长喉部喷射式汽汽混合器性能的研究

夏永军，杨 彪

(1.沈阳工程学院能源与动力工程系，沈阳 110136;2.辽宁华电铁岭发电有限公司，辽宁铁岭 112000)

在国家节能减排政策的推动下，国内一些纯发电的小型机组已步入被淘汰的境地，而把这些机组进行改造成具有供热能力的供热式机组则是其新的存在基础.同时，现有的一些大型供热式机组的供热方式都是事先确定的，在运行过程中不能进行灵活的调整.因此，应运而生地出现了一种新的能够适当调整供热参数的新型设备，喷射式蒸汽混合器.

喷射式蒸汽混合器可把2种参数的蒸汽混合在一起，形成1股新参数的蒸汽，适用于不同参数要求的热用户的选择和调整.目前的喷射式混合器多采用短喉部的结构，2股蒸汽在其内部混合，因混合的充分程度不易确定，故喷射式混合器的工作效率不是很理想.而适当加长喉部的尺寸，则给2股蒸汽流的混合提供了充足的时间和空间，从而实现高效的混合，减小过程损失.通过分析研究，一方面可提高这种新设备的效能，另一方面也可以提高汽汽混合技术的水平，为供热式机组提供一种更理想高效的供热方式.

这种新型混合器已在一些小机组的改造中进行使用，如果能进一步提高其效率，则可以在大型的供热式机组中得到更广泛的推广和应用.

1 喷射式汽汽混合器的结构分析及简化模型

喷射式汽汽混合器是利用驱动蒸汽来抽吸低压蒸汽，2股蒸汽混合后再扩压，为热用户供应某一新参数蒸汽的装置.图1为该装置的结构示意简图.

图1 喷射式汽汽混合器

由图1可以看出，装置主要由4个部分组成:工作喷嘴、混合部分、喉部、扩压部分.

1.1 装置的结构及作用分析

1)工作喷嘴.工作喷嘴的结构是缩放型喷管，其任务是将高参数(压力和温度)的蒸汽降压膨胀，转换成高速的低压蒸汽，工作喷嘴出口的速度一般超过音速，甚至达到800～1 000 m/s.高速低压状态一方面可以保证低压蒸汽被抽吸到装置内，另一方面可以借助高速汽流的携带作用，加速低压蒸汽.

2)混合部分.装置的混合部分是一段渐缩结构，这样的结构可以促进抽吸蒸汽的速度进一步增加，减小抽吸蒸汽和工作蒸汽之间的速度差，提高混合效果.由于工作喷嘴出口的蒸汽速度是超音速，抽吸蒸汽是亚音速，则在工作喷嘴出口处开始出现斜激波，激波后速度降低，压力升高，进而易导致蒸汽在抽吸通道内逆流;故抽吸蒸汽与工作蒸汽混合处要有合理的渐缩结构，一方面避免出现逆流现象，另一方面为后面的超音速汽流流过喉部做好充分的准备.

3)喉部.喉部结构为1节直管段，其作用是保证混合后的汽流能够逐渐减速、增压，由超音速状态向音速状态缓慢变化;此过程可以减缓压力突变，并进而使强激波变成弱激波，增强对汽流的控制.

4)扩压部分.扩压段是1节渐扩圆管，其任务是将亚音速汽流降速增压，并最终达到所需的蒸汽参数(出口压力).

1.2 喷射式汽汽混合器的简化模型

为适用数值模拟方法进行分析，即应用FLUENT大型流体计算软件，根据流量方程、动量方程和能量方程，再结合N-S方程，模拟计算出喉部内的蒸汽流场，并获得喉部各截面处的压力变化规律，先建立其数学模型.

1)基本假设.为研究问题方便，在建立喷射式汽汽混合器的简化计算数学模型前，做以下假设:①将喷射式混合器内流动的工质按理想气体处理;②工质在喷射式混合器内的流动是三维稳态绝热流动，驱动蒸汽在工作喷嘴内的流动是等熵膨胀过程，驱动蒸汽与抽吸汽体的混合物在喉部和扩压段内的流动是等熵增压过程;③驱动蒸汽与抽吸汽体在混合段内开始混合;④驱动蒸汽与抽吸汽体具有相同的比重和热比容.

2)建立数学模型.汽汽混合器内的质量平衡方程［5］:

式中，Mp为工作蒸汽质量，kg;Me为抽吸蒸汽质量，kg;Mc为混合蒸汽质量，kg.

抽吸汽体与工作蒸汽的质量流量比［6］(即引射系数W):

2 汽汽混合器中汽流速度变化状况

驱动蒸汽在工作喷嘴内降压增速，在工作喷嘴出口处已达到超音速状态，马赫数Ma=1.7.引射装置内的蒸汽在驱动蒸汽的抽吸作用下，蒸汽由入口到出口，速度快速增长，并最终达到亚音速状态，马赫数Ma=0.8.驱动蒸汽与引射蒸汽在混合部分开始混合，混合后的蒸汽平均速度处于低超音速状态，马赫数Ma=1.2.之后，蒸汽在喉部流动过程中，速度逐渐降低，蒸汽由超音速状态向音速状态过度.

由于混合的2股蒸汽分别是超音速和亚音速状态，故在混合部分及后面的喉部区域内将出现激波.因为激波的出现，导致蒸汽混合时产生的损失较大;通过适当地延长喉部的长度，可降低激波的强度，减小蒸汽流动过程中的损失，提高汽汽混合器的引射系数.

图2 汽汽混合器速度变化规律

3 计算结果及分析

某喷射式汽汽混合器的工作蒸汽压力2.4 MPa，390℃;抽吸蒸汽压力0.5 MPa，温度250℃;混合扩压后压力1 MPa.通过数值模拟计算，得到沿混合器轴向位置的压力曲线图(见图3中粗的曲线);其中混合器出口压力1 MPa，温度336.7℃，工作蒸汽流量为5.56 kg/s，引射系数为 0.34.

图3 不同长度喉部的汽汽混合器的压力变化规律

汽汽混合器喉部轴向的长度变化，会直接影响混合器的工作性能，即在混合器出口压力维持不变的条件下，喉部长度的增加或减少，都会导致引射系数减小.喉部轴向长度不同时，混合器沿轴向位置压力曲线见图3.

喉部轴向长度减小时工作喷嘴压力2.4 MPa，引射压力0.5 MPa，工作流量5.56 kg/s，混合器出口蒸汽压力1 MPa，温度338℃，引射系数为0.308.

轴向距离增大时工作喷嘴压力2.4 MPa，引射压力0.5 MPa，工作流量5.56 kg/s，混合器出口蒸汽压力1 MPa，温度336.8 ℃，引射系数为 0.335.

由喉部轴向长度减小时的压力曲线图(图3中细线表示)和轴向长度增大时的压力曲线图(图3中粗线表示)可以看出，混合蒸汽在喉部处增压的过程变短，激波强度增加.激波强度增强，直接影响到引射通道内的蒸汽流动性能，进而导致引射能力减弱.

4 结论

1)从计算结果看，喷管喉部的延长可以提高2种不同参数汽体的混合效果，保证混合后的蒸汽具有均匀的速度，为后部的扩压过程提供良好的转化条件.

2)2种不同速度的汽体混合(超音速和亚音速混合)会导致激波的出现，合理的混合结构将有助于完成工作蒸汽和抽吸蒸汽的顺利混合，并避免出现逆流，为汽体继续前行，完成后面的速度-压力转换过程做好准备.

3)工作蒸汽抽吸低参数蒸汽时，低参数蒸汽有最佳的压力范围，此压力范围应该根据低压蒸汽参数和供应蒸汽参数的关系来确定，同时还要考虑到工作蒸汽的压力.

4)从模拟计算可以看出，工作蒸汽和抽吸蒸汽混合后还是超音速状态，故要通过增加喉部轴向长度来减弱激波的强度.

［1］张兆顺，崔桂香.流体力学［M］.北京:清华大学出版社，1998.

［2］沈维道，郑佩芝，蒋淡安.工程热力学:第3版［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［3］王汝武.汽轮机压力匹配器的应用实践及热力性能的完善［J］.节能，2003(10):39-41.