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蒸汽

亦称“水蒸气”。 根据压力和温度对各种蒸汽的分类为:饱和蒸汽,过热蒸汽。蒸汽主要用途有加热/加湿;还可以产生动力;作为机器驱动等。

工业革命又称产业革命,是资本主义时期由工场手工业阶段到大机器生产阶段的一个飞跃,它是生产领域里的一场变革又是社会关系方面的一次革命,是资本主义政治经济发展的必然结果。工业革命的完成对资本主义国家,对世界产生了深远的影响。英国是最早进行工业革命的国家,始于18世纪60年代。19世纪初扩展到法国、美国,随后是德国、俄国、日本。而各国工业革命主要是从英国引进机器进行的。英国在工业革命中的特殊地位,使它在一个相当长的时期里成为“世界工厂”。 [1]

根据压力和温度对各种蒸汽的分类为:饱和蒸汽,过热蒸汽。见右图

当液体在有限的密闭空间中蒸发时,液体分子通过液面进入上面空间,成为蒸汽分子。由于蒸汽分子处于紊乱的热运动之中,它们相互碰撞,并和容器壁以及液面发生碰撞,在和液面碰撞时,有的分子则被液体分子所吸引,而重新返回液体中成为液体分子。开始蒸发时,进入空间的分子数目多于返回液体中分子的数目,随着蒸发的继续进行,空间蒸汽分子的密度不断增大,因而返回液体中的分子数目也增多。当单位时间内进入空间的分子数目与返回液体中的分子数目相等时,则蒸发与凝结处于动平衡状态,这时虽然蒸发和凝结仍在进行,但空间中蒸汽分子的密度不再增大,此时的状态称为饱和状态。在饱和状态下的液体称为饱和液体,其蒸汽称为干饱和蒸汽(也称饱和蒸汽)。

饱和蒸汽加热的优缺点

饱和蒸汽具有很多优点,特别是在100℃ (212 )及以上的温度下,这使得它成为了出色的热源,其中的一些优点如下:

特点

优点

利用潜热快速,均匀的加热

提高产品质量和生产效率

控制压力就可以控制温度

可以迅速的确定和控制温度

传热系数高

要求传热面积相对较小,能够有效的减少初期的设备投入。

原料是水

安全清洁且低成本

使用饱和蒸汽加热产品必须牢记以下几点:

1.在加热过程中如果不使用干饱和蒸汽可能会造成产品加热效率降低,和常识相反的是,锅炉所产生的蒸汽往往都不是干蒸汽,而是包含着一些没有完全蒸发的水分子的湿蒸汽。

2.热辐射的热量损失使得一些蒸汽凝结,因此湿蒸汽会更加潮湿,并且形成冷凝水。因此,必须在管道适当的部位安装疏水阀从而将冷凝水排出。

3.重的冷凝水会从蒸汽中落下并且被管道底部的疏水阀排出,但是夹带着小水滴的湿蒸汽还是会降低产品的换热效率。因此,必须在管道的某些部位安装汽水分离器。

4.由于蒸汽在管道中的摩擦等会造成压力的损失,因此也会导致蒸汽温度的相应损失。

如果把饱和蒸汽继续进行加热,其温度将会升高,并超过该压力下的饱和温度。这种超过饱和温度的蒸汽就称为过热蒸汽。过热蒸汽有其本身的应用领域,如用在发电机组的透平,通过喷嘴至电机,推动电机转动。但是过热蒸汽很少用于工业制程的热量传递过程,这是因为过热蒸汽在冷凝释放蒸发焓之前必须先冷却到饱和温度,很显然,与饱和蒸汽的蒸发焓相比,过热蒸汽冷却到饱和温度释放的热量是很小的,从而会降低工艺制程设备的性能。

过热蒸汽加热的优缺点

为了保证驱动设备不会因为冷凝水受损,因此一般使用过热蒸汽。

为了提高热效率和工作能力,例如:在低压蒸汽下的过热度达到极大的比容,甚至真空的情况。

供给和排放时都使用过热蒸汽有个明显的优点就是在蒸汽驱动设备的时候不会产生冷凝水,这样就能有效的避免由于碳酸侵蚀和腐蚀设备的危险。此外,汽轮机的理论热效率是和其出口和入口的焓值相关联的。因此提高了过热蒸汽的压力就等于提高汽轮机入口方向的焓值,从而有效提供了热效率。

利用过热蒸汽加热的缺点:

特点

缺点

传热系数低

生产效率低下

需要较大的传热面积

不能够通过压力的控制来调控蒸汽温度

过热蒸汽要较高的运输速度,不然热量会损失使温度下降

使用显热来传递热能

温度的下降可能对产品造成不利的影响

温度可能非常高

需要建设坚固的设备,因此需要较高的初期投入

由于这些原因,在热交换器中,饱和蒸汽比过热蒸汽更适合作为热源。另外一方面来看,它还具另外一个优势,高温蒸气可以在无氧环境下作为一个直接加热源。过热蒸汽在食品加工行业方面,例如烹煮、烘干等的相关应用研究也在进行中。

蒸汽的主要用途有:加热/加湿;产生动力;作为驱动。

用于加热或加湿的蒸汽

1,正压蒸汽

正压蒸汽指气压在0.1 - 5 MPa,温度在110-250℃的蒸汽。这是蒸汽在工业中最具代表性的一种用途。被广泛用于热交换器和蒸汽箱等设备中用来加热和加湿。

在多数情况下使用的蒸汽是处于饱和状态的,也就是饱和蒸汽。因为压强和温度的对应关系固定不变,可以用蒸汽的潜热迅速加热。在食品加工行业,过热蒸汽有时候用来烹饪和烘干、脱水。过热蒸汽在常压下被加热到200-800℃后非常易于控制,所以被用于当今的家用蒸汽烤箱市场。 [2]

2,负压蒸汽

负压蒸汽指气压小于大气压,温度低于100℃的蒸汽。这种蒸汽的应用得到了迅速的发展。

当负压饱和蒸汽像正压蒸汽那样使用时,可以通过调节气压迅速改变蒸汽的温度,使精确控温成为可能,而热水则做不到这点。然而负压蒸汽设备必须配有真空泵,因为仅仅降低气压是不会使其低于大气压的。

用于动力或驱动的蒸汽

蒸汽还可以用来做功(比如作为动力),用于蒸汽轮机等。一个大多数人都熟悉的例子就是很多年前的蒸汽机车、蒸汽火车 [3] ,把蒸汽作为驱动动力的应用相当少了。然而,把蒸汽用作驱动动力的技术还在继续发展和改进之中。

蒸汽轮机对于火力发电厂来说是不可或缺的设备。为了提高效率,发展了使用高温高压蒸汽的技术。一些火力发电厂在他们的涡轮机中使用25MPa(abs),610℃的超临界压力蒸汽。为了使涡轮设备不受冷凝水的破坏,应避免使用饱和蒸汽,所以大多数情况下使用过热蒸汽。相反,在核电站领域要禁止使用高温蒸汽,因为它可导致涡轮设备的材料出问题,所以常用高压饱和蒸汽。

在蒸汽火车时代.乘客们惊叹于更大和更强大的发动机。随着时代的发展,技术的进步,科学家仍在开发蒸汽发动机,但是现代的蒸汽发动机并不是越大越好,而是越微观越好,德国科学家最近研制了一款微型蒸汽机。经测量,只有1毫米的千分之三。 [4]

用于降温的蒸汽

水蒸汽在气体物质中是热容最大的气相物质。在给高温物体降温中有广泛的用途,如金属材料淬火中速降温,金属材料加工过程中,金属表面和刀具的降温,具有可视、延长刀具寿命、减少氧化、减少化学物质的排放等优点,是金属切削过程中降温的理想材料。

在金属拉伸过程中,还有润滑、减少金属表面氧化,降温快等优点。

用于清洗的蒸汽

水蒸汽由于具有高温、纯净、冲击作用,在蒸汽清洗油污、黏胶等情况下,能更快去污,同时无污染环境的化学物质排放。饱和蒸汽在清洗行业具有很广的用途。

蒸发是在液体是在液体表面上进行的汽化现象,它在任何温度下都能发生,蒸发过程中需要吸热。

液体表面积越大,蒸发越快;液体温度越高,蒸发越快;液体表面附近空气流动越快,蒸发越快;

随着对水的加热,水的温度不断升高。达到某一温度时,水开始沸腾,此后虽然对水加热,但水温不再升高。水沸腾的温度叫做水的沸点。常压下,水的沸点为100℃。

那些蒸汽烤箱和通常的“蒸”都是直接使用蒸汽加热,蒸汽直接和被加热的物品接触。与这些家居用品相似但是尺寸更大,很多工业设备也广泛使用直接蒸汽加热,如消毒柜、蒸馏器以及生产橡胶产品的硫化机等。

但是还有一种方法,在工业上比直接加热的应用还要广泛。 这种方法就是间接加热。

什么是间接加热?

间接加热就是通过一种称为“换热器”的设备进行加热的方法。

蒸汽从换热器壁表面流过,蒸汽的热量就转移到被加热的物质一侧。通过这种方式,蒸汽不会和被加热的物质接触。典型的使用蒸汽加热的换热器如夹套锅、管加热、翅片式换热器(薄板翅片、空气翅片)。

这种使用换热器进行加热的方法不仅限于使用蒸汽作为热煤,其它的热煤还包括热水或热油等。

蒸汽加热的优势

使用蒸汽加热和使用热水或热油加热有何区别?

使用蒸汽加热

供应给换热器的蒸汽处于气态,在其内部变成液态(冷凝水)并离开换热器。

蒸汽通过凝结传递的热量明显比热水或热油通过对流的热量多。它还有以下优势:

如果换热器的换热面积相同….

使用蒸汽可以缩短加热时间

如果工作量相同….

使用蒸汽加热,换热器的换热面积更小

这就是蒸汽的两个重要的特性除此之外蒸汽还有其它优势。因此,蒸汽在工业热源中占有重要地位。

提高蒸汽品质途径有两种:

1.降低炉水的含盐量

(1)提高给水品质。

(2)增加排污量。

(3)分段蒸发。

2.降低饱和蒸汽带水和减少蒸汽中的溶盐。

(1)建立良好的汽水分离条件和采用完善的汽水分离装置。

(2)适当控制炉水碱度和采用蒸汽清洗装置。


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