蒸汽喷射器热力设计

文章编号 : 　1005—0329 (2009) 04—0022—03 蒸汽喷射器热力设计 丁学俊 ,张云波 (华中科技大学 ,湖北武汉 　430074) 摘 　要 : 　对蒸汽喷射器内工质的工作原理进行了分析 ,建立了蒸汽喷射器的设计计算的简化数学模型 ,并通过计算获 得蒸汽喷射器的一些重要几何参数 ,从而为蒸汽喷射器的设计提供一种较为简捷的方法。 关键词 : 　蒸汽喷射器 ;设计计算 ;数学模型 中图分类号 : 　TB75　　　　文献标识码 : 　A Therma l D esign of Steam Jet Ejector D ING Xue2jun, ZHANG Yun2bo (Huazhong University of Science and Technology, W uhan 430074, China) Abstract:　The working p rincip le of fluid in steam jet ejector was introduced and it was exp lained the p rocess, then structure an simp le mathematical model for designing a steam jet ejector. Through solving the model, we could acquire some important dimen2 sions. Finally, p rovide a simp ler method for designing a steam jet ejector. Key words:　steam jet ejector; design; mathematical model 符 　　号 Pde ———缩放喷管出口压力 , Pa Ps ———被吸气体的初始压力 , Pa Pp ———工作蒸汽的初始压力 , Pa Ld ———缩放喷管长 , m ω ———质量流量比 cde ———缩放喷管出口速度 , m / s cne ———喷嘴出口速度 , m / s c1 ———1点处的速度 , m / s T1 ———1点处的温度 , K P0, 1 ———1点处混合蒸汽的滞止压力 , Pa T0, 1 ———1点处混合蒸汽的滞止温度 , K P0, s ———工作蒸汽的滞止压力 , Pa D d, x ———距离为 x处的管径 , m T0, p ———工作蒸汽的滞止温度 , K T0, s ———被吸气体的滞止温度 , K cs ———被吸气体初始速度 , m / s γ———绝热指数 C———常数 Cp ———定压比容 M 0 ———动量 m p ———工作蒸汽的质量流量 , kg/ s m s ———被吸气体的质量流量 , kg/ s ρ———密度 , kg/m3 γ———绝热指数 M a———马赫数 R ———常用气体常数 , kJ / ( kg·K) x———缩放喷管的轴向距离 1　前言 蒸汽喷射器是以蒸汽为动力实现抽气、压缩 气体等作用的工程器件 ,它不用电力 ,没有移动与 转动机件 ,结构简单 ,工作可靠 ,故被广泛地运用 在能源电力、空调制冷和石油化工等工程领域。 蒸汽喷射器的参数尺寸直接影响它在工作运行中 的状态。用传统的计算的方法设计蒸汽喷射器 时 ,多数需要进行手工查阅焓熵图 (H - S图 )得到 各个状态的焓值 ,并根据繁冗复杂的经验公式试 算得出结果 ,而且往往计算出的结果也只能是近 似值。此外 ,用传统的蒸汽喷射器的设计计算方 法得出的模型 ,存在一个不足之处 :它不可避免 收稿日期 : 　2008—11—13 22 　　　　　　　　　　　　　　FLU ID MACH INERY　　　　　　　　　　　Vol137, No14, 2009 地会产生强烈的激波现象 ,使得静压突升 ,流速突 降 ,导致总压降低 ,从而使得压缩比 Pde / Ps减 小 [ 1 ] ,蒸汽喷射器的加压效果降低。假若能有一 种蒸汽喷射器的设计方法能使激波带来的压损降 至最低 ,则将会带来很好的工程效益。 2　蒸汽喷射器的工作原理 图 1为蒸汽喷射器的基本结构和工作原理。 工作蒸汽在工作喷嘴中膨胀形成高速射流 ,在混 合室前段形成低压并引射低压的引射蒸汽 ,引射 蒸汽在工作蒸汽的作用下加速 ,之后两股流体混 合形成单一均匀的混合蒸汽 ,经过扩散段的减速 升压作用 ,提高引射蒸汽的压力和温度。从图 1 可以看出由传统的方法设计出的蒸汽喷射器 ,在 a点产生激波 ,静压突升 ,而工质流速从超音速突 降至亚音速 ,从而导致了由机械能向热能的不可 逆转化 ,这样使得出口压力 Pde降低 ,从而压缩比 Pde / Ps减小。 图 1　传统蒸汽喷射器结构 根据激波产生的原理 ,超音速的汽流在流通 渐缩管径时 ,速度进一步增大 ,位于前面的汽流由 于壁面的限制 ,流动不能得到很好的传播 ,蒸汽流 来不急传输到远处 ,后面的超音速汽流又涌上前 来 ,这样叠加起来产生的扰动。特别是当流通尖 锐的转角面时 (如图 1中 B段与 C段的交接面 ) , 蒸汽流的传输就更为困难 ,扰动更大 ,激波强度也 更大 ,导致了总压降损失较大。所以 ,尽量寻找一 个设计方法 ,使得激波现象能弱化。如果动量能 够等量地过渡传递 ,那么叠加的扰动就会很小 ,激 波的强度也能大大降低 ,总压损也将降至最低。 所以本文介绍的等动量变化的传输模型 ,就是基 于这种思想建立的。通过解算此模型可以得到较 为缓和的过渡型曲面 (如图 2的 Ld 段 ) ,等动量变 化的传输模型能弱化激波产生的影响 ,使得压损 降至最低 ,从而提高 Pde / Ps ,达到更好的经济效 益。 3　等动量变化模型 3. 1　数学模型的建立 建立等动量变化模型可以弱化激波产生的后 果 ,使得当混合蒸汽通过缩放喷管时动量等速率 地缓慢过渡 ,使得总压损降至最低 ,从而提高了出 口压力值 ,使得 Pde / Ps达到较大值 ,提高了喷射器 的效率。 图 2　喷射器等动量变化模型结构 数学模型表示为 : C = dM 0 dx =m p (1 +ω) dcdx (1) 其中 ω = m s m p 为研究问题方便 ,在建立喷射器设计的简化 计算数学模型前 ,做如下假设 : (1)工作蒸汽和被抽吸气体具有相同的比重 和比热容 ; (2)喷射器内的流动的工质看成是理想气 体 ; (3)工质在喷射器内的流动是一维稳态绝热 流动 ,工作蒸汽在工作喷嘴内的流动是一个等熵 膨胀过程 ,工作蒸汽与被抽吸气体的混合物在扩 压管内的流动是一个等熵压缩过程 ; (4)假设蒸汽在 x = 0处开始被压缩 ,在此之 前两股蒸汽充分混合。 运用边界条件 : 在 x = 0处 : cd, x = c1 ; 在 x =Ld 处 : cd, x = cde; 322009年第 37卷第 4期 　　　　　　　　　　流 　体 　机 　械 　　　　　　　　　 代入式 (1)可得到 : cd, x = c1 - ( c1 - cde ) x Ld 　　0≤x≤Ld (2) Ld 可由经典的半经验公式计算得出 [ 2、3 ] : Ld =L1 +L2 (3) 在喷嘴的出口处 ,根据动量守恒可得 : c1 = cne +w cs 1 +w (4) 在缩放喷管的入口处 ,根据能量守恒可得 : T0, 1 = T0, p +w T0, s 1 +w (5) 根据以上的假设 ,在缩放喷管入口处的温度 可由滞止温度得出 : T1 = T0, 1 - c1 2 2Cp (6) 根据绝热过程的性质可得 : P0, 1 = Pne ( T0, 1 T1 ) γ γ- 1 (7) 理想的情况下 ,喷嘴出口处的压力可由滞止 压力与初始速度得出 : Pne = P0, s - ( ρs cs 2 2 ) (8) 由式 (7)和式 (8) ,不难得出在缩放喷管的任 一距离 x处的温度和压力值 : Tx = T0, 1 - c 2 d, x 2Cp (9) Px = P0, 1 ( Tx T0, 1 ) γ γ - 1 (10) 联立式 (2) ～ ( 10 ) ,解出缩放喷管的任一距 离 x处的截面直径 : Dd, x = 2 ( m p (1 +w ) R Tx πPx cd, x ) 1 /2 (11) 解算此数学模型的方法比较简单 ,只需将已 知条件代入 (2) ～ (11)即可得到缩放喷管的各个 截面处的直径。 3. 2　与传统方法比较 与传统方法相比 ,等动量变化模型的计算方 法具有如下优点 : (1) 不需要手工查 H - S图 ,不需要联立大 量烦琐的经验公式 ,从而可减少误差。 (2) 可以弱化激波带来的压损 ,从而能使压 缩比达到喷射器的最好状态。 (3)等动量变化模型较为简单 ,而且易于解 算。 4　具体算例 4. 1　相关参数 工作蒸汽参数 : P0, p = 1. 98 ×105 Pa, T0, p = 393K, m p = 1 ×10 - 3 kg/ s 引射蒸汽参数 : p0, s = 872Pa, T0, s = 278K 质量流量比 : w = 0. 42 气体常数 : R = 462J / ( kg·K) 绝热指数 :γ= 1. 3 引射蒸汽在 X = 0处 : c1 = 50m / s;混合蒸汽在 x =Ld 处 : cde = 50m / s。 4. 2　计算结果 从两股蒸汽充分混合处开始计算管径 (图 2 从 x = 0处开始 )。将上述数学模型运用 MATLAB 可以很方便地得到解算 ,输入原始数据 ,即得出各 管径。同样 ,运用传统的经验方法计算管径 (图 1 从 C部分开始 )。计算的结果如图 3所示 ,通过 结果对比可以看到 ,计算值与经验值之间的误差 很小 (在 10%以内 ) [ 2 ] ,按该经验值设计的蒸汽喷 射器已用于实际工业中且取得了较好的应用效 果 [ 3 ] ,因此可以认为建立的数学模型是完全合理 的。而且在相同的质量流量比 ,和相同的初始状 态下 ,其出口压力值较传统模型计算出的出口压 力值提高了 43% ,从而提高了喷射器的效率。 图 3　传统的经验方法与等速率动量递增方法 计算结果的比较 5　结语 对蒸汽喷射器内流体工质的工作过程进行了 阐述 ,并对工质的压力进行了较为详细的分析。 (下转第 37页 ) 42 　　　　　　　　　　　　　　FLU ID MACH INERY　　　　　　　　　　　Vol137, No14, 2009 第二种统称为直接执行机构 ,如溢流式喷枪 , 气动旋转喷枪、喷头、各式二维和三维旋转喷头。 这里强调一种二维旋转喷头 ,它由多束射流构成 了旋转的切向力与法向打击力的复合作业 ,同时 又以反冲力推进喷头沿复杂的弯管自动行进。由 于喷头尺寸很小 ,所以非常适应高难度的管道清 洗作业 ,当然多束射流就要求有大流量与之匹配。 第三种则是前两种复合的执行机构 ,它自成 一体、独立作业 ,同时要求匹配大功率泵机组和其 它设备 (如真空泵机组等 ) ,如平面清洗器、爬壁 机器人混凝土破碎机等。它们的共同特点是将旋 转喷头置于一个真空腔内 ,实现作业面内的清洁 作业且无射流外泄 ,又屏蔽了噪声 ;不同点在于平 面清洗器可以自带动力行进也可以挂附车上行 进 ,其作业宽度在 300～2000mm 之间由功能确 定 ,专门应对水平平面作业 ;爬壁机器人则通过真 空或电磁吸附在平面自带动力行进 ,专门应对垂 直平面作业 ;破碎机则具备独立行走功能或连接 在工程车上行进 ,它实质上是旋转射流与往复运 动的复合 ,它的特殊摆臂既能应对水平平面 ,又能 应对垂直平面作业。 6　结语 对超高压大功率水射流成套设备作了系统的 剖析和总结。水射流技术在逐渐向高难度清洗、 除锈、除漆、混凝土破碎等工程应用转变 ,这就要 求设备具有以下几个特点 :高参数 (压力 250MPa、 流量 50L /m in,单机组功率 250kW 左右 ) ;与高参 数相应的高强度材料与新工艺、新结构设计 ;对大 型机组的 PLC自动化控制以及周边附件的成套 性 ,因为高参数水射流导致不能人工作业 ,必须设 计专业执行机构确保安全和高效率。这些先进的 技术特点已成为超高压水射流技术应用的先进标 志和发展方向。 参考文献 [ 1 ]　薛胜雄 ,陈正文 ,王永强 ,等. 超高压水射流除锈生 产线的设计及试验 [ J ]. 流体机械 , 2008, 36 ( 6) : 12 5. [ 2 ]　《往复泵设计 》编写组. 往复泵设计 [M ]. 北京 :机械 工业出版社 , 1987. [ 3 ]　薛胜雄 ,等. 高压水射流技术工程 [M ]. 合肥 :合肥 工业大学出版社 , 2006. 作者简介 :薛胜雄 ( 19572) ,男 ,博士 ,教授 ,主要从事高压水 射流技术的研究 ,通讯地址 : 230088安徽合肥市高新区天湖路 29 号合肥通用机械研究院。 (上接第 24页 ) 　　在此基础上建立了蒸汽喷射器设计计算的数 学模型 ,避免了工程中手工查表查图的烦琐工序 , 同时此模型还可以弱化激波产生的压损影响 ,使 得压缩比 Pde / Ps达到最佳的状态。通过解算模型 可以得到蒸汽喷射器设计中所需的一些尺寸参 数 ,为工程中蒸汽喷射器的设计计算提供了较为 简捷的方法。 参考文献 [ 1 ]　Keenan J H, Neumann E P. An investigation of jet - pump design by theory and experiment[ J ]. ASME J. App1. Mech. , 1950, 9: 2992309. [ 2 ]　索科洛夫 E R,津格尔 H M. 喷射器 [M ]. 北京 :科 学出版社 , 1977. [ 3 ] 　W u S, Worall M. An experimental investigation of steam jet2pump s for app lications in jet2pump refrigera2 tors powered by low2grade heat [ A ]. Proceedings of the IMechE[ C ]. Power and Energy, Proceedings A, vol. 213, issue A5, Professional Engineering Publica2 tions , pp. 3512361. [ 4 ]　张卓澄. 大型电站凝汽器 [M ]. 北京 :机械工业出版 社 , 1993. [ 5 ]　Sun D W , EamesW. Recent Developments in the De2 sign theories and App lications of ejectors—a review [ J ]. Inst energy, 1995, 68 (475) : 65279. [ 6 ]　杨世铭 , 陶文铨. 传热学 (第三版 ) [M ]. 北京 :高 等教育出版社 , 2001. 作者简介 :丁学俊 (19622) ,男 ,副教授 ,主要从事透平机械流 动、振动、火电厂热经济性分析与状态诊断的研究 ,通讯地址 : 430074湖北武汉市华中科技大学能源与动力工程学院。 732009年第 37卷第 4期 　　　　　　　　　　流 　体 　机 　械