_15.2 基本的减温器类型

减温器

没有保温的光管是最简单的减温器，热量通过辐射传递给环境，蒸汽减温。很显然，这种减温器除了热表面光管可能对人体造成伤害以外，还存在昂贵的能量浪费，同时也无法对环境条件的变化、蒸汽温度或流量的变化进行有效的调节补偿。

图15.2.1典型的多喷嘴喷射型减温器

有多种不同形式的减温器可供选择，当我们为一个特定的应用选择合适的减温器时应根据以下来选 择：

调节比 - 该减温器工作时可以处理的流量变化范围，如公式4.2.1所示。

这是一个重要的参数，任何进口压力、温度或流量的变化会引起需要冷却液的变化。通常，一个特定 的减温器有两个调节比值：

蒸汽调节比 - 该数据反映了减温器能有效工作的蒸汽流量范围。

冷却水调节比 - 该数据反映了冷却水的变化范围。虽然该数据直接影响蒸汽的调节比，但它们的关 系取决于过热蒸汽的温度、冷却水的温度和需要达到的减温状态。

公式15.1.1是质量/热量平衡公式

式中:

m cw = 冷却水的质量流量 (kg / h)； m s = 过热蒸汽的质量流量 (kg/h)； h i = 过热状态的焓 (kJ/kg)； h d

= 减温后状态的焓 (kJ/kg)；

h cw = 冷却水在进口状态下的焓 (kJ/kg)。

应该注意到蒸汽和水的流量有直接的比例关系，比例常数K 取决于过热蒸汽的焓、冷却水的焓和需要 达到的蒸汽状态的焓。算术表达为：m cw ∝km s 。

式中: K = (h i - h d )

(h d - h cw )

如果使用一个减温器不能满足调节比的要求，则需要并联安装两个减温器，根据蒸汽的量两个减温器 之间互相转换或一起工作。

我们同时应认识到，减温器只是减温站的一部分，为了正确工作必须包括必要的控制系统。 工作压力和温度； 蒸汽和水流量；

进口蒸汽过热度，制程需要的减温后的蒸汽量； 可供的水压（可能需要增压泵）； 最终温度的精度要求；

对于在线式减温器，蒸汽完成完全减温所需要的距离也是一个重要的考虑因素，这段距离也称为吸收 距离。

接下来的章节对常见的减温器作了介绍，包括各种减温器的使用限制和典型应用。

非直接接触式减温器 管束式减温器

这种减温器 (见图15.2.2)包括一个换热器，通常为壳管式，过热蒸汽在一侧，冷却介质在另一侧。 第一段换热器的壳（冷却水侧）两端封闭，而在出口侧，仅底部封闭，顶部打开。浮动头使壳的两侧 压力平衡。

冷却液是处于饱和温度和压力下的水。过热蒸汽依次进入第一组 、第二组管侧，放出热量给水，部分 水吸收热量后汽化。汽化的水通过浮动头然后积聚在壳的外侧，然后通过壳末端的开口处和减温后的蒸汽 混合。

过热蒸汽

压力和温度感应器 安全阀

浮动头

饱和蒸汽

正常水位

水位 控制 系统

浮球式疏水阀作为溢流

饱和温度和 压力下的 冷却水

冷却水供给

如果压力不够则需要增压泵

排放

浮球式疏水阀

图15.2.2 管束式减温器

优点:

1. 调节比只受到所安装的控制系统的限制。

2. 该设计可以产生高于饱和蒸汽温度5℃以内的蒸汽。

3. 最大工作温度和压力高，可以达到60 bar 和450℃。

4. 反应快。 缺点:

1. 体积大 - 与现在的许多减温器相比体积庞大，现大部分已经被替代了。

2. 费用高。

3. 需要关注的是这种减温器的换热器效率。换热器表面的污垢和空气膜能产生很大的传热热阻。 应用:

负荷波动大的场合适用。

直接接触式减温器 水浴式减温器

这是一种最简单的减温器(见图15.2.3)。过热蒸汽直接喷入水浴室，多余的热量使水表面产生饱和蒸 汽，用压力控制器维持容器内压力恒定，因此下游可以得到饱和温度和压力下的蒸汽。

压力控制器压力探头蒸汽

饱和蒸汽

出口

安全阀

压力表止回阀蒸汽干燥空间

过热

蒸汽

压力控制阀

浮球式疏水阀

作为溢流

水位控

制系统

带给水泵的

冷却水供水排放

图15.2.3水浴式减温器系统图

因为过热蒸汽含有的热量比饱和蒸汽多，因此产生的饱和蒸汽比实际的过热蒸汽多。水位会下降，必须补充水使液位保持恒定。通常需要一个和锅炉给水泵相类似的泵以克服压力容器的压力。

必须安装一个良好的止回阀以避免在过热蒸汽压力下降时水从浴室返回到减温器系统。

优点:

1.简单。

2.在饱和温度下产生蒸汽。

3.蒸汽干度可以达到0.98。

4.调节比只受到所安装的控制系统限制。

缺点:

1.体积大。

2.不适用于高温系统。

应用:

1.流量变化大。

2.不允许有任何的过热度存在。

水喷雾式减温器

这种形式的减温器使用最为广泛。在水喷雾式减温器中，过热蒸汽通过装有一个或多个喷嘴的管道。喷嘴将很细的冷却水雾喷入过热蒸汽，水转化成蒸汽，蒸汽的过热度随之下降。

冷却水有不同的方法被引入蒸汽，因此有很多不同类型的水喷雾减温器。

除此以外，大多数水喷雾式减温器受以下因素影响：

，这种方法 of 涡街的产生 一 ) = Area of 流获得Coefficient 由于contraction 进(C

步加剧湍流。 Area of the orifice

水滴尺寸 - 水滴尺寸越小，水的面积质量比越大，传热率越高。当水被直接喷入流动的过热蒸汽中 时，水滴越小，换热需要的距离越短。

水可以通过机械装置（使用变化的或固定的孔板）或蒸汽雾化的方法被打成很小的水滴。

湍流 - 管道内的流动越处于湍流状态，单个水粒在减温器中的滞留时间越长，换热越充分。另外， 湍流能加剧冷却水和过热蒸汽的混合。加剧的湍流能缩短减温完成的距离。 有两种方法可以产生湍流。

通过喷嘴的压力降 - 使冷却水产生更高的压力降可以增加流速和产生更剧烈的湍流。

速度 - 增加水和蒸汽混合的整体速度，也可以加剧湍流的产生。为了增加速度，通过对蒸汽进行节

the vena contracta c

关于高速 - 如果管道设计不良，过热蒸汽的速度从理论上可以接近马赫数1，在如此高速下可能产生

很多问题（包括冲击波的产生）。事实上，如果管道设计良好，速度要远远的低，蒸汽进入减温器的速度

通常在40~60 m/s 。

冷却水流量 - 冷却水能被加入过热蒸汽的流率取决于很多因素，它们的关系如公式4.2.11：

式中:

q v = 冷却水体积流量 (m 3/s)； C = 喷嘴排放系数； A = 喷嘴面积(m 2)；

g = 重力加速度常数 (9.81 m/s 2)； h = 通过喷嘴的压力降 (m)。

记住C 和g 是常数，公式4.2.11显示只有两个因素改变冷却水的流率q v : 改变通过孔板（喷嘴）的压力降h - 流率和压力降的关系可表示为：

V ∝

公式表示，如果流率增加5倍，压力降必须增加52= 25。这种关系严重限制了减温器的调节比。 对于冷却水流率的影响，当确定冷却水压力时必须考虑另外两个因素： 1. 冷却水压力必须大于喷射点处的蒸汽压力。 2. 通过喷嘴的压力降越大，雾化的效果越好。

改变孔板的面积A - 流率和孔板面积的关系可表示为：

V ∝ A

这种直接的关系表示，如果流率增加5倍，面积也必须增加5倍。这种变化可以通过使用具有变面积能 力的孔板来完成（见图15.2.4）, 或改变冷却液流通过的孔板个数来完成。

图15.2.4 变面积孔板

热套管-必须小心控制水的喷放以确保水滴不会渗出，否则在管道上产生热应力引起管道破裂。有时，使用内部热套管可以防止此类情况发生。

冷却水

过热蒸汽

图15.2.5插入管线式喷雾减温器内的热套管

热套管也可以使过热蒸汽在套管和管道内壁之间的环形内流动，这提供了一个加热面使喷射的水充分蒸发。

水喷射式减温器

单点径向喷射式减温器

这是最简单的喷射冷却水的方法，在管壁上开一个喷嘴(见图12.2.6)。

控制冷却水的执行器

和控制阀

冷却水进口

过热蒸汽

减温

蒸汽图15.2.6单点径向喷射式减温器

冷却水雾被喷射入过热蒸汽。喷射的冷却水量通过改变控制阀的位置来控制。 优点:

1.操作简单。

2.费用小。

3.蒸汽压力降最小。 缺点:

1.调节比低，蒸汽和水侧的典型调节比最大为3:1。

2.减温后的蒸汽温度只能减到高于饱和蒸汽温度10℃。

3.比蒸汽雾化型减温器的吸收距离长。

4.内壁很容易产生冲蚀，使用热套管可以避免产生。

5.通常减温器的口径受限制。 应用:

1.稳定的蒸汽负荷。

2.稳定的蒸汽温度。

3.稳定的冷却液温度。

所有这些表示相对稳定的冷却水量。 多点径向喷射式减温器

这是对单点径向喷射式减温器的改进。冷却水从环绕管道的多个孔板喷入。

过热 蒸汽

减温 蒸汽

冷却水图15.2.7 多点径向喷射式减温器

优点:

1.冷却液的压力小于单点型的，因此没必要使用热套管。

2.由于冷却水和过热蒸汽的混合效果好，因此和单点型相比吸收距离短。但吸收距离仍远大于其它形 式的水喷射式减温器。

其它的优缺点和应用与单点径向喷射式减温器相类似。

轴向喷射式减温器

这也是一种简单的管线式喷射减温器，但它的喷射点移到了管道的轴向上。冷却水通过一个或多个雾 化喷嘴喷入蒸汽流（见图15.2.8）。这种减温器通常使用热套管。

冷却水

过热蒸汽减温 蒸汽

图15.2.8 轴向喷射式减温器

通过两种方法，轴向喷射改进了冷却水和过热蒸汽的混合。

1. 冷却水的喷射是沿着管线的中心线方向，这样更加均匀地分布到过热蒸汽中。

2. 冷却水喷射管被插入管中央充当了扰流器，由于涡街作用在水的喷射点产生额外的湍流。

图15.2.9 在冷却水引入管周围产生的涡街

对此基本布置做进一步改进的作法是：改变喷嘴的方向，将冷却水喷向上游蒸汽。高速流动的过热蒸 汽改变了喷入的冷却水的流向将它送入混合室，这样可以达到更好的汽水混合效果，并缩短了吸收距离。

经过过滤的冷却水进口

减温蒸汽出口

混合单元 水喷射 喷嘴

图15.2.10 逆流式轴向喷射式减温器

优点:

1. 操作简单。

2. 没有运动部件。

3. 费用合算。

4. 蒸汽压力降小。

缺点：

1.调节比小，蒸汽和水侧的典型调节比最大为 3:1。

2.减温后的蒸汽温度只能达到高于饱和蒸汽温度10℃。

3.比蒸汽雾化型减温器的吸收距离长，但比径向喷射型要短。

4.内壁很容易产生冲蚀，使用热套管可以避免产生。 应用:

1.稳定的蒸汽负荷稳定。

2.稳定的蒸汽温度稳定。

3.稳定的冷却液温度。

所有这些表示相对稳定的冷却水量。

多喷嘴轴向喷射式减温器

多喷嘴轴向喷射式减温器使用多个喷嘴将冷却液喷入过热蒸汽，这使得水滴分布更加均匀。多喷嘴轴 向喷射式减温器有三种主要型式：

1.固定面积型 - 当减温器工作时，所有的喷嘴都打开，冷却液量由喷水控制阀控制。

气动执行器

冷却水进口

冷却水控制阀

多喷嘴

图15.2.11 多喷嘴固定面积型轴向喷射式减温器

2.变面积型 - 下游的蒸汽温度决定使用的喷嘴数量。冷却水通过水的夹套和碟片上方的密封空间进入 减温器（见图15.2.12）。当温度控制系统检测到下游温度上升，执行器推动阀杆向下，不断暴露更多的喷 嘴。当冷却水的需求量改变时阀杆和碟片组合上下移动，从而改变整个喷射的喷嘴面积。

过热 蒸汽

图15.2.12 多喷嘴变面积式轴向喷射式减温器

3.弹簧辅助型-这种型式实际上是前面两种型式的组合。不同于阀杆和碟片组合受执行器控制，弹簧辅助型喷射式减温器包括了一个弹簧负载的流量塞，它根据冷却液和过热蒸汽之间的压力差变化而移动。流量塞的移动改变打开喷嘴的数量而调节进入主管的流量。另外，冷却水量由一个喷水控制阀调节。

由于能控制冷却水的压力和流量因此可以精确控制喷入过热蒸汽的水量。但是，这种形式的减温器需要高的冷却水压力。

优点:

1.固定面积型的调节比最大可达8:1；弹簧辅助型可达9:1；变面积型可达12:1。

2.更好的冷却水分布使得其吸收距离比单喷嘴型短。

3.蒸汽压力降小。

缺点:

1.减温后的蒸汽温度只能达到等于饱和蒸汽温度8℃。

2.比蒸汽雾化型减温器的吸收距离长。

3.内壁很容易产生冲蚀，使用热套管可以避免产生。

4.不适用于小口径。

5.需要高压冷却水(特别是弹簧辅助型)。

6.变面积和弹簧辅助型相对费用较高。

应用:

1.应用于需要比单喷嘴装置提供更高的调节比，但不能承担更加复杂设备的高费用。

2.稳定的蒸汽负载。

3.稳定的蒸汽温度。

4.稳定的冷却水温度。

所有这些表示需要相对温度的减温负荷。

Questions

1.Which type of desuperheater should be used if it is e ssential that steam at saturation temperature be produced?

a|Spring ass isted type?b|Reverse flow axial type?c|Single nozzle radial injection type?d|Water bath type?

2.Which of the following parameters can be altered in order to increase the rate at

which cooling water is injected into superheated steam,using a spray type

desuperheater?

i.Pressure drop over the orifice

ii.Area of the orifice

iii.Cooling water temperature

a|i only?b|ii only?c|i and ii?d|i,ii and iii?

3.What advantage does a multiple point radial injection spray desuperheater have

over a sin gle point desuperheater?

a|Improved approach to saturation temperature?b|Increased turndown ratio?c|Shorter absorption length?d|It can be used on smaller pipe sizes?4.What is the primary function of a thermal sleeve?

a|To reduce the temperature of the superheated steam?b|To prevent erosion of pipework downstream of the desuperheater?c|To reduce the energy losses from the pipework?d|To reduce the amount of cooling water required?5.What advantage do variable area axial type desuperheaters have over fixed area types?

a|Improved approach to saturation temperature?b|Increased turndown ratio?c|Shorter absorption length?d|It can be used on smaller pipe sizes?6.What are the main applications of spray type desuperheaters?

a|Applications with fairly constant cooling water requirements?b|Applications with high turndown requirements?c|Applications where the steam flowrates will vary widely?d|Applications requiring the elimination of all superheat?

Answers

1:d,2:c,3:c,4:b,5:b,6:a