换热器和失流
前言
本章将讨论装备有以下设备并使用饱和蒸汽作为加热介质的换热器中冷凝水的排除问题
换热器蒸汽供给管线上安装控制阀用于控制温度。
换热器使用疏水阀排除冷凝水
换热器一次侧称为“蒸汽空间”，蒸汽中冷凝水排除装置称为“疏水装置”。该“疏水装置”可以是“蒸汽疏水阀”、“疏水阀泵”或“机械泵和疏水阀组合”。
换热器二次侧被加热流体的出口安装有温度感应器，不论负荷如何变化，控制阀通过开度的变化来调节蒸汽流量，即调节蒸汽空间的压力，努力将被加热流体的出口温度控制在设定值。
蒸汽疏水阀后的冷凝水管道可能会有一定的提升，或冷凝水管道内有一定的压力，或者冷凝水直接排向大气环境。本章将冷凝水管道内的压力称为“背压”。
大部分的换热器都是采用以上的控制方式，例如
管壳式换热器。
板式换热器。
风道中蒸汽加热盘管或盘管组。
制程设备、槽、缸等设备的加热管道或盘管。
简单起见，本章将以上装置统称为“热交换器”或“加热器”，将被加热流体所流通的通道称为换热器的“二次侧”。
通常换热器的蒸汽空间内积水或者被冷凝水占据会导致换热器的换热性能下降。导致换热器内积水的原因主要有以下两种
使用了错误类型的疏水阀。
失流。
重要提示
有些温度控制系统允许换热器的蒸汽空间内有部分积水，在这些系统中，控制安装于冷凝水的出口端，通过控制阀的阀位的变化来改变换热器内冷凝水水位。水位的变化使蒸汽与换热器壁面的接触面积发生变化，从而改变换热器负荷，控制二次侧流体的出口温度。
对于这种系统，一定要注意换热器需要特别设计和制造，必须能够承受一定的积水。如果不是这样，换热器内的积水会导致换热器效果下降并降低换热器的使用寿命。
如果系统设计正确，这种控制方法的确具有一定的优点。换热器内的冷凝水在排放前会进一步地冷却，这显著的降低了冷凝水管道内的二次蒸汽量，节能的同时提高冷凝水的回收效果。
这种控制方式的主要缺点是当负荷变化时，系统反应滞后，跟不上负荷的变化。
什么是失流？
失流是指换热器内蒸汽空间的压力等于或小于疏水阀后的总背压从而导致冷凝水无法从换热器内排除的现象。
主要有以下三种情况会导致换热器内的压力低于疏水阀后背压： 由于二次侧流体入口温度升高导致负荷的降低。
由于二次侧流体的流量降低导致负荷的降低。
由于设定温度的降低导致二次侧流体出口温度降低。
在进行疏水阀选型之前，首先必须评估换热器是否会有失流发生，如果有失流，到何种程度。如果没有进行评估，换热器有可能会在部分工作时段甚至整个工作过程中都发生积水现象。当积水发生时，可能操作人员或监察人员并不会立即发现，因为对于这个选型过大的换热器，其换热效果可能并没有什么降低。但是对于换热器而言，除非设计用于积水状态，否则积水会导致短期和长期的危害。
短期问题
如图13.1.1所示，选型过大的空气预热盘管安装了一个错误型式（或口径）的疏水阀。
在此例中，该盘管用于预热通过主蒸汽盘管的冷空气。尽管该预热盘管到达了其期望的热负荷，但由于其选型偏大，盘管的下半部分会积满水。通过盘管的冷空气接近0℃，（流速通常为3m/s）流过预热盘管时很容易导致盘管内的积水结冰。这就需要维修或更换预热盘管，不仅麻烦而且造成额外的费用支出。
当选型正确时是不会发生积水和结冰现象的。
长期问题
如果疏水阀选型过小，但换热器选型偏大，通常选型过小的疏水阀不会立刻影响换热器的加热效果。
相反，表面上这个选型错误的疏水阀反而会提高冷凝水系统的性能。例如，安装于换热器后的热静力式或固定排放孔式疏水阀会阻止冷凝水的排放，因此冷凝水的温度会降低。这会降低冷凝水管道内或集水箱排放口处的二次蒸汽量。部分监察人员会认为这样很节能，并试图推广这种使用方式。不幸的是，情况并不如它所表现的那样。事实上，让冷凝水过冷之后再进行排放意味着换热器具有一定的积水。冷凝水不断的淹没蒸汽空间会造成换热器腐蚀。整个换热器的使用寿命降低整个使用期内使用成本升高。
换热器积水所造成的影响通常和一些特定的使用环境有关。
本章详细列出了换热器失流的征兆和影响。
为何会发生失流？
在了解失流之前，首先必须了解蒸汽是可以冷凝的介质，在冷凝时会放出大量的热量。在蒸汽冷凝的过程中，其温度和压力都维持不便。
例如，大气压力下饱和蒸汽的温度为100℃，冷凝成水后仍旧是100℃，表压1 bar时，蒸汽的饱和温度为120℃，冷凝成水后水温仍为120℃。在换热器内，蒸汽的压力有可能低于大气压力，例如，低于大气压力0.5 bar的蒸汽，其饱和温度为82℃，同样，其冷凝后水温仍旧是82℃。饱和蒸汽压力和温度之间的关系是确定的，并可以从蒸汽性质表中查得。基本的换热理论告诉我们，蒸汽的温度比二次侧流体的温度越高，则加热效率越高。可以通过改变一次侧蒸汽的温度（即改变蒸汽压力）来改变换热器的加热量。
例如，如果换热器满负荷时使用的蒸汽温度为160℃，当负荷降低50%后，需要的蒸汽温度也同时降低。为了达到这样的效果，蒸汽的压力必须降低，大部分情况下会出现蒸汽空间的压力降到比疏水阀的背压还低的情况。
例如:
换热器满负荷时使用1 bar g（120℃）的饱和蒸汽加热冷水，使其从40℃加热60℃。满负荷时二次侧的温升为20℃，二次侧水的平均温度为：
大气压力下饱和蒸汽的温度为100℃，此时换热器内的压力为大气压力。结果导致换热器内没有足够的压力推动冷凝水从疏水阀中排出。即使疏水阀直接排向大气，冷凝水也不能从换热器中排出。除非采取一系列防范措施，否则冷凝水会聚集在换热管中并使换热器积水。
当冷凝水聚集到换热器中时，会占据蒸汽和换热器的热交换面积，换热量会减少，被加热水的出口温度随之降低。温度感应器感应到温度的降低将信号传递到控制器，控制器会发出指令让控制阀的开度增加。随着阀门开度增加，更多的蒸汽进入换热器，在此例中蒸汽空间的压力会逐渐升高到大气压力以上，足以推动冷凝水通过疏水阀排出。冷凝水排出之后，其空间被蒸汽占据。对于仅仅需要将水加热到60℃这样热量需求而言，蒸汽空间的压力又过高了，水温又会大幅攀升。感应器感应到温度的上升，控制器又会使阀门关小，蒸汽空间内的压力又会下降，积水会再次产生。
结果导致水温不断的在60℃上下波动。在很多情况下，二次侧的介质可能是其它产品，这就会影响产品的质量。
什么是失流的征兆，失流会造成什么影响？
简要的说，失流发生时，可能会出现以下一种或多种现象：
1.疏水阀温度很低甚至冰凉。
2.控制阀不断振荡。
3.产品出口温度波动。
4.加热器温度出现分层现象。
5.水锤现象。
6.热量输出降低。
7.产品质量下降。
8.换热器容易腐蚀。
9.换热器容易泄漏。
10.换热器失效。
具体表现为： 疏水阀温度很低，或者明显的比换热器的蒸汽入口管道低。
控制阀会不断振荡，例如：出现控制阀不断地开关现象。
换热器二次侧流体出口温度通常比设定值低。
换热器出口二次侧温度出现分层现象，在空气加热器组或加热单元上这一现象尤为明显。
例如，在图13.1.1所示的空气加热器组上，这种现象几乎必然发生。加热器通常通过风道侧面的检修门安装在风道内。当失流发生时，由于加热器的顶部靠近蒸汽入口，因此温度很高，越往下，温度越来越低，到疏水阀时会变的很冷甚至冰凉。通过加热器顶部的空气出口温度明显会比通过底部的空气温度高许多。
换热器会连续的或间歇的发出振动、敲击或撞击的噪声。有时还会伴随着水锤现象，造成换热器或其连接设备损坏。蒸汽在积聚的冷凝水中冷凝造成水锤现象并产生噪声，特别是当负荷变化造成冷凝水位变化时，这种现象更加严重。
在制程应用中，以上一系列现象会危害产品质量，造成质量不稳定。
增加腐蚀的可能性
积聚的冷凝水的温度会比蒸汽温度低得多。二氧化碳和氧气更容易溶解在冷水中。由于不当的锅炉水处理，锅炉在产生蒸汽时，二氧化碳也会不断产生，二氧化碳通常会由蒸汽携带至换热器处。二氧化碳溶解到水中时形成碳酸，造成腐蚀。原水中存在的氧气，如果不能通过水处理工艺完全去除掉，同样也会被蒸汽携带。溶解在水中，同样也具有很强的腐蚀性。
当以上两种气体都存在时，腐蚀性会更强。
腐蚀的程度取决于换热器的材料，铜、碳钢或不锈钢等受影响程度各不相同。
机械应力换热器顶部蒸汽空间的高温会使换热器产生膨胀现象，而其底部由于浸泡在低温的冷凝水中其作用恰恰相反，会使换热器发生收缩现象。不均匀的膨胀和收缩在使换热器的材料形成机械应力，特别是对一些焊接，钎焊或胀接的板式、管壳式换热器和空气加热器组。常见的结果是蒸汽会向外泄漏或进入到二次侧空气流中。当积聚的冷凝水水位连续变化，特别是快速变化时，机械应力会更加严重。负荷变化时，冷凝水的水位会不断变化，控制阀和疏水阀会努力使控制更加稳定。
正确设计的采用垫片密封的板式换热器能够克服应力，更加适合于蒸汽应用。
失流最终会导致维护量的增加，降低换热器及其附属设备的使用寿命，从而增加整体的运行费用。
是不是所有的换热器都存在失流现象？
不！当换热器内始终具有足够的压力使冷凝水都能通过疏水阀及时排放，就不会产生失流现象。
一般来说，当二次侧被加热流体温度高于100℃甚至更高，换热器负荷越稳定，特别是一直处于满负荷或接近满负荷运行时，越不容易发生失流现象。但是，每个应用都是不一样的，需要单独考虑是否会出现失流现象。确定换热设备动态特性的唯一方法就是在图表上绘制应用温度曲线或进行计算。在13.2节如何从换热器中排除冷凝水中，将会解释如何确定换热器的工作状态。
在一些应用中，换热器会允许出现部分积水现象，水锤现象造成的影响也很小。对于这种应用，要求负荷必须非常稳定，或负荷变化很小而且很慢，或者换热器结构必须更加坚固。
一种以上应用的例子是加热水箱内的大口径抗腐蚀盘管，盘管与疏水阀点有明显的落差。
即使是上述能够承受积水的应用，如果设备的设计正确并能有效地消除水锤现象，事实上还是能够提高运行效率，提高可靠性，降低使用成本的。
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