李伸光
济南天源换热设备有限公司 山东 济南 250020
摘要：社会的发展，对能源的利用日益增长，因此也对节能技术提出了更高要求。本文着重介绍节能领域的一项新兴技术产品--蒸汽蓄热器。通过借鉴有关的文献以及应用实例，加上作者自己的理解以及研究，形成此文，以求能对蒸汽蓄热器的原理剖析、设备推广、设计及应用有所增益。
关键词：蒸汽蓄热器 原理 设计 应用
众所周知，蒸汽主要用途有加热、加湿、烘干、作为机器驱动力等，在很多行业都有利用。在蒸汽利用的过程中，用汽负荷有波动、各工序用汽时间段不统一、用汽参数不一致等，是常见现象。因此，如何避免因用汽负荷波动导致锅炉燃烧效率降低、用汽单位用汽量和参数不统一导致用汽时有不足时有剩余，就必须考虑增加一蒸汽储存装置，以便更加合理经济的利用锅炉出力。蒸汽蓄热器是一种蒸汽热能的储存容器，具有均衡供汽波动负荷的作用。用于蒸汽负荷波动的供汽系统，可使锅炉燃烧负荷稳定；也可用于余热利用系统，能有效的回收热量。蒸汽蓄热器作为一种新兴的节能设备，国外如德国、日本等发展应用的较早，技术也相对成熟。我国也在积极在推广应用，但限于推广的力度以及供汽用汽单位对它的了解尚有不足，目前应用的不够广泛，也因此该产品有着极大地发展利用空间。
一、蒸汽蓄热器工作原理
蒸汽蓄热器的理论基础就是高压饱和水压力突然降低时会发生“闪蒸”现象，产生大量
低压二次蒸汽，供给下游用汽单位。具体过程就是：在用汽低谷时，多余的高压蒸汽进入蒸汽蓄热器，加热设备内软化水，使之变成高压饱和水，这个过程称为蒸汽蓄热器的充热过程；在用汽高峰时，因系统供汽不足导致系统内压力下降，连接系统与蒸汽蓄热器的止回阀打开，伴随压力突然下降，高压饱和水瞬间变成低压过热水，并立即沸腾，发生闪蒸，同时产生大量低压饱和蒸汽，进入系统，保证生产用汽，这个过程称为蒸汽蓄热器的放热过程。蒸汽蓄热器设置在汽源和用汽单位之间，一般采用与汽源并联方式，室内室外安装均可。
1、与其它蒸汽储存设备的比较
从上述原理可以看出，蒸汽蓄热器的工作过程压力是降低的，因此用汽单位与汽源单位之间有一个压力差值，原则上这个差值越大，蓄热效果越显著，储存一定蒸汽量的蓄热器容积就越小。一般要求，下游用汽单位的用汽压力与汽源压力的差值不小于0.29MPa（3Kg)。这个数值是人为设定的，如果低于这个数值，就会造成蒸汽蓄热器的容积过于庞大，这样用在蓄热器上的投资相比于增加锅炉，就没有多大的优势。也就失去了节能降耗的意义。正因为蒸汽蓄热器的工作过程压力是降低的，同时工作过程又有水的参与，因此我们称这种蓄热器为湿式变压式蒸汽蓄热器。与之相对应，储存蒸汽热能另一种简单的方式就是蒸汽储罐，它储存的是干燥蒸汽，同时又可以保持汽源压力的恒定，因此称之为干式恒压式蒸汽蓄热器。
事实上，在传热、蓄热过程中，水是公认的热能的最佳载体。虽然同饱和压力下蒸汽焓值高于水，但其密度远小于水，因此储存等量的热能，蒸汽储罐需要用大得多的体积。下边用一组数据比较一下（见表一）。
可以看出，储存等量的热能，同样的饱和压力下，蒸汽储罐的容积是蒸汽蓄热器容积的几倍到几十倍。如果继续推算下去，0.2MPa的饱和压力下，储存等量的热能，蒸汽储罐的容积将达到蒸汽蓄热器容积的上千倍，这足以看出蒸汽蓄热器在设备投资以及土地利用方面，相对于蒸汽储罐的巨大优势。
需要说明的是，蒸汽蓄热器因其特定的原理，原则上只能提供饱和蒸汽。现在有些文献中提到，通过增加一些特殊设施，可以提供微过热蒸汽。这项技术有待于继续深入探讨研究，以扩大蒸汽蓄热器的应用范围。
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2、蒸汽蓄热器的使用场合
通过蒸汽蓄热器的原理介绍，可以看出以下几种场合宜使用蒸汽蓄热器，来改善供热条件，提高锅炉效率：
(1)热源间断供热或供热量波动较大的供热系统。在汽源供汽不连续或流量波动大的供热系
统，装用蒸汽蓄热器后可以实现连续供汽。
(2)热负荷波动大而频繁的供热系统。主要目的是稳定供汽锅炉的供汽压力，从而提高供汽品质和锅炉热效率。
(3)瞬时热耗极大的供热系统。对于瞬时耗汽量极大的供热系统，可采用容量小的锅炉配以足够容量的蒸汽蓄热器，就可节省初次投资，保证供汽。
(4)需要储存热能供随时应用的场合。蒸汽蓄热器可以随时把用热低谷时的剩余蒸汽储存起来，当用热高峰或热用户遇到正常供汽中断或不足时，可供紧急用汽。
3、蒸汽蓄热器的装用条件
(1)用汽负荷频繁波动。这种波动具有一定的周期性或呈现最大负荷与最小负荷交替出现的状况。这种波动越频繁，越能体现蒸汽蓄热器稳定锅炉供汽压力、提高锅炉热效率的能力。
(2)汽源压力必须高于部分或全部用汽设备所需的压力。这种压差越大，蓄存一定蒸汽量的蒸汽蓄热器的容积就越小，装用蒸汽蓄热器后，用于设备的投资优势就越明显。
(3)汽源的供汽能力必须略大于一昼夜的平均用汽负荷。目的是避免蓄热器充热不足，影响峰值供汽。
(4)具有装设蒸汽蓄热器的场地。旧有供热系统改造时，往往会遇见场地受限，无处可放置蒸汽蓄热器的情况，此时可考虑采用钢结构架空设置。
二、蒸汽蓄热器的结构设计
1、 蒸汽蓄热器的典型配置
蒸汽蓄热器是一种承压热力设备，其设计要严格遵循GB/T150-2011《压力容器》标准要求，如采用卧式蒸汽蓄热器（因卧式较立式蒸发面积更大故应用较多），还需要遵循NB/T47042-2014《卧式容器》标准要求，同时要接受TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的监督。
按照上述标准规范，及设备本身的功能，蒸汽蓄热器典型配置及附属设备如下：
1）蓄热器前分汽缸：进汽管连接锅炉或其他汽源设备，分汽管一路进入蒸汽蓄热器，其它几路连接用汽单位；
蓄热器后分汽缸：进汽管连接蓄热器，分汽管按需设置几路，分别连接用汽单位；
2）液位控制附件：磁翻板液位计、压差变送器、电接点液位计、平衡容器等液位控制附件，根据用户需求选择配置；
3）压力温度测控元件：压力表、温度计、热电偶等压力温度测控附件，根据用户需求选择配置；
4）安全阀：为确保安全，蓄热器顶部必须设置至少一台安全阀，且其中至少一台开启压力高于工作压力低于设计压力；
5）止回阀与截止阀：蓄热器前分汽缸与蓄热器之间设置一套，止回阀开启方向为进入蓄热器，防止蓄热器内水位过高时水进入蒸汽系统，引起事故；蓄热器后分汽缸与蓄热器之间设置一套，止回阀开启方向为离开蓄热器，防止系统内蒸汽进入蓄热器，导致蓄热器超压；进水口与蓄热器之间设置一套，止回阀开启方向为进入蓄热器，防止蓄热器内蒸汽或高温水倒流入水系统，引起事故；
6）压力调节阀：汽源进入蓄热器的进口和蓄热器供汽的出口均需设置一个，以保持蓄热器工作压力和供汽压力的稳定；
7）电动阀：连接于溢流口，高水位时排水，利用水位控制信号控制溢流阀门启闭；
8）滚动支座底板一套，防止蓄热器壳体因热膨胀而受压变形。
2、蒸汽蓄热器结构
蒸汽蓄热器内部装有蒸汽主管和支管，支管末端装有蒸汽喷头，喷头外围设置水流循环筒，蓄热器壁上有蒸汽入口和出口、进水口，进水口连接进水分配管，设备底部装有排水口，同时根据需求，设置水位、压力、温度测量接口，蓄热器两端封头上设置人孔（如图一）。
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蒸汽蓄热器的内部构造中，有一个关键部件---水流循环筒。蒸汽蓄热器的充热装置是由蒸汽分配管和若干喷嘴组组成，每组喷嘴有一只循环筒和一组喷嘴。充热时蒸汽在喷嘴中将压能转变为动能喷入水中与水混合提高水温。由于循环筒作用，低温热水由循环筒下部进入，被加热的热水从循环筒上流出，如此形成局部循环，罐内贮存水均匀流过各个循环筒内喷嘴而受热，水的循环流动又带动周围水的流动，从而使水均匀升温。循环筒的结构分为上下两部分，上部为直筒，下部为向外端渐扩喇叭口型式。
蒸汽喷嘴作为蒸汽蓄热器的关键部件，其对蒸汽的加速能力决定着蓄热器内水体循环扰动的强弱，从而影响充热时间及充热效率。为获得最高的蒸汽喷射速度，喷嘴的形式一般选用拉法尔型即渐缩渐扩型喷嘴，亦称缩放型喷嘴。这种型式的喷嘴可使蒸汽流速由亚音速提高到音速甚至超音速，使充汽混合过程达到最佳效果。喷嘴在喷头上应斜向上安设，其与竖直方向的夹角称为安装角，研究人员热工测试数据证明，安装角为30度或60度时，可以达到较好的传热效果。
三、蒸汽蓄热器热工计算
蒸汽蓄热器的热工计算是蓄热器设计的第一步。而理论蓄热量的确定是合理计算与设计蓄热器容积的基础。在这里，借鉴有关资料，推荐以下蒸汽蓄热器热工计算方法。
3.1高峰负荷计算法
该法是以用汽设备在高峰负荷最大持续时间内蒸汽用量作为根据，减去锅炉在高峰负荷时最大用汽量，即为蓄热器的计算蓄热量。这种方法常用于存在高峰负荷的用户，如科学实验用汽、锻锤、水压机供汽系统等，具体可按下式计算：
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3.2冲热时间计算法
废汽蓄热器要吸收一定时间内的全部废汽，因此可以采用冲热时间作为指标进行计算。如废汽平均排出量为Di（Kg/h）,冲热时间为t(s),则计算蓄热量Go［Kg(蒸汽)］按下式计算: Go=Di×t/3600
3.3单位水容积蓄热量计算
蒸汽蓄热器水空间单位水容积蓄热量与充热、放热压差成正比，压差大时则蓄热器单位水容积蓄热量相应增大，因此增大充热与放热压差是有利的。但是充热、放热压差受到供热系统的约束，充热压力受到锅炉工作压力的限制，放热压力必须满足用户对供汽压力的要求。
充热压力P1=锅炉工作压力Pg-锅炉至蓄热器喷嘴出口的管系阻力△h1
放热压力P2=用户最低要求压力Pc+蓄热器至用户的管系阻力△h2
蒸汽蓄热器进口及出口压力损失一般取0.05MPa，蒸汽蓄热器单位水容积蓄热量go可由下表查得（或通过曲线图查得）
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四、结束语
本文系统论述了蒸汽蓄热器的工作原理及其结构设计、热工计算方法，对于该节能设备的初期接触者和设计人员，会有较好的入门指导作用。同时，文中引用了很多其他有关文献的数据及论断，在此一并向原作者致谢。
参考文献
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