一文看懂蒸汽蓄热器的原理、结构及热工计算

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1、蒸汽蓄热器的工作原理

蒸汽蓄热器的进汽口与锅炉供汽管道相连，进入蒸汽蓄热器的是直接来自锅炉的高压蒸汽，蒸汽蓄热器的出汽口与低压蒸汽管道相连接，自蒸汽蓄热器出来的低压蒸汽直接去往用汽设备。蒸汽蓄热器在冷态启动以前，容器内须先送入一定量的水，然后由进汽管慢慢通入蒸汽，后者迅速凝结，水温从而升高，其压力也相应上升。此时，水容积也不断增多，最后充水容积达到蓄热器总容积的90%左右，压力也上升到蒸汽蓄热器最高工作压力，储汽蓄汽过程宣告完成，当用户用汽超过锅炉供汽能力时，蒸汽蓄热器的出口阀门开启，蒸汽就从容器的蒸汽空间中排放出去。与此同时，蒸汽蓄热器内压力下降，而水温还略高于水面上蒸汽空间压力的饱和温度，水即自行沸腾蒸发，向外界供汽。这一过程将一直持续到用汽户所需的最低压力为止。这种借助升压储汽蓄热、降压排汽放热的蒸汽蓄热器，也称为变压式蒸汽蓄热器。

在一定压力下，单位重量蒸汽的焓值比同压力同重量的水焓值大，但是水的重度比蒸汽要大得多，所以按单位容积来比较时，饱和水的含热量比蒸汽大10～120倍。因此，蒸汽蓄热器是以高压饱和水的形式来储汽蓄热，而不是以蒸汽形式来储汽蓄热。

给定容积的蒸汽蓄热器所能产生的蒸汽量取决于高低压的压差。理论计算表明，初压力越高，单位容积饱和水降压时产生的蒸汽量越少，因此蒸汽蓄热器适宜在低压范围内使用。

在供热系统中，蒸汽蓄热器起到调节汽源与热用户间供汽与耗汽的平衡。一般可用于下列四种情况：

①应用于用汽负荷波动幅度和频率较大的供热系统；

②应用于瞬时耗汽量极大的供热系统；

③应用于汽源间断供汽或流量波动的供热系统；

④应用于需要蓄存蒸汽并能瞬态供应热用户需要的系统。

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2、蒸汽蓄热器的结构

蒸汽蓄热器主要由蓄热器本体和自动调节装置两部分组成。蓄热器本体包括本体压力容器、进汽装置、排汽装置、排水及补水装置、本体附件(阀门和仪表)和保温结构等。下图所示为卧式蒸汽蓄热器及其与锅炉并联式系统图。

进行蒸汽蓄热器的热力计算前，必须对企业内部的用汽负荷变动曲线作精确的测算，了解最大耗汽量的高峰负荷、最大持续时间以及昼夜的平均耗汽水平。另外，对产汽设备也必须作经济运行的热效率测定，了解锅炉的经济负荷区。根据上述用汽负荷和供汽能力的可靠数据，就可进行蒸汽蓄热器设计的热力计算。

(1)蒸汽蓄热器容积计算

①蒸汽蓄热器的储汽量(产汽量)Go

式中，Go为蓄热器蓄热容量，kg蒸汽；D最大为企业或供热系统最大耗汽量，kg/h;D为锅炉额定蒸发量，kg/h;t为用汽高峰最大持续时间，min。

②蓄热器的工作压力 蒸汽蓄热器在蓄热和放热过程中，工作压力是连续变化的。压力变化的上限称为蓄热压力P₁,是蓄热器终止储汽蓄热时的最高压力；压力变化的下限称为放热压力P₂,是蓄热器排汽放热结束时的最低压力。

③单位容积水的蓄(产)汽量 单位容积水的蓄(产)汽量仅取决于使用的压力范围，计算公式颇为复杂。因为在蓄聚和排放蒸汽期间，压力的变化将影响水的比焓、密度及其冷凝(或蒸发)潜热，并且还会影响蒸汽蓄热器中的水量。蒸汽蓄热器单位容积水的蓄(产)汽量可按下列简化公式计算：

式中，qo为单位容积水的蓄(产)汽量，kg/m³水；ii为蓄热压力P₁时饱和水焓值，kJ/kg;i2为蓄热压力P₂时饱和水焓值，kJ/kg;r为放热压力P₂时饱和水的汽化潜热，kJ/kg;p1为蓄热压力P₁时饱和水的密度，kg/m³。

为进行精确计算，在图上示出了当蒸汽蓄热器压力从给定值升(或降)到另一压力值时单位容积水可冷凝(或产生)的蒸汽量q0。

④蒸汽蓄热器容积V的计算 蒸汽蓄热器容积V按下式计算：

式中，Go为蓄热器蓄热容量，kg蒸汽；q0为单位容积水的蓄(产)汽量，kg/m³水；中为蒸汽蓄热器充水系数，%,一般为80%～90%。

⑤蓄热器总重量 蓄热器总重量可由表下查取。

(2)充蓄速率和排放速率 充蓄速率和排放速率可以按生产实际情况确定。根据确定后的充蓄速率和排放速率，进行蒸汽蓄热器的选择及进出口管道尺寸的计算。为保证选定的充蓄速率，应当设置一定数量的蒸汽喷嘴及汽水循环筒，并使冲入水中的充汽速度不超过规定值，从而使充汽过程不发生噪声和设备的振动，在蒸汽蓄热器内应留出一定的蒸汽空间，以保证在最大的排放速率下蒸汽携带水滴最少。蒸汽空间一般约占蒸汽蓄热器容积的10%～20%。

(3)蒸汽蓄热器的热效率 在频繁进行蓄热和放热的场合及具有良好的保温绝热情况下，蒸汽蓄热器的辐射散热损失很小，可忽略不计。但是，散热损失率将随单位时间蒸汽蓄热器的进汽量减少而增加。当蒸汽蓄热器的蓄热和放热周期较长(如一个周期超过20h),就必须考虑散热损失。辐射散热损失过大，将极大地降低蒸汽蓄热器的经济效果。

某纸厂共有蒸汽锅炉5台，装机容量为16.5t/h。该厂最高用汽量为20.3t/h,而平均用汽量为13.5t/h,低谷用汽负荷约12t/h。由于全厂用汽负荷变化很大，锅炉燃烧工况不稳定，所以锅炉的平均运行热效率在65%以下，产品单位热耗极高。

20世纪80年代初期一台100m³蒸汽蓄热器在该厂供热系统中投入运行。蓄热器在工作压力0.45～1.3MPa范围内的最大蓄汽容量为7.2t蒸汽。蓄热器投运之后，使锅炉燃烧工况不受供汽负荷波动的影响，用汽高峰和低谷均由蒸汽蓄热器承担，锅炉热效率提高到73%～74%,节煤率约10%,每年全厂节煤1000t左右，纸浆产量增加3.7%~11%,成浆率提高0.2%～0.7%。建造蒸汽蓄热器及其管道系统的投资一年内即可从节能、提高产品产量和质量中全部收回。

例某企业主要用汽分为三部分。第一部分用汽是周期性波动负荷，最大用汽量约为2.2t/h,用汽压力为0.6MPa,持续时间约0.5h;第二部分为间断负荷，最大负荷为1.5t/h,用汽压力为0.2～0.3MPa;第三部分为连续负荷，常用汽量为3.5t/h,用汽压力为0.2~0.3MPa。锅炉产汽量实测值5.5~6.0t/h,额定压力为1.3MPa,出口压力P=1.0MPa,生产平均用汽量为5.0～5.5t/h。试计算蓄热器容积V和投资回收期。

解：(1)蓄热量计算

生产最大耗汽量Dmax=2.2+1.5+3.5=7.2(t/h)=7200(kg/h)

锅炉产汽量实测值D=5.5~6.0t/h(大于平均用汽量),本例取D=5800kg/h。高峰负荷出现时，其最大持续时间按t=40min(在0.5h基础上留有余地)计，蓄热量为：

Go=(Dm-D)=(7200-5800)=933((kg蒸汽)

(2)蓄热器容积V和质量的计算

首先计算所需蓄热器容积，锅炉额定压力为1.3MPa,实测出口压力P=1.0MPa,蓄热器出口压力应满足低压用汽设备所要求的压力。本例取出口压力P₃=0.4MPa。由此得：

蓄热器充热压力P₁=P-0.05=0.95(MPa)蓄热器放热压力P₂=P₃+0.05=0.4+0.05=0.45(MPa)根据P₁和P₂查得qo=54(kg蒸汽),充水系数取p=0.85,则得；

v=9G=54×0.85=20.3(m³)

实取蓄热器容积为22m³。

在未进行强度和结构设计之前，为进行工程投资估算，其质量可根据容积和设计压力由表4-17查取。本例容积为22m³,在设计压力为1.4MPa时，蓄热器的质量为7.1t。

(3)工程投资及其回收期估算

按10000元/t计，蓄热器本体造价为10000×7.1=71000(元)

汽车搬运费按200km计为：0.5×200×7.1=710(元);仪表、阀门及管线约20000元；

保温与基础材料费按8%计为：71000×8%=5680(元)不包料安装调试费按10%计为：71000×10%=7100(元)设备设计费，约为：71000×10%=7100(元)合计工程投资为：M=71000+710+20000+5680+7100+7100=111590(元)

蓄热器的投资回收期计算：在投运前，其年净效益难以确定，其燃料节约率、产品产量提高，均应经相当时间运行后才能测算。但单纯的燃料节支费，可先按经验数据选取。据我国经验，一般节煤不低于11%。本例在未设置蓄热器前，实际年耗煤6000余吨，若以节煤10%计，全年可节煤600t,煤价以150元/t计，则年节支燃煤费150×600=90000(元)。仅以此计，回收期为：

N==900590=1.244(年)

实际上，该厂设置蓄热器后。年节约标煤812t,年增产纸124t。若按150元/t利润计，全年增加利润收益为150×124=18600(元),燃煤节支费为150×812=121800(元),此时投资回收期则为：

n==121800598600=0.79(年)

某地毯厂的用汽状况及其蒸汽蓄热器的布置系统见图4-37。该厂锅炉的工作压力为1.3MPa,额定蒸发量为6t/h,除供应用汽负荷比较稳定的干燥机和高压热水采暖系统用汽外，再供应用汽负荷高峰值的染色车间颇感困难。染色车间共有内装30m³染料液体的大染缸数个，每个染缸至少加热沸腾30min。若设置一台容积为70～80m³、工作压力范围在1.2～0.3MPa的蒸汽蓄热器，就能满足染缸工作时需要的大量蒸汽。蓄热器投运后证明，不但能满足目前全厂生产用汽需要，使锅炉在经济负荷下稳定运行，节约大量燃料，而且蒸汽还有较大的富裕量，能额外地再供一台染缸的用汽需要。如果不采用蓄热器，就要另外设置一台锅炉，其投资将远远超过蓄热器的总费用，同时还将增加燃料、电能的消耗以及劳动力。