饱和蒸汽与过热蒸汽

1、过热蒸汽怎样产生的？

如果锅炉中产生的饱和蒸汽通过更高温度的换热面，继续加热，它的温度会上升并超过蒸发温度，这时，蒸汽就会变成具有一定过热度的过热蒸汽。

当仍有水存在的时候，过热度是无法产生的，因为吸收的热量首先会蒸发更多的水。饱和蒸汽必须通过额外的换热器才能得到更高的温度，这就需要在锅炉中二次换热或经过单独的过热器，主要的加热媒介可以是热烟气或者单独的加热装置。

2、过热蒸汽的主要应用

2.1过热蒸汽大多数时候是用作驱动蒸汽，例如，在火力发电厂的汽轮机中，利用蒸汽驱动叶轮转动，带动发电机转子使其旋转发电。汽轮机通常有很多级，从同一个轴的第一级转子出来的蒸汽需要进入第二级转子继续做功，如果采用饱和蒸汽，那么饱和蒸汽失去能量后会使部分蒸汽冷凝。这就是说通过连续不断的做功过程， 蒸汽会变的越来越湿，这样不仅会导致水锤现象，而且这些水滴还会冲蚀汽轮机。所以，最佳解决方法是使用过热蒸汽，利用过热蒸汽做功，直到温度/压力比较接近饱和时再将蒸汽排出。

为了提高汽轮机的热效率，应该满足以下两个条件：

A、汽轮机进口蒸汽的温度或能量应尽可能高，所以要尽可能提高蒸汽的压力和温度。

B、排气蒸汽的温度或能量应尽可能低，所以要尽可能降低蒸汽压力和温度，通常在汽轮机排气处装冷凝器来实现。

2.2 过热蒸汽还会用来加热一些要求温度非常高的产品，如某些烘干类设备。

3、过热蒸汽与饱和蒸汽的热量对比

下面过热蒸汽表显示的是蒸汽在不同压力下的性质，这与饱和蒸汽表采用的是同样的办法。但是，对过热蒸汽来说，它的压力和温度并不是一一对应的，两者没有直接关系，因此，在特定压力下的过热蒸汽可能对应有很大的范围温度值。

表1.6.1 过热蒸汽表举例

表1.6.2 饱和蒸汽表举例

从上表1可以看出，在大气压下，即压力1.013 bar a(0 bar g) 、温度400℃的过热蒸汽，

其蒸汽焓hg = 3278 kJ /kg (过热蒸汽表)

从上表2可以看出，在大气压下，即压力1.013 bar a(0 bar g) 、温度100℃的饱和蒸汽，

其蒸汽焓hg = 2676 kJ /kg (饱和蒸汽表)

过热部分的焓 = 3278 – 2676=602kJ /kg

表面上看起来过热蒸汽可利用的能量多了，但是实际上，这对那些想利用蒸汽来加热的工况来说，实际情况则相反，而且非常麻烦。从过热部分的能量来看，比热容可以由饱和蒸汽（100℃）和过热蒸汽（400℃）之间的温度差别来计算：

但是，与水的比热容不同（水的比热容=4.19 kJ/kg. ℃，是个常数），过热蒸汽的比热容受到压力和温度的影响而变化，并不是一个常数。因此，上边计算的比热容的值2.0 kJ/(kg·℃)仅表示在0 bar g压力下特定的温度范围下的值。

过热蒸汽的温度、压力和比热之间没有直接的对应关系。但在过热度比较小的时候，随着压力的增加比热容也会逐渐增加。

4、过热蒸汽为什么不如饱和蒸汽适合于过程加热？

过热蒸汽必须先冷却到饱和温度才能释放出蒸发焓，从过热蒸汽冷却到饱和温度所放出的热量与蒸发焓相比来说很小。如果蒸汽过热度很小，这很小的一部分热量比较容易释放出来，但是过热度很大的时候，冷却的时间相对要长很多，而且，在那段时间内仅能放出很少一部分热量。

与饱和蒸汽不同的是，过热蒸汽的温度并不确定，过热蒸汽必须冷却来放热，而饱和蒸汽仅是发生相变放热，这就是说过热蒸汽放热的时候可能在换热沿程产生温度梯度。

在换热器中，使用过热蒸汽会在管壳式换热器管板附近形成干墙，干墙区会很快结垢,造成管壁超温导致管子失效。

这些都清楚地表明了在热交换应用中，过热度过大的蒸汽应用很少，因为：

在冷却到饱和温度前放出热量很少；

热交换表面温度梯度较大；

蒸汽过热的换热率较低；

需要更多的换热面。

由此可见，在传热应用中，过热蒸汽没有饱和蒸汽效率高。这看起来违背了我们的常规认识，一般传热率与换热面上的温度差别成正比，如果相同压力下，过热蒸汽比饱和蒸汽温度更高，那么当然应该过热蒸汽能释放更多的热量？但这个答案是否定的，因为：

Q=UAΔT，对任何换热设备来说，传热面积A是固定的，但是，传热系数U值则是不固定的，过热蒸汽的“U”随制程不同而不同，但远小于饱和蒸汽，而且过热度越高，“U”值就越小。

过热蒸汽的“U”一般为50到100 W/(m2·℃)，而饱和蒸汽则为1200 W/( m2·℃)

因此，尽管相同压力下的过热蒸汽的温度总是高于饱和蒸汽的，但它的传热能力要远低于饱和蒸汽。因此，在相同压力下的热传递过程中，过热蒸汽的效率要比饱和蒸汽低很多。

所以在实际生产中，尤其现在越来越多的用户是使用热电厂集中供热，电厂生产出来的都是高温高压的过热蒸汽，都需要先通过减温减压站系统，把过热蒸汽变成饱和蒸汽以后，再输送给各用户使用，过热蒸汽只有在冷却到饱和状态时，才能释放出最有用的潜热。