摘 要：烟叶复烤行业生产过程中主要使用间壁式换热器而非混合式换热器，只需要消耗蒸汽中的热量，而不直接消耗蒸汽质量本身。在投资允许的前提下，应该首选工作压力为2.5 MPa的蒸汽锅炉和换热器，而不应该再选工作压力为1.25 MPa的蒸汽锅炉和换热器。因为定压是2.5 MPa的放热吸热系统的放吸比为定压是1.25 MPa的放热吸热系统的放吸比的1.93倍。节约能源、减少排放、爱护地球、保护环境是我们义不容辞的责任。

关键词：工业锅炉  换热器  压力  热量  节能减排

中图分类号：TK01    文献标识码：A  文章编号：1674-098X（2014）11（b）-0053-03

1 工业锅炉和换热器的类型

1.1 工业锅的类型

工业锅炉的类型、型号很多，有SHL10 -1.25-AⅢ型双锅筒横置式链条炉排蒸汽锅炉、SZL6-1.25-AⅡ双锅筒纵置式链条炉排蒸汽锅炉、SHL10-2.5/400-AⅡ型双锅筒横置式链条炉排蒸汽锅炉等等。

1.2 换热器的类型

换热器是将热流体的热量传给冷流体的设备，按其工作原理可分为间壁式、混合式和回热式三种。间壁式换热器的冷热流体被一金属间壁隔开，热流体的热量通过间壁传给冷流体，例如叶片复烤机的散热器、润叶机的散热器等均属于这一类换热器。由于这类换热器的冷热流体互不掺混，便于流体循环使用，因而得到非常广泛的应用。混合式换热器是冷热流体直接接触和混合而进行换热的，不要换热面，结构简单，例如利用空气来冷却水的喷水池、冷却塔等就属这一类。回热式换热器是使冷热流体交替地与同一换热面接触，从而使换热面交替地从热流体吸热和向冷流体放热而将热流体的热量传给冷流体，这类换热器主要用于利用高温烟气加热空气的场合。

由于间壁式换热器的应用广泛，所以这里只介绍间壁式换热器计算的基本方法。

2 间壁式换热器的结构和计算的基本方法

2.1 间壁式换热器的结构

间壁式换热器的结构可以有多种多样，常用的有列管式（管壳式）、肋片式等。以列管式为例，换热面是由多排列管组成的，一种流体在管内流动，另一种流体在管外流动。根据冷热流体相对流动方向的不同，间壁式换热器又分为顺流式、逆流式、叉流式和混合式几种。顺流式冷热流体是在间壁两侧平行地沿同一方向流动的，逆流式冷热流体是平行而互相向相反方向流动的，叉流式冷热流体流动方向是相互交叉的，混合式则是几种流动方式的组合。

2.2 间壁式换热器计算的基本方法

换热器的基本计算方程式为：

Q=KF△tm [W]              （1）

式中Q为传热量，K为传热过程的单位面积热阻的倒数，F为换热器的换热面积，△tm为对数平均温度差。如果略去换热器的换热损失，则按能量守恒定律有以下关系存在：

Q=G1Cp.1（t1′- t1″）=G2Cp.2（t2′- t2″） [W]                        （2）

式中G（kg/s）和 Cp[J/（kg.K）]分别为流体的质量流量和定压比热，t1′、t1″分别表示热流体的进出口温度，t2′、t2″分别表示冷流体的进出口温度。

下面讨论定压为1.25 MPa和2.5 MPa的蒸汽通过同一换热器所放出的热量的差别及比较。

3 定压为1.25 MPa的蒸汽与2.5 MPa的蒸汽的放热量比较

从SHL10-1.25-AⅢ型双锅筒横置式链条炉排蒸汽锅炉和SHL10-2.5/400-AⅡ型双锅筒横置式链条炉排蒸汽锅炉说明书查得：

定压为1.25 MPa的过热蒸汽温度为194 ℃

定压为2.5 MPa的过热蒸汽温度为400 ℃

从何德广主编的《热工基础及其应用》[1]

181页附表3查得水蒸汽平均定压摩尔比热MCpm有如下数据：

当水蒸气温度为194 ℃时的平均定压摩尔比热MCpm∫0194℃×（1/4186.8）=8.143   [J/kmol.k]

当水蒸气温度为400 ℃时的平均定压摩尔比热MCpm∫0400℃×（1/4186.8）=8.381   [J/kmol.k]

根据何德广主编的《热工基础及其应用》第7页式（1-10）

C=MC/M      [J/（kg.K）]

得1.25MPa的过热蒸汽定压质量比热为：

Cpm∫0194℃=[MCpm∫0194℃]/M=[8.143×4186.8]/18.016=1892.38 [J/（kg.K）]

2.5 MPa的过热蒸汽定压质量比热为

Cpm∫0400℃=[MCpm∫0400℃]/M=[8.381×4186.8]/18.016=1947.69 [J/（kg.K）]

下面就蒸汽压力为1.25 MPa和2.5 MPa通过同一换热器作一比较。

（1）设过热蒸汽定压为1.25 MPa，换热器蒸汽进口温度为t1′=194 ℃，出口温度为t1″=100 ℃，进入换热器的蒸汽流量为G1=1 kg/s，根据式（1-2），得换热器在1秒内的传热量为：

Q1=G1Cp.1（t1′-t1″）=1×1892.38×（194-100）=177883（J）

（2）设过热蒸汽定压为2.5 MPa，换热器蒸汽进口温度为t2′=400 ℃，出口温度为t2″=100 ℃，进入换热器的蒸汽流量为G2=1 kg/s，根据式（1-2），得换热器在1秒内的传热量为：

Q2=G2Cp.2（t2′-t2″）=1×1947.69×（400-100）=584307（J）

η1=（Q2-Q1）/Q1=[584307（J）-177883（J）]/177883（J）=228.48%

i1=Q2/Q1=584307/177883=3.28

从以上传热量计算可以看出，在1秒内1 kg1.25 MPa和1 kg2.5 MPa的蒸汽所放出的热量是不相等的，2.5 MPa的过热蒸汽放出的热量相对于1.25 MPa的过热蒸汽放出的热量多出的百分比为η1=228.48%。

1 kg2.5 MPa的蒸汽放出的热量是1 kg 1.25 MPa的蒸汽放出的热量的倍数为i1=3.28倍。

（3）对同一个换热器，需放出一固定热量Q1=Q2=1000000（J/s）时，定压为1.25 MPa和2.5 MPa的蒸汽流量分别为：

G1=Q1/[ Cpm（t1′-t1″）]=1000000/[1892.38×（194-100）] =5.62 kg/s

G2=Q2/[ Cpm（t2′-t2″）]=1000000/[1947.69×（400-100）]=1.71 kg/s

η2=（G1-G2）/G2=（5.62-1.71）/1.71=228.48%

i2=G1/G2=5.62/1.71=3.28

从以上计算可以看出，i1=i2=3.28，η1=η2=228.48%，即，对同一散热器，多放出热量就相当于多节约蒸汽，节约了蒸汽就相当于节约了煤、电、水，从而达到节能减排的目的。

计算分析到此，我们又提出疑问：尽管2.5 MPa的蒸汽（温度从400 ℃降至100 ℃）放出的热量比1.25 MPa的蒸汽（温度从194 ℃降至100 ℃）放出的热量多228.48%，但是，将1 kg不饱和水从100 ℃加热到400 ℃所吸收的热量比1 kg不饱和水从100 ℃加热到194 ℃所吸收的热量多多少，就是下面要讨论的问题。

4 定压下水蒸气的发生过程

（1）工程技术上用的水蒸气都是定压下在蒸汽锅炉内发生的，所以我们要研究水蒸气的发生过程。

如图1所示，假定在一带有活塞的气缸中装有1 kg水，并在活塞上施加一不变的力F，则此力与活塞的重力将共同对水产生一不变的压力P。在这种情况下，对气缸中的水加热使之汽化的过程为一定压下水蒸气发生过程。

设水的起始状态为A。当从状态A开始对水加热时，水的比容将逐渐略有增大，温度将逐渐上升，熵将逐渐增加。

当加热到状态B时，水即开始汽化为与它温度相同的蒸汽。开始汽化而未汽化的水，即状态为B的水称为“饱和水”，通常以上角标“′”表示饱和水的状态参数。由饱和水汽化而成的蒸汽称为“饱和蒸汽”，汽化时的压力Ps和温度Ts（即饱和水和饱和蒸汽的压力和温度）称为“饱和压力”和“饱和温度”。水被加热至饱和水所需的热量为Ts图上AB曲线下的面积。因为是定压过程，故得此热量为：

q=h′-hA  [J/kg]            （3）

将饱和水继续加热，饱和水即保持温度为饱和温度Ts不变而不断汽化为温度与它相同的饱和蒸汽，直至1kg饱和水完全汽化为饱和蒸汽而达到状态D为止。状态D的饱和蒸汽中不含水分，故称干饱和蒸汽。通常以上角标“″”表示干饱和蒸汽的状态参数。1kg饱和水完全汽化为干饱和蒸汽所需的热量为“汽化热”，它是Ts图上直线BD下的面积。由于是定压过程，也是定温过程，故得此汽化热为：

r=h″-h′       [J/kg]或 r=Ts（S″-S′） [J/kg]              （4）

在汽化过程BD中的任一状态例如状态C为饱和水和干饱和蒸汽的混合物，称为湿饱和蒸汽。在汽化过程中，湿饱和蒸汽中的饱和水和干饱和蒸汽的状态各自保持不变而分别与状态B和状态D相同，仅湿饱和蒸汽中含有的干饱和蒸汽的百分数x由B点为零不断变化到D点为1罢了（x称为湿饱和蒸汽的“干度”）。应当指出，一般所谓的湿饱和蒸汽，是指饱和蒸汽中悬浮有饱和水的蒸汽。

当保持蒸汽压力不变，并且不从此容积中引出或引入蒸汽时，则蒸汽与水将处于“动平衡”状态，即单位时间内由水分子跳出液面而成为蒸汽分子和由蒸汽分子落入液面而成为水分子的数目相等。在一定温度下，饱和蒸汽的密度是不能改变的，因为如果增大其密度，则蒸汽将凝结，如果减小其密度，则水将汽化（在有水存在的条件下），最终仍保持其密度不变。这就是说一定空间只能容纳一定量的蒸汽分子，空间被蒸汽分子所饱和，饱和蒸汽就是由之而得名。

将干饱和蒸汽继续加热，干饱和蒸汽的温度即上升，比热亦加大，而成为“过热蒸汽”。图中D点以后的任一点的蒸汽（例如E点）均为过热蒸汽。过热蒸汽是不饱和的。在一定压力下，过热蒸汽的温度高出汽化时的温度（即饱和温度TS）的度数称为过热蒸汽的“过热度”。使干饱和蒸汽成为过热蒸汽所需的热量为：

q=h-h″ [J/kg]             （5）

在TS图上，它是D点到所指过热状态（例如E点）的曲线下的面积。

将式（3）、式（4）和式（5）相加，即得到将不饱和水加热到过热蒸汽（定压下）所需的总热量为：

Q′=q+r+q=（h′-hA）+（h″-h′）+ （h-h″）=h+hA

即Q′=h+ hA [J/kg]         （6）

（2）在两种压力下，将水加热至194 ℃和400 ℃所吸收的热量比较。

设锅炉给水温度为100 ℃（实际为105 ℃），查何德广主编的《热工基础及其应用》附表6得如下数据：

水在1.25 MPa、100 ℃的条件下焓的数值为：hA1=419.875 kJ/kg，

水在2.5 MPa、100 ℃的条件下焓的数值为：hA2=420.5 kJ/kg，

再查何德广主编的《热工基础及其应用》195页附图3“水蒸气的h-s图”得：水蒸气在1.25 MPa、194 ℃的条件下焓的数值为：h1=2800 kJ/kg，水蒸气在2.5 MPa、400 ℃的条件下焓的数值为：h2=3240 kJ/kg。

①由式（6）可知，定压为1.25 MPa的1公斤水温度由100 ℃加热到194 ℃所吸收的热量为：

Q1′=h1-hA1=2800 kJ/kg -419.875 kJ/kg=2380 kJ/kg

②由式（6）可知，定压为2.5 MPa的1公斤水温度由100 ℃加热到400 ℃所吸收的热量为：

Q2′=h2-hA2=3240 kJ/kg-420.5 kJ/kg=2819.5 kJ/kg

③由以上数据可计算出，定压为2.5 MPa400 ℃的蒸汽相对于定压为1.25 MPa194 ℃的蒸汽需多吸收的热量为η3;定压为2.5 MPa400 ℃的过热蒸汽吸收的热量与定压为1.25 MPa194 ℃的蒸汽吸收的热量之比为i3，即：

η3=（Q2′-Q1′）/Q1′=（2819.5-2380.125） /2380.125 =18.46%

i3= Q2′/ Q1′=[2819.5KJ/kg]/[2380.125 KJ/kg]=1.18

5 放热与吸热之比

从标题4定压下水蒸汽的发生过程中的①和②可知，在1 s内，1 kg定压为1.25 MPa194 ℃和定压为2.5 MPa400 ℃的蒸汽温度降至100 ℃所放出的热量分别为Q1和Q2：

Q1放=177.883 kJ

Q2放=584.307 kJ

又从标题3定压为1.25 MPa的蒸汽的放热量比较中的（1）和（2）可知：1 kg定压为1.25 MPa和2.5 MPa的水温度由100 ℃分别加热到194 ℃和400 ℃所吸收的热量分别为Q1′和Q2′：

Q1吸′=2380.125 kJ

Q2吸′=2819.5 kJ

由以上数据可以计算出，1 kg定压为1.25 MPa和2.5 MPa的过热蒸汽温度分别由194 ℃、400 ℃降至100 ℃时放出的热量与相应加热时吸收的热量之比分别为i1.25和i2.5

i1.25=Q1放/Q1吸′=（177.883kJ）/（2380.125kJ）=7.47%

i2.5=Q2放/Q2吸′=（584.307kJ）/（2819.5kJ）=14.41%

i2.5/i1.25=（14.41%）/（7.47%）=1.93

从以上计算可以看出，定压是2.5 MPa的放热吸热系统的放吸比i2.5=14.41%为定压是1.25 MPa的放热吸热系统的放吸比i1.25=7.74%的1.93倍，即2.5 MPa定压放吸系统大大优于1.25 MPa定压放吸系统，节能减排效果事半功倍。

6 结语

复烤行业生产过程中主要使用间壁式换热器而非混合式，只需要蒸汽中的热量，而不直接消耗蒸汽质量本身。在投资允许的前提下，就应该首选工作压力为2.5 MPa的蒸汽锅炉和换热器，而不应该再选工作压力为1.25 MPa的蒸汽锅炉和换热器。尽管1.25 MPa的锅炉及其系统相对于2.5 MPa的锅炉及其系统投资较小，但是在能源紧缺、环境恶化的现代社会，为了达到节约能源、减少排放的目的，相对增大一次性投资是很有必要的，因为这样选择的结果，将给企业和社会带来更大的经济效益和长远的社会效益。

参考文献

[1] 何德广.热工基础及其应用[M].冶金工业出版社，1983.