[科普中國]-室內(nèi)低壓蒸汽供暖系統(tǒng)

供汽的表壓力等于或低于70kPa時，稱為低壓蒸汽供暖。當供汽壓力降低時，蒸汽的飽和溫度也降低，凝水的二次汽化量小，運行較可靠而且衛(wèi)生條件也好些。因此國外設計的低壓蒸汽供暖系統(tǒng)，一般采用盡可能低的供汽壓力，且多數(shù)使用在民用建筑中。1

重力回水低壓蒸汽供暖系統(tǒng)圖1所示是重力回水低壓蒸汽供暖系統(tǒng)示意圖。圖1左圖所示是上供式，圖1右圖所示的是下供式。在系統(tǒng)運行前，鍋爐充水至I-I平面。鍋爐加熱后產(chǎn)生的蒸汽在其自身壓力作用下，克服流動阻力，沿供汽管道進入散熱器內(nèi)，并將積聚在供汽管道和散熱器內(nèi)的空氣驅(qū)入凝水管，最后，經(jīng)連接在凝水管末端的B點處排出，蒸汽在散熱器內(nèi)冷疑放熱。凝水靠重力作用沿凝水管路返回鍋爐，重新加熱變成蒸汽。

從圖1可見，重力回水蒸氣供暖系統(tǒng)中的蒸汽管道、散熱器及凝結(jié)水管構(gòu)成一個循環(huán)回路。由于總凝水立管與鍋爐連通，在鍋爐工作時，在蒸汽壓力作用下，總凝水立管的水位將升高h，達到Ⅱ-Ⅱ水面，當凝水干管內(nèi)為大氣壓力時，h即為鍋爐壓力所折算的水柱高度。為使系統(tǒng)內(nèi)的空氣能從圖1的B點處順利排出，B點前的凝水干管就不能充滿水。在干管的橫斷面，上部分應充滿空氣，下部分充滿凝水，凝水靠重力流動。這種非滿管流動的凝水管，稱為干式凝水管。顯然，它必須敷設在Ⅱ-Ⅱ水面以上，再考慮鍋爐壓力波動，B點處應再高出Ⅱ-Ⅱ水面約200～250mm，第一層散熱器當然應在Ⅱ-Ⅱ水面以上才不致被凝水堵塞，排不出空氣，從而保證其正常工作。圖1中水面Ⅱ-Ⅱ以下的總凝水立管全部充滿凝水，凝水滿管流動，稱為濕式凝水管。

重力回水低壓蒸汽供暖系統(tǒng)形式簡單，無需如下述的機械回水系統(tǒng)那樣，需要設置凝水箱和凝水泵，運行時不消耗電能，宜在小型系統(tǒng)中采用。但在供暖系統(tǒng)作用半徑較長時，就要采用較高的蒸汽壓力才能將蒸汽輸送到最遠散熱器。如仍用重力回水方式，凝水管里面Ⅱ-Ⅱ高度就可能達到甚至超過底層散熱器的高度，底層散熱器就會充滿凝水并積聚空氣，蒸汽就無法進入，從而影響散熱。因此，當系統(tǒng)作用半徑較大、供汽壓力較高(通常供汽表壓力高于20kPa)時，就都采用機械回水系統(tǒng)。1

機械回水低壓蒸汽供暖系統(tǒng)圖2(1-低壓恒溫式疏水器；2-凝水箱；3-空氣管；4-凝水泵)所示是機械回水的中供式低壓蒸汽供暖系統(tǒng)的示意圖。不同于連續(xù)循環(huán)重力回水系統(tǒng)，機械回水系統(tǒng)是一個“斷開式”系統(tǒng)。凝水不直接返回鍋爐，而首先進入凝水箱。然后再用凝水泵將凝水送回熱源重新加熱。在低壓蒸汽供暖系統(tǒng)中，凝水箱布置應低于所有散熱器和凝水管。進凝水箱的凝水干管應作順流向下的坡度，使從散熱器流出的凝水靠重力自流進凝水箱。為了系統(tǒng)的空氣可經(jīng)凝水干管流入凝水箱，再經(jīng)凝水箱上的空氣管排往大氣，凝水干管同樣應按干式凝水管設計。機械回水系統(tǒng)的最主要優(yōu)點是擴大了供熱范圍，因而應用最為普遍。1

單管下供下回式低壓蒸汽供暖系統(tǒng)歐美國家常采用的一種單管下供下回式低壓蒸汽供暖系統(tǒng)(見圖3)。圖3中，1-閥門；2-自動排氣閥。在單根立管中，蒸汽向上流動，進入各層散熱器冷凝放熱。為了凝水順利流回立管，散熱器支管與立管的連接點必須低于散熱器出口水平面，散熱器支管上的閥門應采用轉(zhuǎn)心閥或球形閥。采用單根立管，節(jié)省管道，但立管中汽、水逆向流動，故立、支管的管徑都需粗一些。同時，在每個散熱器上，必須裝置自動排氣閥。因為當停止供汽時，散熱器內(nèi)形成負壓，自動排氣閥迅速補入空氣，凝水得以排除干凈，下次啟動時，不會再產(chǎn)生水擊。由于低壓蒸汽的密度比空氣小，自動排氣閥應裝置在散熱器1/3的高度處，而不應裝在頂部。1

系統(tǒng)設計注意的問題在設計低壓蒸汽供暖系統(tǒng)時，一方面盡可能采用較低的供汽壓力，另一方面系統(tǒng)的干式凝水管又與大氣相通，因此，散熱器內(nèi)的蒸汽壓力只需比大氣壓力稍高一點即可，靠剩余壓力以保證蒸汽流入散熱器所需的壓力損失，并靠蒸汽壓力將散熱器中的空氣驅(qū)入凝水管。設計時，散熱器入口閥門前的蒸汽剩余壓力通常為1500～2000Pa。

當供汽壓力符合設計要求時，散熱器內(nèi)充滿蒸汽。進入的蒸汽量恰能被散熱器表面冷凝下來，形成一層凝水薄膜，凝水順利流出，不積留在散熱器內(nèi)，空氣排除干凈，散熱器工作正常(見圖4(a))。當供汽壓力降低，進入散熱器中的蒸汽量減少，不能充滿整個散熱器，散熱器中的空氣不能排凈，或由于蒸汽冷凝，造成微負壓而從干式凝水管吸入空氣。由于低壓蒸汽的比容比空氣大，蒸汽將只占據(jù)散熱器上部空間，空氣則停留在散熱器下部，如圖4(b)所示。在此情況下，沿散熱器壁流動的凝水，在通過散熱器下部的空氣區(qū)時，將因蒸汽飽和分壓力降低及器壁的散熱而發(fā)生過冷卻，散熱器表面平均溫度降低，散熱器的散熱量減少。根據(jù)此原理，國外在20世紀50年代就有利用改變散熱器的蒸汽充滿度以調(diào)節(jié)散熱量的可調(diào)式低壓蒸汽供暖系統(tǒng)。反之，當供汽壓力過高時，進入散熱器的蒸汽量超過了散熱表面的凝結(jié)能力，便會有未凝結(jié)的蒸汽竄入凝水管；同時，散熱器的表面溫度隨蒸汽壓力升高而高出設計值，散熱器的散熱量增加。

在實際運行過程中，供汽壓力總有波動，為了避免供汽壓力過高時未凝結(jié)的蒸汽竄入凝水管，可在每個散熱器出口或在每根凝水立管下端安裝疏水器。疏水器的作用是自動阻止蒸汽逸漏，而且能迅速地排出用熱設備及管道中的凝水，同時能排除系統(tǒng)中積留的空氣和其他不凝性氣體。圖5所示是低壓疏水裝置中常用的一種疏水器，稱為恒溫式疏水器。凝水流入疏水器后，經(jīng)過一個縮小的孔口排出。此孔的啟閉由一個能熱脹冷縮的薄金屬片波紋管盒操縱。盒中裝有少量受熱易蒸發(fā)的液體(如酒精)。當蒸汽流入疏水器時，小盒被迅速加熱，液體蒸發(fā)產(chǎn)生壓力，使波紋盒伸長，帶動盒底的錐形閥，堵住小孔，防止蒸汽逸漏，直到疏水器內(nèi)蒸汽冷凝成飽和水并稍過冷卻后，波紋盒收縮，閥孔打開，排出凝水。當空氣或較冷的凝水流入時，閥門一直打開，它們可以順利通過。

在恒溫式疏水器正常工作情況下，流出的凝水可經(jīng)常維持在過冷卻狀態(tài)，不再出現(xiàn)二次汽化。恒溫式疏水器后干式凝水管中的壓力接近大氣壓力。因此，在干凝水管路中凝水的流動是依靠管路的坡度(應大于0.005)，即靠重力使凝水流回凝水箱。

在重力回水低壓供暖系統(tǒng)中，通常供汽壓力設定得比較低，只要初調(diào)節(jié)好散熱器的入口閥門，原則上可以不裝疏水器。當然，也可以如上述方法設置疏水器，這對系統(tǒng)的工作只有好處，但造價將提高。

在蒸汽供暖管路中，排除沿途凝水，以免發(fā)生蒸汽系統(tǒng)常有的“水擊”現(xiàn)象，是設計中必須認真重視的一個問題。在蒸汽供暖系統(tǒng)中，沿管壁凝結(jié)的沿途凝水可能被高速的蒸汽流裹帶，形成隨蒸汽流動的高速水滴；落在管底的沿途凝水也可能被高速蒸汽流重新掀起，形成“水塞”，并隨蒸汽一起高速流動，在遭到閥門、拐彎或向上的管段等使流動方向改變時，水滴或水塞在高速下與管件或管子撞擊，就產(chǎn)生“水擊”，出現(xiàn)噪聲、振動或局部高壓，嚴重時能破壞管件接口的嚴密性和管路支架。

為了減輕水擊現(xiàn)象，水平敷設的供汽管路，必須具有足夠的坡度，并盡可能保持汽、水同向流動(如圖1和圖2所標的坡向)，蒸汽干管汽水同向流動時，坡度i宜采用0.003，不得小于0.002。進入散熱器支管的坡度i=0.01～0.02。

供汽干管向上拐彎處，必須設置疏水裝置。通常宜裝置耐水擊的雙金屬片型的疏水器，定期排出沿途流來的凝水(如圖2供水干管入口處所示)；當供汽壓力低時，也可用水封裝置，如圖1(b)下供式系統(tǒng)末端的連接方式。其中h'的高度至少應等于A點蒸汽壓力的折算高度加200mm的安全值。同時，在下供式系統(tǒng)的蒸汽立管中，汽、水呈逆向流動，蒸汽立管要采用比較低的流速，以減輕水擊現(xiàn)象。

在圖1(a)所示的上供式系統(tǒng)中，供水干管中汽、水同向流動，干管沿途產(chǎn)生的凝水可通過干管末端凝水裝置排除。為了保持蒸汽的干度，避免沿途凝水進入供汽立管，供汽立管宜從供水干管的上方或上方側(cè)接出(見圖6)。其中，(a)供汽干管下部敷設；(b)供汽干管上部敷設。

蒸汽供暖系統(tǒng)經(jīng)常采用間歇工作的方式供熱。當停止供汽時，原充滿在管路和散熱器內(nèi)的蒸汽冷凝成水。由于凝水的容積遠小于蒸汽的容積，散熱器和管路內(nèi)會因此出現(xiàn)一定的真空度。此時，應打開圖1所示空氣管的閥門，使空氣通過干凝水管迅速地進入系統(tǒng)內(nèi)，以免空氣從系統(tǒng)的接縫處滲入，逐漸使接縫處生銹、不嚴密，造成滲漏。在每個散熱器上設置蒸汽自動排氣閥是較理想的補進空氣的措施，蒸汽自動排氣閥的工作原理，同樣是靠閥體內(nèi)的膨脹芯熱脹冷縮來防止蒸汽外逸和讓冷空氣通過閥體進入散熱器的。1

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

鄭國忠 - 副教授 - 華北電力大學