蒸汽蓄熱器噴嘴噴射蓄熱機(jī)理研究

蒸汽蓄熱器噴嘴噴射蓄熱機(jī)理研究

1蒸汽蓄熱器和噴嘴結(jié)構(gòu)的國(guó)內(nèi)應(yīng)用背景蒸汽蓄熱器的相關(guān)技術(shù)相對(duì)成熟，操作簡(jiǎn)單可靠。一般來說，它可以節(jié)省5%10%以上的燃料。對(duì)于負(fù)荷頻繁波動(dòng)的鍋爐，使用蒸汽蓄熱器后的生產(chǎn)率通?？梢蕴岣?%11%。這是提高工業(yè)爐實(shí)際運(yùn)行效率的有效手段，具有良好的節(jié)能效率。我國(guó)自20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行蒸汽蓄熱器的研究,于80年代從日本全套引進(jìn)了先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。并在相關(guān)節(jié)能技術(shù)政策中明確指出,對(duì)熱負(fù)荷波動(dòng)大的供熱系統(tǒng),推薦使用蒸汽蓄熱器,以節(jié)能降耗,保護(hù)環(huán)境。目前,許多廠家還局限于葫蘆形噴頭上開孔這種老式噴嘴結(jié)構(gòu),技術(shù)革新緩慢,與國(guó)外的技術(shù)發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)?；诖吮尘?對(duì)蒸汽噴射蓄熱機(jī)理和噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文把實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論原理相結(jié)合,對(duì)蒸汽蓄熱器噴嘴噴射蓄熱機(jī)理進(jìn)行較深入研究,并借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)蒸汽噴嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2充熱過程動(dòng)態(tài)特性蒸汽蓄熱器是利用水的單位體積焓遠(yuǎn)大于蒸汽的特性而設(shè)計(jì)的間接存儲(chǔ)蒸汽的貯熱裝置,其中的水既是蒸汽和水進(jìn)行熱交換的傳熱介質(zhì),又是蓄存熱能的載熱體。蒸汽蓄熱器的蓄熱(充熱)過程是鍋爐供給的高壓蒸汽直接與蒸汽壓較低的飽和水的混合傳熱過程。充熱裝置是蒸汽蓄熱器的一部分,見圖1。充熱過程中,工作蒸汽通過充汽分配管進(jìn)入蒸汽噴射系統(tǒng),均勻噴射入蓄熱器水空間,使蓄熱器內(nèi)水溫、水位和焓逐漸升高。充熱過程終止時(shí),蓄熱器內(nèi)儲(chǔ)存與充汽分配管等蒸汽壓的飽和水及與其相應(yīng)的焓,同時(shí)水位達(dá)到與充汽分配管底部平齊。充熱過程要力求高壓蒸汽通過噴嘴盡量充分、快速、均勻地溶入到飽和水中,這要求盡量強(qiáng)化水循環(huán)的湍流擾動(dòng)。傳質(zhì)傳熱的程度和速度直接影響飽和水空間溫度場(chǎng)及蒸汽壓力與水飽和蒸汽壓之間的偏差,由此造成不可逆內(nèi)部熱損失隨充熱時(shí)間的增加而增加。充熱過程動(dòng)態(tài)特性曲線見圖2、3。蓄熱器內(nèi)傳質(zhì)傳熱效果關(guān)鍵在于水循環(huán)擾動(dòng)程度,蒸汽充入時(shí)會(huì)引起水上下溫度不均,由此產(chǎn)生的密度差有助于水的擾動(dòng),但這種自然對(duì)流作用十分有限,水循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)力在于噴嘴噴射出的蒸汽流引發(fā)的強(qiáng)制對(duì)流。強(qiáng)制對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式見式(1),由式(1)可知,對(duì)流傳熱影響因素主要有Re,Pr,Gr,Nu。在蒸汽充熱過程中,強(qiáng)制對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)α的關(guān)系參量中,由于自然對(duì)流驅(qū)動(dòng)力較小,Gr可忽略不計(jì);在一定的工況下,Pr也為定值;α的主要驅(qū)動(dòng)因素體現(xiàn)于水循環(huán)的強(qiáng)制湍流的表征參量,即Re與Nu。水強(qiáng)制湍流的驅(qū)動(dòng)來自噴嘴噴射的高速蒸汽流,表征參量為蒸汽的噴射速度。噴射速度越大,湍流擾動(dòng)越強(qiáng),蒸汽充熱周期越短,蓄熱器內(nèi)部熱損失越少,熱效率越高,蓄熱器的利用效果越好,蓄熱能力越強(qiáng)。因此,工程上采用提高蒸汽噴射速度和強(qiáng)化汽液混合對(duì)流傳熱的噴嘴結(jié)構(gòu),以優(yōu)化充熱過程,提高蓄熱能力。式中α———強(qiáng)制對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K)λ———流體熱導(dǎo)率,W/(m·K)Re———雷諾數(shù),表征流體流動(dòng)狀態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響Pr———普朗特?cái)?shù),反映流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響Gr———格拉曉夫數(shù),表征自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響L———特性尺寸,mC1———實(shí)驗(yàn)校正系數(shù)Nu———努塞爾數(shù),反映對(duì)流傳熱過程強(qiáng)度3蒸汽噴嘴的力學(xué)模型蒸汽噴嘴是一種降壓增速的流體機(jī)械部件。為了簡(jiǎn)化分析,對(duì)蒸汽噴嘴的熱力學(xué)模型作如下假設(shè):①噴嘴內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)為一維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。②工作蒸汽的膨脹和壓縮過程為等熵過程,忽略熱力學(xué)能變化。等熵指數(shù)方程蒸汽在噴嘴中的流動(dòng)過程是將蒸汽的焓轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的過程,一維穩(wěn)定流動(dòng)定熵流動(dòng)過程有:式中p———絕對(duì)壓力,Paκ———等熵指數(shù)方程(2)為促使蒸汽流速改變的力學(xué)條件,說明蒸汽在噴嘴中的流速和壓力變化方向相反,蒸汽噴嘴是通過蒸汽流膨脹以獲得高速流動(dòng)的流體機(jī)械部件。漸縮/漸擴(kuò)型噴嘴結(jié)合式(2)和連續(xù)性方程、可逆絕熱過程方程有:式中A———噴嘴中通道截面積,m2從式(3)可以看出,噴嘴中通道截面積與蒸汽流速之間的變化關(guān)系取決于馬赫數(shù)M,基于馬赫數(shù)M可把噴嘴分為3類:漸縮型、漸擴(kuò)型、漸縮漸擴(kuò)型(拉伐爾型)。蒸汽蓄熱器噴嘴的功能是降壓增速,則dp<0,dc>0。對(duì)于漸縮型噴嘴,噴嘴通道截面逐漸減小,即dA<0,此時(shí),由式(3)可得出M<1。以上分析表明:為達(dá)到降壓增速的目的,漸縮型噴嘴僅適用于噴嘴入口氣流為亞聲速的氣流,且對(duì)亞聲速氣流加速過程中,獲得亞聲速氣流或等聲速氣流。對(duì)于漸擴(kuò)型噴嘴,噴嘴通道截面逐漸增大,即dA>0,由式(3)可得出M>1,由此可見,同樣為滿足降壓增速,漸擴(kuò)型噴嘴僅適用于噴嘴入口氣流為超聲速的氣流?；诠こ虘?yīng)用實(shí)踐,蒸汽蓄熱器充汽分配管蒸汽流速一般取35m/s左右,噴嘴入口處蒸汽流速約為50m/s,屬于亞聲速流動(dòng),此時(shí)M<1。蒸汽噴嘴采用單一的漸縮型或漸擴(kuò)型都不能達(dá)到蒸汽流加速的最佳效果,唯有漸縮漸擴(kuò)型噴嘴作為漸縮型和漸擴(kuò)型的結(jié)合體,最適用于蓄熱器充熱工況。拉伐爾型噴嘴截面由逐漸縮小轉(zhuǎn)變?yōu)橹饾u擴(kuò)大,漸縮段蒸汽流屬于亞聲速,漸擴(kuò)段屬于超聲速,漸縮段和漸擴(kuò)段之間的最小截面稱為喉部,此處蒸汽流實(shí)現(xiàn)由亞聲速向超聲速的轉(zhuǎn)變。喉部M=1,流速達(dá)到聲速。在工程上,當(dāng)蒸汽空間工作壓力為0~0.4MPa時(shí),喉部蒸汽噴射速度取70m/s;當(dāng)蒸汽空間工作壓力為0.4~2.0MPa時(shí),喉部蒸汽噴射速度取40m/s。4拉伐爾型噴嘴目前,國(guó)內(nèi)蒸汽噴嘴結(jié)構(gòu)落后,大多采用漸縮型噴嘴或葫蘆型噴頭直接開孔的形式,蒸汽噴嘴的加速性能受到很大限制。結(jié)合以上理論分析及國(guó)外先進(jìn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),采用拉伐爾型噴嘴作為蒸汽噴嘴勢(shì)在必行。本文對(duì)拉伐爾型噴嘴的噴嘴安裝角、噴嘴出口直徑、噴嘴截面變化曲線3方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)蒸汽噴嘴型式和結(jié)構(gòu)的全方位優(yōu)化。水循環(huán)擾動(dòng)水的循環(huán)擾動(dòng)由蒸汽的噴射動(dòng)量和上下汽水混合物密度差聯(lián)合作用產(chǎn)生,噴嘴與豎直方向夾角(噴嘴安裝角)θ角(見圖1)不影響噴射動(dòng)量大小,但會(huì)影響蒸汽噴射角度。θ角越大,蒸汽流橫向動(dòng)量越大,水的橫向混合越充分,水空間溫度分布更趨于均勻,水平方向充熱效果越好;θ角越小,蒸汽射流的豎直方向分量越大,由于蒸汽噴射引起循環(huán)擾動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于密度差引起的自然對(duì)流,因此,水循環(huán)擾動(dòng)越強(qiáng),整體的傳熱效果越好。因此θ角對(duì)充熱過程有雙重性影響,找出二者的平衡點(diǎn),是確定最佳噴嘴安裝角的關(guān)鍵。經(jīng)吳曉等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證:當(dāng)θ角為30°或60°時(shí),噴射蓄熱效果相當(dāng),充熱效率較好;而θ角為45°時(shí),噴射蓄熱效果稍差。θ角最佳值隨著實(shí)驗(yàn)裝置、工況條件的差別稍有不同,但可以肯定當(dāng)θ角約為30°或60°時(shí),可以達(dá)到較好的充熱效果。為了增大噴射蒸汽與水的接觸面積,避免噴射干擾,在循環(huán)筒中,噴嘴盡量分層布置,俯視看循環(huán)筒,相鄰兩排噴嘴錯(cuò)開15°布置且θ角相差7°~10°。噴嘴出口直徑噴嘴出口直徑越小,蒸汽噴出速度越大,噴射蒸汽流動(dòng)量越大,引起水空間擾動(dòng)強(qiáng)度越大,水循環(huán)越快;而且噴嘴出口直徑越小,噴射蒸汽流霧化效果越好,會(huì)增大與水的接觸表面積。這兩方面都可以強(qiáng)化充熱過程的傳質(zhì)傳熱效果,改善噴射蓄熱性能。但是減小噴嘴出口直徑,會(huì)很大程度上增大蒸汽噴射時(shí)的節(jié)流阻力,增加不可逆的熱損失,故噴嘴出口直徑存在最佳范圍。國(guó)外文獻(xiàn)認(rèn)為最佳范圍為4.5~7.5mm;章登光通過計(jì)算得出噴嘴出口直徑的最佳范圍為4.5~7.0mm;吳曉等通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,當(dāng)噴嘴出口直徑為6mm時(shí),綜合考慮提高蒸汽噴射速度和減少節(jié)流阻力兩方面,充熱效果最佳。即噴嘴出口直徑為6mm時(shí),理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,可認(rèn)為蒸汽噴嘴出口直徑約為6mm時(shí)達(dá)到最佳噴射蓄熱效果。噴嘴截面變化曲線方程馬赫數(shù)M是決定拉伐爾型噴嘴截面積、壓力、氣體密度以及流量變化的重要因素,因此在設(shè)計(jì)過程中,可以把馬赫數(shù)M作為噴嘴的一個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)馬赫數(shù)和截面面積之間的關(guān)系,可導(dǎo)出噴嘴內(nèi)通道的曲線方程。氣體一維等熵穩(wěn)態(tài)流動(dòng)方程見式(4):式中γ———比熱比對(duì)式(4)進(jìn)行積分等處理得:式中C2———常數(shù)設(shè)喉口截面的面積為Ah,則M=1時(shí),A=Ah,即:式中Ah———噴嘴喉口截面面積,m2由式(5)、(6)得:由式(7)可求出噴嘴任意截面直徑d和喉口截面直徑dh之間的關(guān)系:式中d———噴嘴任意截面直徑,mdh———噴嘴喉口截面直徑,m在設(shè)計(jì)蒸汽噴嘴通道時(shí),設(shè)馬赫數(shù)M沿噴嘴通道呈線性變化,即M=f(x),可得到噴嘴截面變化曲線方程:式中f(x)———馬赫數(shù)M沿噴嘴通道呈線性的函數(shù)由式(9)可描繪出噴嘴截面變化曲線,當(dāng)馬赫數(shù)M<1時(shí),曲線類似于橢圓形;當(dāng)馬赫數(shù)M>1時(shí),曲線類似于雙曲型。對(duì)于拉伐爾型噴嘴,其漸縮段曲線是橢圓形,漸擴(kuò)段曲線是雙曲型。在國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)蒸汽蓄熱器