射水式喷射加热器结构设计计算与分析
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第 3 4卷第 1 期 2 0 0 7年 1 月 华北电 力 大 学学 报 J o u r n a l o f No r t h Ch i n a El e c t r i c Po we r Un i v e r s i t y Vo1 3 4 No 1 J a n,20 07 射水式喷射加热器结构设计计算与分析 邱春花,王蓉,付文锋(1 华北电力大学 能源与动力工程学院,河北 保定 0 7 1 0 0 3;2。华能国际电力股份公司,北京 1 0 0 0 0 0)摘要:应用气体动力学理论,参照一维等压混合分析方法,对射水式喷射加热器结构设计进行了研究,列 出各主要结构尺寸的计算式。分析了主要结构参数对喷射器工作性能的影响,得出水喷嘴的出口截面离混 合室入 口 截面距离,及水喷嘴 出口截面与混合室喉部的截面比等主要参数对喷射器工作性能的影响规律。关键词:射水式喷射加热器;结构:性能 中图分类号:T K 2 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 7 2 6 9 1(2 0 0 7)0 1 0 0 6 3 0 4 D e s i g n a n d a n a l y s i s o f s t r u c t u r e o f s t e a m j e t h e a t e x c h a n g e r Ql U C h u n h u a ,WA N G R o n g ,F U We n-f e n g (1 S c h o o l o f E n e r g y a n d P o we r E n g i n e e r i n g,N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i ty,B a o d i n g 0 7 1 0 0 3,C h i n a;2 H u a n e n g I n t e r n a ti o n a l P o we r C o ,L t d ,B e i j i n g 1 0 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e o p t i n l al s t r u u r e d e s i g n o f s t e a mj e t h e a t e x c h a n g e r i s s t u d i o d wi t h o n e-d i me n s i o n a l i s o b a r i c mi x e d p r o c e s s andg a s d y n a m i c s t h e o r y T h e c a l c u l a t i o ne x p r e s s i o mo f t h e ma j o r s t r u c t u r e s i z e s a l e l i s t e d The i n f l u e n c e o f ma i n s t r u c t u r e p a r a me t e r o n p e r f o r ma n c e s o f。s t e a mj e t h e a t e x c h a n g e r i s a n a l y z e O The i n f l u e n c e l a w s o f d i s t a n c e b e t we e n D o z z l e a n d m c h a mb e r,t h e s e c t i o n al r a t i o o f wa t e r o u t l e t n o z z l e t o m c h a mb e r t h r o a t a r e c o n c l u d e d 引 言 喷射式加热器是近年发展起来的一种新的节能 技术,该装置是根据两相流理论,并结合具体工程 实际设计的产品。它通过汽液两相流体的直接混合 加热制取热水,加热热源可以采用低压放闪蒸汽或 凝结水闪蒸汽,起到节能作用。由于在使用性能和 价格上,喷射式加热器与其他的换热器相比具有较 大优势,所以在供热、电力、化工、石油、轻工、酿酒、制药等行业得到了广泛应用 。喷射式加热器的工作方式分为射汽式和射水式 两种。在加热蒸汽压力较高(大于 O 2 MP a)而且 流量稳定,热负荷变化较小的情况下,可以采用射 汽式。它的优点是充分利用了蒸汽的压力能,减小 了水泵的耗电量。在一般的情况下推荐使用射水式 加热器,因为该方式应用范围宽而且运行稳定性 好,不受蒸汽压力的限制,蒸汽压力高于或低于水 的压力均可正常工作。因此本文应用一维索科洛 夫分析法,研究了射水式加热器的主要结构参数的 计算,以及分析其对喷射性能的影响。1 喷射式加热器的结构和工作原理 喷射式加热器是直接接触式的汽水换热器,蒸 汽作为热源加热冷水,它的部分焓转化为机械能,收稿 日期:2 0 0 6 0 6 3 0 作者简介:邱春花(1 9 7 8一),女,华北电力大学能源与动力工程学院硕士研究生 华北电力大学学报 2 0 0 7焦 使 出口的热水压力高于进 口水的压力 口 。喷射式加 热器的基本构造如 图 I 所示。;=、2 ,二=二 一 混 合 室 散 段 +J 热水 一 l I 图 1 射水式喷射加热器结构简图 F i g 1 S t r u c t u r e o f s t e a m j e t h e a t e x c h a n g e r 喷射式加热器的基本结构主要分为 4个部分:(1)水喷嘴 低压过冷水在水喷嘴中进行接近绝热等熵的降 压加速过程,其主要功能是把低压过冷水进行初步 加速,在喷射式加热器的设计中基于水不可压缩的 事实,水喷嘴一般采用简单的渐缩型喷嘴来对冷水 进行初步加速。(2)蒸汽喷嘴 蒸汽在其 中进行绝热等熵 的膨胀过程,部分焓 转化为动能,膨胀后得到的高速蒸汽流是装置的动 力源。蒸汽喷嘴的主要功能是把低压蒸汽加速到最 大速度,膨胀后的蒸汽较均匀地分散于水喷嘴四周。(3)混合喷管 混合喷管是一段 圆柱形腔体。在这个腔体中,高速的蒸汽流和水直接接触,蒸汽在射流水柱 的表 面凝结换热,发生 由温差引起的热交换、由凝结引 起 的质量交换以及 由速度差引起 的动量交换,并在 混合喷管的出口处形成激波,流体通过激波之后,蒸汽和水 的两相混合物完全凝结,流体速度降低,压力升高 H 。(4)扩散喷管 在扩散喷管中流体动能转化为压能,流体在流 动过程中速度进一步降低,压力进一步升高,完成 加热后的热水供给用户使用。2 喷射式加热器主要结构参数计算 2 I 喷射器各主要横截面积(1)蒸汽喷嘴喉部截面积 蒸汽喷嘴通常采用拉法尔喷嘴的形式,其实际 运行压 比低于临界压 比,因此其喉部处于临界状 态,根据流量公式可得:Gj=G s ,(1)式 中 为蒸汽流量;为蒸汽喷嘴喉部横截面积;P 为 喉部蒸汽的密度;G s 为气体的临界速度,是一 种等于当地声速 的实际速度,用式(2)来确定:2 =2,(2)式中 为蒸汽在绝热滞止状态下 的压力;Y o 为在滞 止状态下蒸汽的比容;T o 为蒸汽在滞止状态下 的温 度;为气体常数;k为绝热指数 。引入气体动力函数:n po=(广,L 十 l J s=丢=(c 广,p 0 L 十 l J 式中n,s 为气体在折算等熵速度等于临界速度时 的相对压力和相对密度;p 和P 分别为在临界速度 时等熵流动气体的静压力和密度。联立式(1)(4),解方程得:。(5)如果,近似等于p o,T o ,U 可得:,(6)式中c=(措;分 别 为 蒸 汽 入 口 的 压 力 和温度;为蒸汽 的绝热指数。(2)水喷嘴出口截面积 在喷射式加热器 中水是工作介质,工作喷嘴是 收缩喷嘴,其喷嘴的出口面积 由水的流量和出口流 速决定,而水的出口流速 由水和混合室内压差决定:we,(7),(8)式 中 l为水喷嘴 出口处水的流速;为水的入 口压 力;为混合室内压力 为水的密度。(3)混和室出口截面积 在混合室出口两相流体经过均匀混合,两相混 合物完全凝结成水,因此气体动力函数不能应用于 此。混合室出口截面积由混合流体的流量和流速决 定。流体的出口流速经过建立数学模型,列质量、动量、能量 守恒方程求得。,(9)第 1期 邱春花等:射水式喷射加热器结构设计计算与分析 6 5 式中G c 为混合流体的流量;为混合室 出口截面积,w 3 为混合室出口处混合流体的流速;P 为混合流体 的密度。忽略水密度变化,且取=。喷射器的所 有主要横截面尺寸 由截面积,;3 来确定。2 2喷射器的主要轴向尺寸(1)工作喷嘴离混合室入口的距离 在工作喷嘴的出口截面上,流束具有均匀的速 度场。当流束流向和流束的物理性质相同的介质所 充满的空间时,由于介质的紊流掺和,流束把一部 分液体或气体从这个空间带走。从喷嘴出来的一部 分工作流体和被引射的一部分介质一起形成紊流边 界层,边界层的厚度沿流动方 向渐渐增大。无论是 沿着流束方 向还是在流束的横截面上,压力都是一 个常数,自由流束的流动就是在这样的常压下进行 的。在计算喷射器时,喷嘴距混合室的最适宜的距 离要由下列条件来确定,即在计算的喷射系数的情 况下,自由流束的终截面要与混合室的入 口截面相 等。当喷射系数 0 5时,即当 自由流束超不出始 段时:,c。=0 0 8 3+0 7 6 一 0 2 9 。(1 0)当喷射系数 0 5时,即当 自由流束不只是包 含始段,而且还包含基本段时:L,-,(1 1)式中 G 为引射水的流量;为截面 1 处的 截面直径;口 为 自由流束 的实验常数,对于弹性介 质口 取 0 0 7 o 0 9 。如果混合室的直径小于 自由流束直径,那么工 作喷嘴的出口截面离圆柱形混合室入口截面的距离 应该取为L=L +。,(1 2)式中 为混合室入 口段的形成线与喷射器轴线之间 的夹角。(2)混合室长度和扩散器长度 有相应的混合室的长度才可保证混合流体速度 场 的均衡。根据实验资料,喷射器的圆柱形混合室长度通 常取为 6 1 0倍混合室直径:,=(6 1 0)。(1 3)扩散器 的长 度是根据 8 1 0。的扩张角按 式(1 4)确定:L=(6-7)(一 ),(1 4)式中厶 为喷嘴扩散段长度;为扩散段出口截面直 径。3 结构参数对喷射器性能影响分析 3 1 工作喷嘴离混合室的距离 全苏热工研究所的 Hr 莫罗佐夫作了大量的 实验研究 川,参照其实验数据,以=1 6 5衄和 d 3=2 0 衄的实验数据分析喷嘴位置改变时加热器的 工作。见图2,当喷嘴离混合室的距离从 1 0 2 0 1 1 111 增大到 6 0 mm 时,欠热(定义为出口水温低于出 口压力下对应的饱和水的温度的值)急剧下降,而 且会出现最小值,当继续增大时欠热稍许增加,而 随后接近保持不变。p 图 2 欠热与喷嘴位置的关系 Fi g 2 Re l a t i o n s h i p o f u n d e r-h e a t i n g wi t h p r i m a r y n o z z l e p o rti o n 对图 1 进行深入研究发现,在喷嘴离混合室距 离不大的情况下,通过蒸汽的截面积减小,由于蒸 汽的速度很大而使得喷嘴出口截面上的压力变成大 大低于接受室中的蒸汽压力,当喷嘴紧靠近混合室 时,工作水压会变成等于甚至小于接受室中的蒸汽 压力,只是当 增大到最佳值时喷嘴出口截面平面 上 的压力才变成等于,这时出现引射蒸汽 的最大 流量和最大压力增。当继续增大 时,水流可加热 到超过给定状态下喉部所形成的压力之下可以发生 的温度,结果发生沸腾而析出不必要的蒸汽,会使 喷射加热器的热力特性和水力特性有些变坏,使喷 射器工作严重恶化。由于喷嘴离混合室最佳距离是 随着喷射器的不同工作工况而不同,所 以在调试安 装时必须根据现场实际运行工况调试得出最佳值。、华北电 力 大学 学报 2 0 0 7笠 3 2 截面比-与其他类型的喷射器一样,截面 比 t 是影 响喷射性能的主要几何参数,大量的实验研究 结果表 明,截面比的选择应该 由所给定的喷射式加 热器 的工作条件来决定,如要获得较好 的加热效 果,应该用较大的截面比,但这会导致较小的升压 效果。如图 3 和 图4所示(入口水的流速为 1 0 m s)。p 截面 比 t 图 3 截面比与欠热的关系 r ag 3 Re l a ti o n s h i p o f t h e u n d e r-h e a t i n g a n d s e c ti o n s r a tio 一 骜 出+嘣 截面比 t 图4 最大压力增随截面比的变化 r a g 4 M a x i m a l i n c r e a s e o f p r e s s u r e wi t h d i ffe r e n t s ec tio n s r a t i o 从图 4可以看 出,当水从喷嘴出来的流速保持 不变时,最大压力增随着截面比的增大而减小,也就 是说减小混合室喉部直径能够显著的提高出口水压。这是因为当混合室喉部直径减小时,流经直管段的汽 水两相流混合物的流速增大,在当地音速变化不大得 情况下,波前的马赫数增大,凝结激波中的升压增 强,从而提高升压能力。但是喉部直径不能过小,因 为减小喉部截面直径使得激波前两相流混合物流速变 化增大,导致波前马赫数也有较大的波动,从而使激 波后的压力也发生较大的波动,影响运行的稳定性。因此在设计时,应要根据实际工程需要进而结合理论 实际和实验资料选取适当的截面比。3 3 混合室等面积段长度 混合室等面积段长度对喷射器升压性能的影响 与,c 的值关系很大,当,c 为最佳值时,喷射器的升压 能力受,的影响很小,当,c 小于最佳值时,升压 比 随,的增加先增加后降低,即存在最佳值。这是由 于当,c 为最佳值时,由于在收缩段两股流体已经混 合完全,的作用很小,但过度增大,会使流动的 沿程阻力增加,降低压力恢复能力。当,c 低于最佳 值时,两股流体在收缩段混合得不充分,混合流体 如果直接进入扩压室,由于混合流体的速度分布不 均匀,降低 了扩压室的压力恢复能力,此时保留一 定长度 的等面积混合段,可以使两股流体进一步混 合,提高升压能力。4 结论(1)用一维索科洛夫分析法,应用气体动力学 对喷射式加热器结构设计计算进行了研究,进一步 分析 了主要结构参数对喷射器工作性能的影响。(2)喷射式加热器喷嘴的出口截面离混合室入 口截面有一最佳距离,当喷嘴 出口至混合室入 口的 距离大于该最佳值时,喷射器的性能将急剧恶化。(3)截面 比 是决定喷射式加热器的主要 几何参数,截面比大时可 以减小欠热,但是会使得 升压效果下降,在工程实际应用 中应该根据工程需 要结合理论设计和实验资料来进行选择。(4)混合室等面积段长度在为最佳值时对该装 置升压性能的影响不大,当小于最佳值时,等面积 段长度存在最佳值。参考文献:1】李震,狄洪发,陈蕾蒸汽喷射加热器的一维模型 J 暖通 空调,2 0 o 4,3 4(6):8 8-9 1 2】周强泰两相流动和热交换 M】北京:水利电力出版 社,1 9 9 0 3】索科洛夫喷射器 M】北京:科学出版社,1 9 7 7 4】沈跃栋,凌志光,周炯缩放性喷管中汽液两相流动的 实验研究 J 能源技术,2 0 0 2 3(2):4 7-5 1 5】冉鹏,张树芳 基于 I A P WS-I F 9 7水和水蒸气性质计算 模型及实现 J 电力科学与工程,2 0 0 5,(2):4 1 43 6】李泽泊,张淑侠在蒸汽流量测量中应用威力巴的节能 效果估计 J 电力科学与工程,2 0 0 4,(3):6 4-6 7 7 7 T a d a s h i N a r a b a y a s h i,Mi c h i s u g u Mo il,Mi k i h i d e N a k a ma r u,e t a 1 S t u d y O i l t wo-p h a s e fl o w d y n a mi c s i n s t e a m i n j e c t o r s J Nu c l e a r E n g i n e e r i n g a n d D e s i g n,2 0 0 0,2 0 0(1):2 6 1-2 7 1 (责任编辑:宋志强)9 8 7 6 5 4 3 2 1 O O O O O O O O O O
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