩(wěn)定。
正確設(shè)計的采用墊片密封的板式換熱器能夠克服應(yīng)力，更加適合于蒸汽應(yīng)用。
失流最終會導(dǎo)致維護量的增加，降低換熱器及其附屬設(shè)備的使用壽命，從而增加整體的運行費用。
是不是所有的換熱器都存在失流現(xiàn)象？
不！當(dāng)換熱器內(nèi)始終具有足夠的壓力使冷凝水都能通過疏水閥及時排放，就不會產(chǎn)生失流現(xiàn)象。
一般來說，當(dāng)二次側(cè)被加熱流體溫度高于100℃甚至更高，換熱器負荷越穩(wěn)定，特別是一直處于滿負荷或接近滿負荷運行時，越不容易發(fā)生失流現(xiàn)象。但是，每個應(yīng)用都是不一樣的，需要單獨考慮是否會出現(xiàn)失流現(xiàn)象。確定換熱設(shè)備動態(tài)特性的唯一方法就是在圖表上繪制應(yīng)用溫度曲線或進行計算。在13.2節(jié)如何從換熱器中排除冷凝水中，將會解釋如何確定換熱器的工作狀態(tài)。
在一些應(yīng)用中，換熱器會允許出現(xiàn)部分積水現(xiàn)象，水錘現(xiàn)象造成的影響也很小。對于這種應(yīng)用，要求負荷必須非常穩(wěn)定，或負荷變化很小而且很慢，或者換熱器結(jié)構(gòu)必須更加堅固。
一種以上應(yīng)用的例子是加熱水箱內(nèi)的大口徑抗腐蝕盤管，盤管與疏水閥點有明顯的落差。
即使是上述能夠承受積水的應(yīng)用，如果設(shè)備的設(shè)計正確并能有效地消除水錘現(xiàn)象，事實上還是能夠提高運行效率，提高可靠性，降低使用成本的。
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