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蒸汽基础

蒸汽加热机理

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本文将先探讨蒸汽是如何均匀、快速加热的，继而，将讨论通过实验数据得出的热水与蒸汽换热的比较。

蒸汽如何提供稳定、均匀的加热？

不是通过传导换热（如热水），而是冷凝换热（如蒸汽），就不会发生温度变化；当蒸汽在换热器壁上冷凝时，释放潜热，把热量传递给被加热产品，形成的冷凝水仍含有显热，与同压力下的蒸汽温度一致，整个换热面都能均匀加热。

 

If the heat transfer surface (inside the jacket or coil of the equipment) can be maintained at a constant pressure, heating can continue at the same temperature anywhere on the heat transfer surface.

如果设备换热表面（如夹套，壳体或盘管）的压力恒定，则换热表面的每个部分都能得到连续恒温的加热。

另一方面，用热水或油加热，由于显热传递给了产品，换热介质的温度会降低。由于每单位质量介质换热后温度会降低，就会形成明显的温度梯度，这会导致加热不均匀，从而对加热的产品产生不利影响。

If the heat transfer surface (inside the jacket or coil of the equipment) can be maintained at a constant pressure, heating can continue at the same temperature anywhere on the heat transfer surface.

蒸汽如何进行快速的加热？

冷凝换热（蒸汽）

所有的秘密在于通过冷凝的过程进行换热。

蒸汽中的潜热在其冷凝成液态时快速被释放。冷凝后释放的潜热值大约是热水（饱和水）显热值的2~5倍。这种潜热瞬间释放，并通过换热面传递给产品。

If the heat transfer surface (inside the jacket or coil of the equipment) can be maintained at a constant pressure, heating can continue at the same temperature anywhere on the heat transfer surface.

通过冷凝，蒸汽自然流经换热面，这有助于加快换热工艺。

通过对流换热（热水或油）

相反，热水和油通过对流来换热，不会发生相变。如果任其自然对流，换热是极其缓慢的。因此，通常会借用泵来增加流经换热面的流量，以提高换热率，这就是所谓的强制对流加热。

If the heat transfer surface (inside the jacket or coil of the equipment) can be maintained at a constant pressure, heating can continue at the same temperature anywhere on the heat transfer surface.

换热率

流体和固体之间换热率通常不是由对流换热系数直接得出，大致参考值为：

  • 热水的换热系数大约为1000 — 6000 W/(m2°C) [176-1057 Btu/(hr-ft2°F)]
  • 蒸汽的换热系数大约为6000 — 15000 W/(m2°C) [1057 - 2641 Btu/(hr-ft2°F)]

然而，在换热器中，由于换热是通过多种介质进行的，所以换热工艺不能仅仅只考虑对流换热系数。换热通常是以下三种换热机理的结合：

  • 从换热介质换热到换热器的壁面
  • 在换热器中的多层内壁之间的热传递
  • 从换热器的壁面到产品的热传递

因此，换热器总的换热系数（即U值）是三种换热过程的总换热系数的结合，其单位相同，为W/(m2°C)或 Btu/(hr-ft2°F)。

实验数据

不同工况的换热器的U值差异很大，但从实验数据不难看出蒸汽加热的U值一般能达到热水加热的1.7倍左右。以下是A公司将夹套锅的换热介质由热水改为真空蒸汽的例子：

任务: 通过缩短浓缩稀释在化学试剂中的溶剂所需要的时间来提高产量。

分类:精细化工

设备: 玻璃内衬夹套锅 (10m3)

If the heat transfer surface (inside the jacket or coil of the equipment) can be maintained at a constant pressure, heating can continue at the same temperature anywhere on the heat transfer surface.

  对流换热系数 总换热系数 工艺时间
热水 500 W/m2°C 213 W/m2°C 10小时
真空蒸汽 10000 W/m2°C 356 W/m2°C 7小时

如数据所示，U值增加了1.7倍，显著缩短了生产周期。

有关总换热系数的更详细的计算和公式，请查阅本章节的下一篇内容。