渐缩型混合室引射式低压加热器的特性分析

冉景煜, 刘志华, 吴伟弟

(1.重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,重庆400030;2.重庆大学动力工程学院,重庆400030;3.安徽省电力设计院,合肥230601)

引射混合式低压加热器是利用射流的紊动、扩散和卷吸作用传递能量、动量和质量的流体机械[1],是充分利用蒸汽潜热实现蒸汽混合加热的设备.由于其采取汽液两相流体直接混合的加热方式,它的传热系数较大,同时通过自身内部流道的变化实现升压,所以升压过程不需要外界动力和复杂的控制系统,具有结构简单、无运动部件、运行维护费用相对较低、安全性和可靠性较高等优点,目前在供暖、电力、制冷、石油化工等能源行业中均有较为广泛的应用[2].

国内外很多科研工作者对引射器进行了深入的理论和实验研究,对引射器结构组成[3]、工作特性和效率[4-5]等研究拓展了其工程适用范围.但是,目前针对引射混合式低压加热器替代火电厂回热系统低压加热器的研究大多局限在理论探讨和实验验证阶段[6-9],可行性研究大多以满足加热效率和出口参数为依据.但是,传统引射式加热器由于受结构尺寸的限制,因此圆柱型混合室不能很长,使得汽液混合不理想,在频繁变工况运行中可能导致加热性能恶化.以前,科研工作者曾对可调式引射器进行过研究,但是由此增加了运动部件而导致引射式加热器稳定性和密封性变差,反而降低了效率,因此不适合工程应用.目前,尚未有科研工作者通过改变混合室结构来提高其变工况匹配能力和降低损失的有关报道,因而圆柱型混合室的缺点仍然不能得到解决.基于过去科研工作者对引射器研究分析的局限性,笔者提出一种带有渐缩型混合室的引射式低压加热器,并通过理论计算对所提出的渐缩型混合室引射式低压加热器进行分析,建立了加热器升压和加热性能的计算表达式,并确定入口参数变化和喉部面积对加热器加热和升压性能的影响.

1 渐缩型混合室引射式加热器的结构与工作原理

渐缩型混合室引射加热器是一种汽液直接接触的换热器.它通过高速水流引射亚音速蒸汽流使蒸汽在混合室内快速、完全凝结.渐缩型混合室引射加热器由水喷嘴、蒸汽通道、渐缩型混合室以及扩压段等部件组成.图1为渐缩型混合室引射式加热器的结构示意图.

图1 渐缩型混合室引射式加热器的结构示意图Fig.1 Structural diagram of the ejector heater with tapered mixing chamber

从图1可知:高压水通过1个渐缩喷嘴初步加速,在截面1-1喷嘴出口周围产生负压,达到引射蒸汽的目的.蒸汽可以不需任何加速过程直接经蒸汽通道进入,高速水流与被引射的蒸汽在截面1-1和截面2-2间的渐缩型混合室中直接接触混合.由于高压水射流的紊动与扩散作用,射流表面波的振幅不断增大,高压水射流被从边界表面向里逐渐被剪切分散形成液滴.高速运动的水滴被分散在蒸汽中,并与蒸汽分子冲击和碰撞把部分动能传给蒸汽,同时也吸收蒸汽的潜热使之凝结,汽、液两相流的体积缩小.可见,若要保持流体速度,就要求1-1至2-2的截面积逐渐收缩.采用渐缩型混合室可以免去调节工作喷嘴与混合室之间的最佳距离,并能够更好适应引射式加热器入口参数的变化.

经过喷嘴加速并流过蒸汽通道后的两相流为亚音速流动,并在截面2-2处不会形成凝结激波区域.两相流体完全混合后形成的单相流体在截面2-2至截面3-3间的扩压室中进行减速升压.

2 渐缩型混合室引射式加热器的数学模型

2.1 高压水喷嘴

渐缩型混合室引射式加热器采用高压水源作为工作介质,水喷嘴布置在引射式加热器的中心轴线位置,水为不可压缩流体,由伯努利方程推导得:

式中:p为压力,Pa;v为流速,m/s;z为引射器的安装高度,m;g为重力加速度,m/s2;ρ为密度,kg/m3;下角标数字为图1所示的各个截面,其中0为入口,s为蒸汽,w为高压水源;水流的沿程和局部阻力损失则水喷嘴出口流速为:

式中:A为面积,m2;CD为阻力系数.

喷嘴出口面积由入水流量和出口流速决定:

式中:G为质量流量,kg/s.

2.2 蒸汽通道

渐缩型混合室引射式低压加热器主要是为替代电厂的表面式低压加热器而设计的.为获得较高的出口温度和较好的加热性能,在设计中将蒸汽通道环周布置在水喷嘴四周,不采用缩放型喷嘴对蒸汽进行加速,以减少蒸汽通道内的蒸汽因流动造成的能量损失.假设蒸汽通道内无能量损失,则蒸汽流道出口截面参数与进口参数一致,其蒸汽流量为:

2.3 渐缩型混合室

在渐缩型混合室内,蒸汽与高压水源两相流体直接接触,产生由温度梯度、压力梯度和速度梯度引起的质量、能量以及动量的交换.在流动过程中,随着蒸汽的不断凝结,其体积流量沿混合室的轴线方向逐渐减小.为便于研究,笔者依据索科洛夫分析法[13]做以下假设:混合室内的流动为一维稳定流动过程,无径向压力和速度梯度,且壁面绝热,无壁面摩擦.

质量守恒方程:

动量方程:

式中:最后一项是壁面反作用力的冲量,其中k为速度修正系数;β为混合室形成线与引射器轴线之间的夹角;p(n◦x)为混合室内坐标;x为压力的轴向分量;r(x)为混合室内坐标x处截面半径.

混合室入口面积:

由于两相流体在接触前均处于亚音速流动,故在渐缩型混合室出口截面2-2附近不存在凝结激波区域,因此对混合室喉部即渐缩型混合室出口面积A2处有如下假设:假设在A2处两相流体恰好达到完全混合,则根据连续性方程有:

水喷嘴出口的流束速度场均匀,喷出的流束边界上一部分工作流体和被引射的部分介质一起形成紊流边界层,边界层的厚度沿流动方向逐渐增大.流束的内部压力是一个常数,自由流束的流动就在这样的常压中进行.水喷嘴在混合室入口处,因此可以根据最佳的喉嘴距确定混合室的长度,混合室的长度不超过在计算的引射系数下自由流束的终截面与混合室出口截面相等时的流束长.设计的引射系数,则

式中:lc为混合室入口到流速接触混合室壁面处的距离;α为实验常数,取为0.07～0.09;d为各截面处的直径.

由于混合室内两相流为亚音速,因此l2要相应地取较长距离,使进入扩压段时为单相水,则渐缩型混合室的长度为:

式中:lh为渐缩型混合室的长度;l2为流速接触混合室壁面后到喉口的距离,取为(0～10)d2.

2.4 扩压段

扩压管内流体减速增压,出口压力为:

式中:φk为扩压段速度系数,取为0.92.扩压段的长度根据8°～10°的扩张角按下式确定:

2.5 加热器整体加热和升压数学模型

加热器入口与出口之间的流体为一个开口系统,进入系统的总能量为入口水和蒸汽的热力学能和动能,出口为完全混合后单相水的能量,根据能量守恒可得:

式中:h为焓值,kJ/kg.ΔE为两相混合过程的动能损失,J.

由式(13)和式(14)可得到出口焓值:

联立式(6)与式(11)可得到出口压力与初参数和喉部面积之间的关系式:

3 加热器的性能分析

利用前文推导的渐缩型混合室引射式加热器数学模型,笔者计算和分析了入口参数和喉部直径等因素对引射器出口加热和升压特性的影响,并将出口水温和试验结果进行了比较.引射式加热器的具体尺寸为:工作喷嘴出口直径为3 mm,渐缩型混合室出口直径为7 mm.理论计算的入水参数压力为0.2～0.75 MPa、水温为20℃;蒸汽滞止压力为0.2 MPa,温度为121℃.

3.1 入水压力与出口温度的关系

图2为入水温度为20℃、不同蒸汽压力下加热器入水压力与出口温度的关系.从图2可知:当加热器入水压力增大时,出口温度降低并逐渐趋缓.在实际运行中,引射蒸汽量主要受到流通管道的影响(一般饱和蒸汽在管内的设计流速不超过60 m/s),而受入水压力的影响并不显著.因此,入水压力增大,耗水量增加,出口水温必然下降.由于入水压力与耗水量为二次多项式关系,如果入水压力继续增大,耗水量增加则逐渐趋缓,进而加热器的出口温度也降低并逐渐趋缓.从图2中还可以看出:在不同工况下,试验值与计算值的趋势基本一致,但试验值要比计算值低,这是由于在实验中设备和管道的散热以及入水带入部分的不凝结气体造成的.在入水压力较低时,试验值与计算值相差较大,主要是因为在一定的蒸汽压力下,入水压力较小时加热器的入水流速较低,汽液两相掺混强度减弱,造成部分未凝结蒸汽直接从加热器出口排出,最终导致加热器性能恶化和效率降低.

图2 加热器入水压力与出口温度的关系Fig.2 Relationships between inlet water pressure and outlet temperature in heater

3.2 入水压力与出口压力的关系

图3为在蒸汽压力不变工况下(0.2 MPa),渐缩型混合室引射式加热器入水压力与出口水压的关系.从图3可知:随着入水压力的增大,加热器的出口压力增大,并逐渐趋缓.根据管道阻力特性方程h=SG2,管道阻力损失等于管道阻力与流量的平方之积,入口水压与加热器入水流量为二次多项式的关系.因此,随着入口压力的增加,喷嘴水流量增大,喷嘴阻力损失增大,加热器出口压力上升逐渐趋缓.从图3还发现:在蒸汽管道流通特性允许下,蒸汽流量增加,出口压力也增大,但影响并不显著.这主要因为蒸汽流量增加,进入混合室的蒸汽速度加快,使得混合室喉部流速加快,出口压力增大.由于蒸汽在出混合室之前已全部凝结成水,体积突然发生变化,因此混合室喉部的速度增加并不显著.

图3 加热器入水压力与出口水压的关系Fig.3 Relationships between inlet and outlet pressure of water in heater

3.3 蒸汽压力与出口水温的关系

图4为入水温度在20℃、在不同入水压力下,加热器蒸汽压力与出口水温度的关系.从图4可知:随着蒸汽压力的增大,加热器的出口水温也升高.在实际运行中,蒸汽压力增大能强化加热器的引射能力和两相流体的掺混强度,即加热器的引射系数增大(理论计算中采用与试验中相同蒸汽压力下的引射系数值).因此,在不同的入水压力下,出口水温随着蒸汽压力的增大而升高.由于试验中设备和管道散热的原因而使得试验值比计算值略低.从图4还可以看出:随着入水压力的增大,出口水温曲线的斜率减小.这是因为在入水压力较大时,蒸汽压力的升高对强化加热器内两相流之间的掺混作用不明显,因而使得引射系数增大的幅度变小,所以出口水温升高速度趋缓.

图4 加热器蒸汽压力与出口水温的关系Fig.4 Relationships between steam pressure and outlet temperature in heater

3.4 蒸汽压力与出口压力的关系

在加热器的实际运行中,蒸汽压力的提高会使引射系数增大.但从图3可以看出:蒸汽流量对加热器出口压力影响不大,所以此处笔者采用在蒸汽流量不变的工况下进行简化计算.图5为当pw=0.65 MPa、Gw=0.25 kg/s和 pw=0.45 MPa、Gw=0.19 kg/s时,在蒸汽流量不变工况下,加热器蒸汽压力与出口压力的关系.在相同饱和蒸汽和入水流量下,增大蒸汽压力,加热器出口压力有上升的趋势.蒸汽压力的提高使得进入混合室的驱动力增大,蒸汽流速也增大,强化了混合室喉部前两相流的掺混过程,因而使喉部出口处的压力增大.但是,蒸汽压力的提高使得渐缩型混合室内的压力升高,壁面反作用力也增大.根据前面推导的升压模型可知:壁面反作用力对加热器出口压力有负面影响,因此当蒸汽压力继续增大时,加热器的升压性能会受到限制.从图5还可以看出:随着入水压力的升高,加热器出口压力也增大,与图4中所显示的结论一致.

图5 加热器蒸汽压力与出口压力的关系Fig.5 Relationships between steam pressure and outlet pressure in heater

3.5 喉部直径与出口压力的关系

引射式加热器在混合室喉部产生的流动阻力由于速度较低,无凝结激波,在两相流中的蒸汽迅速凝结,压力实现突变,因此喉部尺寸对出口压力必然产生显著影响.

图6为混合室喉部直径与出口水压的关系.从图6可以看出:在相同的蒸汽压力下,减小混合室喉部截面积能够提高加热器的升压能力.这是由于当喉部截面积减小时,两相的流速加快,因而强化了升压性能.从图6还可以看出:d2=5 mm的出口压力曲线各点斜率比d2=7 mm时的大.在相同的入水压力变化下,小的喉部面积将导致出口压力产生较大的波动,所以在强化加热器升压能力时应考虑喉部截面的影响.但是,当喉部截面积过大时,由于射流流束在出混合室前未与渐缩面接触,因而会影响混合室内真空的形成以及会影响加热器动态加热特性.所以,在追求良好的变工况和加热性能时,应考虑取用适当的喉部直径,以降低出口水压的波动来达到稳定的出水参数.

图6 加热器混合室喉部直径与出口水压的关系Fig.6 Relationships between throat size of mixing chamber and outlet pressure in heater

4 结 论

(1)在蒸汽压力不变的工况下,入水压力对引射蒸汽量影响不大.随着入水压力的增大,加热器出口温度降低,出口压力升高并逐渐趋缓.

(2)在入水参数不变的工况下,增大蒸汽压力,加热器引射系数增大,出口温度呈上升趋势;蒸汽流量对出口压力影响不大,在蒸汽流量不变时,增大蒸汽压力,则出口压力升高.

(3)增大混合室喉部截面积可以降低出口压力随入口参数变化的波动,有利于提高加热器变工况运行下加热性能和实际运行的稳定性.

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