蒸汽压力匹配器论文

1、前 言蒸汽压力匹配器是一种结构简单、紧凑的节能设备。流体在流经蒸汽压力匹配器时受混合元件的约束，产生分流、合流、旋转，使流体达到充分的混合。根据主次流物理状态的不同，可分为液液、液气、气液、气气蒸汽压力匹配器。国内外对各种蒸汽压力匹配器的设计方法都进行了研究，但没有一种统一的，适应于多种情况下的设计软件。本课题主要设计开发一种简单实用，功能强大的汽液蒸汽压力匹配器设计软件，以便快速准确的计算出其尺寸，便于工厂对其选型。本论文将在查阅研究和分析国内外大量的蒸汽压力匹配器资料的基础上，传承蒸汽压力匹配器的各种计算方法，并用具体的工业生产实例进行考核。最终，将编制出通用于各种工艺工况，有一定的工艺操

2、作弹性的软件，为编制开发出统一使用与各种工艺条件下蒸汽压力匹配器的设计软件包成为可能。并用microsoft vb 6.0中文版编写了汽液蒸汽压力匹配器设计计算软件，实现了汽液蒸汽压力匹配器设计计算的智能化。本文不但详细叙述了汽液喷射器的设计原理，还精心选取了一个设计实例，对软件进行考核。考核结果说明汽液蒸汽压力匹配器设计计算软件为化工工艺设计中的计算机设计和优化改造提供高质量的初始值，为以后工艺改造、研究和应用提供了有力工具。文献综述1.1 概述蒸汽压力匹配器是一种结构简单、紧凑的节能设备。流体在流经蒸汽压力匹配器时受混合组件的约束，产生分流、合流、旋转，使流体达到充分的混合。根据主次流物理

3、状态的不同，可分为液液、液气、气液、气气蒸汽压力匹配器。选用时要考虑混合流体的性质、流体的流动状态、流体的体积比，以及混合组件的类型和个数对混合效果的影响。国内外对各种蒸汽压力匹配器的设计方法都进行了研究，但没有一种统一的，适应于多种情况下的设计软件。鉴于这种情况，本课题要设计开发一种简单实用，功能强大的汽液蒸汽压力匹配器设计软件，以便快速准确的计算出其尺寸，便于工厂对其选型。提高流体的压力而不直接消耗机械能是喷射器的根本特点，所以采用它比采用机械的增压装备(压缩机、泵、鼓风机和引风机等)简单而可靠 ；此外，喷射器与各种设备相联接，其系统比较简单 ；同时制造也不复杂，乃至挺不需要专门的制造工厂

4、就可制造出各种用途的喷射器。鉴于这些，日前国内外在动力、石油化工、冶金、轻工纺织、建筑、制冷、工业热工以及农业等技术领域，汽液喷射器获得愈来愈广泛的应用。尤其是把喷射器应用到一些特殊生产工艺上，如真空蒸馏、真空脱臭、真空蒸发、真空结晶、真空干燥等，前途很大。本论文首先介绍了汽液喷射器的定义、作用、分类、实际操作方法、，还对汽液喷射器行业环境进行了分析。本论文将在查阅研究和分析国内外大量的喷射器资料的基础上，传承喷射器的各种计算方法，最终，将编制出通用于各种工艺工况，有一定的工艺操作弹性的软件，为编制开发出统一使用与各种工艺条件下喷射器的设计软件包成为可能。并用microsoft vb 6.0中

5、文版编写了喷射器设计计算软件，实现了喷射器设计计算的智能化。1.2 喷射器原理 在喷射器这种装置里，不同压力的两股流体互相混合，并发生能量交换，以形成一股居中压力的混合流体。混合流体有的是气(蒸汽)相，有的是液相，有的是气体(蒸汽)、流体和固体的混合物。进入装置以前，压力较高的那种介质叫做工作介质。工作介质流叫做工作流体。工作流体以很高的速度从喷嘴出来，进入喷射器的接受室，并把在喷射器前的压力较低的介质吸走。被吸走的流体叫做引射流体。通常在喷射器里，最初是发生工作流体的势能或热能转变为动能。工作流体的动能，一部分传输引射流体。在沿喷射器流动的过程中，混合流体的速度渐渐均衡，于是混合流体的动能相

6、反地转变为势能或热能。 喷射器的原理图表示在图1上，喷射器的主要部件有：工作喷嘴，接受室，混合室，扩散器。 工作介质流体和引射介质流体进到混合室中，进行速度的均衡，通常还伴随压力的升高。流体从混合室出来进入扩散器，压力将升高。在扩散器出口处，混合流体的压力高于进入接受室时引射流体的压力。提高引射流体的压力而不直接捎耗机械能，这是喷射器最主要的最根本的性质。由于具有这种性质，在很多技术部门中，采用喷射器比采用机械的增压设备(压缩已、泵、鼓风机和引风机等)，使有可能得到更为简单更为可靠的技术解决办法。除了本身结构特别简单之外，喷射器与各种设备连接的系统也很简单，制造也不复杂。这些，使有可能在工程上

7、的广泛技术领域中使用这些喷射器。在目前，看来没有不采用喷射器的技术部门。1.3 汽液喷射器的组成汽一液喷射器 以一定压力的蒸汽作为驱动流体来提升冷凝液体的压力，液体人 口压力低于蒸汽压力 ，出 口压力经提压后可能高于工作蒸汽压力。从这一意义上来讲，汽一液喷射器可以等视为诸如气轮驱动泵等设备,蒸汽的势能和部分热能用于压缩液体 。在汽一液喷射器中,所有的热动力学过程依赖于流体间的直接交换现象（质量、动量和能量 的传递 ），无需任何运动机械。汽一液喷射器中主要有以下几个工作区域（如图2所示）：图2 带圆柱形混合室的汽-水喷射器简图喷嘴： 喷射器中用的喷嘴有单喷嘴和多喷嘴两种,目前，在汽一液相反应中采

8、用的是收缩型的单喷嘴,其效果良好,如图所示。为了减少液体在喷射中的阻力降,应将喷嘴作成锥型,其角度=14-16°时较好。为便于制造和防止使用过程中喷嘴喉部迅速磨损而改变嘴部直径 ,喉部直线长度一般可取3-5毫米。另外，蒸汽喷嘴 可提供近于等嫡膨胀的过程，把部分蒸汽焓转化为动能 ，一般是典 型的缩-扩超 音速喷嘴（产生强烈的膨胀 ）；液体喷嘴能使液体产生一定的加速 ，较均匀分布于蒸汽喷嘴出口的周围；接受室： 界首市的大小对喷射反应影响不显著，但必需保证有足够的容积，使汽液两相畅通无阻。接受室过小会引起液体积聚，使液体高速喷射所造成的真空度易被破坏。为了减少阻力降，混合室前端应做成椎体，

9、角度=60°左右较好，但更重要的是吸气室与混合室的坡接线要衔接平滑切记突出，混合室：蒸汽与液体直接接触 ，蒸汽向液体传递热量（由于温差）、质量（由于相关冷凝）和动量（由于速度差 ），最终完成蒸汽的冷凝过程 ，而得到压力较高的液体；汽一液两相的混合反应和能量交换主要在混合室内进行，其喉管长度一定时，直径增加使阻力下降，但汽一液两相混合、反应效果不好；若直径减少则阻力降增加,但汽一液两相混合、反应效果较好；若直径过小会在混合室内造成积液现象。在喉管直径一定时，喉管长度增加，阻力降增加，但混合、反应效果较好.喉管长度减少,阻力降下降,其混合反应效果不好。要有相应的喷射器的混合室长度才可保证

10、混合流体流速场的均衡。根据实验资料，喷射器的圆柱形混合室长度通常取为6-10倍混合室直径： lk=（6-10）d3扩散室 ：在扩散段出口处液体动能部分恢复,产生一定的压力升。扩散室的作用在于使反应继续进行，其长度主要取决于反应进行的程度，有时可达l4=(12-14) d3。扩散室的角度过小，阻力降增加。其混合和反应效果好，角度过大，阻力降下降，其混合和反应效果不好。一般扩散室的长度是根据6-8º的扩张角按下式确定：1d=12×d31.4 汽液蒸汽压力匹配器的应用在石油化工生产中，喷射器早已众所周知。在除尘、抽真空、直接加热、传质和制冷等化工单元操作中得到愈来愈多的应用，如表

11、 所示。对其计算也有不少著作和文献进行了详细的讨论。1.国内外研究现状喷射器是依靠射流使流体质点间产生相互撞击来传递能量的。在混合过程中产生大量旋涡， 在喉管内壁产生摩擦损失以及在扩散管中产生扩散损失，所有这些都会引起大量的水力损失，从而使大部分能量在传递过程中损失掉，导致结构和提高其性能的研究，越来越受到国内外研究者的重视。目前， 对喷射器的理论研究尤其是对喷射过程的深入研究，还很缺乏。由大连理工大学沈胜强等编写的 喷射式热泵的设计计算和性能分析介绍了喷射器设计的一维分析理论及方法。这一理论对喷射器的设计起了重要作用，但它对喷射器内的流动过程未能作出描述，不能分析影响喷射流动的因素，其分析结

12、果有很大的局限性。采用多维数值模拟方法和激光多普勒测试仪测试对喷射器二维模型进行分析研究， 能对喷射器内流动过程及影响因素有更清晰的了解，并能揭示一些一维理论无法解决、实验难以测量到的现象。对于喷射器来说，其结构虽然简单， 但影响其性能的因素却比较多，包括喷嘴、喉嘴间距、喉嘴长度、扩散管角度、喷嘴与喉管面积比等， 各个参数对喷射器性能都有不同程度的影响。另外， 喷射器的工作流体、引射流体和混合流体的压力、流量、物性和操作条件以及附带设备的运行状况也直接影响其效率和性能。本文主要对喷射器性能进行综合分析，尤其是运用流体模拟计算对喷射器的喷嘴、混合室、扩压器内流场以及各部分尺寸对其性能的影响进行分

13、析， 从而对喷射器的结构参数进行优化。在动力工程和近似于动力工程的技术领域中，可以举出如下应用蒸汽压力匹配器的地方：1) 在发电厂，燃料燃烧设备(气体喷燃器)；蒸汽锅炉的给水系统(抗气蚀水喷射泵) ； 汽轮机的调节系统(油引射器)；为了提高汽轮机的抽汽压力(蒸汽喷射压缩器)；为了把空气从冷凝器中抽走(蒸汽引射器或水引射器) ；交流加热系统(喷射加热器)；为了输送灰渣(水力除灰器)；发电机的空气冷却系统(引射冷却装置) 。2）在废气余热供暖装置方面而：作为采暖用户人口的混合器(水喷射混水器)；为了提高生产设备的废汽压力(蒸汽喷射压缩器)；在回收凝结水的系统方面和为了排走地下热管线的地沟及检资井中

14、的积水(蒸汽喷射器和水喷射器)；在修复地下热管线时，为了向地沟输送保温材料(气力输送喷射器)。 3) 在制冷技术方面：作为引射制冷装置的主要和辅助设备。4）在工业热工技术方面；工业炉的燃料输送、空气供给和燃烧系统；很多现代化机器的供油系统和试验发动机的试验台装置。 5）在通风装置方面：用来形成通过风道和房间的一股不间断的空气流。6）在自来水装置方面：用来把水从深水持和钻井中提上来。 7）用来输送固体的散粒状物料和液体。 下面将推倒带最简单的圆柱形混合室汽水喷射器的基本计算方程式。 （一） 特性曲线方程式对于用虚线（图2）围起来的那部分来说，动量方程式可以写成如下形式： （1-1）这里，除了（图

15、2）标出的符号之外，取了如下符号：pp1在工作喷嘴出口截面上蒸汽压力；wp1在喷嘴出口截面上蒸汽的实际速度；wp1=； 在绝热流动时蒸汽速度；wh1 在喷嘴出口截面所在平面上的环形截面内引射水的速度；w3 在混合室的终截面上水的速度。让我们作如下假设：1）在喷嘴出口截面平面上的截面大到这样的程度，以致于在截面上引射水的速度接近于零（），而且引射水的动量与工作蒸汽的动量比较起来可以忽略。2) 在工作喷嘴出口截面平面上的截面积大大超过圆柱形混合室的截面积压力从降到基本上是在值接近于值的混合室入口段的末端上进行。因此认为， （1-2）在这些条件下，方程式（1-1）取下列形式： （1-3）在混合室末端

16、水速度：在混合室末端水的压力： （1-4）如果把和之值代入式（1-3）中，并用去除各项得到： （1-5）众所周知，；根据下式：；把这些表达式代入式（1-5）之后得到： (1-6)用去除两边，尽可能简化之后得到： （1-7）当喷嘴出口截面上的蒸汽压力等于引射水的压力（）时，于是式（1-7）取下列形式： (1-8)根据式（1-7），喷射器后的压力： (1-9)当喷嘴的出口截面的大小接近于混合室截面的大小时，那么从式（1-9）可以看出，喷射器后的压力与引射水的压力无关。（二） 汽水喷射器的极限状态在汽水喷射器中，最大和最小喷射系数是受混合室中水沸腾的条件的限制的，只有当混合室中水的压力p2变成低于混

17、合室中水温下饱和压力（汽蚀）的情况下，混合室中水的沸腾才会发生。在工作蒸汽和引射水的参数给定及引射器的尺寸给定的情况下，这两个压力（ph和p2）取决于喷射系数。混合室中水的温度是根据热平衡来确定： (1-10)式中 引射液体的比容。在这个温度下，根据饱和蒸汽表来确定相应的值，圆柱形混合室始端水的压力取决于进入混合室之前数量很大的引射水由于引射介质和工作介质之间的动量交换而获得的速度。假使认为，工作蒸汽凝结之后形成以十分高的速度流动且因此而占有很小的截面积的工作液体流束；以及这股工作液体流束和引射水之间的动量交换是在圆柱形混合室中进行，那么就可以忽略在压力下引射水所具有的平均速度。在这个情况下，

18、混合室始端水的压力可以用伯努利方程式来确定 (1-11)这个式子用下式代入之后可写成如果用式代替gp2得到或 （1-12）测量混合室始端的压力表明。用这个公式算出的值很接近于实验值（图3）。图3 在进入混合室时水的压力降与喷射系数的关系在pp=8大气压，时，按式（1-12）绘制的计算特性曲线实验点：×ph=0.8大气压 ph=0.6大气压当引射水高于正常温度时，工作蒸汽的凝结比蒸汽流入冷水中的凝结要慢，在这种情况下，凝结过程在接受室中可能没有结束，于是，混合室的一小部分入口截面将被没有凝结的工作蒸汽所占用，剩下的通过引射水的截面就要减小了极限喷射系数。极限喷射系数值也可以用解析法来确

19、定，从而不需要绘图，根据式（1-13） （1-13）这个方程式是用选择法来求解：在任意一个值下，用式（1-10）确定出，在饱和蒸汽表上查得相应值，进而按式（1-13）确定出值。如果这个值与原来的不相符，计算要重复进行。两个极限喷射系数值（和）是用这样的方法求得的。（三）可达到的喷射系数在给定喷射器的工作条件（工作蒸汽参数和；引射水的参数和及喷射器所要求的水的压力）的情况下，为了确定可达到喷射系数，应该联立解特性曲线方程式（1-7）和极限喷射系数方程式（1-13）。方程式(1-7)可以写成如下形式： （1-7） 根据方程式（1-13）， （1-14）例 用下列条件计算蒸汽压力匹配器。引射液体：喷

20、射器前的压力ph=0.9大气压；喷射器前的温度th=30；比重h=1150公斤/米3；引射液体流量gh=4000公斤/时。工作蒸汽：喷射器的压力pp=4大气压；蒸汽是干饱和的；温度tp=143；焓ip=654大卡/公斤；比容vp=0.47米3/公斤；绝热指数kp=1.13. wp=3.08米/秒。需要的喷射器后的液体压力pc=1.7大气压。解：1） 在已给定的条件下可达到喷射系数u用公式(1-1)来确定。首先按公式（1-2）算出计算方程式（1-1）中的系数c值： （1-1） （1-2）相应的数值， 可达到喷射系数：这个方程式用逐渐接近法来求解：给出任意一个u值之后，算出相应的pk值，并按方程式

21、（1-1）检验所取得u值，pk与u的关系是根据热平衡确定的tc值来求得。 方程式（1-1）具有最大和最小喷射系数两个解，当pk=0.894大气压时，umin=8.5;当pk=0.22大气压时，umax=50.我们取u=50。 2）主要几何参数值保证实现可达到喷射系数的混合室界面与喷嘴的临界界面之比f3/fp*是用式（1-3）来确定 （1-3）2.18工作喷嘴的出口截面与临界截面之比根据气体动力函数q来确定当时，3）喷射器特性曲线的计算按式（1-4）进行：喷射器后的压力： （1-4）代入数据得出: 50.20 取u=50 5）喷射器的绝对尺寸 工作蒸汽流量 gp=4000/50=80公斤/时；喷

22、射喉部直径,喷射喉部截面积可按下式计算：式中 g 工作蒸汽消耗量， 公斤/小时； p 工作蒸汽绝对压力，公斤/厘米2； 工作蒸汽的比容， 米3/公斤； b 系数，对于饱和蒸汽 b=199，对于过饱和蒸汽 b=209.。由上式得出：,式中 喷嘴喉部直径，毫米。 其余符号与前式相同。 实践证明，在实际计算中，对于饱和蒸汽采取系数b=233时，所求的的工作证其通过喷嘴的流量，比较接近于实际。因此，在实际计算中，系数b应取： 饱和蒸汽 b=203, 过热蒸汽 b=209。 工作喷嘴的临界截面积：毫米2由此得，喷嘴的临界截面直径 dp*=7毫米。工作喷嘴的出口截面直径 dp1=7×1.42 &

23、#189;=8.35毫米。混合室直径 d3=7×2.14½=10毫米。喷嘴喉部至出口长度l2在喷嘴喉部直径dp*和出口直径dp*已知的情况下,喷嘴出口段长度l2则由其扩张角所决定。愈小，喷嘴出口段长度l2就愈长。这不仅增加了气流的摩擦阻力损失，也增大了喷嘴的加工工作量。但是，扩张角过大，容易产生气流与壁面的分离，亦影响喷嘴的工作效率。一般采取15º20º比较适宜。喷嘴出口段长度按下式计算： 当=15 º时，因此: 喷嘴入口直径d1喷嘴入口直径d1按工作蒸汽流速20米/秒左右计算。一般可采取：d1=4dp*-6dp* 入管口至喷嘴处的长度l1：喷

24、嘴出口至圆柱形混合室入口距离lc:当u<=0.5 d=3.4dn (2-14) lc1=( -0.29)dn/0.32 (2-15)当u>0.5 d=1.55dn(1+n) (2-16)lc1=(0.37+u)/0.704dn (2-17)当d<dt时，可取 lb=lc1 (2-18)当d>dt时，则 lc=lc1+lc2 (2-19)式中 lc1-接受室锥体由dn变至d的距离。lc2接受室锥体由d变至dt的距离，可由下式求得（取收缩角=22 .5度）lc2= 1.21 (d dt) 通常可取 lc= (12)dt 根据实验资料，喷射器的圆柱形混合室长度通常取为6-10

25、倍混合室直径： lk=（6-10）d3扩散室的长度是根据6-8º的扩张角按下式确定：1d=12×d3圆柱形混合室的长度:lk=8×d3=8×10=80毫米扩散室长度：1d=12×10=120毫米扩散室末端的直径 d4=d3+21dtan=10+2×120×tan6=35毫米 混合室始端的压力可以用伯努利方程式来确定 这个式子用下式 mm2混合室始端的速度： 米/秒7562.43帕斯卡可行性稳定域 在喷射系数较小的情况下，有着本质的不同。当降低引射水流量而不改变工作蒸汽流量时，水温可提高到相应于混合室压力下的饱和温度，于是由于没有足够的水来凝结所有进入的蒸汽而使喷射器的工作遭到破坏。这种状态决定了最小喷射系数umin. 当增大喷射系数时，即由于背压的降低而引射水流量增加时，混合室中的水温要降低；同时由于在混合室中水的速度增大而水的压力要降低。当引射水流量增加到一定值时，混合室入口截面上的压力p2要降到被加热水的温度下的饱和压力pk,往后再降低背压不会引起水流量的增加，因为在混合室中进一步降低压力是不可能的。可见，压力降ph-pk是不可能再增加了，因而此压降是决定引射水流量的。在这种情况下，降低压降只是引起混合室中水的沸腾。这种状态类似于水喷射泵