基于液气射流的负压蒸汽加热系统设计与试验

孙奉辰 蔡红珍 祁志强 高锋 刘玉凤 刘德营

摘要：針对当前100 ℃以下的低温加热工艺在农业、化工、食品加工业中存在加热效率低、温度难以精确维持、自动化程度低、设备成本高等问题，集成射流泵抽空技术、PLC控制技术、控温调压技术，设计开发一种基于液气射流的负压蒸汽加热系统。该系统由智能控制系统、液气射流真空循环系统、降温调压系统和循环水调节系统组成，通过液气射流泵抽空提供蒸汽负压环境，结合减温减压装置和PLC智能控制系统对负压蒸汽进行控制，实现负压蒸汽对物料的精准自动化加热。详细阐述负压蒸汽加热系统的工作原理，确定关键部件射流泵设计结构和相关参数，并对其进行流体数值模拟的相关验证，模拟结果与实际误差在10%以内，表明射流泵设计合理可靠性高。对系统的加热性能进行试验，结果表明：基于液气射流的负压蒸汽加热系统可以精确控制蒸汽温度进行加热，同时加热温度曲线平缓，快速升温阶段真空度上下浮动0.003 MPa，平衡阶段真空度上下浮动0.002 MPa，加热温度浮动也在±1 ℃，更好地适应不同物料的加热温度，在加热效率方面优于水浴加热约2倍。该研究可解决传统水浴加热显热加热不均匀、控制精度差、加热过程缓慢、生产能力较低等问题，为农产品、化工产品深加工的加热方式、系统及装置提供新的思路与参考。

关键词：低温加热；负压蒸汽；精准控温；数值模拟；液气射流泵

中图分类号：S24： TK6

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 04-0104-09

Abstract： Aiming at the current problems of low heating efficiency， difficult to maintain accurate temperature， low automation and high equipment cost in agriculture， chemical and food processing industries for low temperature heating process below 100 ℃， a negative pressure steam heating system based on liquid-air jet is designed and developed by integrating jet pump evacuation technology， PLC control technology and temperature control and pressure regulation technology. The system consists of intelligent control system， liquid-air jet vacuum circulation system， temperature reduction and pressure regulation system and circulating water regulation system， which provides negative pressure environment of steam through liquid-air jet pump evacuation， combined with temperature and pressure reduction device and PLC intelligent control system to control the negative pressure steam and realize the precise automatic heating of materials by negative pressure steam. The working principle of the negative-pressure steam heating system is elaborated， the design structure and relevant parameters of the key component jet pump are determined， and the relevant verification of the fluid numerical simulation is carried out， and the simulation results are within 10% error from the actual one， which shows that the jet pump design is reasonable and reliable. The heating performance of the system is tested， and the results show that the negative pressure steam heating system based on liquid-air jet can precisely control the steam temperature for heating， while the heating temperature curve is gentle， with the vacuum level fluctuating up and down by 0.003 MPa in the rapid heating stage and 0.002 MPa in the equilibrium stage， and the heating temperature fluctuation is also within ±1 ℃， which can better adapt to the heating temperature of different materials. The heating efficiency is about 2 times better than that of water bath heating. This study can solve the problems of uneven heating， poor control accuracy， slow heating process and low production capacity of traditional water bath heating， and provide new ideas and references for heating methods， systems and devices for deep processing of agricultural and chemical products.

Keywords： low temperature heating; negative pressure steam; accurate temperature control; numerical simulation; liquid-air jet pump

0 引言

在农业、化工、食品等行业部分产品开发和生产过程中，温度控制至关重要［1-6］。目前常用的低温（30 ℃～100 ℃）加热方式以水浴和油浴加热为主，热水的显热加热存在不均匀、控制精度差、加热过程缓慢、生产能力较低等问题［7-9］。而蒸汽作为一种清洁、安全的传热介质，其传热系数是热水循环和导热油循环方式的5～10倍，具有加热均匀、成本低、安全、具有可控性和可输送性等特点，在加工领域一直受到人们的重视。随着农业、食品加工业的发展，低温蒸汽的价值逐渐被发掘并利用，但在产业化的道路上还相差甚远［10］。

目前，蒸汽作为热源一般都是高温蒸汽（100 ℃以上），低温蒸汽和负压加工技术的利用在各种食品等加工业中都能产生较好的效果［11-17］，却无法进行大规模应用和产业化，整个技术的应用存在局限性。国内对低于100 ℃的低温加热研究还局限于对反应釜本身的结构改善或利用二次蒸汽进行间接换热。徐晓光等［18］设计了一种利用85 ℃热水进行加热的偏心式搅拌反应釜避免加热时产生焦糊现象。方定甫［19］研制了一种循环升膜真空浓缩锅能够利用二次蒸汽浓缩热敏性物料。王国君等［20］利用乙酸乙酯作为换热介质利用负压二次蒸汽提纯热敏性药物。卜银坤［21］利用重力低位排气法来连续获得负压蒸汽进行供热采暖。而国外研制的真空蒸汽加热设备大多太过昂贵，且设备小导致生产效率低下，对大型加工产业不友好。Rivers［22］总结了低压蒸汽加热真空系统在国外的发展概况。张立国等［23］介绍了负压蒸发与二次蒸汽生产工艺流程，既节省了成本又提高了毛油浸出量。日本的化学装置［24］期刊在1998年介绍了真空蒸汽加热和气化冷却技术的原理。因此，开发一种真空蒸汽加热装置，实现农业、食品等行业产品生产过程中的均匀、快速、精准加热，对于提升行业生产水平具有重大意义。

本文调研不同生产工艺的控温要求并针对100 ℃以下的低温加热问题，在大量研究参考的基础上［25-28］，结合射流泵抽空技术、PLC控制技术、控温调压技术，设计开发了一种基于液气射流的负压蒸汽加热系统。通过液气射流泵抽空提供蒸汽负压环境，结合减温减压装置和PLC智能控制系统对负压蒸汽进行控制，实现负压蒸汽加热系统对物料的精準自动化加热。对关键部件射流泵设计后进行流体数值模拟，模拟结果能够达到设计标准后进行实物制造，并在加热系统中对其进行验证试验，使射流泵与加热系统相互配合以获得更好的工作性能。

1 系统结构和工作原理

1.1 系统结构

负压蒸汽加热系统的结构示意如图1所示，由控制系统、减压系统、减温系统、调节反馈系统、真空循环系统、反应釜以及循环水系统等组成。

控制系统为装载PLC控制程序的电控柜；减压系统由电动减压阀构成；减温系统由降温水管路、降温水喷头、降温水箱构成；调节反馈系统由各个位置的温度压力传感器构成；真空循环系统由液气射流泵、真空表和循环水泵等构成；循环水系统主要是水箱及其连接的水泵。反应釜的规格参数如表1所示。

1.2 工作原理

负压蒸汽加热系统工作时，首先通过PLC控制系统进行参数设定，如加热温度、加热时间、搅拌速度和时间等。设定完成后，主水泵启动，PLC程序会根据所设定加热温度自动调节主水泵的功率，主水泵的水在经过射流泵后会使其吸出并裹挟吸入端（连接反应釜夹套）内的空气，达到相应饱和水蒸汽所存在需要的真空环境。在经过一段时间后，夹套内部真空环境保持稳定，随即自动开启蒸汽的通入。热蒸汽的状态会由温度压力传感器反馈给控制系统，由控制系统智能改变减压阀的开度和减温系统的参数，水蒸汽降压后会被冷水喷淋降温，为了保证调节准确性，调节后的水蒸汽性质会再次被检测反馈。调节后的水蒸汽随即进入反应釜夹套加热物料。经过加热后，水蒸汽释放潜热转变为相同温度的冷凝水，为了保证加热质量，冷凝水在疏水阀的作用下会流出夹套并被吸出进入水循环［25］。

经过一定的加热时间后，蒸汽输入自动关闭，随后真空循环系统关闭，系统进入待机状态。利用水蒸汽加热一方面保证了加热效率，另一方面大大提升了加热温度的稳定性，由真空度限制温度，有效提高了物料的生产质量。工作原理如图2所示。

1.3 精确控温原理

首先由射流泵制造并维持蒸汽输送管路和反应釜夹套内的真空环境，之后高温高压蒸汽通入，蒸汽先经过由控制系统控制开度的减压阀，减压后的水蒸汽为该真空环境下的过热蒸汽，随后进入喷水减温区，高温水蒸汽经过调温冷水的喷淋转变为调温水蒸汽和一定量的冷凝水，此时的调温水蒸汽温度恰好对应真空环境的饱和蒸汽温度，随后送入加热管路，而多余冷凝水则会被重新送回调温冷水管道重复利用。调温原理如图3所示。

1.4 PLC电路控制原理

电路程序控制由各类传感器和阀门完成信号传输和调节工作，包括真空度、温度、水位等监测传感器。程序控制原理如图4所示。在本系统运行中，加热过程中的温度变化是动态的，为了保持动态平衡，在各个控制流程中添加了负反馈调节，从而提高控制精度。

根据机组设计工况，循环水泵要求扬程≥40 m，工作流量≥10 m3/h，则根据工况选择水泵型号为ZS65-40-200/7.5，工作流量为25 m3/h，扬程为46 m，额定功率为7.5 kW，进口管径DN65，出口管径DN40。

2.2 射流泵的设计参数

经过管路排布和选型，确定射流泵入口和出口参数：进水口DN32-PN1.0、出汽液口DN65-PN1.0、吸气口DN25-PN1.0。并通过上述设计参数和液气射流泵抽真空设计方法［2］进行尺寸计算，得到表2的射流泵结构尺寸。

在FLUENT中，可以通过二维图纸或3D模型导入进行流体模拟，射流泵拥有多个圆管，不能将其作为二维平面图进行模拟，为了保证模拟的可靠性和合理性，根据表2的结构尺寸建立的了图5的3D模型来进行模拟试验。

2.3 射流泵的流体模拟

Fluent是CFD软件中一款强大的流体模拟软件，具有出色的计算方法的处理能力。基于此软件可以模拟出射流泵内部流体的复杂状态，在参数设置合理的条件下，通过FLUENT可以正确模拟出绝大多数流体状态，对模拟验证具有很大的帮助。

2.3.1 流体网格划分

通过SolidWorks建立的3D射流泵模型导入到Fluent中后，首先对其进行网格划分，利用Fluent自带的space claim软件对射流泵进行流体域抽取，并将其划分为两半对称模型，此步可以极大的节省计算时间和运算成本，且模拟结果也不会有太大偏差。处理后的流体域如图6所示。

在Fluent中导入处理后的流体模型，利用meshing对进行网格划分，划分条件6层边界层，划分类型采用poly hexcore，光滑过渡，最小单元格尺寸0.5 mm，生成模型网格单元格数量105 144个，网格节点290 471个。网格模型如图7所示。

2.3.2 数值模拟设置

在模拟模型选择中，选择欧拉双相流体模型。紊流模型采用标准SST k-Ω模型。由于模拟的是抽真空过程，流体材料选择水和空气。边界条件设置中，壁面运动选择静止壁面，标准粗糙度模型；出口采用压力边界条件，设为一个大气压；工作水入口采用压力边界条件，根据水泵的压力进行取值；被吸入口采用压力边界条件。求解方法选用二阶迎风Coupled算法对控制方程进行求解，牺牲计算时间以提高计算精度。采用标准壁面函数法来处理壁面区的流动［28-37］。设置好模拟选项后，对解决方案使用默认初始化开始进行流体计算。

2.3.3 模拟结果分析

为了验证抽气性能，建立中心轴线，射流泵中心轴线的压力分布随位置变化如图8所示。

从中心轴线压力分布可以得出，工作流体水经过入口进入喷嘴中时，压力保持不变，从喷嘴射出后，压力急速降低，转化为动能，在吸入室产生负压，在进入喉管后压力又逐步上升，最后由扩压管喷出，压力回归一个标准大气压。

可见液气射流泵的工作原理与模拟趋势一致：工作流体水进入工作入口时压力保持不变，随之进入喷嘴处时因为喷嘴管口的回缩压力达到一个顶峰值，随后由喷嘴射出，压力能转化为动能，速度达到峰值，在吸入室内由于低压和快速的水流使引射入口的空气被裹挟进入射流泵，工作水和空气一起混合进入喉管，在喉管内进行动能和压力能的交换，压力随之上升，最后达到一个平衡值，再一起进入扩散管，由于射流泵内压力远大于大气压力，射流泵内的气液混合流体便由扩散管喷出，达到了抽真空的目的。

3 流体模拟预试验

3.1 试验条件

为了验证射流泵能否根据不同的工况得到不同的工作性能，对射流泵开展流体模拟预试验。水泵工作频率分为35级工作泵压，为保证预试验的覆盖性和节约时间，选取其中4个泵压作为入口压力，通过改变流体平面类型进行不同的抽空预试验和流量预试验。为了更方便地观察对比情况，将云图着色范围设置为相同的取值，观察并记录不同工况下的压力和流量云图。为了保证试验准确性，模拟迭代终止条件为：（1）所有残差项低于10-2。（2）流量曲线稳定。（3）流入和流出喷射泵的流量差低于10-5 kg/s。

3.2 模拟试验

通过改变不同入口泵压得到不同的真空度和流量能够反映射流泵对工况的应变情况，将其结合到PLC控制系统可以更好地控制系统运行保证工作性能。

试验过程和方法：在抽空试验中，由于被吸口连接反应釜夹套为封闭容器，在模拟中可以将被吸入口设置为壁面，将观测点设置在被吸口管路中心即可得到对应真空度结果。在流量试验中，被吸口吸入多余的蒸汽以及冷凝水，因此将其设置为流量入口，工作入口不变，观测点记录流量数据。

图9为4组不同压力下的模拟抽空压力云图，可以看到随着工作入口的压力不断增大，从喷嘴喷出的水流压力也在增大，因此裹挟的空气更多，被吸口和吸入室真空度能够不断提高，最终可以达到完全真空。图10为4组试验条件下的流量云图。

图10中可以看到随着工作流量增大，被吸口的冷凝水和蒸汽流量也在增大，并且能够在喉管内混合顺利排出，水汽的结合湍流少。试验说明射流泵可以在所有泵压中得到不同的工作性能，以适应不同温度的加热需求。

4 試验与分析

4.1 试验条件

对抽空试验中的泵压—真空度—抽空时间的曲线拟合和流量试验中的工作流量-被吸流量的流量比曲线进行了试验和测试，在室温20 ℃～25 ℃和水温20 ℃的初始条件下进行试验。试验设备：自行设计的负压蒸汽加热系统；大型夹套反应釜2 000 L；蒸汽发生器（达能电加热72 kW）。通过控制系统界面进行数据记录。

4.2 实际抽空试验

泵压—真空度关联情况是射流泵抽真空性能的重要指标，通过测试可检验射流泵能否达到设计参数。

试验过程和方法：首先打开气阀，将射流泵吸入口连接的反应釜夹套中气压环境恢复一个大气压，通过改变不同泵压，在真空环境稳定后记录真空度，可以得到实际真空度的变化数据。

图11为泵压与真空度关系曲线。由图11可知，随着泵压的增大，真空度逐步增大，而射流泵抽空时间先增大后减小，在0.2 MPa时达到真空临界点，之后的抽空效率逐步上升，抽空时间与抽空曲线相吻合，抽空模拟试验与实际抽空试验存在一定误差，但在误差允许范围内，模拟结果准确有效，证明所设计的液气射流泵抽空性能达到设计要求。

4.5 加热性能试验

加热时间和温度稳定性是衡量本设备加热性能的重要指标，通过不同温度的实际加热试验可检测能否达到设计要求。

加热性能试验方法：在相同的初始条件下（水温20 ℃，容量2 000 L），使用所设计的负压蒸汽加热系统在不同设定的加热温度（50 ℃～80 ℃）下进行加热试验。选取加热时间、真空度、温度作为记录项，每个试验重复测试3次，取平均值。加热开始后3 h结束记录。

在PLC控制程序的设定中，本设备自主设计了2套加热方案，方案一为从始至终使用设定温度的蒸汽进行加热，此方案加热速率慢，准确性强；方案二为加热初始使用高于设定温度的蒸汽加热，临近所需温度后再将蒸汽降温进行维持加热，此方案加热速率快，需要一定时间平衡温度波动。为了节约时间成本，本试验使用方案二。加热温度和真空度变化如图13和图14所示。

由图13可知，本系统方案二由80 ℃蒸汽进行快速加热，升到50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃所需时间分别为1 h、1.5 h、2 h、2.5 h。加热效率远高于传统水浴加热的2.3 h、3 h、3.8 h、4.5 h。这是由于蒸汽在夹套内的均匀快速扩散，可以有更大的传热面积。而温度的稳定性和准确性也是水浴加热不能比拟的，本系统利用蒸汽的潜热对物料进行加热，而潜热在释放的过程中，温度没有变化，变化的只有气相变成水相，而相较水浴加热是通过显热进行加热，介质进出口有温差且难以控制，精准控温是很难达到的。

由图14可知，本系统的加热分为3个阶段，升温阶段、稳定阶段和平衡阶段。升温阶段真空度稳定在0.054 MPa上下浮动0.003 MPa，升温阶段为了更快地达到目标温度，控温要求往往不需要很高，因此浮动较大。而稳定阶段则需要将真空度进行细致调节，同时也对蒸汽进行微调，为进入平衡阶段做好铺垫，因此稳定阶段需要射流泵进行快速抽空，达到设定温度所需真空度。平衡阶段真空度浮动在0.002 MPa，由此保持平衡阶段蒸汽温度稳定性，加热温度浮动也在±1 ℃。通过PLC控制系统、减温减压系统和仪表阀门之间的反馈互动对真空度的进行精准把控，使蒸汽的加热更可控，最终本设备达到了预期的设计结果。

5 结论

1） 农业、化工产业目前常用的低温加热方式以水浴加热为主，针对其存在的加热不均匀、控制精度差、加热过程缓慢、生产能力较低等问题，设计了由控制系统、减压系统、减温系统、调节反馈系统、真空循环系统、反应釜以及循环水系统等组成的负压蒸汽加热系统，能够在50 ℃～100 ℃内进行精准控温加热，每次最多加热2 000 L液体物料，该系统通过PLC程序控制减温减压装置与水泵的协调，能够对加热介质蒸汽达到精度±1 ℃的控制，并可随时进行调节。

2） 采用液气射流泵作为真空获得和维持设备，根据使用工况进行设计，为了解射流泵工作性能及并验证设计可靠性，利用FLUENT流体模拟对其进行模拟试验并实际验证，得到结果抽空模拟试验与实际抽空试验误差小于10%，抽空时间与抽空曲线也相吻合，模拟结果准确有效，证明所设计的液气射流泵抽空性能达到设计要求。

3） 对系统的加热性能进行了试验，结果表明：通过负压环境与减温减压设备结合PLC控制系统，对蒸汽进行精确控温，加热温度曲线平缓，快速升温阶段真空度上下浮动0.003 MPa，平衡阶段真空度上下浮动0.002 MPa，加热温度浮动也在±1 ℃，更好地适应不同物料的加热温度，与计算水浴加热进行比较，加热效率也在2倍左右。

4） 本文设计的基于液气射流的负压蒸汽加热系统，通过设备性能试验表明，射流泵结构设计合理，蒸汽控温精确稳定，加热效率高，可满足大部分100 ℃以下的低温加热，达到良好的加热效果，对各类热敏性农产品和化工产品都具有广泛的适用性。

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