蒸汽凝結水管道選型

概述

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蒸汽冷凝水管路的尺寸選定，可確保液態冷凝水安全地由製程設備回流至鍋爐房或集水槽。管路過小會造成背壓、水錘與設備積水；管路過大則會增加不必要的成本。設計時必須考量冷凝水流率、閃蒸蒸汽產生量、管路摩擦、熱膨脹及垂直揚程。

關鍵公式

冷凝水質量流率

$\dot{m} = \frac{\dot{Q}}{h_{fg}}$

以熱負荷除以汽化潛熱，即可求得產生的冷凝水質量。

達西－魏斯巴赫壓降

$\Delta P = f \frac{L}{D} \frac{\rho v^2}{2}$

直管段沿程的摩擦壓降。

截面積

$A = \frac{\pi D^2}{4}$

連續方程式

$\dot{m} = \rho \, A \, v$

閃蒸蒸汽質量分率

$x_{flash} = \frac{h_{f,1} - h_{f,2}}{h_{fg,2}}$

其中 $h_{f,1}$ 為上游（高壓）狀態的液體焓，而 $h_{f,2}$、$h_{fg,2}$ 則依下游（低壓）狀態求得。

變量

建議流速

較高流速會增加噪音、沖蝕與壓降；流速過低則可能使冷凝水積聚於蒸汽管路中並引發水錘。

冷凝水管路尺寸選定 — 容量

閃蒸蒸汽產生量

高壓冷凝水排入較低壓的集水槽時，部分冷凝水會閃蒸成蒸汽。冷凝水回流管路的尺寸必須能容納這些閃蒸蒸汽的體積。

計算器 — 依熱負荷計算冷凝水流量

單位換算器

工程要點

• 重力回流與泵送回流。 重力冷凝水管路的尺寸比泵送管路大，因為可用驅動水頭很小，通常只有冷凝水柱的靜壓高度扣除摩擦損失。流速應維持在 0.5 m/s 以下。
• 閃蒸蒸汽體積。 輸送閃蒸蒸汽的冷凝水管路，必須依液、汽兩相的合併體積選定尺寸。蒸汽比容比液體高出數個數量級，因此即使按質量計僅有百分之幾發生閃蒸，也可能主導所需的管路截面積。
• 水錘。 蒸汽氣穴潰縮或冷凝水因壓力突然變化而加速時，冷凝水管路容易發生水錘。所有水平管路均應朝流動方向向下傾斜（最小坡度 1:100），並在低點設置集水腿。
• 熱膨脹。 碳鋼管每 100 m、每升溫 100 °C 約膨脹 12 mm。蒸汽冷凝水管路在高溫下運作，應以適當間距設置膨脹環、偏移管段或波紋管。
• 管路材質。 冷凝水管路通常採用碳鋼（Schedule 40）。較小管徑或對水質要求嚴格時，可使用銅或不鏽鋼。應避免在沒有絕緣管件的情況下連接異種金屬，以防止電偶腐蝕。
• 蒸汽疏水閥容量安全係數。 疏水閥容量應選為計算冷凝水負載的 2–3 倍，以因應啟動突增負載與壓力變化。
• 保溫。 所有冷凝水管路均應保溫，以減少熱損失並防止人員燙傷。未保溫的管路也會使冷凝水降溫，減少可回收的閃蒸蒸汽量，並可能使回流管路因真空而塌陷。

參考資料

• 原始來源 — Engineering ToolBox