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    動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵設(shè)計(jì)研究

    2021-06-17 08:04:02任建波張令品謝春剛
    鹽科學(xué)與化工 2021年5期
    關(guān)鍵詞:噴射泵針閥蒸汽

    任建波,李 強(qiáng),苗 超,張令品,謝春剛

    (自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192)

    蒸汽噴射泵是多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)中調(diào)節(jié)負(fù)荷、提高造水比、節(jié)約動(dòng)力蒸汽和降低運(yùn)營成本的核心設(shè)備。然而,傳統(tǒng)的固定結(jié)構(gòu)的蒸汽噴射泵工作蒸汽壓力、流量的調(diào)節(jié)變化范圍很小,必須在一定的范圍內(nèi)才能正常工作,否則蒸汽噴射泵的工作效率將會(huì)極大降低,甚至不能工作。

    為改善蒸汽噴射泵可調(diào)節(jié)性能,國內(nèi)外研究人員對蒸汽噴射泵的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的探索研究。Wang等研究了噴嘴出口軸向位置(NXP)和面積比(AR)對噴射泵性能的影響,數(shù)值模擬結(jié)果表明,兩種可調(diào)節(jié)噴射泵的性能優(yōu)于固定結(jié)構(gòu)噴射泵[1]。Pei等研究了以氫氣為工作流體的寬工作范圍噴射器,結(jié)果表明最佳徑比取值范圍為3.00~3.54,較低的徑比有利于擴(kuò)大操作范圍[2]。Gu等提出了一種通過在主噴嘴中安裝主軸來調(diào)節(jié)面積比的噴射泵,與傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)噴射泵相比,平均引射系數(shù)提高1倍以上[3]。

    雖然許多噴射泵在研究中具有良好的性能,但大多研究都是假設(shè)噴射泵在設(shè)計(jì)工況下工作的?;诖?,設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵,采用數(shù)值模擬的方法研究了變工況條件下蒸汽噴射泵的適應(yīng)性。

    1 動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵設(shè)計(jì)

    為滿足蒸汽噴射泵在工作蒸汽壓力變化工況下穩(wěn)定工作的要求,設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。與傳統(tǒng)蒸汽噴射泵相比,動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵在噴嘴入口處設(shè)置有針閥。針閥及其連桿由活動(dòng)軸和套筒結(jié)構(gòu)固定,前后運(yùn)動(dòng)由彈簧控制。套筒由三個(gè)支撐板固定,支撐板連接在噴嘴的內(nèi)壁上。

    圖1 動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵結(jié)構(gòu)圖

    噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)工作蒸汽壓力升高時(shí),工作蒸汽推動(dòng)針閥的后部,彈簧發(fā)生軸向變形,使針閥朝著噴嘴喉部移動(dòng),導(dǎo)致噴嘴喉部面積減小。當(dāng)蒸汽噴射泵的工作蒸汽壓力降低時(shí),彈簧力減小,針閥向后移動(dòng),噴嘴喉部面積增大。根據(jù)這一原理,蒸汽噴射泵的喉部面積比可以根據(jù)工作蒸汽的壓力變化自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié),以適應(yīng)工作蒸汽壓力的波動(dòng)。針閥的向前和向后移動(dòng)由ΔL表示。當(dāng)針閥位于噴嘴喉部時(shí),ΔL定義為0,向右移動(dòng)定義為正。蒸汽噴射泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。針閥內(nèi)角為9.5°,初始位置設(shè)置為0。

    圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)圖

    表1 噴射泵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

    2 動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵動(dòng)力學(xué)模型

    2.1 網(wǎng)格劃分

    Navid等分別基于二維軸對稱和三維方法建立了傳統(tǒng)蒸汽噴射泵的計(jì)算模型[4],仿真結(jié)果表明,采用二維軸對稱模型得到的結(jié)果與整個(gè)三維模型的結(jié)果相似?;诖耍恼虏捎枚S軸對稱模型進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)保證相對較高的計(jì)算精度。

    圖3是所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵計(jì)算域網(wǎng)格的示意圖。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用ICEM軟件實(shí)現(xiàn)了四邊形網(wǎng)格的區(qū)域劃分。經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證,綜合考慮計(jì)算資源消耗和計(jì)算時(shí)間,計(jì)算精度能夠滿足準(zhǔn)確反映噴射泵內(nèi)部流場的計(jì)算要求。最終模型的網(wǎng)格數(shù)約為40 000個(gè)。

    圖3 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

    2.2 數(shù)值計(jì)算模型

    為簡化求解過程,文章做出以下假設(shè):(1)蒸汽噴射泵中的流體為理想氣體;(2)蒸汽噴射泵的內(nèi)壁為絕熱邊界;(3)蒸汽噴射泵內(nèi)部是一個(gè)等熵過程;(4)工作蒸汽為過熱蒸汽;(5)流體的混合過程在混合室中完成。

    2.3 邊界條件設(shè)置

    蒸汽噴射泵工作蒸汽入口和引射蒸汽入口的邊界類型設(shè)置為“壓力入口”,噴射泵出口設(shè)置為“壓力出口”。在求解控制方程和湍流模型的過程中,采用二階迎風(fēng)對對流項(xiàng)進(jìn)行離散,采用SIMPLEC算法計(jì)算壓力場。模擬過程中,當(dāng)所有方程的殘差小于10-7且計(jì)算的質(zhì)量流量滿足質(zhì)量守恒方程時(shí),計(jì)算被認(rèn)為收斂并結(jié)束。

    3 結(jié)果與討論

    為了研究動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵在系統(tǒng)變工況下的性能,擬合AR與針閥前后運(yùn)動(dòng)的函數(shù)關(guān)系:

    y=0.309 2x2-1.812 2x+8.895 5

    (1)

    根據(jù)彈簧彈性系數(shù)和虎克定律,彈簧的力與變形值(伸長或壓縮)在彈性極限內(nèi)成正比,公式:

    F=k·ΔL

    (2)

    由此可得出彈簧彈性系數(shù)k與噴射泵工作蒸汽壓力及AR之間的關(guān)系,從而可由下式得出選擇彈簧彈性系數(shù)的依據(jù)。

    (3)

    3.1 工作蒸汽壓力的影響

    工作蒸汽壓力對引射系數(shù)的影響如圖4所示。當(dāng)引射蒸汽壓力為104Pa、噴射泵出口壓力為3.5×104Pa時(shí),工作蒸汽壓力壓力由2.5×105Pa逐漸增加到4×105Pa。

    圖4 工作蒸汽壓力對引射系數(shù)的影響

    由圖4看出,工作蒸汽壓力對蒸汽噴射泵性能有很大影響。當(dāng)工作蒸汽壓力小于3×105Pa時(shí),采用較小壓力可以獲得較高引射系數(shù)。隨著工作蒸汽壓力的增大,大流量蒸汽噴射泵的性能逐漸提高。這一現(xiàn)象與蒸汽噴射泵的實(shí)際運(yùn)行情況是一致的。隨著工作蒸汽壓力的增加,流體對彈簧施加向右的推力,推動(dòng)針閥向右移動(dòng),從而增大工作蒸汽流量。在此過程中,蒸汽噴射泵的性能始終可以保持在較高的水平。動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵工作蒸汽壓力變化時(shí),引射系數(shù)先增大后減小。

    3.2 與傳統(tǒng)噴射泵的比較

    對動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵與傳統(tǒng)蒸汽噴射泵在變工況下的性能進(jìn)行比較。針閥的位置和面積比隨著工作蒸汽壓力的增加而變化如圖5所示。從圖5可以看出,隨著工作蒸汽壓力的增加,針閥移動(dòng)距離呈線性變化,面積比呈指數(shù)下降。

    圖5 工作蒸汽壓力對噴嘴位置和面積比的影響

    將動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵與傳統(tǒng)蒸汽噴射泵設(shè)置相同的邊界條件(噴射泵出口壓力3.5×105Pa,引射蒸汽壓力1×105Pa,工作蒸汽壓力范圍2.5×105Pa~4×105Pa),對比結(jié)果如圖6所示。

    圖6 動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵與傳統(tǒng)蒸汽噴射泵對比

    結(jié)果表明,動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵的引射系數(shù)在1.1~1.2的小范圍內(nèi)變化,而傳統(tǒng)蒸汽噴射泵的引射系數(shù)在低壓范圍內(nèi)由1降至0.7。主要原因是AR隨工作蒸汽壓力降低而增大時(shí),針閥使噴射泵保持相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)。動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵的平均引射系數(shù)為1.14,而傳統(tǒng)蒸汽噴射泵的平均引射系數(shù)為0.84。因此,在工作蒸汽波動(dòng)的工況下,動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵的性能和穩(wěn)定性均優(yōu)于傳統(tǒng)蒸汽噴射泵。

    4 結(jié)論

    文章提出了一種動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵,在工作蒸汽波動(dòng)的工況下,蒸汽噴射泵噴嘴喉部區(qū)域通過針閥的前后移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)更好的性能。

    1)動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵的面積比與工作蒸汽壓力波動(dòng)相適應(yīng)。隨著工作蒸汽壓力的增加,面積比值隨著針閥正向移動(dòng)而減小。相反,當(dāng)工作蒸汽壓力降低時(shí),面積比值隨著針閥反向移動(dòng)而增大。在此過程中,蒸汽噴射泵始終可以保持在高性能工作區(qū)域。

    2)工作蒸汽壓力在2.5 ×105Pa~4 ×105Pa范圍內(nèi)波動(dòng)的工況下,動(dòng)態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵的平均引射系數(shù)為1.14,而傳統(tǒng)引射泵的平均引射系數(shù)為0.84,引射系數(shù)提高約1.6倍。

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