哈工大 供热工程 课件第五章

第五章室内蒸汽(zhēnɡqì)供热系统5-1蒸汽作为供热系统热媒的特点一、蒸汽供热原理详见下图二、蒸汽的放热与热水放热比较最主要的区别：蒸汽放热时温度可以不变，主要以汽化潜热形式(xíngshì)放热；而热水放热主要是依靠温度降低（温差）放热蒸汽供热的流量G计算G=3.6Q/γ（5-1）式中Q-放(供)热量，W；γ-汽化潜热，Kj/Kg

图5-1蒸汽供热原理图精品资料三、蒸汽作为(zuòwéi)热媒放热的特点1.热负荷相同时G汽<<G水；2.流动过程中，状态变化复杂(fùzá)；①蒸汽在管内流动，等压冷却散热，干饱和汽⇒湿饱和汽⇒凝结水；②湿蒸汽经过较大局部阻力时，绝热节流，湿蒸汽⇒干蒸汽⇒过热蒸汽；③凝结水流动过程中节流，二次汽化。上述变化过程中，主要的变化参数是密度。3.蒸汽在散热设备中平均温度高，设备面积小，但卫生条件差；4.蒸汽比容大，管内流速可以大一些，可以避免传热滞后现象；5.蒸汽的密度小，对高层建筑不存在水静压力的危害问题。精品资料5-2室内(shìnèi)蒸汽供暖系统一、蒸汽(zhēnɡqì)供暖系统分类1.按工作压力分：高压蒸汽(zhēnɡqì)供暖系统P>70KPa低压蒸汽(zhēnɡqì)供暖系统P≤70KPa高压蒸汽(zhēnɡqì)供暖系统P<02.按干管布置分：上供式蒸汽(zhēnɡqì)供暖系统中供式蒸汽(zhēnɡqì)供暖系统下供式蒸汽(zhēnɡqì)供暖系统3.按立管布置分：单管蒸汽(zhēnɡqì)供暖系统双管蒸汽(zhēnɡqì)供暖系统4.按回水动力分：重力回水蒸汽(zhēnɡqì)供暖系统机械回水蒸汽(zhēnɡqì)供暖系统精品资料二、重力回水(huíshuǐ)低压蒸汽供暖系统1.原理图（a）上供(shànggòng)式（b）下供式

图5-2重力回水低压蒸汽供暖系统示意图精品资料干式凝水管：在凝水干管的横断面，上部分应充满空气，下部分充满凝水，凝水靠重力流动。这种非满管流动的凝水管，称为干式凝水管。显然，它必须敷设(fūshè)在Ⅱ一Ⅱ水面以上，再考虑锅炉压力波动，B点处应再高出Ⅱ一Ⅱ水面约200～250mm，湿式凝水管：凝水管全部充满凝水，凝水满管流动，称为湿式凝水管。水面Ⅱ一Ⅱ以下的管道属湿式凝水管。2.干式回水的条件H=Pg×10-4+(0.2~0.25)m3.特点和适用范围重力回水低压蒸汽供暖系统型式简单，无需机械回水系统那样，需要设置凝水箱和凝水泵，运行时不消耗电能。宜用在作用半径较小的系统中采用,一般Pg<20KPa.在供暖系统作用半径较大时，凝水有可能进入散热器。此时应采用机械回水才可以保证运行的可靠。精品资料三、机械回水(huíshuǐ)低压蒸汽供暖系统1.原理图图5-3机械回水低压(dīyā)蒸汽供暖系统示意图1-低压(dīyā)恒温式疏水器；2-凝水箱；3-空气管，4-凝水泵“断开式”系统。蒸汽散热器放热凝水疏水器凝水箱凝水泵返回锅炉，凝水被重新加热。在低压蒸汽供暖系统中，凝水箱布置应低于所有散热器和凝水管。进凝水箱的凝水干管应作顺流向下的坡度使从散热器流出的凝水靠重力自流进入凝水箱。系统的空气可经凝水干管流入凝水箱，再经凝水箱上的空气管排往大气，凝水干管同样应按干式凝水管设计。精品资料2.疏水器的作用(zuòyòng)原理和特点（1）作用阻汽、疏水、排除(páichú)不凝性气体（2）原理参见图5-4凝水流入疏水器后经过一个缩小的孔口排出。此孔的启闭由一个能热胀冷缩的薄金属片波纹管盒操纵。盒中装有少量受热易蒸发的液体(如酒精)。当蒸汽流入疏水器时，小盒被迅速加热，液体蒸发产生压力，使波纹盒伸长，带动盒底的锥形阀，堵住小孔，防止蒸汽逸漏，直到疏水器内蒸汽冷凝成饱和水并稍过冷却后，波纹盒收缩，阀孔打开，排出凝水。当空气或较冷的凝水流入时，阀门一直打开，它们可以顺利排出（3）特点自调性、周期性图5-4恒温式疏水器

精品资料四、低压蒸汽(zhēnɡqì)供暖设计注意事项1.保证散热器工作压力正常正常工作时，散热器内充满蒸汽。进入的蒸汽量恰能被散热器表面冷凝下来，形成一层凝水薄膜，凝水顺利流出，不积留在散热器内，(a)(b)空气排除干净。（如图5-5a）图5-5蒸汽在散热器内凝结示意图当供汽压力降低，空气无法排出进，入散热器中的蒸汽量减少，不能充满整个散热器，散热器中的空气不能排净，凝结水经过下部过冷区时将因蒸汽饱和分压力降低及器壁的散热而发生过冷却(lěngquè)，散热器表面平均温度降低，散热器的散热量减少。（如图5-5b）正常工作时散热器入口予留2000Pa左右。精品资料2.尽量减少水击水平敷设的供汽管路，必须具有足够的坡度，并尽可能保持汽、水同向流动，蒸汽干管汽水同向流动时，坡度宜采用0.003，不得小于0.002。进入散热器支管的坡度i=0.01-0.02。供汽干管向上拐弯处，必须设置疏水装置。通常宜装置耐水击的双金属片型的疏水器，定期排出沿途来的凝水蒸汽干管和立管连接时，应按左图所示，干管在下时参照（a）,干管(a)(b)在上时，参照（b）。3.间歇供暖系统停止供汽时，应打开阀门吸入空气。停止供汽时，原充满在管路和散热器内的蒸汽冷凝成水。散热器和管路内会因此出现一定的真空度。此时，应打开空气管的阀门，使空气通过干凝水干管迅速地进入系统内，以免空气从系统的接缝处渗入，逐渐使接缝处生锈、不严密，造成(zàochénɡ)渗漏。

精品资料5-3室内高压(gāoyā)蒸汽供热系统一、原理(yuánlǐ)及图示

图5-8室内高压蒸汽供暖系统示意图

1-室外蒸汽管；2-室内高压蒸汽供热管；3-室内高压蒸汽供暖管；4-减压装置；5-补偿器；

6-疏水器；7-开式凝水箱；8-空气管；9-凝水泵；lO-固定支点；11-安全阀精品资料二、特点(tèdiǎn)1.为了使蒸汽管道的蒸汽与沿途凝水同向流动，减轻水击现象室内高压蒸汽供暖系统大多采用双管上供下回式布置。2.在高、低压分汽缸之间设置减压装置3.采用集中的疏水器设置在总凝水管道的末端4.每个散热器的供汽支管、凝水支管都应设阀门，供关断用。5.高压蒸汽和凝水温度高，在供汽和凝水干管(ɡànɡuǎn)上，需要设置固定支架10和补偿器5，以补偿管道的热伸长。6.系统空气排除空气沿干式凝水管路流至疏水器，。通过疏水器内的排气阀或空气旁通阀，最后由凝水箱顶的空气管排出系统外。三、凝结水系统▣靠疏水器后的余压输送凝水的方式，通常称为余压回水。▣疏水器后的管道流动状态属两相流(蒸汽与凝水)。精品资料▣为使空气能顺利排除，当干凝水管路(无论低压或高压蒸汽系统)通过过门地沟时，必须设空气绕行管(见图5-9）▣余压回水设备简单，是目前国内应用(yìngyòng)最为普遍的一种凝水回收方式。但不同余压下的汽水两相流合流时会相互干扰，影响低压凝水的排除，严重时甚至能破坏管件及设备。▣为使两股压力不同的凝水顺利合流，可采用将压力高的凝水管做成喷嘴或多孔管等形式，顺流插入压力低的凝水管中(见下图)。(a)(b)L=19mm图5-9干凝水管路过门装置1-D15空气绕行(ràoxínɡ)管；2-凝水管；3-泄水口

图5—10高低压凝水合流的简单措施图(b)中L=6.5n(mm)，n=12.4fn-开孔数；f-高压凝水管截面积(cm2)精品资料5-4疏水器及其它附属(fùshǔ)设备一、疏水器1.作用：自动阻止蒸汽逸漏而且迅速地排出用热设备及管道中的凝水，同时(tóngshí)能排除系统中积留的空气和其它不凝性气体。2.分类：▣机械型利用蒸汽和凝水的密度不同，形成凝水液位，以控制凝水排水孔自动启闭工作的疏水器。主要产品有浮筒式、钟形浮子式、自由浮球式、倒吊筒式▣热动力型利用蒸汽和凝水热动力学(流动)特性的不同来工作的疏水器。主要产品有圆盘式、脉冲式、孔板或迷宫式等。▣热静力型(恒温型)利用蒸汽和凝水的温度不同引起恒温元件膨胀或变形来工作的疏水器。主要产品有波纹管式，双金属片式和温调式器等。精品资料3.几种(jǐzhǒnɡ)疏水器介绍（1）浮筒(fútǒng)式疏水器结构该疏水器属机械型疏水器。其构造如图5-11所示。其动作原理如图5-12

图5-12浮筒(fútǒng)式疏水器工作原理示意图a阻汽状态b疏水状态

图5-11浮筒式疏水器1-浮筒；2-外壳；3-顶针；4-阀孔；5-放气阀；6-可换重块；7-排气孔精品资料原理图5-11是浮筒式疏水器动作原理示意图。图中(a)表示浮筒即将下沉，阀孔尚关闭，凝水装满(90％程度)浮筒的情况(b)表示浮筒即将上浮，阀孔尚开启(kāiqǐ)，余留在浮筒内的一部分凝水起到水封作用，封住了蒸汽逸漏通路的情况。优点该疏水器正常工作时，漏汽量只等于水封套筒上排气孔的漏汽量，数量很小。它能排出具有饱和温度的凝水。疏水器前凝水的表压力P1在500kPa或更小时便能启动疏水。排水孔阻力较小，因而疏水器的背压可较高。缺点体积大，排量小、活动部件多、筒内易沉渣垢、阀孔易磨损、维修量较大。精品资料（2）圆盘式疏水器该疏水器属于热动力型疏水器。原理过冷的凝水流入孔A时。靠圆盘形阀片上下的压差顶开阀片2，水经环形槽B，从向下开的小孔排出。当凝水中蒸汽在阀片下面从A孔经B槽流向出口，在通过阀片和阀座之间的狭窄通图5-13圆盘式疏水器道时，压力下降，蒸汽比容急剧增大环形槽B造成阀片下面的静压下降。同时，部中心孔A分蒸汽在B槽与出口孔处受阻，被迫从阀片和阀盖3之间的缝隙冲入阀片上部的控制室，动压转化为静压，在控制室内(shìnèi)形成比阀片下更高的压力，迅速排水孔将阀片向下关闭而阻汽。由于控制室内(shìnèi)蒸汽凝结，压力下降，阀片瞬时开启，造成周期性漏汽。精品资料优缺点圆盘型疏水器的优点：体积小、重量轻、结构简单、安装维修方便。其缺点是。有周期漏汽现象；在凝水量小或疏水器前后(qiánhòu)压羞过小(P1-P2<O.5P1)时，会发生连续漏汽；当周围环境气温较高，控制室内蒸汽凝结缓慢，阀片不易打开，会使排水量减少。

精品资料（3）温调式(diàoshì)疏水器原理该疏水器属热静力型疏水器。疏水器的动作部件是一个波纹管的温度敏感元件。波纹管内部充以易蒸发的液体。当蒸汽及饱和凝水到来时，由于温度较高，波图5-14温调式疏水器纹管轴向伸长，带动阀芯，关闭凝水通路，防止蒸汽逸漏。当凝水由于向四周散热而温度下降时，液体的饱和压力下降，波纹管收缩，打开阀孔，排放凝水。疏水器尾部带有调节螺钉9，向前调节可减小疏水器的阀孔间隙，从而提高凝水过冷度。此种疏水器的排放凝水温度为60～100℃。为使疏水器前凝水温度降低，疏水器前1～2m管道(guǎndào)不保温。优缺点该疏水器加工工艺要求较高，适用于排除过冷凝水，安装位置不受水平限制，但不宜安装在环境温度高的场合。

精品资料4.疏水器选择(xuǎnzé)计算（1）疏水器排水量计算当过冷的凝水通过疏水器时，其流动相当于不可压缩液体的孔口或管嘴淹没出流的状况。排水量计算公式，仍以水力学的相关理论公式为基础，考虑通过孔口时凝水二次汽化的实际，对排水量G予以修正。G=0.1Apd2△P0.5Kg/h(5-2)式中d-疏水器排水孔直径△P-疏水器前后压差(yāchà)KPaAP-排水系数，通过冷水时AP=32，通过饱和水时查附录5-1，该数据是疏水器背压表压力=0的条件下给定的。在相同排水孔直径情况下，△P越大，AP越小；在同样的△P情况下，当背压增高，排水能力增大。

精品资料（2）疏水器选择(xuǎnzé)倍率选择疏水器阀孔尺寸时，应使疏水器的设计排水能力GS大于用热设备的理论排水量GLGS=KGLKg/h（5-3）式中K-疏水器选择倍率，详见表5-1引入K值是考虑以下因素：(1)安全(ānquán)因素，计算与实际运行情况不一致。如用汽压力下降，背压升高，排水能力下降；提高设备生产率时，凝水量增多。(2)使用情况，设备在低压力、大负荷下起动，或需要迅速加热或间歇运行时，凝水增加。表5-1

系统使用情况选择倍率K供暖Pb≥100kPa/Pb≺100kPa2-3/4热风Pb≥200kPa/Pb≺200kPa2/3淋浴单独换热器/多喷头2/4生产一般换热器/大容量间歇快速加热3/4精品资料（3）疏水器前后压力(yālì)确定原则疏水器前压力P1▣疏水器用于排除蒸汽管路的凝水时，P1=Pb▣疏水器安装在用热设备的出口凝水支管上时，P1=0.95Pb▣疏水器安装在凝水干管(ɡànɡuǎn)末端时，P1=0.7Pb疏水器允许背压P2▣最大允许背压P2≦P1-△Pmin一般情况下，P2=0.5P1；对浮筒式P2=P1-50KPa;干式凝水P2=0精品资料5.疏水器安装(ānzhuāng)

(a)(b)(c)

(d)(e)(f)

图5—15疏水器的安装方式(a)不带旁通管水平安装;(b)带旁通管水平安装;(c)旁通管垂直安装;(d)旁通管垂直安装(上返);(e)不带旁通管并联安装;(f)带旁通管并联安装1-旁通管;2-冲洗(chōngxǐ)管;3-检查管;4-止回阀精品资料二、减压阀1.作用(zuòyòng)减压稳压2.原理图5-16活塞式减压阀工作原理图1-主阀；2-活塞；3-下弹簧(tánhuáng)；4-针阀；5-薄膜片；6-上弹簧(tánhuáng)；7-旋紧螺栓

图5-17波纹管减压阀1-波纹箱；2-调节弹簧；3-调整螺钉；4-阀瓣，5-辅助弹簧；6-阀杆

精品资料3.阀孔面积(miànjī)计算蒸汽流过减压阀阀孔的过程是气体绝热节流过程。通过减压阀孔口的蒸汽量可近似地用气体绝热流动的基本方程式进行计算。（1）减压比β=P2/P1，P2下降到某一值PL时，流量G最大。此时PL值称临界压力，对应(duìyìng)的βL=PL/P1称临界压力比。β>βL时，G随着P2减小而增大。（2）β≤βL时，G达到最大值并保持不变。（3）实际工程中查线算图、并依公式计算G=μｆｑKg/h(5-4)式中ｆ-阀孔面积，cm2ｑ-单位面积的理论流量，Kg/cm2hμ-流量系数，取0.6精品资料例:阀前压力P1=5.4bar，阀后压力P2=3.43bar，蒸汽压力G=2t/h,试求减压阀的孔口直径及其公称直径。解：依P1线弯曲向上至P2线垂直向上的交点，向左引直线(zhíxiàn)与纵坐标相交得q=275Kg/hcm2,则阀孔截面积为：f=G/μq=2000/0.6▪275=12.11cm2查附表5-2选择DN80mm的减压阀。旁通管的作用是为了保证供汽。当减压阀发生故障需要检修时，可关闭减压阀两侧的截止阀，暂时通过旁通管供汽，减压阀两侧应分别装设高压和低压压力表，为防止减压后的压力超过允许的限度，阀后应装安全阀。

精品资料4.减压阀安装(ānzhuāng)图5-18减压阀安装(a)活塞式减压阀旁通管垂直(chuízhí)安装；(b)活塞式减压阀旁通管水平安装；(c)薄膜式或波纹管式减压阀安装精品资料三、二次蒸发(zhēngfā)箱1.作用：分离凝结水中的二次蒸汽，便于凝结水回收，节约能源。2.原理：凝水经进口阀门节流后沿切线方向进入，压力降低。二次蒸汽析出向上，凝水向下，汽水分离。3.容积计算：按每1m3容积每小时分离出2000m3蒸汽来确定。箱中按20％的体积(tǐjī)存水，80％的体积(tǐjī)为蒸汽空间。每小时有Gkg凝水流入二蒸发箱。每lkg凝水的二次汽化率为x，蒸汽比容为u,则二次蒸汽的体积(tǐjī)应为Gxu,二次蒸发箱的容积为V=Gxu/2000=0.005Gxum3(5-5)蒸发箱的截面积按蒸汽流速不大手2.0m/s设计，图5-20二次蒸发箱而水流速应不大干O.25m/s,详见国家标准图集。

精品资料5-5室内低压蒸汽供暖系统管路水力(shuǐlì)计算一、水力计算原则、方法1.蒸汽管路（热源入口-散热器）原则：紊流过渡区、K=0.2mm、忽略密度变化ρ=0.6Kg/m3散热器入口予流2000Pa。方法：主干线①平均比摩阻法RP=（Pg-2000）α/∑L②控制比压降法HP<100Pa/m。按每m管道阻力损失100Pa估算。分支线按压力平衡原则，采用(cǎiyòng)平均比摩阻法计算。注意控制最大允许流速。汽水同向：30m/s；汽水逆向20m/s。凝结水管：查附表5-5。精品资料精品资料二、水力(shuǐlì)计算例题[例5-1]下图为重力回水低压蒸汽供暖系统，每个散热器的热负荷均为4000W。每根立管及每个散热器的蒸汽支管上均装有截止阀。每个散热器凝水支管上装一个恒温式疏水器。总蒸汽立管保温。要求确定各管段的管径及锅炉(guōlú)蒸汽压力。精品资料【解】1.确定锅炉工作压力：从锅炉出口最不利支路的总长度L=80m。控制每米总压力损失100Pa／m，并考虑散热器前所需的蒸汽剩余压力为2000Pa，则锅炉的运行表压力Pb应为：Pb=80×100+2000=10000Pa=10KPa干式回水时，H≥Pb×10-4+0.25=1.25m2.蒸汽管路水力计算（1）主干线（最不利管路）控制每米总压力损失100Pa／m，则主干线平均(píngjūn)比摩阻RP=H×α=100×0.6=60Pa/m依据各管段的热负荷Q和计算比摩阻RP，查附表5-3得出各管段管径。各管段局部阻力系数值仍可以查用表4-2查表仍采用内插法。流速用线性关系插值，比摩阻与流速（或热量）按平方比关系插值。计算结果，主干线总阻力损失5370Pa精品资料（2）分支(fēnzhī)线（其它立管）立管的资用压力应等于从该立管与供汽干管节点起到最远散热器的管路的总压力损失值。根据该立管的资用压力，可以选择该立管与支管的管径。计算结果详见水力计算表。通过水力计算可见，低压蒸汽供暖系统并联环路节点压力不平衡率是较大的，特别是近处的立管，即使选用了较小