1、第62卷第5期 化工学报 v0162 No52011年5月 CIESC Journal May 2011一种新型多喷嘴汽一液喷射器的性能马昕霞12，袁益超1，刘聿拯1(1上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093；2上海电力学院能源与环境工程学院，上海200090)摘要：目前汽一液喷射技术中关于湿蒸汽的研究较少，然而在实际工业中，相当一部分低压蒸汽是具有一定干度的湿蒸汽。为此，设计了以湿蒸汽为工作蒸汽的实验台，并采用一种多喷嘴结构的汽一液喷射器作为实验元件，分析了蒸汽压力，蒸汽干度及喷射器背压对其性能的影响。实验结果表明：蒸汽干度使蒸汽质量流量随蒸汽压力变化的曲线平移。喷射系数随蒸汽干度
2、的增大而增大。蒸汽压力较低时，喷射系数和过冷水流量随蒸汽压力的升高而增大，随着蒸汽压力的升高，当汽羽的长度大于喷射器的喉嘴距时，过冷水发生壅塞，喷射系数开始减小，而过冷水流量的减小延迟。总体上，喷射系数随背压的升高而减小，在背压不同的范围内，喷射系数下降的速度有所不同。关键词：多喷嘴；喷射器；汽羽；喷射系数；干度DOI：103969jissn04381157201105012中图分类号：TK 219 文献标志码：A 文章编号：04381157(2011)051258-06Performance of new type multi-。nozzle steam。water ej ectorMA X
3、inxial”-YUAN Yicha01。LIU Yuzhen91(1School of Energy and Poz瞻r Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2 School of Energy and Environmental Engineering。Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China)Abstract：Till nOW，little research on wet stea
4、m in steam-water jet technology has been reportedBut to alarge extent。low pressure steam used in industry is of certain drynessTherefore，a set of experimentalapparatus was designed by using wet steam as working medium，and a multinozzle steam-water ejectorwas used as the experimental deviceThe influe
5、nce of steam pressure and steam dryness and dischargepressure on the performance of the multi-nozzle ejector was analyzedAs can be seen from experimentalresults，the translation of the curve describing the relation between steam mass flow rate and steampressure was caused by steam drynessEntrainment
6、ratio increased with steam drynessBoth entrainmentratio and steam mass flow rate increased with steam pressure at a low steam pressureAs steam pressureincreased，cold water was blocked when the length of steam plume was equal to the distance betweennozzle exit and inlet of throat section and entrainm
7、ent ratio began to decrease，however，the decrease ofsteam mass flow rate was delayedIn general，entrainment ratio decreased with the increase of dischargepressure，and its rate of decrease changed at different ranges of discharge pressureKey words：multinozzle；Oector；steam plume；entrainment ratio；drynes
8、s引 言汽一液喷射器是利用射流紊流扩散作用进行传2010一09一“收到初稿，20101220收到修改稿。联系人t袁益超第一作奢：马听霞(1973一)，女，博士研究生，讲师质传热的混合加热设备。与传统的换热器相比具有以下优点：结构简单、体积小；运行平稳、振动及噪声小；操作维修方便。在电力、能源、化工、制Received date：2010一0914C钾代哪嘲响ng antherl ProfYUAN Yichao，ychyuan163万方数据第5期 马昕霞等：一种新型多喷嘴汽一液喷射器的性能 1259冷、食品、军工以及石油开采等领域具有广泛的用途1。各国学者对汽一液两相喷射技术开展了卓有成效的理论
9、和实验研究。早在1950年，Sokolov等E2就对不同结构参数及进出口状态下的汽一液喷射器的喷射性能进行了实验研究。Cattadori等3实验研究了蒸汽压力等参数对出口参数及喷射器效率的影响。沈胜强等H1设计了喷嘴喉部面积可调的喷射器，测量了喷射器工作参数之间的关系。Deberne等53实验得到混合室内压力与蒸汽凝结率的关系。Beithou等6提出了蒸汽的凝结线模型。Narabayashi等7噜在k-e模型的基础上提出了汽一液喷射器的二维模型，并对喷射器的特性进行了理论和实验研究。蔡琴等9从可用能(炯)角度建立了喷射器模型，并对喷射器的(炯)效率以及(炯)效率的影响因素进行了分析计算。严俊杰
10、等Do-11对低进汽压力下(O206 MPa)的汽一液喷射器特性进行了大量的相关研究。目前，汽一液喷射技术的研究大部分是针对工作蒸汽是干饱和蒸汽或过热蒸汽，而以湿蒸汽作为工作蒸汽的研究较为少见。实际工业中，相当一部分低压蒸汽是具有一定干度的湿蒸汽，如锅炉排污产生的二次蒸汽121、超临界锅炉启动初期排出的汽水混合物13及凝结水闪蒸汽14等，因此，对湿蒸汽作为工作蒸汽的汽一液喷射器性能进行研究具有重要意义。为此，本研究搭建了以湿蒸汽为工作蒸汽的实验台，采用一种新型结构的多喷嘴喷射器作为实验元件。旨在为相关汽一液喷射器理论的深入研究及工业上余热、余汽的回收利用提供较为可靠的理论依据。限于篇幅，本文只
11、分析讨论了不同的蒸汽干度下，蒸汽压力及喷射器背压对喷射器性能的影响，过冷水温度等参数的影响另文论述。1 多喷嘴汽一液喷射器工作原理图1为多喷嘴汽一液喷射器的工作原理。多喷嘴汽一液两相喷射器主要由多孔蒸汽喷嘴、水喷嘴、混合室和扩散室4部分组成。(1)蒸汽喷嘴 多孔蒸汽喷嘴将蒸汽分解为多股射流，分别在喷嘴中绝热膨胀后形成高速汽流，将压能转化为动能。对于亚音速喷管，蒸汽在喷嘴喉部能够达到音速；对于拉伐尔喷管，出口处蒸汽速度更高，可达到超音速。图1 多喷嘴汽一液喷射器工作原理Fig1 Schematic diagram of multi-nozzle steam-water ejector(2)水喷嘴
12、水喷嘴是由布置在蒸汽喷嘴周围的环行流道形成，与混合室相连。过冷水在剪切力的作用下，以一定的速度被卷吸至混合室，其流量受水喷嘴进出口压差的控制。(3)混合室 混合室可进一步细分为：混合室锥形段(截面11截面22)和混合室圆柱段(截面22截面33)。在混合室内，高速的蒸汽流和过冷水直接接触换热，蒸汽发生凝结、水流被加热，同时汽、水之间的强烈动量交换和混合导致水流被加速、蒸汽速度降低，在混合室出口处逐渐形成均匀的混合流体。(4)扩散室 在扩散室内，流体速度进一步均衡，同时流体逐渐减速增压，将一部分动能转化为压能，并排出喷射器。2 汽一液两相喷射性能实验21实验系统实验系统如图2所示，过冷水为引射流体
13、，湿蒸汽为工作蒸汽。实验过程中，将蒸汽锅炉产生的干饱和蒸汽和饱和水经相应管道分别引入汽一液两相混合器，形成具有一定压力和干度的湿饱和蒸汽，作为汽一液喷射器的工作蒸汽。高位水箱的过冷水经相应管路流入低位水箱，作为引射流体。测试段(汽一液喷射器)安装在低位水箱的底部。工作蒸汽从多孔喷嘴流出，抽吸箱体内的过冷水进入混合室，经扩散段压力有所恢复后流出喷射器。为了能够方便地改变蒸汽压力、蒸汽干度、进水流量及实验段后的压力，图2中的干饱和蒸汽压力阀A1、干饱和蒸汽流量阀A2、T作蒸汽阀A3、过冷水阀A4、饱和水流量阀A5、背压阀A6均采用调节阀。万方数据1260 化工学报 第62卷electromagne
14、ticflowmotcr图2实验系统Fig2 Schematic diagram of experimental system22实验元件传统单喷嘴喷射器，通常其混合室设计得较长，由于较短的混合室使汽、液混合不充分，喷射系数较小，但这样的喷射器不利于空间狭小范围内的安装。多喷嘴喷射器在较短的混合室时，其喷射系数仍然很大。在相同的喷射性能情况下，多喷嘴喷射器混合室长度仅为单喷嘴喷射器的1,vi(咒为喷嘴数)1。本文设计了一种新型结构的多喷嘴汽一液喷射器(图3)，由7个蒸汽喷嘴、吸入室、7个混合室、扩散室组成。圆周方向上均匀布置了6个蒸汽喷嘴，中央位置布置1个蒸汽喷嘴，以保证蒸汽与过冷水充分接触换
15、热。蒸汽喷嘴采用渐缩喷嘴。汽一液喷射器主要尺寸见表1。23 实验方法实验过程中，首先启动蒸汽锅炉，调节干饱和蒸汽压力阀A1，使分汽缸压力稳定在某一值，并开启干饱和蒸汽流量阀A2和饱和水流量阀A5，将干饱和蒸汽和饱和水经相应管道分别引入汽一液两相混合器；同时调节A2和A5，使汽一液两相混篇 窬【巡 彰图3实验元件结构Fig3 Schematic diagram of experimental element表1 实验元件主要结构参数Table l Structural parameters of experimental elementsParameter Valuediameter of th
16、roat of steam nozzleram 8length of mixing sectionram 30diameter of throat of mixing sectionram 14length of diffuse sectionram 10diameter of outlet of diffuse sectionram 20length of steam nozzlemm 27distance between steam nozzle exit and inlet 18of throat sectionramnumber of ejector 7合器形成的工作蒸汽的压力和干度达
17、到设定的目标值。由于蒸汽的压力和干度相互耦合，须通过干饱和蒸汽和饱和水的各个参数相互配合才能达到指定工况，一般以调节A2为主动，A5为从动。接下来调节背压阀A6，使喷射器的背压达到目标值，同时开启过冷水阀A4，使高位水箱的过冷水经相应管路流入低位水箱，并监视低位水箱上的液位计，调节过冷水阀A4，使水箱水位在一段时间内(大约5 min)保持稳定，则引射水量等于进水量，从而过冷水管路上的涡轮流量计的显示值即为引射的过冷水量。工况稳定后，开始记录数据，各参数值经数据采集系统保存至计算机。24测量参数及仪表实验中，过冷水流量采用涡轮流量计测量。根据实验工况不同，涡轮流量计型号分别为LWGY一80A型和
18、LWGY-40B型(精度为02级)，饱和蒸汽流量采用YFl05一AGSC2-CD型涡街流量计(精度为1级)，饱和水流量采用YLDl5F211411211万方数据第5期 马听霞等：一种新型多喷嘴汽一液喷射器的性能型电磁流量计(精度为05级)。温度测量采用Ptl00铂电阻(精度为A级)。压力测量采用GECY-160型压力变送器(精度为02级)。25数据处理251 蒸汽干度的确定 蒸汽的干度可根据热平衡原理由干饱和蒸汽流量、饱和水流量及其物性参数得到。252喷射系数的确定喷射系数是衡量汽一液喷射器工作能力的一个重要特性指标，它表示在一定的工况下，单位质量的工作蒸汽通过喷射器所能抽吸的过冷水的质量流量
19、。喷射系数表达式为“一GGI (1)式中 甜为喷射系数；G为过冷水的质量流量，kgh；G|为工作蒸汽的质量流量，kgh。3 实验结果与分析实验中过冷水的压力维持在0106 MPa，过冷水的温度为50，蒸汽压力在015O41 MPa范围内，蒸汽干度在0251范围内，喷射器背压变化范围为01“-0162 MPa。31蒸汽压力与蒸汽质量流量的关系图4表明了蒸汽质量流量与蒸汽压力和蒸汽干度的关系。由于蒸汽喷嘴为渐缩形喷嘴，其实际运行压比低于临界压比，因此其喉部处于临界状态。从图4可看出，随蒸汽压力Ps的升高，蒸汽(临界)质量流量增大，且随蒸汽干度X的不同，曲线平移。图4蒸汽质量流量与蒸汽压力的关系Fi
20、g4 Relation between pressure of working steamand mass flux of working steam(L=50，P。=0118 MPa)32蒸汽压力对过冷水质量流量的影响图5表明了不同的蒸汽干度下，蒸汽压力对过图5蒸汽压力对过冷水质量流量的影响Fig5 Effect of pressure of working steam on coldwater flux(五一50，P。-0118 MPa)冷水质量流量的影响。从图可看出：不同的蒸汽干度下，当蒸汽压力P。O31 MPa左右时，G开始缓慢减小。在P。o31 MPa情况下，壅塞引起的水喷嘴出口处的
21、压力已经比较高，该压力开始对G起主导作用，于是表现出G，缓慢减小。33蒸汽压力对喷射系数的影响图6为不同蒸汽干度下喷射系数随蒸汽压力的变化规律。在P。O24 MPa的情况下，混合室圆柱段的一部分截面被汽羽占据，于是剩下的通过过冷水的截面积减小，相应地喷射系数乱表现为减小。34喷射器背压对喷射系数的影响图7为不同蒸汽干度下喷射系数随喷射器背压的变化规律。从图7可看出，在不同的蒸汽干度下，喷射系图7背压对喷射系数的影响Fig7 Effect of discharge pressure on entrainment ratio(正=50，P=O27 MPa)数均随背压的升高而减小。背压P。为01O1
22、25MPa时，曲线较平缓，说明“减小的速度较小；P。为01250162 MPa时，曲线陡然下降，表明“迅速减小。这是由于：在P。较低的情况下，随着P。的升高，圆柱段混合室中的压力升高是比较小的，压力升高主要是在扩散室中进行的。当P。升高到一定值时，压力升高的情况发生了变化，在扩散室中压力的升高减小，而混合室中的压力急剧升高2。在混合室内，这种压力升高是逆着水流一直传到混合室入口，而混合室入口处压力升高使一部分抽吸的过冷水倒流到吸人室，使引射的过冷水量下降，于是M减小。从图6、图7可看出，喷射系数“随蒸汽干度的增大而增大。其原因由图4和图5可知，相同的P。下，Gs随着z的增大而减小，而z未明显影
23、响G，的大小，于是“(G与G。的比值)随着z的增大而增加。4 结 论设计了以湿蒸汽为工作蒸汽的实验台，并设计了七喷嘴喷射器作为实验元件，研究了该喷射器在低进汽压力和喷射器背压变化时的性能，主要结论如下。(1)在不同的蒸汽干度下，蒸汽(临界)质量流量随蒸汽压力的升高而增大，蒸汽干度使蒸汽质量流量随蒸汽压力变化的特征衄线平移。(2)蒸汽压力较低时，过冷水质量流量和喷射系数随蒸汽压力的升高而增大；随着蒸汽压力的升高，当汽羽的穿透长度等于喷射器的喉嘴距时，过冷水发生壅塞。喷射系数达到极大值，过冷水质量流量增大的幅度逐渐减小；当蒸汽压力继续升高为一定值后，过冷水质量流量才缓慢减小。(3)在蒸汽压力或喷射
24、器背压为定压的情况下，喷射系数随蒸汽干度的增大而增加。(4)总体而言，喷射系数随背压的升高而减小。在蒸汽压力为027 MPa、过冷水温度为50的工况下，背压为01O125 MPa时，喷射系数缓慢减小；而背压为01250162 MPa时，喷射系数下降的速度迅速增大。符 号说明P压力，MPaT-温度，万方数据第5期 马昕霞等：一种新型多喷嘴汽一液喷射器的性能 1263P干度下角标 卜饱和水r喷射器出口Z过冷水r工作蒸汽sO干饱和蒸汽References1234567389Lu Hongqi(陆宏圻)Theories and Applications of EjectorTechnology(喷射技
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