蒸汽喷射加热器的一维模型.pdf

筑龙网 WWW.ZHULONG.COM蒸汽喷射加热器的一维模型清华大学?李?震?狄洪发?陈?蕾?薛志峰?燕?达摘要?介绍了改进后的蒸汽喷射加热器的构造和原理?建立了它的一维模型根据模型分析了蒸汽加热器的性能?得到了其稳定工作的参数范围关键词?蒸汽喷射加热器?改进?激波?模型?性能?引言蒸汽喷射加热器是一种应用较为广泛的混合加热设备?它可以被应用于食品?能源?化工行业的真空泵中以及石油开采?蒸汽喷射制冷?航空航天等领域对于工作在高压环境下的蒸汽喷射加热器?很多学者进行了研究?年?年?年?年?等人设计了使用高压?高于?蒸汽喷射加热器的一些新系统?并研究了其性能?给出了比较完整的蒸汽喷射加热器一维计算模型?并根据模型研究了蒸汽压力?温度?压升和水汽比对其出口参数的影响?国内也有大量的相关研究?然而?对于目前应用较多的供暖?生活用水系统中使用的低压?低于?尤其是出口升压的蒸汽喷射加热器的研究较少虽然蒸汽喷射加热器已经使用了几十年?但由于其混合喷管内流体流动状况十分复杂?它的模型还存在一些尚未解决的问题?并且实际运行的参数与理论值相差较大另外?由于实际的供暖?生活热水系统的供热量波动较大?影响了蒸汽喷射加热器的稳定性有很多工程因稳定性问题而放弃使用蒸汽喷射加热器本文针对改进的蒸汽喷射加热器?着重研究在蒸汽压力较低的情况下该设备的工作情况?在分析了其基本工作原理的基础上?进行实验研究?指出该设备稳定工作的条件?蒸汽喷射加热器的基本构造蒸汽喷射加热器是直接接触式的汽水换热器?其理论模型已经建立得比较完善?但是?能够指导实际运行的模型却很少蒸汽作为热源加热冷水?其部分焓转化为机械能?使得出口的热水压力高于进口的水或蒸汽的压力蒸汽喷射加热器的基本构造如图?所示?蒸汽喷管?冷水喷管?混合喷管?扩散管图?蒸汽喷射加热器的基本构造图?中所示的设备?与常规设备的不同之处主?技术交流?暖通空调?年第?卷第?期?李震?男?年?月生?在读博士研究生?清华大学建筑技术科学系?收稿日期?修回日期?筑龙网 WWW.ZHULONG.COM要是?与?是开口的?这样的结构形式可以提高设备的稳定性?后文将作详细的分析?图?所示的蒸汽喷射加热器在结构上主要分为以下四个部分?蒸汽喷管蒸汽在喷管中发生绝热膨胀?将蒸汽的焓部分转化为动能由于混合腔内压力很低?只有几十?在蒸汽喷管出口处蒸汽速度很高对于亚音速喷管?蒸汽在喷管喉部能够达到音速?速度可达几百?对于拉伐尔喷管?出口的蒸汽速度可以达到超音速?冷水喷管冷水喷管通过布置在蒸汽喷管周围的环行流道与混合段相连?冷水以一定的速度喷入混合腔?其流量受水压和腔内压力控制?混合喷管混合喷管是一段渐缩的腔体在这个腔中?高速的蒸汽流和水直接接触?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?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?压力进一步升高根据上述分析?忽略黏性耗散?在蒸汽喷射加热器中发生的理想热力学过程是?绝热膨胀等压热量动量交换升压图?给出了蒸汽喷射加热器中水和蒸汽的混合过程在?图上的表示?蒸汽进口?水入口?混合段?水出口图?蒸汽喷射加热器水和蒸汽的混合过程的?图?蒸汽喷射加热器的一维模型根据蒸汽喷射加热器的构造?对其分别建立一维模型?蒸汽喷管对于亚音速喷管?蒸汽在蒸汽喷管出口达到临界流动忽略喷管中的不可逆损失?则喷管出口蒸汽速度达到当地音速?式中?为当地音速?为蒸汽绝热指数?为水蒸气的气体常数?为进口温度?蒸汽喷管流量为?式中?为蒸汽喷管流量?为喷管喉部面积?为临界状态的密度?冷水喷管根据伯努利方程?冷水喷管内水的流量为?式中?为喷管内水的流量?为经验系数?为冷水的入口面积?为水的密度?为冷水的压力?为混合段中的压力?冷水喷管内水的流速为?式中?为喷管内水的流速?混合喷管混合腔里发生的是复杂的两相流换热?流动过程蒸汽凝结过程的推动力是蒸汽压力与水表面的饱和压力之差因此?混合腔内的压力是由蒸汽流量?水流量?水的初温?蒸汽温度共同决定的混合段后部形成的凝结激波能保持该装置稳定运行时混合段内的真空稳定?不受出口压力波动的影响根据实验结果?混合腔的压力随入水压力?温度的变化而变化?受蒸汽参数的影响很小忽略蒸汽参数对腔内压力的影响?混合腔内的压力计算公式根据实验数据可拟合为?式中?为进口水的饱和蒸汽压力?和?为实验得出的经验因数?凝结激波设备正常工作时?在混合喷管的末端与扩散喷?暖通空调?年第?卷第?期?技术交流筑龙网 WWW.ZHULONG.COM管的前端?会形成凝结激波一般来说?当流体以超音速绕物体流动时?在物体前会形成一道突跃的图?凝结激波示意图压强波?如图?所示流体通过这道压强波时?其压强和密度突跃上升?流速或马赫数相应突降两相流体的音速比单相流体要小很多水的音速可达到?气体的音速可达到?而汽水比在?和?之间的两相混合物?音速低于?在混合喷管出口处的两相流体的流速超过这一速度?具备形成激波的条件在蒸汽喷射加热器中?蒸汽和水的两相混合物经过激波面之后?压力升高?速度降低忽略激波面的厚度?激波的动量方程如下?式中?为激波前密度?为激波前的流体流速?为激波后的压力?为激波后的流体流速?扩散喷管在理想情况下?扩散喷管连续性方程为?式中?分别为喷管入口和出口面积?分别为喷管入口和出口流速?扩散喷管能量方程为?式中?分别为喷管出口和入口压力?蒸汽喷射加热器的性能及稳定性分析由于蒸汽喷射加热器的流量主要由进水压力和混合腔内的压力决定?所以可以认为热水出口压力?背压?的波动对流量没有影响只要蒸汽喷射加热器稳定地工作?它的混和段压力就会维持相对稳定?流量不会发生变化背压的波动只是使混合腔出口的凝结激波的形态发生变化?或是激波角度发生变化?或是激波位置移动?这种变化有自适应的特点?可以抵消一定范围的背压的波动而不影响激波前的流动入水的压力可以比蒸汽的压力高?也可以比蒸汽的压力低这也是蒸汽喷射加热器区别于供热中广泛使用的汽水换热器的主要特点混合喷管的入口和出口分别出现了膨胀波和激波膨胀波将蒸汽的压力尽可能地转化为动能?激波维持了在混合喷管中产生的真空水压即使低于蒸汽压力?但只要高于腔内压力就可以被引射入蒸汽喷射加热器?而腔内压力往往只有几十?图?定性地描述了蒸汽喷射加热器压力分布的情况图?蒸汽喷射加热器内部压力变化示意图由于蒸汽质量通常是水的质量流量的?所以调节蒸汽压力不会对水量产生明显的影响?但对加热量影响较大?同样道理?调节进口水的压力会对水的流量影响很大?但对加热量影响不大图?图?所示的设备与常规设备主要的不同之处是混合喷管与扩散喷管是断开的?而常规设备是一体的?这样的结构形式可以提高设备的稳定性原因在于这样的设备可以形成稳定的激波?而稳定的激波是该类设备稳定工作的决定性因素根据公式?可知?在流量一定的情况下?激波面上速度越大?出口的压力就越小另外?由于扩散喷管的进口段是一个渐缩的流道?激波面可以在该流道内移动?在面积大的截面如图?中的?截面?激波面的流速小?升压能力强?在面积较小的截面如图?中的?截面?激波面的流速大?升压能力弱这样?在实际运行中?若出口压力小?则激波面位于?截面?随着出口压力的增大?激波面向?移动?到?点时增大到最大值?本文称为临界压力?可见?这种混合喷管与扩散喷管分离的设计使得蒸汽喷射加热器稳定工作时激波面在?截面以后移动?只要蒸汽喷射加热器的出口压力小于所能达到的最大提升压力?它就能稳定地运行而传统的混合喷管与扩散喷管一体的设计由于没有截面积的变化?使得能保证稳定工作的出口压力范围很小上述观点在实验中得到了验证在混合喷管与扩散喷管的间隙处引出测压管?在运行中观察其压力变化?该点压力随出口压力增大而升高?当该?技术交流?暖通空调?年第?卷第?期?筑龙网 WWW.ZHULONG.COM处压力升高到出口压力时?设备瞬间进入不稳定工作状态可见?在实际系统设计中?弄清设备的出口压力范围十分重要?实验数据在理论分析的基础上?我们采用?口径的蒸汽喷射换热器?作了一系列的实验?研究了出口水温?出口水压和入口参数之间的关系蒸汽压力是影响出水温度的一个主要因素?图?给出了不图?出水温度随蒸汽压力的变化同入口水压下?出水温度随入口蒸汽压力变化的曲线可以看出?当入水压力一定时?加热器出口温度随蒸汽压力的增大而升高临界压力主要是由入水压力和蒸汽压力决定的图?给出了临界压力随入水压力和蒸汽压力图?临界压力随入水压力的变化曲线的变化曲线从图中可以看出?同一个蒸汽压力下?临界压力随入水压力的增加而增加?在同一个入水压力下?临界压力随蒸汽压力的增加而提高在蒸汽压力为?的工况下?对理论计算的结果和实验结果进行了比较?如图?所示?结论蒸汽喷射加热器在蒸汽供暖及供生活热水领域有很好的应用前景本文针对改进的蒸汽喷射加热器?根据对其原理的分析以及实验结果?建立了一维计算模型利用实验数据确定了模型中的经验因数从实验结果来看?蒸汽喷射加热器可以在一定范围内稳定工作?出口热水能够达到很高的压力?运行稳定?具有很大的节能潜力图?模型计算结果和实验结果的比较参考文献?刘志强?沈胜强?李素芬?喷射器一维设计理论的研究进展?热能动力工程?孙淑琴?马振永?蒸汽喷射器的应用与运行?应用能源技术?朱明善?林兆庄?刘颖?等?工程热力学?北京?清华大学出版社?暖通空调?年第?卷第?期?技术交流