文章编号: 1005 0329(2009)02 0057 04
周根明，王晓春，马建民
(江苏科技大学，江苏镇江 212003)
摘 要: 基于热质交换原理，设计了一种新型的过热蒸汽饱和器，用于热质交换设备中过热蒸汽的饱和化。详细介绍了其设计技术背景、结构及其工作原理，并对其进行了性能试验，试验结果表明：过热蒸汽饱和器的使用，使蒸汽过热度降为零，机组制冷量提高约50%，大大改善了机组的运行工况，提高了机组的热力系数和带负荷能力，产生了巨大的经济效益和社会效益。 关键词: 工程热物理；过热蒸汽饱和器；热质交换；过热蒸汽；饱和蒸汽；试验研究
中图分类号: TK223.3 文献标识码: A
Desi g n and Experim ental St udy of A N e w Type of Superheated Stea m Sat urator
Z HOU G en m i ng,WANG X iao chun,M A J i an m i n
(Jiangsu U niversit y of Science and T echno l ogy,Zhenji ang212003,Ch i na)
Abstrac t: Based on t he pri nc i p l e of hea t and mass exchange,a ne w type o f s uperheated stea m sa t urator i s desi gned.T he tech n i ca l background of desi gn i ng,struc t ure and pri nc i ples a re descr i bed i n de tai,l and the exper i m enta l study o f superheated steam saturator i s carried out.T he results show tha t superheated stea m saturator can m ake the deg ree of superheat decrease t o zero,and also m ake the refri g era ti ng capac ity i ncrease fifty percen tage.It greatl y i m proves the operati on o f the chilled wa ter un it,enhances the heat e ffi c iency of t he sy stem,and that w ill bri ng tre m endous benefit o f econo m y and soc i e ty.
K ey word s: eng ineer i ng t her m ophysics;superheated stea m sa t urato r;heat and mass ex change;superhea ted steam;saturated steam;exper i m enta l st udy
1 前言
石油、化工、橡胶、纺织等企业生产过程中所使用的蒸汽在许多情况下往往不是饱和蒸汽，而是过热蒸汽。这种过热蒸汽是理想的机械做功(例如蒸汽轮机)的介质，但是对于一些进行热交换的设备却不是理想的介质。因此，许多利用热交换进行工作的热能设备中不希望出现过热蒸汽；否则，则要求热交换器有着较大的冷凝面积。除此以外，过热蒸汽的温度也往往与负载的大小有关。在这种情况下， 过热蒸汽饱和装置以其巨大优势成为热能设备理想、经济高效的热交换装置，具有可调节的、稳定的生产过程加热能力；由于温度分布均匀，因此流程设备生产的产品质量很高；管道材料要求低，可以节省设备材料费用[1]。
目前，市场上的过热蒸汽饱和装置主要有：蒸汽润湿器、带喷嘴的冷却喷水器、雾化蒸汽喷嘴、减温减压器等[2~4]。上述装置中，蒸汽主要是通过添加水来进行冷却的。当在蒸汽中加入水后，水分将会蒸发，并吸收热量，从而使蒸汽的温度降低，通过对温度下降度数的控制，可以生成所需的蒸汽。但现行装置也存在一些缺点：装置中存在喷嘴等零部件，导致工作可靠性降低；工作负荷调节范围狭窄；蒸汽流量受限等。
为了更好地实现过热蒸汽的饱和化，克服现行过热蒸汽饱和装置的不足，本文采用全新的思路，设计了一种新型的过热蒸汽饱和器，并对其进行了性能试验。
收稿日期: 2008 06 27 修稿日期: 2009 01 06
基金项目: 此新型过热蒸汽饱和器已获国家实用新型专利(ZL02287665.0)
2 新型过热蒸汽饱和器的设计
2.1 设计的技术背景
以蒸汽为热源的换热设备，其换热面积一般以饱和蒸汽凝结放热为计算条件，而热电厂所供蒸汽一般为过热蒸汽。过热蒸汽进入换热器必须首先冷却放出显热，变为饱和蒸汽后才能进入冷凝放热过程，但冷却放热过程的换热系数只有冷凝放热的百分之一，这将会损失部分换热面积，使换热设备不能达到额定出率。由传热方程分析可知[5、6]，换热器传热面积的损失系数为:
=k
k+1
(1)其中:
k=q g h b t b
q b h g t g
(2)
实验室制硝酸式中 q g 过热蒸汽显热,kJ/kg
q b 过热蒸汽潜热,kJ/kg
h g 过热蒸汽表面传热系数,W/(m2
!)
h b 饱和蒸汽表面传热系数,W/(m2
!)
t g 过热蒸汽与壁面传热温差,!电压比较器电路
t b 饱和蒸汽与壁面传热温差,!
以绝对压力为0.5M Pa，温度为180!的过热蒸汽与温度为130!的表面换热为例:q g=63kJ/ kg;q b=2109kJ/kg;h g=500W/(m2!);h b= 10000W/(m2!); t g=36!; t b=22!。
即:k=q g h b t b
q b h g t g
=0.3651
因此: =
k
k+1
=0.267
可见，大约损失27%的换热面积，因此有必要将过热蒸汽饱和化。而过热蒸汽饱和器就是实现这一功能的装置，它将过热蒸汽与部分蒸汽凝结水进行热质交换，经过汽水分离后向系统提供干饱和蒸汽，这样既改善了换热器的工作条件，又回收利用了部分蒸汽凝结水的热量。
2.2 装置设计与工作原理
本装置为实用新型专利，专利号:ZL 02287665.0。基本结构如图1所示，其以垂直放置的压力容器为饱和器，其内设有两组金属丝网填料，下面一组填料作为热质交换器，上面一组填料作为汽水分离器；饱和器外安装带信号远传水位计和水位控制器。过热蒸汽饱和化后，可使供汽量提高10%以上，供汽压降降低50%以上，大大改善换热效果，有效地保证用热设备达到额定
负荷。
图1 新型过热蒸汽饱和器结构示意
其工作原理为：过热蒸汽经主汽阀进入饱和器，与泵入的软水首先在底层填料进行热质交换后，进入上层填料进行汽水分离，最终变为饱和蒸汽，进入热能设备。而通过饱和器外安装带信号远传水位计和水位控制器来控制进入饱和器中的软水量，实现过热蒸汽的变负荷调节，最终达到调节蒸汽过热度的目的。
3 试验系统设计与试验方法
3.1 试验系统组成及其原理
为了进一步对过热蒸汽饱和器的性能进行研究，结合镇江纺织集团有限责任公司的一台双良SXZ4 230Z型蒸汽双效溴化锂吸收式冷水机组，按图2搭建了所需的试验系统。
镇江纺织集团的双良SXZ4 230Z型蒸汽双效溴化锂吸收式冷水机组，名义制冷量为200 (104kca l/h，其热力系统原理如图3所示。
在机组的运行过程中实际制冷量远小于设计值，其主要原因是因为采用热电厂所供过热蒸汽作为其加
热热源。按机组使用说明书要求，热源应采用0.4M Pa(表压)左右的饱和蒸汽，但由于纺织集团的汽源来自热电厂，电厂蒸汽总带有一定的过热度，蒸汽过热使高压发生器中平均换热系数下降，放气范围缩小，进而使低压发生器中水蒸汽产量减少；若冷却水和冷冻水的流量、入口温度等参数不变，则冷凝器和吸收器热负荷降低，冷
凝温度、稀溶液出口温度均降低，冷冻水出口温度升高使蒸发压力上升，这些可使放汽范围有所回升，但总的效果是放汽范围缩小，制冷量下降。蒸汽过热度不大时影响尚不明显，若过热度增大到使加热蒸汽出高压发生器时为气液混合状态，就会导致制冷量急剧下降。近几年纺织集团使用蒸汽的过热度为20!上下，随着热网用户增加，蒸汽过热度还会上升,
对制冷机的影响会非常严重。
图2
新型过热蒸汽饱和器试验系统示意
图3 蒸汽双效溴化锂吸收式冷水机组热力系统示意
如图2所示的试验系统中，热交换器(机组)即为蒸汽双效溴化锂吸收式冷水机组。其测试系统原理为：过热蒸汽经主汽阀进入过热蒸汽饱和
器，与泵入的蒸汽凝结水进行热质交换后变为饱和蒸汽，饱和蒸汽进入换热器(机组)换热后变成凝结水，部分凝结水进入凝结水箱，水箱中冷却盘管将凝结水冷却到70!以下，再经加压泵送入饱和器，改变回流阀开度以调节水泵出口压力，从而改变进入饱和器的凝结水量，最终达到调节蒸汽过热度的目的。对于高位换热器(如溴化锂制冷机的发生器)，可直接利用其凝结水静压向饱和
器提供水源，无需外加任何动力，系统中只需热质交换器。
3.2 试验方法
在测试系统启动前应进行以下操作：查看清理过滤器，关闭排污阀；关闭供液阀，打开回流阀，打开冷却水阀，打开凝结水阀；查看冷却水流是否畅通，查看凝结水箱水位及水温，使水位满，水温低于70!；如果已长时间停机，应手动盘旋高压水泵，确信没有明显卡死现象；查看电源电压，其线电压应在360V 以上，并没有明显的三相不平衡现象；查看压力表，其示值应在零位。
上述启动准备完成后，接通电源，水泵立即运转，水泵应无特殊杂音，缓慢关闭回流阀，使泵出口压力略高于蒸汽压力，然后开启供液阀，继续调节回流阀，使蒸汽温度接近饱和温度，并经常查看蒸汽温度、凝结水箱水位水温、水泵压力以及水泵的运行情况。
在试验完成以后，应进行下述操作：切断电源，高压水泵停止运行，同时关闭供液阀；关闭冷却水阀，关闭凝结水阀；若长期关机，应打开排污阀及水泵放水口以放光系统积水，并对系统进行适当维护和保养。4 试验结果及其分析
为了对比新型过热蒸汽饱和装置运行前后对机组制冷量的影响效果，选取前后相邻两年同期几天的运行记录，对其进行了初步整理和计算。机组主要运行参数如表1所示。4.1 技术分析
同期相比，第一年冷水进出口温差平均为4.95!，而第二年冷水进出口温差平均为7.55
!，冷水流量不变，制冷量约提高50%。主要有几方面原因:
(1)第一年工作蒸汽过热度达23!以上，而第二年使用过热蒸汽饱和器后蒸汽过热度降为0!，大大改善发生器换热效果，这是制冷量提高的主要因素;
(2)第一年冷却水进口温度较高，而冷却水进口温度的提高使冷凝压力、吸收器稀溶液出口浓度均升高，放气范围缩小，制冷量下降。(据资料介绍
[7]
，在类似工况下，冷却水进口温度每升高
1!，制冷量约下降5%~7%);
(3)第一年蒸发器结垢现象较严重。在冷水
流量不变情况下, t w/t e反映了蒸发器换热系数的相对大小，表1中数据说明第一年结垢较第二年严重。结垢使换热器中传热温差加大，制取相同温度冷水时蒸发温度降低，吸收能力减弱，吸收终了稀溶液浓度升高，放气范围变小，制冷量下降。
表1 过热蒸汽饱和器运用前后机组运行参数
年份
蒸汽参数(M P a/!)冷却水参数(!)冷水参数(!)蒸发器参数(!)
进口
压力
进口
温度
过热
度
进口
向初
温度
出口
温度
温差
(∀t
c
)
立磨衬板
进口
温度
出口
温度
温差
(∀t
w
)
蒸发
温度
传热温差
高压智能环网柜
(∀t
e
)
(∀t
w
/∀t
e
)
第一年0.491742335.042.67.618.913.85.112.83.61.42 0.471752635.143.07.919.714.94.813.83.61.33
unmsg第二年0.47149034.240.66.420.813.47.412.54.51.64 0.48150033.539.86.320.813.17.711.85.11.51
注：第一年未使用新型过热蒸汽饱和器，第二年使用新型过热蒸汽饱和器。
4.2 经济性分析
(1)过热蒸汽饱和器的使用，显著增加了机组制冷量，使车间温度明显下降，改善了车间环境，保证了高温季节的生产需求，极大地稳定了生产过程和产品质量。由于生产条件得到保障，为企业带来了巨大的经济效益和社会效益;
(2)蒸汽饱和化使发生器传热系数提高，从而提高了制冷机组的热力系数。又由于回收利用了部分冷凝水，使机组能耗进一步降低，据厂方统计测算，平均每天节约5~6吨蒸汽，仅此一项每天就可节约500余元，三个月就可回收全部投资。
(3)饱和蒸汽的使用使发生器杜绝了局部过热现象，有效防止制冷机中缓蚀剂的分解，延长设备使用寿命。
5 结论
(1)对于以蒸汽为热源的溴化锂制冷机组，过热蒸汽的饱和化使制冷量显著增加，不仅可以改善机组的运行工况，提高机组的热力系数和带负荷能力，还可以防止缓蚀剂的分解，延长设备使用寿命。
(2)新型过热蒸汽饱和器可使蒸汽过热度降为零，符合设计要求。蒸汽温度的降低，减少了供热管路的热膨胀量，提高了供热管网的安全性。
(3)对于高位换热器(如溴化锂制冷机的发生器)，可直接利用其凝结水静压向过热蒸汽饱和器提供水源，无需外加任何动力。
参考文献
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[5] 周根明.传热学学习知道及典型习题分析[M].北
京：中国电力出版社,2004.
[6] 沈维道，蒋智敏，童钧耕.工程热力学[M].北京：高
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[7] 胡永明.提高蒸汽型溴化锂吸收式制冷机制冷性能
的管理方法[J].制冷空调与电力机械,2006,(4):
73 77.
作者简介：周根明(1956 )，男，副教授，主要研究方向为能源与人工环境强化传热技术，通讯地址:212003江苏镇江市梦溪路2号江苏科技大学船舶与海洋工程学院。
(上接第72页)
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[8] 王仁宏，朱功勤.有理函数逼近及其应用[M].北
京：科学出版社,2004.
[9] 徐献瑜.Pad 逼近概论[M].上海：上海科学技术
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[10] 叶其孝，沈永欢.实用数学手册[M].北京：科学
出版社,2006.
作者简介：龙琼(1984 )，男，硕士研究生，主要从事制冷剂物性及系统模型仿真的研究，通讯地址:200240上海市东川路800号上海交通大学B0602096班。
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