蒸汽冷凝装置的设计计算

蒸汽冷凝装置的设计计算
4卜,7弓
耄虼数斜节等
蒸汽冷凝装置的设计计算
中山大学力学系鄞金基.邢浩旭
广东英龙水泥厂张康治王国基陈敏健丁K2乒.
//
(摘要)本文阐述不同压力下二次蒸汽的冷凝装置的传热机理,列出直接接触式冷凝器
的传热方程,状态方程和连续性方程.导出蒸汽与冷凝水回收温度的关系.讨论饱和蒸汽与
过热蒸汽的Rankine循环图.最后给出应用实例.
蒸汽冷凝器在二次蒸汽余热回收和蒸汽喷射泵的级问耦合已有广泛的应用.蒸汽冷凝
热交换装置有直接接触式和问接接触式及其他传热装置.本文着重讨论直接接触式的冷凝器
的理论计算问题.
一
,
直接接触式冷凝器与Rankine循环图
工业上大量使用过的蒸汽包括饱和蒸汽和过热蒸汽,简称二次蒸汽.直接接触式冷凝器
是二次蒸汽热能回收的重要装置.其结构特点是蒸汽与冷凝器内通人的介质(例如水或玲空
气)直接接触.进行热交换.不必借助金属结构(例如排管)进行换热,常见液体(水)
为介质的冷凝器.如图44(a),),(c)所示.图44(a)为液柱式冷凝器,蒸汽由下侧人
口.水由上而下,在冷凝器的内部安装多孔塔板.为的是增大冷却水和蒸汽的接触面积,经
过冷凝后产生的热水或过热水由下方排出;图44(b)为液膜式冷凝器,液体由上方的孔喷射
形成液膜,使蒸汽与液体表面积能更充分地接触:图44(c)是喷射式冷凝器,从喷瞒喷出的
雾化冷却水使蒸汽冷凝,同时引射不凝性气体从扩压管流出,因而具有抽出不凝性气体的优
点.
w—水入口s—蒸汽入口st一不凝气体出口
圈44直接接触式燕汽砖凝器
一
4I一
P
豳45理想引擎的Rankine循环图
为了说明冷凝器在二次蒸汽热能回收中的作用.我们通过理想引擎Rankine循环来说
明.图45表示压力P与比容V,温度T与熵S之间关系的Rankine循环图蒸汽从状态
1流出蒸汽锅炉,在理想引擎内(即不考虑损失)等熵膨胀至状态2,(见图45(a),(b)卜一2
线)其总输出功为输人与输出流体焙之差值.即
WII=ht-h2
式中,hL——理想引擎输人节流时之焙,h广理想引擎输出之焓.
由状态2输人冷凝器.若冷凝器以水为介质,则按图45(a)(b)2--3线在3处使蒸汽冷凝
为饱液.冷凝器热量的变化引起熵s的减;流体所做的功用焓表示: W【2=h2-h3
式中,h3——冷凝器输出饱和液体的焙.
冷凝器输出的饱和液.由状态3等熵泵入蒸汽锅炉至B处.即在图45(a)(b)之3一B
线,再加热至温度t:使t{,,在l处蒸发成蒸汽.而开始循环.循环曲线为l23
一B一4—1.如果蒸汽在流出锅炉前梭过热.其循环曲线为e—f+3一B一-4-～c.
从理想引擎输出至冷凝器的蒸汽(状态2)为二次蒸汽.若冷凝器是以气体为介质,二
救蒸汽在等压条件下冷却.如果二次蒸汽是过热汽,在其冷却过程进行大量的热交换.使过
热汽的温度降低至该压力下的饱和温度.称此温度为露点.此时,过热汽成为饱和蒸汽.饱
和蒸汽在等压条件下,与混合汽热交换的继续,其温度降低在露点温度以下,如图45的牡
态3处,出现饱和液.随着蒸汽的大量输入.在等压条件饱和液体可以大量出现.
冷凝器不论是以水或气体为介质.由状态2输入的二次蒸汽在等压条件下成为饱和液
体由于该压力(等压)高于大气压力,例如绝对压力为2Kg/cm.则在此压力下饱和液
(水)的沸点温度为l19℃.饱和液成为过热水.水温可达l】9”C,二次蒸汽糸热回收新技术
是以此为理论依据进行节能的,将在另文阉述.
二,液柱式冷凝器的传热计算
二次蒸汽向冷凝器传热的机理,由于蒸汽与液体界而的切应力小.所以{瘦体内部的速度
榔度可以被忽略,使冷凝的热量梭液体吸收,温度迅速上升.现以液柱式}i}艟器为例说明其
传热的计算.
液柱式冷凝器如图46所示.液体(水)从上而下,蒸汽从下而上流动.:凝气体从上
恻.(过)热水从底部排出.在进行理论分析时.假没:①液柱直径等于多孔饭的孔径:②冷
一
42一
盛一jt暑/一.
一一
凝蒸汽是饱和蒸汽.液拄在一定
温度T.的气体中向下流动.液
往表面温度为一定值⑨忽略物
理量(比较C,密度P,传热系
致K)沿液柱流动方向的变
化;④忽略液柱的轴向传热,根
据以上的假定.液柱内部传热可
被认为是在晃限长圆柱内的轴对
称导热.且在同一位置.温度分
布不随时间变化.选取坐标.
一r0x如图47所示.传热方程”)
为
-
.
2
等一+争 0
式中,U广一液柱向下流图46l穰柱式冷凝器示意图翻47
动速度(米/时)
口——液柱的热扩散系数KI/(cf?(米/时)
K——液体的导热系数(千卡/米?时?℃)
C广一液体的比热(千卡/千克?℃)
PI——掖体的密度(千克/米)
T-一蔽柱的局部温度(℃)
r,)’——分别为径向.轴向坐标
求解偏微分方程①.可得液柱内温度分布的表达式如下:
口÷=…州?…--..………”@
式中,T.为蒸汽的饱和温度(℃):Ti为液柱的人口温度(℃);R为浓柱的半径;Jo
为零次贝塞尔函数.采用用人口条件(X=0,T=T;)则常数A为
而CJ.f[J.(.)]+1U)]1
,1是一次贝塞尔函数.积分@式,可得x处的圆柱断面的平均温度确下式表示:
~-T--T=
主).等?………………@一一上U】!鼻.
由于假定为液柱,液体的流量可用下式计算:
V,一月’三’D’,………………………………………………………@
式中,n为液桂数.D为液拄直径.
直接应用④式是困难的,常使用如下的宴验公式…:.
一
43——
=1_4_5l35();?);………………………………
@’|,一
躲腓去m1@式醌
=ll_0.
094()i………………….…………..
⑦
yI
根据文献.在水从孔径1.0～5.0毫米的多孔板向下流动.考虑液柱表酉的素流流动的
影响.0式右边第二项的系数选取为0.12.比系数0.094大21.7%. 三,蒸汽冷凝器的设计要点及应用
蒸汽冷凝器的设计计算要点如下:
(1)考虑蒸汽与冷却水的热量总体平衡方程,蒸汽传热量按下式计算: Q.=G(hcT广To))………………………………………………………@
式中.Qs为蒸汽传热量(千卡/时);G为蒸汽的质量流量(千克/时);C.为过热
水的比热(千卡/千克?℃);T.为水蒸汽的温度;T.为冷却水出口温度:h’为汽化焙
(千卡/千克).
冷却水从进口温度T-’经过冷凝器的热交换上升到出口的水温T.,所需要的热量为:
Q】=CI?GI(TTj)..-………………………………………………...………@式中.G,为水的质量流量.
由热平衡条件要求@,@两式相等,由此可决定冷却水所需的水量.但考虑不凝气体带
走的热量时,热平衡方程@式要加以修正.
(2)若选用液拄式冷凝器,其塔板结构如图48所
示.塔内开口面积的蒸汽允许的流速为:
Uolffi()”……………...
P
式中,u..为塔内蒸汽速度.K.I依赖于实验确定
的常数.P_为蒸汽的密度.
设塔板上的冷却农停留高度为H.,孔径为d,塔
板的开孔效为n,贝4
0.4G
n一——————』一………………-
0.6??d’√2gH,
如果塔板开口为S.财塔径
Dr一/一!L一…………@√’S’c,n’p.
液幕的蒸汽允许的流速,选取
一
44——
eoo
/\
T
血
三
图48液拄A凝器的塔板
(,
,
:置.[)”………………………………………………………@ ,
式中.KI2为依赖于实验确定的常数.
设液幕的面积记为F.,则
Fl=LD’ff lB—HdB)…一………一一……………………一0
式中,lD为堰宽H.为塔板间距,dB为塔板支持板的高度.
.
又因为G=Pi?uI2?FI.代人l?式解得:
_州-…………………………._@
(3)若选用液拄式,仍髓决定塔板的层数.已给出蒸汽的饱和温度TI,液体入口温度
为Ti.出口温度为T.,从经济的最佳值选取: 三;……….…一…………………:………………………….
,
一
t.
式中.由实验确定,文献”建议选取O.85,本文建议选用:0.85--0.88.
从第一头塔板豺第=块塔板,用出口温廑Tl代替平均温度同时注意到X=HHl
(见图4g),则由④,⑦式可得:
,1一o.12(二型);.
T
|
一
TtnJ
由此可得:
,～
.
一
{1—0.12()}.(Ta--Tf).……………囝
-
从第二块塔板到第三块塔板,出口温度为T2,同理可得:
:～
.
一
{1-0-12c.(Hj-H:,:1)1.(一Tt)..……………@.p,
逐次计算.直到液体出口温度低于T0,则可决定塔板数.
本文阐述蒸汽冷凝器的传热机理及设计计算的要点,蒸汽冷凝器是多级蒸汽喷射泵级问
耦合的重要设备.因为如果蒸汽喷射泵之间直接耦合.即将前一级喷射泵的输出接入第二级
的吸人端,这时第二级喷射泵的抽吸量大为增加.导致真空度降低.无法正常1作.如果将
前一级喷射泵的输出连接蒸汽冷凝器.再将冷凝器不凝气体输出端接人第二级的吸人端.这
样第一级喷射泵输出大量的水蒸汽在冷凝器中冷凝.太为减少第二
级喷射泵的抽吸量,使它
船曝证正常工作.以下通过算例说弱冷凝器的设计计算同题.
(例子)设第一级蒸汽喷射泵输出的真空度为705mmHg,含水蒸汽量-勾300公斤/
时,现用20℃水进行冷凝.要求设计液柱式冷凝器.
计算过程:蒸汽真空度为705mmHg,折算为绝对压力P.=7.2368×1o.mP.,
T.;40”C,汽化焙h.;574千卡/公斤.已知G=300公斤/小时,水温Tt=20”12,依据
lb式,r/取0.85时,可得To=37”(3.再由@式计算得传热量Q.=173100千卡/小时,及由
@式算出需要的冷却水盘G】;10150公斤/小时.如果塔板的开口比S=0.4,由@式算出
(下转第73页)一dE—
(例子三)图,3是延时换向的一个气动系统.这可以代替电气延时电路,在一些场合
下实现执行机构的延时动作.
我们可以从上述三个例子中得到一些启示.
(启示一)从上面举舶三个气动系统可以想到.用电气传动在某些场合上经济成本不
合算.或者无法实现或者较难实现.但气动系统很容易实现所要求的功能.这说明气动技术
在许多领域有其存在和发展的必要.作为气动技术方面舶工程技术人员,应该更注重从实际
需要出发.开发和推广一些经济实用的气动系统.科研单位和生产厂家要注重研制和改进气
动元件的性能,如上述的气动延时切换周,现在其延时切换最长时问可达3分钟.还可以达
到更长的时同’这有待我们技术人员的努力.:
(启示二)气动系统比较安全.不易发生火灾.气动系统抗污染能力强.不会污染环
境.还具有防爆,防电磁干扰,抗振动,冲击,辐射等优点.但气压传动的致命弱点是由于
空气的可压缩性使无法获得稳定的运动.此外.为了减少空气的泄漏,气压传动系统的工作
压力一般不超过,～8公斤力/厘米.因此,气动元件结构尺寸大,不宜用于大功率传动.
气压传动的缺点决定了它的一定的使用范围.也构成我们工作中的有利和不利的两个方面.
然而,一切矛盾着的东西,都会在一定的条件下互相转化,随着具体条件的变化和气动技术
本身的发展.气动技术将在经济各镊域发挥更大的作用.现在.随着气
动元件性能的提高及
密封条件的改善.系统工作压办200公斤力/厘米的气动系统应用也不少觅.
例如,广州韬加工厂电冰箱蒸发器板的扩孔气动系统的工作压力就是200公斤力/厘米
的.上面例子二也刚好避开气压传动的致命弱点.发挥它的优点.还有气压传动伺服系统可
以发挥利用气体的抗温性在某些场台将比液压伺服系统优越.因为油在高温时会产生很多变
化,如粘度变化等.
n:接第45页).
塔径DT=0.46米;塔板的开孔数n由曲式得出n=241,孔径d;0.005米;由0式算出
堰宽LD=O.43米,由O式算出堰高Hw0.11米.HBr0.22米.
塔板层数的计算.应用0式算得第一层输出水温TJ=28℃.应用Q式算出第二层输出
水温T2=32.8℃,谣状计算第三层输出瘩温T,=35.7℃,第四层输出水温T.=37.4℃,因
此塔板层数采用4层.
二次蒸汽余热回收,如何设计蒸汽冷凝嚣是重要的技术关键.该冷凝器是要将经过使用
的蒸汽,例如在Rankin~循环中从理想引擎输出的蒸汽,把汽相转换
成为液相一一进热
水.由于输出的水温T较高.依据@,@式热平衡方程的计算,需要的输入水量较少.输出
水量还应包吉蒸汽温度降至露点成为过热水的水量.本文的讨论对研究余热圆收的蒸汽玲凝
器的设计仍具有重要的实用意义.
参考文献
(1)(日)尾花英朗,热交换器设计手册(下册),徐中权译石油工业出版社.1982年
版.
E2)VirgiM.Faircs钟毅章译.热力学,新兴图书公司1979年版.
(3)(日)中岛大岛.化学工学.V o]23.No4P235~241,1959.
一
73一
...,...
.......●。