漸縮型混合室引射式低壓加熱器的特性分析

冉景煜, 劉志華, 吳偉弟

(1.重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室,重慶400030;2.重慶大學(xué)動力工程學(xué)院,重慶400030;3.安徽省電力設(shè)計院,合肥230601)

引射混合式低壓加熱器是利用射流的紊動、擴(kuò)散和卷吸作用傳遞能量、動量和質(zhì)量的流體機(jī)械[1],是充分利用蒸汽潛熱實現(xiàn)蒸汽混合加熱的設(shè)備.由于其采取汽液兩相流體直接混合的加熱方式,它的傳熱系數(shù)較大,同時通過自身內(nèi)部流道的變化實現(xiàn)升壓,所以升壓過程不需要外界動力和復(fù)雜的控制系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動部件、運(yùn)行維護(hù)費用相對較低、安全性和可靠性較高等優(yōu)點,目前在供暖、電力、制冷、石油化工等能源行業(yè)中均有較為廣泛的應(yīng)用[2].

國內(nèi)外很多科研工作者對引射器進(jìn)行了深入的理論和實驗研究,對引射器結(jié)構(gòu)組成[3]、工作特性和效率[4-5]等研究拓展了其工程適用范圍.但是,目前針對引射混合式低壓加熱器替代火電廠回?zé)嵯到y(tǒng)低壓加熱器的研究大多局限在理論探討和實驗驗證階段[6-9],可行性研究大多以滿足加熱效率和出口參數(shù)為依據(jù).但是,傳統(tǒng)引射式加熱器由于受結(jié)構(gòu)尺寸的限制,因此圓柱型混合室不能很長,使得汽液混合不理想,在頻繁變工況運(yùn)行中可能導(dǎo)致加熱性能惡化.以前,科研工作者曾對可調(diào)式引射器進(jìn)行過研究,但是由此增加了運(yùn)動部件而導(dǎo)致引射式加熱器穩(wěn)定性和密封性變差,反而降低了效率,因此不適合工程應(yīng)用.目前,尚未有科研工作者通過改變混合室結(jié)構(gòu)來提高其變工況匹配能力和降低損失的有關(guān)報道,因而圓柱型混合室的缺點仍然不能得到解決.基于過去科研工作者對引射器研究分析的局限性,筆者提出一種帶有漸縮型混合室的引射式低壓加熱器,并通過理論計算對所提出的漸縮型混合室引射式低壓加熱器進(jìn)行分析,建立了加熱器升壓和加熱性能的計算表達(dá)式,并確定入口參數(shù)變化和喉部面積對加熱器加熱和升壓性能的影響.

1 漸縮型混合室引射式加熱器的結(jié)構(gòu)與工作原理

漸縮型混合室引射加熱器是一種汽液直接接觸的換熱器.它通過高速水流引射亞音速蒸汽流使蒸汽在混合室內(nèi)快速、完全凝結(jié).漸縮型混合室引射加熱器由水噴嘴、蒸汽通道、漸縮型混合室以及擴(kuò)壓段等部件組成.圖1為漸縮型混合室引射式加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 漸縮型混合室引射式加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of the ejector heater with tapered mixing chamber

從圖1可知:高壓水通過1個漸縮噴嘴初步加速,在截面1-1噴嘴出口周圍產(chǎn)生負(fù)壓,達(dá)到引射蒸汽的目的.蒸汽可以不需任何加速過程直接經(jīng)蒸汽通道進(jìn)入,高速水流與被引射的蒸汽在截面1-1和截面2-2間的漸縮型混合室中直接接觸混合.由于高壓水射流的紊動與擴(kuò)散作用,射流表面波的振幅不斷增大,高壓水射流被從邊界表面向里逐漸被剪切分散形成液滴.高速運(yùn)動的水滴被分散在蒸汽中,并與蒸汽分子沖擊和碰撞把部分動能傳給蒸汽,同時也吸收蒸汽的潛熱使之凝結(jié),汽、液兩相流的體積縮小.可見,若要保持流體速度,就要求1-1至2-2的截面積逐漸收縮.采用漸縮型混合室可以免去調(diào)節(jié)工作噴嘴與混合室之間的最佳距離,并能夠更好適應(yīng)引射式加熱器入口參數(shù)的變化.

經(jīng)過噴嘴加速并流過蒸汽通道后的兩相流為亞音速流動,并在截面2-2處不會形成凝結(jié)激波區(qū)域.兩相流體完全混合后形成的單相流體在截面2-2至截面3-3間的擴(kuò)壓室中進(jìn)行減速升壓.

2 漸縮型混合室引射式加熱器的數(shù)學(xué)模型

2.1 高壓水噴嘴

漸縮型混合室引射式加熱器采用高壓水源作為工作介質(zhì),水噴嘴布置在引射式加熱器的中心軸線位置,水為不可壓縮流體,由伯努利方程推導(dǎo)得:

式中:p為壓力,Pa;v為流速,m/s;z為引射器的安裝高度,m;g為重力加速度,m/s2;ρ為密度,kg/m3;下角標(biāo)數(shù)字為圖1所示的各個截面,其中0為入口,s為蒸汽,w為高壓水源;水流的沿程和局部阻力損失則水噴嘴出口流速為:

式中:A為面積,m2;CD為阻力系數(shù).

噴嘴出口面積由入水流量和出口流速決定:

式中:G為質(zhì)量流量,kg/s.

2.2 蒸汽通道

漸縮型混合室引射式低壓加熱器主要是為替代電廠的表面式低壓加熱器而設(shè)計的.為獲得較高的出口溫度和較好的加熱性能,在設(shè)計中將蒸汽通道環(huán)周布置在水噴嘴四周,不采用縮放型噴嘴對蒸汽進(jìn)行加速,以減少蒸汽通道內(nèi)的蒸汽因流動造成的能量損失.假設(shè)蒸汽通道內(nèi)無能量損失,則蒸汽流道出口截面參數(shù)與進(jìn)口參數(shù)一致,其蒸汽流量為:

2.3 漸縮型混合室

在漸縮型混合室內(nèi),蒸汽與高壓水源兩相流體直接接觸,產(chǎn)生由溫度梯度、壓力梯度和速度梯度引起的質(zhì)量、能量以及動量的交換.在流動過程中,隨著蒸汽的不斷凝結(jié),其體積流量沿混合室的軸線方向逐漸減小.為便于研究,筆者依據(jù)索科洛夫分析法[13]做以下假設(shè):混合室內(nèi)的流動為一維穩(wěn)定流動過程,無徑向壓力和速度梯度,且壁面絕熱,無壁面摩擦.

質(zhì)量守恒方程:

動量方程:

式中:最后一項是壁面反作用力的沖量,其中k為速度修正系數(shù);β為混合室形成線與引射器軸線之間的夾角;p(n?x)為混合室內(nèi)坐標(biāo);x為壓力的軸向分量;r(x)為混合室內(nèi)坐標(biāo)x處截面半徑.

混合室入口面積:

由于兩相流體在接觸前均處于亞音速流動,故在漸縮型混合室出口截面2-2附近不存在凝結(jié)激波區(qū)域,因此對混合室喉部即漸縮型混合室出口面積A2處有如下假設(shè):假設(shè)在A2處兩相流體恰好達(dá)到完全混合,則根據(jù)連續(xù)性方程有:

水噴嘴出口的流束速度場均勻,噴出的流束邊界上一部分工作流體和被引射的部分介質(zhì)一起形成紊流邊界層,邊界層的厚度沿流動方向逐漸增大.流束的內(nèi)部壓力是一個常數(shù),自由流束的流動就在這樣的常壓中進(jìn)行.水噴嘴在混合室入口處,因此可以根據(jù)最佳的喉嘴距確定混合室的長度,混合室的長度不超過在計算的引射系數(shù)下自由流束的終截面與混合室出口截面相等時的流束長.設(shè)計的引射系數(shù),則

式中:lc為混合室入口到流速接觸混合室壁面處的距離;α為實驗常數(shù),取為0.07～0.09;d為各截面處的直徑.

由于混合室內(nèi)兩相流為亞音速,因此l2要相應(yīng)地取較長距離,使進(jìn)入擴(kuò)壓段時為單相水,則漸縮型混合室的長度為:

式中:lh為漸縮型混合室的長度;l2為流速接觸混合室壁面后到喉口的距離,取為(0～10)d2.

2.4 擴(kuò)壓段

擴(kuò)壓管內(nèi)流體減速增壓,出口壓力為:

式中:φk為擴(kuò)壓段速度系數(shù),取為0.92.擴(kuò)壓段的長度根據(jù)8°～10°的擴(kuò)張角按下式確定:

2.5 加熱器整體加熱和升壓數(shù)學(xué)模型

加熱器入口與出口之間的流體為一個開口系統(tǒng),進(jìn)入系統(tǒng)的總能量為入口水和蒸汽的熱力學(xué)能和動能,出口為完全混合后單相水的能量,根據(jù)能量守恒可得:

式中:h為焓值,kJ/kg.ΔE為兩相混合過程的動能損失,J.

由式(13)和式(14)可得到出口焓值:

聯(lián)立式(6)與式(11)可得到出口壓力與初參數(shù)和喉部面積之間的關(guān)系式:

3 加熱器的性能分析

利用前文推導(dǎo)的漸縮型混合室引射式加熱器數(shù)學(xué)模型,筆者計算和分析了入口參數(shù)和喉部直徑等因素對引射器出口加熱和升壓特性的影響,并將出口水溫和試驗結(jié)果進(jìn)行了比較.引射式加熱器的具體尺寸為:工作噴嘴出口直徑為3 mm,漸縮型混合室出口直徑為7 mm.理論計算的入水參數(shù)壓力為0.2～0.75 MPa、水溫為20℃;蒸汽滯止壓力為0.2 MPa,溫度為121℃.

3.1 入水壓力與出口溫度的關(guān)系

圖2為入水溫度為20℃、不同蒸汽壓力下加熱器入水壓力與出口溫度的關(guān)系.從圖2可知:當(dāng)加熱器入水壓力增大時,出口溫度降低并逐漸趨緩.在實際運(yùn)行中,引射蒸汽量主要受到流通管道的影響(一般飽和蒸汽在管內(nèi)的設(shè)計流速不超過60 m/s),而受入水壓力的影響并不顯著.因此,入水壓力增大,耗水量增加,出口水溫必然下降.由于入水壓力與耗水量為二次多項式關(guān)系,如果入水壓力繼續(xù)增大,耗水量增加則逐漸趨緩,進(jìn)而加熱器的出口溫度也降低并逐漸趨緩.從圖2中還可以看出:在不同工況下,試驗值與計算值的趨勢基本一致,但試驗值要比計算值低,這是由于在實驗中設(shè)備和管道的散熱以及入水帶入部分的不凝結(jié)氣體造成的.在入水壓力較低時,試驗值與計算值相差較大,主要是因為在一定的蒸汽壓力下,入水壓力較小時加熱器的入水流速較低,汽液兩相摻混強(qiáng)度減弱,造成部分未凝結(jié)蒸汽直接從加熱器出口排出,最終導(dǎo)致加熱器性能惡化和效率降低.

圖2 加熱器入水壓力與出口溫度的關(guān)系Fig.2 Relationships between inlet water pressure and outlet temperature in heater

3.2 入水壓力與出口壓力的關(guān)系

圖3為在蒸汽壓力不變工況下(0.2 MPa),漸縮型混合室引射式加熱器入水壓力與出口水壓的關(guān)系.從圖3可知:隨著入水壓力的增大,加熱器的出口壓力增大,并逐漸趨緩.根據(jù)管道阻力特性方程h=SG2,管道阻力損失等于管道阻力與流量的平方之積,入口水壓與加熱器入水流量為二次多項式的關(guān)系.因此,隨著入口壓力的增加,噴嘴水流量增大,噴嘴阻力損失增大,加熱器出口壓力上升逐漸趨緩.從圖3還發(fā)現(xiàn):在蒸汽管道流通特性允許下,蒸汽流量增加,出口壓力也增大,但影響并不顯著.這主要因為蒸汽流量增加,進(jìn)入混合室的蒸汽速度加快,使得混合室喉部流速加快,出口壓力增大.由于蒸汽在出混合室之前已全部凝結(jié)成水,體積突然發(fā)生變化,因此混合室喉部的速度增加并不顯著.

圖3 加熱器入水壓力與出口水壓的關(guān)系Fig.3 Relationships between inlet and outlet pressure of water in heater

3.3 蒸汽壓力與出口水溫的關(guān)系

圖4為入水溫度在20℃、在不同入水壓力下,加熱器蒸汽壓力與出口水溫度的關(guān)系.從圖4可知:隨著蒸汽壓力的增大,加熱器的出口水溫也升高.在實際運(yùn)行中,蒸汽壓力增大能強(qiáng)化加熱器的引射能力和兩相流體的摻混強(qiáng)度,即加熱器的引射系數(shù)增大(理論計算中采用與試驗中相同蒸汽壓力下的引射系數(shù)值).因此,在不同的入水壓力下,出口水溫隨著蒸汽壓力的增大而升高.由于試驗中設(shè)備和管道散熱的原因而使得試驗值比計算值略低.從圖4還可以看出:隨著入水壓力的增大,出口水溫曲線的斜率減小.這是因為在入水壓力較大時,蒸汽壓力的升高對強(qiáng)化加熱器內(nèi)兩相流之間的摻混作用不明顯,因而使得引射系數(shù)增大的幅度變小,所以出口水溫升高速度趨緩.

圖4 加熱器蒸汽壓力與出口水溫的關(guān)系Fig.4 Relationships between steam pressure and outlet temperature in heater

3.4 蒸汽壓力與出口壓力的關(guān)系

在加熱器的實際運(yùn)行中,蒸汽壓力的提高會使引射系數(shù)增大.但從圖3可以看出:蒸汽流量對加熱器出口壓力影響不大,所以此處筆者采用在蒸汽流量不變的工況下進(jìn)行簡化計算.圖5為當(dāng)pw=0.65 MPa、Gw=0.25 kg/s和 pw=0.45 MPa、Gw=0.19 kg/s時,在蒸汽流量不變工況下,加熱器蒸汽壓力與出口壓力的關(guān)系.在相同飽和蒸汽和入水流量下,增大蒸汽壓力,加熱器出口壓力有上升的趨勢.蒸汽壓力的提高使得進(jìn)入混合室的驅(qū)動力增大,蒸汽流速也增大,強(qiáng)化了混合室喉部前兩相流的摻混過程,因而使喉部出口處的壓力增大.但是,蒸汽壓力的提高使得漸縮型混合室內(nèi)的壓力升高,壁面反作用力也增大.根據(jù)前面推導(dǎo)的升壓模型可知:壁面反作用力對加熱器出口壓力有負(fù)面影響,因此當(dāng)蒸汽壓力繼續(xù)增大時,加熱器的升壓性能會受到限制.從圖5還可以看出:隨著入水壓力的升高,加熱器出口壓力也增大,與圖4中所顯示的結(jié)論一致.

圖5 加熱器蒸汽壓力與出口壓力的關(guān)系Fig.5 Relationships between steam pressure and outlet pressure in heater

3.5 喉部直徑與出口壓力的關(guān)系

引射式加熱器在混合室喉部產(chǎn)生的流動阻力由于速度較低,無凝結(jié)激波,在兩相流中的蒸汽迅速凝結(jié),壓力實現(xiàn)突變,因此喉部尺寸對出口壓力必然產(chǎn)生顯著影響.

圖6為混合室喉部直徑與出口水壓的關(guān)系.從圖6可以看出:在相同的蒸汽壓力下,減小混合室喉部截面積能夠提高加熱器的升壓能力.這是由于當(dāng)喉部截面積減小時,兩相的流速加快,因而強(qiáng)化了升壓性能.從圖6還可以看出:d2=5 mm的出口壓力曲線各點斜率比d2=7 mm時的大.在相同的入水壓力變化下,小的喉部面積將導(dǎo)致出口壓力產(chǎn)生較大的波動,所以在強(qiáng)化加熱器升壓能力時應(yīng)考慮喉部截面的影響.但是,當(dāng)喉部截面積過大時,由于射流流束在出混合室前未與漸縮面接觸,因而會影響混合室內(nèi)真空的形成以及會影響加熱器動態(tài)加熱特性.所以,在追求良好的變工況和加熱性能時,應(yīng)考慮取用適當(dāng)?shù)暮聿恐睆?以降低出口水壓的波動來達(dá)到穩(wěn)定的出水參數(shù).

圖6 加熱器混合室喉部直徑與出口水壓的關(guān)系Fig.6 Relationships between throat size of mixing chamber and outlet pressure in heater

4 結(jié) 論

(1)在蒸汽壓力不變的工況下,入水壓力對引射蒸汽量影響不大.隨著入水壓力的增大,加熱器出口溫度降低,出口壓力升高并逐漸趨緩.

(2)在入水參數(shù)不變的工況下,增大蒸汽壓力,加熱器引射系數(shù)增大,出口溫度呈上升趨勢;蒸汽流量對出口壓力影響不大,在蒸汽流量不變時,增大蒸汽壓力,則出口壓力升高.

(3)增大混合室喉部截面積可以降低出口壓力隨入口參數(shù)變化的波動,有利于提高加熱器變工況運(yùn)行下加熱性能和實際運(yùn)行的穩(wěn)定性.

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