不同工況下蒸汽疏水器排水量計(jì)算與選型

摘 要

摘要：介紹了蒸汽疏水器的分類和比較，總結(jié)了選型原則。分析計(jì)算了不同工況下蒸汽疏水器的理論排水量，考慮選擇倍率和背壓率，計(jì)算得到實(shí)際排水量，以此進(jìn)行疏水器的初選。對(duì)初選疏水
摘要：介紹了蒸汽疏水器的分類和比較，總結(jié)了選型原則。分析計(jì)算了不同工況下蒸汽疏水器的理論排水量，考慮選擇倍率和背壓率，計(jì)算得到實(shí)際排水量，以此進(jìn)行疏水器的初選。對(duì)初選疏水器的疏水能力進(jìn)行校核，確定疏水器型號(hào)。
關(guān)鍵詞：蒸汽疏水器；選擇倍率；背壓率；排水量；選型
Calculation and Type Selection of Water Displacement of Steam Trap under Different Conditions
AN Qiang
Abstract：The classification and comparison of steam traps are introduced，and the principles of type selection are summarized.The theoretical water displacement of steam traps under different conditions are analyzed and calculated.Taking account of the selected magnification and back pressure rate，the actual water displacement is calculated to make initial selection of steam trap.The capacity of selected steam trap is checked，and the trap type is determined.
Key words：steam trap；selected magnification；back pressure rate；water displacement；type selection
1 概述
   疏水器按工作原理一般可分為3種類型：機(jī)械型、熱靜力型、熱動(dòng)力型[1～2]。3種類型疏水器的比較見(jiàn)表1[3]，設(shè)疏水器前的壓力為p1。
表1 3種類型疏水器的比較
項(xiàng)目
機(jī)械型
熱靜力型
熱動(dòng)力型
排水
飽和水
過(guò)冷水
過(guò)冷水
過(guò)冷度/℃
0
10～30
6～8
漏汽率/%
2～3
1
2～3
允許背壓
0.8p1
0.5p1
0,25p1～0.50p1
結(jié)構(gòu)大小
大
較小
較小
安裝方向
水平
水平、豎直
水平、豎直
動(dòng)作性能
可靠，動(dòng)作間隔時(shí)間短
較可靠，動(dòng)作間隔時(shí)間長(zhǎng)
較可靠，動(dòng)作間隔時(shí)間長(zhǎng)
使用壽命
長(zhǎng)
較短
較短
    選擇疏水器時(shí)，不能單純根據(jù)最大排水量進(jìn)行選擇，也絕不允許只根據(jù)管徑來(lái)套用疏水器。必須根據(jù)疏水器的選擇原則并結(jié)合疏水器的設(shè)置位置來(lái)選用[3]。
    對(duì)于中低壓蒸汽輸送管道，管道中途、末端和最低點(diǎn)處產(chǎn)生的凝結(jié)水必須迅速并完全排除，否則易造成水擊。蒸汽含水率提高，將使蒸汽溫度降低，滿足不了用汽設(shè)備的工藝要求。因此，中低壓蒸汽輸送管道宜選用機(jī)械型疏水器(自由浮球式、倒吊桶式)。
    對(duì)于要求加熱速度快、加熱溫度控制嚴(yán)格的加熱設(shè)備，不能積存凝結(jié)水，只要有凝結(jié)水就需立即排出，故宜選擇能排出飽和水的機(jī)械型疏水器。
    對(duì)于有較大的受熱面，對(duì)加熱速度、加熱溫度控制要求不嚴(yán)格的加熱設(shè)備(如蒸汽采暖管道和蒸汽伴熱管道)允許積水，故宜選用熱靜力型疏水器。
    對(duì)于間歇工作的室內(nèi)蒸汽加熱設(shè)備和管道，宜選用倒吊桶式疏水器。
2 不同工況下排水量的計(jì)算
    疏水器在各種壓差下的排水量，是選擇疏水器的一個(gè)重要因素。如果選用的疏水器排水量太小，則不能及時(shí)排出疏水器中的全部凝結(jié)水，凝結(jié)水受阻倒流，最終造成堵塞，使設(shè)備加熱效率顯著降低，并產(chǎn)生嚴(yán)重的水擊或水錘現(xiàn)象。反之，選用排水量太大的疏水器，將導(dǎo)致閥門關(guān)閉件過(guò)早磨損和失效，且隨著閥體的增大，制造成本也將增加。因此，對(duì)設(shè)備或管道內(nèi)產(chǎn)生的凝結(jié)水量，必須準(zhǔn)確地測(cè)定或計(jì)算，為正確選用疏水器提供條件。
2.1 不同工況下疏水器理論排水量的計(jì)算
2.1.1蒸汽輸送管道中疏水器理論排水量的計(jì)算
    蒸汽輸送過(guò)程中會(huì)有部分蒸汽由于散熱而凝結(jié)成水，如果凝結(jié)水不能正常排出，就會(huì)沖擊沿線的閥門、儀表、彎頭，造成水擊。而且過(guò)高的含水率使蒸汽溫度降低，影響換熱器的換熱效果。因此，在蒸汽輸送管道的中途、末端、最低點(diǎn)以及管道抬高的位置必須設(shè)置疏水器?？紤]啟動(dòng)和正常運(yùn)行時(shí)的排水量不同，應(yīng)設(shè)置啟動(dòng)疏水器和經(jīng)常疏水器。
   ① 啟動(dòng)疏水器
在預(yù)熱階段，冷凝率最高，冷凝率將決定管道上啟動(dòng)疏水器的大小。啟動(dòng)疏水器理論排水量的計(jì)算公式為：
 
式中q1——啟動(dòng)疏水器的理論排水量，kg/s
    m1——每個(gè)啟動(dòng)疏水器作用范圍內(nèi)的管道質(zhì)量，kg
    c1——管道的比熱容，J/(kg·K)
    △t1——管道的升溫速度，℃/s
    m2——每個(gè)啟動(dòng)疏水器作用范圍內(nèi)管道保溫材料的質(zhì)量，kg
    c2——保溫材料的比熱容，J/(kg·K)
    △t2——保溫材料的升溫速度，℃/s
    h1——工作條件下過(guò)熱蒸汽或飽和蒸汽的比焓，J/kg
    h2——工作條件下飽和水的比焓，J/kg
   ② 經(jīng)常疏水器
蒸汽輸送過(guò)程中，單位長(zhǎng)度管道的熱損失可根據(jù)圓筒體的導(dǎo)熱微分方程[4]計(jì)算得到。忽略蒸汽和管壁的熱阻，可得下式：
 
式中Φ——單位長(zhǎng)度管道的熱損失，W/m
    t1——飽和蒸汽溫度，℃
    t2——保溫層外側(cè)溫度，℃
    λ——保溫材料的熱導(dǎo)率，W/(m·K)
    d2——管道保溫層的外直徑，mm
d1——管道外直徑，mm
 
式中q2——經(jīng)常疏水器的理論排水量，kg/s
    l——每個(gè)經(jīng)常疏水器作用范圍內(nèi)管道的長(zhǎng)度，m
2.1.2蒸汽伴熱管道中疏水器理論排水量的計(jì)算
    輸送粘性液體等介質(zhì)的管道，常常利用蒸汽伴熱管道使其維持較高溫度。蒸汽伴熱管道通常由一根或多根安裝在介質(zhì)管道周圍的小直徑蒸汽管道組成。
    伴熱蒸汽消耗量的計(jì)算很復(fù)雜，因?yàn)樗Q于兩種管道的接觸情況、導(dǎo)熱膠的使用情況、輸送介質(zhì)的溫度以及蒸汽伴熱管道沿線的溫度和壓力等因素。一般認(rèn)為疏水器的排水量等于伴熱蒸汽管道的蒸汽消耗量。環(huán)境溫度大于-20℃時(shí)伴熱蒸汽管道的最大蒸汽消耗量見(jiàn)表2。
表2 伴熱蒸汽管道的最大蒸汽消耗量
介質(zhì)需保持的溫度/℃
項(xiàng)目
介質(zhì)管道的公稱直徑/mm
40～50
80～100
150～200
250～350
450～500
＜60
蒸汽伴熱管道數(shù)量/根
1
1
1
1
2
蒸汽伴熱管道的公稱直徑/mm
15
15
20
25
20
疏水器的最大間距/m
100
100
120
150
120
單位長(zhǎng)度蒸汽伴熱管道的蒸汽小時(shí)消耗量/(kg·m-1·h-1)
0.20
0.20
0.25
0.35
0.50
61～100
蒸汽伴熱管道數(shù)量/根
1
1
2
2
2
蒸汽伴熱管道的公稱直徑/mm
20
25
20
20
25
疏水器的最大間距/m
120
150
120
120
150
單位長(zhǎng)度蒸汽伴熱管道的蒸汽小時(shí)消耗量/(kg·m-1·h-1)
0.25
0.35
0.50
0.50
0.70
2.1.3蒸汽加熱設(shè)備中疏水器理論排水量的計(jì)算
   對(duì)于蒸汽加熱設(shè)備，在滿足工藝要求的條件下，凡凝結(jié)水有可能被回收的，應(yīng)盡量采用蒸汽間接加熱方式，以提高凝結(jié)水的回收質(zhì)量，回收率一般不得小于60%。
蒸汽凝結(jié)水量等于設(shè)備的蒸汽消耗量。蒸汽加熱設(shè)備運(yùn)行時(shí)的排水量計(jì)算公式[5]為：
 
式中q3——疏水器的理論排水量，kg/h
    cp——被加熱介質(zhì)的比定壓熱容，J/(kg·K)
    ρ——被加熱介質(zhì)的密度，kg/m3
    qv——被加熱介質(zhì)的體積流量，m3/h
    △t3——被加熱介質(zhì)的溫升，℃
2.2 蒸汽疏水器設(shè)計(jì)排水量的計(jì)算
   設(shè)計(jì)排水量需要在理論排水量基礎(chǔ)上考慮選擇倍率，設(shè)計(jì)排水量的計(jì)算公式為：
    qd=Kq    (5)
式中qd——疏水器的設(shè)計(jì)排水量，kg/h
    K一疏水器的選擇倍率
    q——疏水器的理論排水量，kg/h
   確定選擇倍率時(shí)應(yīng)考慮以下因素：
   ① 安全因素，即要考慮換熱系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性。系統(tǒng)的理論計(jì)算與實(shí)際運(yùn)行工況總會(huì)存在差異，且運(yùn)行工況也不可能一成不變。如果提高換熱設(shè)備的出力，則凝結(jié)水量會(huì)相應(yīng)增加，因此疏水器的設(shè)計(jì)排水能力也要相應(yīng)提高。
   ② 使用因素。換熱設(shè)備在低壓力、大荷載情況下啟動(dòng)，或需要迅速加熱用汽設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)的凝結(jié)水量將遠(yuǎn)大于設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的凝結(jié)水量，因此要求疏水器的設(shè)計(jì)排水能力相應(yīng)提高。
   不同使用要求下蒸汽疏水器的選擇倍率見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。
2.3 蒸汽疏水器實(shí)際排水量的計(jì)算
    背壓率是指疏水器在工作壓力下能正常工作，連續(xù)排出凝結(jié)水時(shí)，疏水器閥后壓力與閥前壓力的比值。
    凝結(jié)水經(jīng)過(guò)疏水器時(shí)被絕熱節(jié)流，產(chǎn)生二次蒸汽，二次蒸汽通過(guò)閥孔時(shí)要占據(jù)很大一部分閥孔面積，因此排水量比排出過(guò)冷凝結(jié)水時(shí)減少很多，故需要考慮背壓導(dǎo)致疏水器排水量的下降率，則實(shí)際排水量的計(jì)算公式為：
    qf=qd/(1-η)    (6)
式中qf——疏水器的實(shí)際排水量，kg/h
    η——背壓導(dǎo)致疏水器排水量的下降率，需根據(jù)疏水器的進(jìn)口壓力和背壓率確定
2.4 蒸汽疏水器排水量的校核計(jì)算
根據(jù)實(shí)際排水量對(duì)疏水器進(jìn)行初選。疏水器樣本給出的排水量等性能參數(shù)，多數(shù)是以過(guò)冷凝結(jié)水為流動(dòng)介質(zhì)得到的，當(dāng)產(chǎn)生二次蒸汽時(shí)，必須對(duì)疏水器的排水能力進(jìn)行校核。疏水器排水能力的校核按下式[6]進(jìn)行：
 
式中qc——疏水器的校核排水量，kg/h
   Ap——疏水器的排水系數(shù)
    d——疏水器的排水閥孔直徑，mm
    △p——疏水器前后的壓差，kPa
    若qc比qf稍大或近似相等，則疏水器選型合理；若兩者相差較大，則需重新選擇疏水器，并重新進(jìn)行校核，直至qc比qf稍大或近似相等為止。
3 應(yīng)用實(shí)例
    一臺(tái)汽水換熱器機(jī)組，凝結(jié)水出口管徑為DN 25mm，將4.05m3/h的水從10℃加熱至90℃。加熱器的蒸汽壓力為0.6MPa，此壓力下蒸汽的汽化潛熱為2085kJ/kg，疏水器的背壓為0.15MPa。需要對(duì)疏水器進(jìn)行選型。
    按照習(xí)慣的選型方法，將不經(jīng)過(guò)計(jì)算，只按照加熱器的出口管徑選擇DN 25mm的疏水器，進(jìn)而選擇DN 25mm的凝結(jié)水管。這種選型是錯(cuò)誤的，忽略了壓差等因素的影響。
    已知選擇倍率K=2，背壓導(dǎo)致疏水器排水量的下降率η=3%。根據(jù)式(4)～(6)可得疏水器的實(shí)際排水量qf=1340kg/h。根據(jù)樣本選擇CSa41H-16C-D型DN 40mm疏水器，其排水閥孔直徑d=7mm。
查得Ap=15，根據(jù)式(7)計(jì)算得qc=1560kg/h，qc大于qf，說(shuō)明所選擇的疏水器合理。
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(本文作者：安強(qiáng) 中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司 河北石家莊 050021)