（制冷及低温工程专业论文）除氧器乏汽回收喷射热泵系统的研究.pdf

摘要 在能量消耗巨大的热力发电行业，如何实现能龟的合理配置和分级利用，提高能源利用水平，已经 成为发电行业面临的重大课题。热力除氧器是热力发电厂的重要设备之一，它保证锅炉给水的溶氧量， 但是其排气装置在排出不凝结气体的同时也会排出一部分蒸汽，这部分饱和蒸汽的排放造成了大量的工 质损失和热能浪费。 在火电厂的低压管网和除氧器的乏汽之间建立蒸汽喷射式热泵系统，引射除氧器的乏汽压缩进入低 压蒸汽管网。从而不仅可以有效解决能量损失问题，而且可以保证除氧器的安全运行。在此前提下，分 析了蒸汽喷射式熟泵可达到喷射系数的三种计算方法，分析了计算方法的选取对除氧器乏汽回收喷射热 泵的设计产生的影响，分析了可达到喷射系数、各流体压力、喷射式热泵截面比三者之间的关系。根据 分析结论设计了一套固定结构尺寸的喷射式热泵，搭建了除氧器乏汽回收喷射热泵工业实验平台。以实 验为基础验证并分析了压力比、压差、压差比等参数对除氧器乏汽回收喷射热泵性能的影响。针对除氧 器乏汽回收喷射热泵的传统经验公式计算得到的理论喷射系数与实验喷射系数存在较大差异，提出了较 为符合除氧器乏汽回收喷射热泵工况的速度系数范围，并给出符合本实验范同的速度系数值，给火电厂 的热力系统平衡模式提供了新思路。 通过以上工作，得到如下结论： ( 1 ) 亚临界膨胀比喷射热泵设计方法的选取，和工作流体的膨胀比、引射流体的压缩比有着真接 联系；( 2 ) 固定结构的除氧器乏汽回收喷射热泵，其实际运行时的喷射系数要受到同工况下理论上的最 佳截面比的制约；( 3 ) 除氧器乏汽回收喷射热泵与气体喷射压缩器、气体喷射器、喷射泵具有相似的工 作特性；( 4 ) 喷射器的传统经验公式推荐的经验系数不适用于除氧器乏汽回收喷射式热泵。 关键词：除氧器乏汽回收喷射热泵膨胀比压缩比 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ef i l e do ft h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o nw h i c hw h i c hc o n s u m e sal a r g ea m o u n to fe n e r g y ， h o wt od i s p o s ee n e r g yr e a s o n a b l ya n dh o wt oe n h a n c et h el e v e lo fe n e r g yu s eh a v ea l r e a d yb e c o m e a ni m p o r t a n ti s s u ew h i c ht h ee l e c t r i c i t yg e n e r a t i o np r o f e s s i o nm u s tf a c e t h et h e r m a ld e a e r a t o r w h i c hg u a r a n t e e st h eq u a n t i t yo fd i s s o l v e da i ri nb o i l e rf e e d ，i so n eo f t h ei m p o r t a n t e q u i p m e n t s i nt h e r m a l p o w e rp l a n t i td i s c h a r g e s c o n s i d e r a b l es t e a mw h i l ed i s c h a r g e s n o n - c o n d e n s a b l eg a s ，w h i c hm a k e sag r e a tl o s s o fe n e r g y t ob u i l du pas t e a me j e c t o rh e a tp u m ps y s t e mb e t w e e nl o w - p r e s s u r ep i p en e t w o r ka n de x h a u s t e d s t e a mo fd e a e r a t o rt oe j e c te x h a u s t e ds t e a mi n t ol o w p r e s s u r ep i p en e t w o r k ，c a r ln o to n l ys o l v e t h ep r o b l e mo fe n e r g yl o s s ，b u ta l s oe n s u r es a f er u n n i n go fd e a e r a t o r o nt h i sc o n d i t i o n ，t h r e e k i n d so fc o m p u t i n gm e t h o d sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e df o ra t t a i n a b l ei n j e c t i o nc o e f f i c i e n t o fj e te j e c t o rw i t hs u b c r i t i c a le x p a n s i o nr a t i o t h ee f f e c t so ft h ec h o i c eo ft h ec o m p u t i n g m e t h o d so nt h ed e s i g no fj e te j e c t o rw i t hs u b c r i t i c a le x p a n s i o nr a t i oo ft h et h r e ek i n d so f c o m p u t i n gm e t h o d sw e r ea n a l y z e d t h er e l a t i o n s h i pa m o n ga t t a i n 曲l ei n j e c t i o nc o e f f i c i e n t v a r i o u sp r e s s u r eo fs t e a ma n ds e c t i o nr a t i ow e r ea l s oa n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y t i c a l c o n c l u s i o n a ne j e c t o rw i t hf i x e ds t r u c t u r es i z ew a sd e s i g n e da n da ni n d u s t r i a le x p e r i m e n t a l i n s t a l l a t i o no fe j e c t o rw i t hs u b c r i t i c a le x p a n s i o nr a t i ow a ss e tu p t h ee f f e c t so fa 1 1k i n d s o fp a r a m e t e r ss u c ha se x p a n s i o nr a t i o ，c o m p r e s s i o n r a t i o ，p r e s s u r ed i f f e r e n c ea n dp r e s s u r e d i f f e r e n c er a t i oo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ej e te j e c t o rw e r ev e r i f i e da n da n a l y z e db a s e do n t h ee x p e r i m e n t a ld a t a 。i nc o n s i d e r a t i o no ft h ee v i d e n t i a ld i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a l c o e f f i c i e n ta n dt h er e s u l t sc a l c u l a t e db yu s i n gt h ec l a s s i ce m p i r i c a lf o r m u l a ，t h eo p t i m e l r a n g e so fs p e e dc o e f f i c i e n t ss u i t a b l ef o rd e a e r a t o r e x h a u s t e ds t e a mr e c o v e r ye j e c t o rw i t h s u b c r i t i c a le x p a n s i o nr a t i ow e r ep r o p o s e da n dt h es p e e dv a l u e ss u i t a b l ef o rt h ee x p e r i m e n t a l i n s t a l l a t i o nw e r eg i v e n ，t h e s es t u d i e sp r o v i d ean e wp a t t e r nf o rt h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i o m i nt h e r m a lp l a n t b a s e do nw o r ka b o v e c o n c l u s i o n sc a nb ed r a w na sf o l l o w s ：( 1 ) t h ec h o i c eo ft h ed e s i g n m e t h o do f t h ej e te j e c t o rw i t hs u b c r i t i c a le x p a n s i o nr a t i oh a sd i r e c tr e l a t i o n s h i pw i t h e x p a n s i o nr a t i oa n dc o m p r e s s i o nr a t i o ：( 2 ) t h ee n t r a i n m e n tr a t i oo fd e a e r a t o re x h a u s t e ds t e a m r e c o v e r ye j e c t o rw i t hs u b c r i t i c a le x p a n s i o nr a t i ow i t hf i x e dc o n f i g u r a t i o ni sr e s t r i c t e db y t h et h e o r e t i co p t i m a ms e c t i o n a la r e ar a t i oi nt h es a m ec o n d i t i o n ：( 3 ) t h ed e a e r a t o re x h a u s t e d s t e a mr e c o v e r ye j e c t o rw i t hs u b c r i t i c a le x p a n s i o nr a t i oh a ss i m i l a rw o r k i n gc h a r a c t e r i s i t c s w i t ht h eg a sj e tc o m p r e s s o r ，g a se j e c t o ra n dt h ee j e c t o rp u m p ：( 4 ) t h ee m p i r i c a lc o e f f i c i e n t g a i n e db yu s i n gt h ec l a s s i ce m p i r i c a lf o r m u l ai sn o ts u i t 曲j ef o rt h ed e a e r a t o re x h a u s t e ds t e a m r e c o v e r ye j e c t o rw i t hs u b c r i t i c a le x p a n s i o nj e te j e c t o r k e yw o r d s ：d e a e r a t o r ，e x h a u s t e ds t e a m r e c o v e r i e s ，e j e c t o rh e a tp u m p ，c o m p r e s s i o nr a t i o e x p a n s i o nr a t i o i i 一 笪兰耋 符号表 “临界速度( m s ) 压缩流体的临界速度( m s ) 引射流体的临界速度( m s ) 釉工作流体的临界速度( m s ) 口c 屯在扩散器中流体从压力p 3 等熵压缩到压力p c 时，在扩散器入口处混合流体具有的速度 ( m s ) 口自由流柬试验系数，弹性介质取值( o 0 7 0 0 9 ) ，非弹性介质水的取值( o 1 6 ) ： 卢混合室入口短短形成线与喷射器轴线之间的夹角； 4 工作喷嘴舶出口直径； 以混合室直径； 以离喷口出口长度，处的自由流束直径； e 工质的单位工作能力( k j k g ) ： ，截面面积( n f ) 厶工作喷嘴临界截面面积( n f ) 石l 工作流体在工作喷嘴出口截面上所占的面积( “) 厶工作流体在圆柱形混合室入口截面上所占的面积( m 2 ) m 引射流体在圆柱形混合室入口截面上所占的面积( m 2 ) 五混合流体在混合室出口截面上所占的面积( m 2 ) ， 三- 气体喷射压缩器混合室出口截面积与工作喷嘴临界截面积之比 超临界膨胀比的气体喷射器混合室截面与工作喷嘴临界截面的最佳截面比 ( 手) 。n r 亚临界膨胀比的气体喷射器或喷射泵混合室截面与工作喷嘴出口截面的最佳截面比 ，p i 6 质奄流量( k g s 6 p 工作流体质罱流龟：( k g s ) g h 引射流体的质量流量( k g s ) g b 混合物中空气的质量流量( k 咖) 呸混合流体的质最流景( k g a ) 在滞止状态下工质的比始( k j 他) ； 一争 ( k j k g ) ： 以在与周围截至处】：平衡状态下工作物体的比焓 七绝热指数； ，f l 自由流束长度； c ：混合室入口段的长度； = i ：+ 屯喷嘴出口截面距混合室入口截面距离： 圆形混合室的长度； 扩散器的长度； p 压力( p a ) 昂滞止压力( p a ) e 液体的饱和压力，气体的临界压力( p a ) 乓在工作喷嘴入口截面上工作流体的工作压力( p a ) 在引射流体进入喷射器的入口截面上引射流体的引射压力( p a ) 晶饱和蒸汽压力( p a ) 最引射水温度下的饱和压力( p a ) b 混合物中空气的分压力( p a ) & 在扩散器出口截面上混合流体的压缩压力( p a ) 罡= ，k = 最圆柱形混合式入口截面上的静压( p a ) a b = 乓一混合室入口段的静压降低值( p a ) 巴= 弓一乓引射介质的静压降低值( p a ) a 弓= 耳一日工作介质的静压降低值( p a ) 氏 压缩比 p , p 。膨胀比 p m 在圆柱形混合室入口截面上引射流体的静压力( p a ) p n 在工作喷嘴出口截面善工作流体的静压力( p a ) p p 2 在圆柱形混合室入口截面上工作流体的静压力( p a ) p 3 在圆柱形混合室出口截面上混和流体的静压力( p a ) ，p p h 可用压力降( p a ) a 名= 晶一b 混合室入口段静压降低值( p a ) ( 所一，h ) ( ，c - p h ) 压差比( 相对压力降) 曰折算质量速度 叮p 2 在截面2 - 2 上工作流体的折算质量速度 q m 在截面2 - 2 上引射流体的折算质量速度； 1 1 符号表 q c 3 在截面3 - 3 上混和流体的折算质量速度； s 在滞止状态下工质的比熵( k j k g ) ； s o 在与周用截至处于平衡状态下工作物体的比熵( k s k s ) ； r o 周围介质的温度，通常取2 9 3 。k ： 瓦滞止温度( 。k ) ； “= g h g p 质量喷射系数； u o = r r , 容积喷射系数； 铲l - 引号一空气的容积喷射貔 k 工作介质的容积流量( s ) ； 引射介质的容积流量( f t l 3 s ) ； 引射混合物中空气的容积流量( s ) ； v 比容( m 3 k g ) 在滞止状态下气体的比容( m 3 k g ) w 蒸汽绝热流动时候的速度( m s ) h 引射流体进入喷射器时的速度( m s ) 坼工作流体进入喷射器时的速度( m s ) 压缩流体离开喷射器时的速度( m s ) m 在圆柱形混合室出口截面上混和流体的速度( m s ) ”k 在圆柱形混合室入口截面上引射流体的速度( m s ) 坼。在喷嘴出口截面上工作流体的速度( m s ) ”k 在圆柱形混合室入口截面上工作流体的速度( m s ) 口p 工作流体的临界速度( m s ) 。引射流体的临界速度( m s ) q r 压缩流体的临界速度( m s ) a 折算等熵速度 屯在3 - 3 截面上压缩流体的折算等熵速度 k 在2 - 2 截面上引射流体的折算等熵速度 4 ：在2 2 截面上工作流体的折算等熵速度 墨工作流体f l o g 度系数k i = q 。p ：甲，= o 8 3 4 k ：引射流体的速度系数k = 吼妒，吼= 0 , 8 1 2 弼工作喷嘴的速度系数 1 1 1 东南大学硕士学位论文 仍混合室的速度系数 仍扩散器的速度系数 他混合室入口段的速度系数 p 密度( k g m 3 ) 风滞止状态下气体密度( k g m 3 ) a 临界截面条件下气体的密度( k g m 3 ) 岛，在喷嘴出口截面上工作流体的密度( k g m 3 ) p r 在喷嘴临界截面上工作流体的密度( k g m 3 ) 丌相对压力 兀i 临界截面上的相对压力 下脚注号： l 工作喷嘴的出口截面 2 混合室的入口截面； 3 混合室的出口截面； 临界截面。 p 在喷射器的喷嘴前的工作流体； 卜在喷射器的接受室前的引射流体： c 在喷射器的扩散器后的混合( 压缩) 流体 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 聋! 丝日 期：21 ：竺 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：! 墼鱼室导师签名：宝盥日期：2 0 0 7 7 , f 第一章除氧器乏汽时收喷射热泵的研究现状及进展 第一章除氧器乏汽回收喷射热泵的研究现状及其进展 1 1 概述 由于我国正处在t 业化和城镇化加快发展阶段，能源消耗强度较高，消费规模不断扩大，特别是高 投入、高消耗、高污染的粗放犁经济增长方式，加剧了能源供求矛盾和环境污染状况。能源问题已经成 为制约经济和社会发展的重要因素。能耗水平的高低也成为衡量工业现代化程度的重要标志，并成为反 映电力企业管理水平和生产技术水平的一项综合技术指标。 解决能源问题，根本出路是坚持开发与节约并举、节约优先的方针，大力推进节能降耗，提高能源 利用效率。节能是缓解能源约束，减轻环境压力，保障经济安全，实现全面建设小康社会目标和可持续 发展的必然选择。在能量消耗巨大的热力发电行业，如何降本增效，已经成为发电行业面l 临的重大课题。 就能耗而言，企业不仅要在余热利用上挖潜，更重要的是废热回收，实现能量的合理配置和分级利 用，在生产系统各环节的现有条件下，通过局部合理调整，提高能源利用水平，降低生产装置的能耗比。 火力发电厂给水溶氧是造成热力设备腐蚀的重要原因，锅炉给水中溶解氧分别以化学腐蚀、电化学 腐蚀，氧差腐蚀等形式对锅炉本体、给水管网及其他部位造成不同的腐蚀，特别是在疏松的污垢下、水 渣沉积处、缝隙处及应力不平稳处容易发生腐蚀，造成溃疡穿孔等，对金属强度损坏十分严重，是影响 锅炉安全及寿命的重要因素。 为此必须对锅炉给水尽可能地除氧。热力除氧器是热力发电厂的重要设备之一，它保证锅炉给水的 品质，特别是溶氧量，以满足电站热力设备运行要求。其原理是根据气体溶解定律( 亨利定律) ：任何 气体在水中的溶解度与在气水界面上的气体分压力及水温有关，温度越高，水蒸汽的分压越高，而其它 气体的分压则越低，当水温升高至沸腾时，其它气体的分压为零，则溶解在水中的其它气体也就等于零。 热力除氧器分为大气式除氧器、中压除氧器、高压除氧器( 工作压力大于0 4 9 m p a ，水温大于1 5 8 ) ， 目前发电厂的除氧器大都是高压除氧器。热力除氧器的工作流程：低压给水在除氧器中加热、喷淋，其 中的不凝结气体，特别是氧气就不断析出，聚集在除氧器内，通过排气装置将这些气体及时排出，以达 到除氧的目的。在除氧器的顶部均设置排汽管道，常年对空排汽。但是排气装置在排出不凝结气体的同 时也不可避免地排出大量的蒸汽，这部分饱和蒸汽的排放造成了大量的工质损失和热能浪费。 蒸汽喷射式热泵系统，以喷射器理论为基础，将低品位的蒸汽热能提高到较高品位。它比压缩式熟 泵、吸收式热泵结构简单，造价低廉。运用喷射式热泵，以c c l 0 0 - 8 8 3 4 1 2 1 4 7 汽轮机段抽汽作 为工作介质，通过喷射器将除氧器排汽引射压缩进入低压蒸汽管网。从而不仅可以有效解决生产环节存 在的能最损失问题，而且可以保证除氧器的安全运行。根据此参数，喷射式热泵在亚临界膨胀比范围内 工作( 膨胀比n 幽= 1 6 6 7 ，小于它的临界压力比l n 。= 1 8 3 2 4 ；压缩比p c p 。 1 2 ) 。 1 2 喷射式热泵 1 2 1 喷射器结构 喷射器是一种应用非常广泛的流体机械，它利用工作流体的射流来实现能量转化，例如用于飞机上 的喷射推进；利用低温、低压热源的喷射式热泵；用于化工领域的喷射真空泵等。喷射器以其显著的节 能效果、低环境污染的工作性能，以及结构简单，造价低廉，操作、维修方便等优势，在各工业领域中 得到非常广泛的应用。因此，对其机理的研究，得到许多学者的关注，喷射技术正成为- f _ 7 覆盖面大、 应用范围广的新学科。 喷射器是用不同压力的两股流体相互混和，并发生能量交换，以形成一股居中压力的混和流体的装 东南人学硕 学位论文 置。混和流体町以是气相( 蒸汽) 、液相，还町以是气体( 蒸汽) 、液体和固体的混合物。进入喷射器以 前，压力较高的那种流体叫做工作流体，压力较低的叫做引射流体。 喷射器结构如图l - i 所示，喷射器的主要部件有：工作喷嘴、接受室、混合室和扩散器等。喷射器 没有活动部件，冈而简单、运行可靠；所用材质可为铜、铝、不锈钢等，成本低：可选用的工质种类广。 因此，人们根据实际需求，结合喷射器的工作原理，将其用在许多不同的工艺流程上。 一扩散器 图1 1喷射器简图 f i g 1 - 1 s k e t c hd i a g r a mo fe j e c t o r 提高引射流体的压力而不直接消耗机械能，是喷射器的基本特性。由于具有这种特性，采用喷射器 与采用机械的增压设备( 压缩机、泵、鼓风机和引风机等) 相比，喷射器更为简单可靠。 尽管喷射器的分类各不相同，但其工作原理和结构形式是基本相同的。对于所有如图卜l 所示的喷 射器，对于任意形状的混合室，可用如下三个定律来描述： ( i ) 动量守恒定理( 在喷射器的i - - i 截面至3 3 截面之间) g p ，+ g h ，一( g p + 瓯) 嵋= 岛五十哟r 一( 冉石+ “矗) ( 卜1 ) ( 2 ) 能量守恒定律 + = ( 1 + ) 毛 ( 1 2 ) ( 3 ) 质量守恒定律 位= g p + g h ( 卜3 ) 在对喷射器的研究中，多以喷射系数作为评价喷射器性能的主要参数，即： “：! ! l( 1 - 4 ) g p 喷射器是依靠流体问的相互掺混来传递能量，尽管其结构和工作原理简单，但内部流场复杂，尤其 是工作流体和引射流体的混合流动过程。 1 2 2 喷射式热泵系统 热泵的工作原理是从低温区( 冷源) 吸收热能，并使此热能伴随着某些功的输入，一并传递到高温 区( 热源) ，从而得到较高温度的可利用热能。蒸汽喷射式热泵是借助高压蒸汽喷射产生的高速气流将 低压蒸汽( 冷源) 的压力和温度提高到j 二艺能使用的要求( 热源) 。完整的蒸汽喷射式热泵系统基本循 环的温熵图和压焓图见图卜2 。高压b 蒸汽( 状态8 ) 进入喷嘴，等熵膨胀到状态1 ，形成高速的低压 2 第一章除氧器乏汽到收喷射热泵的研究现状及进展 气流，因而能吸入状态r 的低胜蒸汽( 状态2 ) ，两者在混合器中混合成状态3 ，经扩压器扩压至较高品 位的热源( 状态4 ) ，然后进入冷凝器向高温热源定压排出热能，而被冷凝成液体( 状态5 ) ，部分液态工 质经节流阀减温减压至( 状态6 ) 后流经蒸发器，自环境中吸取热能至状态2 后，被重新吸入混合器； 另一部分工质则被加压到状态7 后送入锅炉在此被定压加热至状态8 。蒸汽喷射式热泵系统的工作町以 分成两部分：( 1 ) 提供机械能的热机，参与运行的是质量为g 。的工质按照正向的动力循环 5 7 8 一卜3 - 4 9 5 工作；( 2 ) 消耗机械功的热泵，参与运行的质量为g 。的工作按照理想的蒸汽压缩循 环3 4 5 - - 6 - 2 - 3 工作。 t 0 温熵图 s 压焓图 图1 2蒸汽喷射热泵热力过程图 f i g 1 2d i a g r a mo fs t e a me j e c t o rh e a tp u m pd y n a m i c a lp r o c e s s h 现在工业行业中许多工序是利用蒸汽加热的，也产生低压蒸汽和凝结水，由于热力管网的蒸汽参数 不可能满足所有热力用户的要求，因此喷射式热泵系统可以利用高压蒸汽节流的可用能，提高低压蒸汽 的压力，用高压蒸汽的能量回收放失的低压蒸汽、凝结水的闪蒸汽等，从而将不同压力等级的蒸汽综合 利用，减少了能量的无效贬值，达到显著的节能效果。 用作引射式减温减压器( 如图1 - 3 a 所示) ，低压蒸汽回收利用系统( 如图卜3 b 所示) ，能同时调节 蒸汽的压力和温度与节流式减压器相比佣损失小，煳效率高，运行可靠。可以广泛应用在减温减压及废 热回收等热力系统中。 用于热泵式凝结水回收装置，如图卜3 c 所示，是利用新蒸汽将高温凝结水的闪蒸汽升压到可使用 的压力，同时是高温凝结水温度下降，从而使用汽量大于锅炉的产汽量，提高锅炉的供热效率。采用这 种装置不仅可以降低凝结水的温度，有效地防止水泵的汽蚀，而且利于凝结水的回流，避免“憋气”。 当锅炉压力高于汽轮机允许的进汽压力时，从锅炉出来的新蒸汽通过喷射式热泵，吸入从汽轮机调 节级后抽出的低压蒸汽，两股蒸汽混合后达到汽轮机允许的近期压力，如图卜3 d 所示。这种方式比锅 炉降压运行具有较高的热效率。当汽轮机的抽汽压力低于用户使用压力时可以用抽汽压力，可以将全 部或部分抽汽压力提高，也可用多台压力匹配器，将抽汽压力提高成多种压力，以满足多种用汽压力的 要求，如图卜3 e 所示。当背压汽轮机的排汽压力低于用户所需的压力时，可用压力匹配器提高其压力， 满足用汽压力的要求。当背压机安装后置机时，背压汽压力低于后置机的额定进汽压力时，亦可利用压 力匹配器提高背压汽压力，满足后置机的进汽要求，如图卜3 f 所示。 不论哪种应用系统，蒸汽喷射式热泵都需要针对每一具体应用情况进行单独设计，才能建立起最佳 的热力系统，实现最佳的设备匹配和能量的最佳转换。 用引射流体所获得的工作能力与工作流体所丧失的工作能力之比来表示喷射热泵的效率，即喷射热 谬一 茎磷燮圣 东南大学硕十学位论文 泵系统的完善性： 。：! 生二垒! e 口一e 。 喷射热泵对能量和质量上利用的完善程度用媚效率表示，是流出煳与流入堋的比值 仉= ( 1 + “) 巳( 邱+ 够。) 式中：p = 一九一瓦( ，一s o ) 高压燕汽r r 要壁兰苎至一授压后的蒸汽 l 上“ 减温水 a 用作引射减温减压嚣 型了冬用户l 、 凝结水 高压蒸汽 凝结水回收水泵 一 c 用于凝结术回收系统 用户 1 3 研究现状 e 用于汽轮机抽汽压力匹配 用户 ( 1 - 5 ) ( 1 - 6 ) 墅蒌姿厂 兰兰圣重苎竺丝竺鍪用户 l j 、j l 低压蒸汽 b 用作低压蒸汽回收利用 高压蒸汽 d 用于进汽压力匹配 f 用于捧汽压力匹配 图1 3 蒸汽喷射热泵系统应用简图 f i g 1 - 3s k e t c hd i a g r a mo fs t e a m - e j e c t o rh e a tp u m p 一用户 热力除氧器的压力、水位和水温都是必须严格控制的参数，除氧器内的给水即使有少量的加热不足， 都足以使水中的含氧量达不到允许的程度。而分离出来的氧气必须及时地排除，以确保除氧器内运行压 力的稳定，来保障锅炉装置的安全运行。长期以来，关于除氧器的热_ i = 研究大都是围绕除氧器内部的传 4 国 第一章除氧器乏汽回收喷射热泵的研究现状及进展 热和传质进行的。 对喷射器的研究可以追溯到1 9 世纪6 0 年代，德国学者g z e u n e r 根据动景定理提出了射流泵的设 计理论基础，并于1 8 7 0 年与m r u n k i n 进一步完善与发展了这个理论。基于混合流体应用动鼍方程的 z e u n e r - r a n k i n 理论成果，广泛地被引用在后来的著作中。但这个理论并不能完全解决喷射器的计算 问题，像选择适宜的剖面形状，确定喷射器的纵向尺寸之类的问题，根据该理论是不可能得到解决的1 。 喷射器结构虽然简单，但由于内部流场十分复杂。在设计过程中，对采用流体力学解析基础的基本 物理定律进行精确求解十分困难，特别是在计算中，要考虑的问题很多，如果处理不当，就会达不到预 期的效果。1 9 3 0 年b h 岗恰罗夫指出：只有详细研究喷射器里所发生的流体动力学现象，才有建立喷 射器理论的町能性。 1 3 1 国外研究现状 随着高参数大容最机组的发展，欧美等许多发达国家都对热力除氧器进行了大量的研究工作，但是 这些研究工作大都集中在除氧器内传热，传质方面的研究，使得除氧器在稳定性、适应性和除氧效果上 日臻完善。如g e r s t o r 与g r i f f i t h 对除氧器内填料层上的固定叶片组几何形状进行了研究，并给出了 相应的凝结换热系数“。对除氧器的乏汽同收应用方面的研究却很少。因为除氧器处于热电厂系统各 热力设备安全运行的特殊环节，它的乏汽回收利用没有得到很好的解决。 为了解喷射器的实际工作特性，完善和发展喷射器理论，前人开展了大晕的实验研究工作。针对喷 射器的擘面压力，h e d g e s 和h i l l 进行了较为详细的擘面速度压力分布测屋，所得的实验数据用来验证 二维分析方法：”。 n e h a d 等人研究了面积比对喷射器工作的影响，他们所用的喷射器工作在r 1 1 制冷系统中，实验结 果表明：当工作条件发生改变时，喷射器的最优几何参数也相应改变“。 迄今为止，大多数实验都是测量入口压力和混合压力。d e s v a u x 等用激光观察了定常面积喷射器的 流动过程，较好的得到了流动结构图。他们还用滑移法测景沿着喷射器中心线的静态搓力分布情况，此 方法可对激波进行探测，给出激波产生的位置、长度以及受扰面积的长度。该方法被认为是观察喷射器 里超音速流和激波结构的最有效的方法之一。“。 自1 9 3 9 年德国的f l u g e l 制造出第一台公认的喷射器以来“，喷射器得到了广泛的应用，最初所 有设计都是以实验结果为依据的。k e e n a n 和n u m a n 首先在实验的基础上迈出了强有力的一步，他们采 用一维质量，动量及能量守恒方程对一台无扩散段的简化的喷射器进行了研究，所得到的性能曲线与实 验结果相当吻合“。k e e n a n 和n u m a n 等人随后完善了他们先前的理论，先后提出两种比较可行的计算 方法，即定常面积混合理论和定压混合理论”。 定常面积混合理论是指工作流体和引射流体的混合过程，是在截面积不变的情况下完成的。f a b r i ， s i e s t r u c k 等人的研究发现，一般的喷射器( 其马赫数m s 2 l 肝) 在定常面积混合时，喷射器内流体的流 动有时与背压有关，有时与背压无关“”1。他们将混合过程与背压有关的区域叫混合区域，而把混 合过程与背压无关的区域叫做超音速区域或饱和区域。a d d y 和d u t t o n 将这三种区域以三维图的形式表 现了出来，喷射器的运行工况由状态面上的一点来确定，因而，有了工作流体和引射流体的进口压力比 和背压与引射流体的压力比，就可以得到喷射系数”。 定压混合理论是假设工作流体与引射流体的混合过程是在噩力不变的情况下进行的。k e e n a n 等人 的研究成果第一次对喷射器给出了较为完整的理论分析和实验研究，奠定了喷射器一维设计理论基础。 他们在定压混合理论的基础上，假设工作流体和引射流体具有相同的分子量和比热容，工作流体和引射 流体以及混合后的流体在任意横截面具有均匀的物性分布，喷嘴和扩散器里面的过程都是等熵过程，不 计肇面阻力，在理想气体的基础上，运用动鼍，质鼍、及能鼍守恒方程计算工作过程t 推导出了具有最 大压缩比或最大喷射系数的喷射器几何参数的优化设计公式”1 。定压混合理论被广泛应用于喷射器的 设计的同时，也存在许多实际问题，最主要的问题是混合阶段流动过程的复杂性，确切地说是如何确定 东南大学硕 ：学位论文 混合室形状，以保证定r 混合过程的有效性和充分性。前苏联热【研究所对混合室入口段各种不同的剖 面形状的研究表明：锥形入口段具有晟大的速度系数，因而一般采用锥形入口段的形式”。 一维定乐混合理论和定常面积混合理论都是把喷射器里的流动看成理想气体的一维稳定无粘性流 动，并且不计擘面的摩擦影响，也不考虑热最损失。这两种理论的不同之处在于，前者认定混合过稃是 在等压下完成的，后者认为混合的过程是在截面不变下完成的。正是这些关键条件的不同，在对能鼋、 动量和质量连续性三个守恒方程求解时，所得混合后气体的马赫数、温度和压力的形式不阃。 c o f f 和c o o g a n 首先研究了喷射器的二维特征，他们将t o l l m i e n 利用自由淹没平面射流的解，来 分析工作流体与引射流体的混合过程。“。- i k h a i 认为当两股流体在一个截面积不变的混合段混合时， 在不同的阶段具有不同的速度”。他采用余弦曲线来描述截面速度分布，通过求解不同阶段的动晕线 性积分方程，取得了轴线上速度衰减规律和压力分布情况。r a z i n s k y 和b r i g h t o n 认为，直管中的流体 流动有4 个不同的环型组成部分，每部分都有各自的速度分布”1 。他们首先对边界层及其对喷射器内 压力分布的影响做了研究，他们的方法后来加入可压缩性影响，并做适当简化后成为一神喷嘴的一维的 数值计算模型“。尽管这类模型能够计算喷射器轴线的压力分布，也能对壅塞现象作出预测，然c i j 模 型中若干摩擦系数的存在，限制了它的进一步推广。而且他们的模型都要求解大量的积分方程，且都包 含不少的经验常数。 喷射器的发展过程主要是以实验为基础，在实验的基础上形成假设理论，再用实验对其验证、修改 的过程“。1 。各种理论都有一定的局限性，而且相互之问还存在矛盾的现象。比如m u n d a r 和b a g s t e r 所发展的半经验理论可以很好的解释喷射器中壅塞现象，但是其假设条件明显有误，因为他们假设有效 面积与喷射器的内部结构和运行条件无关，事实上有效面积和喷射器运行状态一样，是与喷射器的内部 结构和运行条件等有关的。 i 3 2 国内研究现状 国内对除氧器的研究也是集中在除氧器的高敛运行方面，如大同热电公司通过对除氧器内部结构从 传热和传质两个方面进行理论分析，提出了一系列改进措施，使除氧器溶氧超标问题得到有效解决。 随着节能意识的进一步加强，各电站开始想办法减少除氧器排汽损失。研究集中在与除氧器系统相 关的熟力系统优化方面。齐鲁石化热电厂采用火电厂节能诊断理论，将补充水由进鼓泡式除氧器改为进 凝汽器喉部，以提高机组运行经济性“。辽宁电力勘测设计院发电处和哈尔滨第七。三研究所对汽轮 发电机组热力系统进行了优化把传统热力系统逐级加热、除氧，改为加热、除氧一次完成，以减少热力 系统冷源损失。“。这些技术改造虽然取得了一定的节能效果，但是改造成本大，改造周期长。个别电 站采用设置除氧器排汽回收水箱，在水箱内安装开孔的蒸汽管道与除氧器排汽管相连，通过管道上的小 孔排汽，加热水箱内的冷水，加热后的热水用于洗浴采暖等。这种方法投资小，但是存在着汽水混合组 织不好、系统噪音震动、调节性能差，热效率低等缺点。山东里彦电厂将除氧器排汽与洗浴冷水之间通 过增压换热器连接，用除氧器的排汽来加热洗浴用水“。这种方法虽然克服了震动、噪音等问题，却 仍然没有解决乏汽排放调节性能差、热效率低的问题。中电股份公司北京热电分公司采用旋膜换热技术 制造的混合式换热器将除氧器的余汽回收进入疏水箱“，实际上是对除氧器乏汽能量的降级同收。华 电国际十里泉电厂采用喷射热泵技术对除氧器的废汽进行了回收改造“。，该喷射热泵的工作范围在 超临界膨胀比的工况下，能量梯级较大。有些做法干脆是减小排汽门的开度，以减少蒸汽的排出。金陵 石化热电站就是采用的这种方式。事实上这种方式造成给水除氧不充分，导致后患无穷。2 0 0 5 年2 0 0 6 年# 1 和# 2 汽轮机的末级和次末级叶片相继发生了汽蚀和断裂，不得不停机更换。锅炉省煤器和水冷壁 氧腐蚀严重，2 0 0 6 年每台炉平均2 个月就发生水冷壁和省煤器爆管1 次。况且减小排汽门的开度，不 是解决排汽损失的办法。 我国早期对喷射技术的研究，主要是以索科洛夫的喷射器一书为指导，主要是依赖元流体流 动基本方程和图表及半经验近似计算公式为基础”。1 9 8 1 年，中山大学的郭金基对亚音速气体喷射器 6 第一章除氧器乏汽同收喷射热泵的研究现状及进展 进行了大量的模型实验，实测喷射器的压力、流量、速度等参数的数据，运用数理统计的方法找出速度 幂函数曲线，得出近似的速度分布模型，并用近似计算得出自由射流束长度和混合室的压力值“。此 后，郭金基等在此基础上，根据优化条件和渐近法编制计算程序，计算最佳截面尺寸、混合室匪力及引 射系数“。尽管这些工作对改善喷射器的结构、提高喷射器的效率有一定的指导意义，但其在计算 过程中进行了一系列的假设。如流体为不可压缩流体；喷嘴出口到混合室入口问的压力相等，且等于引 射气体的压力，即等压力假设；工作流体与引射流体及混合流体的比热相等等，与实际偏离很大，限制 了结粜的实际应用。 在我国现阶段，喷射器主要应用在喷射式制冷系统和供热系统中。张于峰于1 9 9 6 年对使用喷射器 的喷射式制冷系统进行了研究“，随后孙洲阳又提出了喷射器用于复合喷射制冷循环的技术”，王 小林、瞿建国对在供热系统中应用喷射器进行了可行性研究“。，刘爱萍、徐海涛、桑芝寓等分别通过 计算和数值模拟的方法，分析了喷射式热泵在变化工况下的性能“，陆东宏等研究的新犁町调脱碳 喷射器，已经成功应用于多家化工企业，取得显著的节能效果“。鞍山钢铁学院的刑拄菊、李文忠， 南京工业大学的张少维等人也在试图通过改变喷射式热泵的喷嘴形状来寻求更好的性能”“。大连理 工大学张琨、沈胜强分析了喷嘴截面积变化对喷射系数、气体压力、气体流量等参数的影响“。大连 理工大学能源研究所在吸取德国喷射式热泵和蒸汽喷射器的研究和应用方面的最新成果基础上，开发了 全套喷射式热泵性能分析、结构设计软件，开展了喷射器的一维和多维分析计算和实验研究工作 “”。轴。”1 “。孙奉仲等人运用变量全微分的方法推出了喷射式热泵的各因素对于引射系数影响的数学 模型“3 。阎尔平、张晓弟将蒸汽节流减压与喷射热泵式减压的 用损失和媚回收进行了对比研究“郭 金基、叶谋平等人在喷射熟泵凝结水回收装置的基础上建立了喷射流体的连续性方程和效率计算公式 j o 长期以来，国内外对大膨胀比的喷射器的研究很多，但是对小膨胀比的喷射式热泵，尤其是即具有 小压缩比又具有小膨胀比的气体喷射式热泵，国内外的研究并不多见。如文献 4 5 4 7 研究的气体( 蒸 汽) 喷射器其实是大膨胀比中等压缩比的气体( 蒸汽) 喷射雎缩器。文献 4 5 4 8 中所提到的蒸汽喷射 泵其实是大膨胀比大压缩比的蒸汽引射器。文献 1 6 指出，对于小膨