探讨蒸汽系统排空气的意义

一、空气导致的升温问题

实际生产中我们有时会发现，蒸汽压力和流量都足够，而产品的温度却始终达不到要求，这可能是因为系统中混入了空气所致。空气被蒸汽一起携带到换热表面，当蒸汽冷凝后，空气会残留积聚在换热表面形成绝热层，阻止蒸汽传热，导致产品温度不达标。

空气的导热系数为0.025W/(m·℃)，而水的导热系数为0.6W/(m·℃)，铁的导热系数为75W/(m·℃)，铜的导热系数为390W/(m·℃)。所以说按导热系数来看，1mm的空气膜相当于15m的铜墙。

空气的传热热阻是钢的1500~3000倍，是铜的8000~16000倍，这表示0.025 mm厚的空气层相当于400 mm厚铜壁产生的热阻。

热阻越大，温度梯度越大，这表示为了达到同样的产品温度，需要更高的蒸汽压力，如下图：

二、排除空气的阀门

在工艺制程和空间加热应用中，所有的蒸汽加热设备换热器表面，空气膜和冷凝水膜是普遍存在的，为了得到最佳的产品质量，为了节能，必须及时排除冷凝水和空气，是非常有效的办法，可以大大热高热效率。建议使用专门的自动排气阀。

三、排空气理论--道尔顿分压定律

1、蒸汽和空气混合物

对于蒸汽和空气混合物，由于空气的存在会使蒸汽的温度比实际的饱和温度低。混合气体的总压力是各混合气体的分压力之和，这就是道尔顿分压定理。分压力为每个组分充满整个混合气体空间所产生的压力。

这种现象对加热器和杀菌设备都影响很大。例如，杀菌罐或杀菌釜，为了杀死细菌，必须保证最低的灭菌温度，如果有空气存在，蒸汽就无法保证这个灭菌温度，需要再次灭菌，降低了生产效率，但是也可能造成产品报废。

2、蒸汽和冷凝水系统的其它空气来源

空气也可能溶解在锅炉补给水和冷凝水（暴露在空气中吸收空气中的氮气、氧气和二氧化碳等）中而进入系统。当水在锅炉中被加热，这些气体会释放出来并随蒸汽进入分配系统。

总之，系统中的空气会导致以下问题：设备升温变慢、冷凝水中出现气泡、对管道设备的腐蚀。

四、排空阀应安装在什么地方？

空气的平均摩尔质量是29，蒸汽（水）的摩尔质量是18，因此一般认为空气比蒸汽重一些，但是，因为蒸汽和空气的密度与压力、温度、空气在蒸汽中占的比例有很大关系，所以在某些条件下，空气可能比蒸汽轻，因此，在哪个位置安装排气装置，要仔细分析工况，可能在低点装，也可能在高点装。

4.1 排除空气的最好办法是安装自动排气阀：

自动排空气阀是利用热静力原理工作，安装在蒸汽和空气能到达的地方。如果排气阀直接装在加热器上，且在接近蒸汽饱和温度下工作，换热器传递的热量可能会使排气阀关闭，或者至少排气速度减慢。因此排空气阀和其相连的管道不要保温，且最好在排空气阀前加装300mm的短管，这样既可以积聚空气又可以使得排气阀的温度低于加热器蒸汽空间的温度，以确保排空气阀正常工作。

当排空气阀排气时，不可避免地会排出一些蒸汽和空气的混合气体，这经常被误认为是泄漏蒸汽，其实是正常的现象。如果工作正常，我们发现排气阀排放程度逐渐减少直至停止，这说明排气阀工作正常。如果排气阀长时间排放且没有关闭迹象，则说明发生了故障，应该检查修理了。

4.2 哪些工况需要安装排气阀？

A、蒸汽主管的末端：

空气一直被推到末端积聚，因此要安装排气阀，且排气阀应装在管道的顶部，或至少装在可能出现的冷凝水面之上，这样将会排出大部分空气。

B、夹套锅：

锅中的物料加热时，溶解在其中的空气就会冒出，气泡出现在锅的内壁上，而有一部分冷区内壁会缺少气泡，说明与之相邻的夹层有空气积聚，如果疏水阀没有自带排空装置，又没有装排气阀，气泡将最后出现在夹层锅的底部，靠近冷凝水出口处，以及顶部蒸汽进口的另一侧。

因此，夹套锅必须选用自带气排装置的浮球式疏水阀（现在大多数疏水阀都有此排气功能了），疏水阀最好安装在锅的底部，使得冷凝水和空气在重力作用下排出来。排空气阀最好装在高处，蒸汽进口的另一侧，有经验的制造商都会在此处安装排空气装置的。

还有非常多类似的设备，如蒸煮锅、烤箱、蒸箱、多层加热器、油预热器等等。 

C、干燥滚筒（造纸和印染行业）：

在水平滚筒旋转轴的一侧通入蒸汽，物料和滚筒的外表面接触进行加热干燥，冷凝水通过虹吸管经过滚筒旋转轴蒸汽的同一进口侧或滚筒的另一侧排出。由于滚筒比较大，所以在启动阶段要排除的空气量也很大，在正常工作情况下，空气会积聚并引起滚筒外表面出现冷区，导致制程中的物料出现质量问题，所以自动排空气阀很重要，如果要达到理想效果理应安装排空气阀。

这类设备需要选用带有破蒸汽绑装置的疏水阀，还需要安装单独的排空气阀排出大量的空气，这将大大提高的热效果。

D、群组排气

蒸汽设备的设计者有时为了节约费用，将两个或更多的蒸汽空间远端直接在一起安装一个排空气阀，而不是每个蒸汽空间各自安装。可是这种方式并不成功，如多盘管空气加热器，每组盘管都有控制阀控制进汽，当一组盘管的蒸汽到达后，排空气阀就会关闭，而其它组盘管的空气就不能排出了，之后排空气阀内的蒸汽冷凝，新蒸汽又进入，当进入的蒸汽所含的空气很少时，排空气阀就会迅速关闭，其它盘管内的空气和蒸汽的混合气体就不会到达排空气阀位置，群组排空气是不成功的，应当尽量避免，同样也要尽量避免群组疏水。

E、大型设备

正常排空气阀的口径只有DN15，排量也比较小，可是有些场合需要排出的空气量很大，例如食品行业用的大型灭菌器、蒸馏罐，大型高压锅、橡胶硫化机和大型空间加热器等，需要排出的空气量很大，这样就需要并联安装大量的排空气阀。另一个可选择的方案是使用气动控制阀或气动截止阀，依靠感应温度来排放，设定温度应该为100℃或稍低几度。