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蒸汽蓄热器喷嘴喷射蓄热机理研究 1 蒸汽蓄热器和喷嘴结构的国内应用背景 蒸汽蓄热器的相关技术相对成熟，操作简单可靠。一般来说，它可以节省5%10%以上的燃料。对于负荷频繁波动的锅炉，使用蒸汽蓄热器后的生产率通常可以提高3%11%。这是提高工业炉实际运行效率的有效手段，具有良好的节能效率。 我国自20 世纪60 年代开始进行蒸汽蓄热器的研究, 于80 年代从日本全套引进了先进的设计和制造技术。并在相关节能技术政策中明确指出, 对热负荷波动大的供热系统, 推荐使用蒸汽蓄热器, 以节能降耗, 保护环境。目前, 许多厂家还局限于葫芦形喷头上开孔这种老式喷嘴结构, 技术革新缓慢, 与国外的技术发展严重脱节。基于此背景, 对蒸汽喷射蓄热机理和喷嘴结构进行研究具有重要的现实意义和应用价值。本文把实践经验和理论原理相结合, 对蒸汽蓄热器喷嘴喷射蓄热机理进行较深入研究, 并借鉴国内外先进的设计经验对蒸汽喷嘴进行结构优化。 2 充热过程动态特性 蒸汽蓄热器是利用水的单位体积焓远大于蒸汽的特性而设计的间接存储蒸汽的贮热装置, 其中的水既是蒸汽和水进行热交换的传热介质, 又是蓄存热能的载热体。蒸汽蓄热器的蓄热 ( 充热) 过程是锅炉供给的高压蒸汽直接与蒸汽压较低的饱和水的混合传热过程。充热装置是蒸汽蓄热器的一部分, 见图1。充热过程中, 工作蒸汽通过充汽分配管进入蒸汽喷射系统, 均匀喷射入蓄热器水空间, 使蓄热器内水温、水位和焓逐渐升高。充热过程终止时, 蓄热器内储存与充汽分配管等蒸汽压的饱和水及与其相应的焓, 同时水位达到与充汽分配管底部平齐。充热过程要力求高压蒸汽通过喷嘴尽量充分、快速、均匀地溶入到饱和水中, 这要求尽量强化水循环的湍流扰动。传质传热的程度和速度直接影响饱和水空间温度场及蒸汽压力与水饱和蒸汽压之间的偏差, 由此造成不可逆内部热损失随充热时间的增加而增加。充热过程动态特性曲线见图2、3。 蓄热器内传质传热效果关键在于水循环扰动程度, 蒸汽充入时会引起水上下温度不均, 由此产生的密度差有助于水的扰动, 但这种自然对流作用十分有限, 水循环的主要驱动力在于喷嘴喷射出的蒸汽流引发的强制对流。 强制对流表面传热系数经验关联式见式 ( 1), 由式 ( 1) 可知, 对流传热影响因素主要有Re, Pr, Gr, Nu。在蒸汽充热过程中, 强制对流表面传热系数 α 的关系参量中, 由于自然对流驱动力较小, Gr可忽略不计; 在一定的工况下, Pr也为定值; α的主要驱动因素体现于水循环的强制湍流的表征参量, 即Re与Nu。水强制湍流的驱动来自喷嘴喷射的高速蒸汽流, 表征参量为蒸汽的喷射速度。喷射速度越大, 湍流扰动越强, 蒸汽充热周期越短, 蓄热器内部热损失越少, 热效率越高, 蓄热器的利用效果越好, 蓄热能力越强。因此, 工程上采用提高蒸汽喷射速度和强化汽液混合对流传热的喷嘴结构, 以优化充热过程, 提高蓄热能力。 式中 α———强制对流表面传热系数, W/ ( m2·K) λ———流体热导率, W/ (m·K) Re———雷诺数, 表征流体流动状态对对流传热的影响 Pr———普朗特数, 反映流体物性对对流传热的影响 Gr———格拉晓夫数, 表征自然对流对对流传热的影响 L———特性尺寸, m C1———实验校正系数 Nu———努塞尔数, 反映对流传热过程强度 3 蒸汽喷嘴的力学模型 蒸汽喷嘴是一种降压增速的流体机械部件。为了简化分析, 对蒸汽喷嘴的热力学模型作如下假设:①喷嘴内流体的流动状态为一维稳态流动。②工作蒸汽的膨胀和压缩过程为等熵过程, 忽略热力学能变化。 等熵指数方程 蒸汽在喷嘴中的流动过程是将蒸汽的焓转换为动能的过程, 一维稳定流动定熵流动过程有: 式中p———绝对压力, Pa κ———等熵指数 方程 ( 2) 为促使蒸汽流速改变的力学条件, 说明蒸汽在喷嘴中的流速和压力变化方向相反, 蒸汽喷嘴是通过蒸汽流膨胀以获得高速流动的流体机械部件。 渐缩/渐扩型喷嘴 结合式 ( 2) 和连续性方程、可逆绝热过程方程有: 式中A———喷嘴中通道截面积, m2 从式 ( 3) 可以看出, 喷嘴中通道截面积与蒸汽流速之间的变化关系取决于马赫数M, 基于马赫数M可把喷嘴分为3 类: 渐缩型、渐扩型、渐缩渐扩型 ( 拉伐尔型) 。 蒸汽蓄热器喷嘴的功能是降压增速, 则dp 0, dc 0。对于渐缩型喷嘴, 喷嘴通道截面逐渐减小, 即d A 0, 此时, 由式 ( 3) 可得出M 1。以上分析表明: 为达到降压增速的目的, 渐缩型喷嘴仅适用于喷嘴入口气流为亚声速的气流, 且对亚声速气流加速过程中, 获得亚声速气流或等声速气流。对于渐扩型喷嘴, 喷嘴通道截面逐渐增大, 即d A 0, 由式 ( 3) 可得出M 1, 由此可见, 同样为满