長喉部噴射式汽汽混合器性能的研究

夏永軍，楊 彪

(1.沈陽工程學院能源與動力工程系，沈陽 110136;2.遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司，遼寧鐵嶺 112000)

在國家節(jié)能減排政策的推動下，國內一些純發(fā)電的小型機組已步入被淘汰的境地，而把這些機組進行改造成具有供熱能力的供熱式機組則是其新的存在基礎.同時，現(xiàn)有的一些大型供熱式機組的供熱方式都是事先確定的，在運行過程中不能進行靈活的調整.因此，應運而生地出現(xiàn)了一種新的能夠適當調整供熱參數(shù)的新型設備，噴射式蒸汽混合器.

噴射式蒸汽混合器可把2種參數(shù)的蒸汽混合在一起，形成1股新參數(shù)的蒸汽，適用于不同參數(shù)要求的熱用戶的選擇和調整.目前的噴射式混合器多采用短喉部的結構，2股蒸汽在其內部混合，因混合的充分程度不易確定，故噴射式混合器的工作效率不是很理想.而適當加長喉部的尺寸，則給2股蒸汽流的混合提供了充足的時間和空間，從而實現(xiàn)高效的混合，減小過程損失.通過分析研究，一方面可提高這種新設備的效能，另一方面也可以提高汽汽混合技術的水平，為供熱式機組提供一種更理想高效的供熱方式.

這種新型混合器已在一些小機組的改造中進行使用，如果能進一步提高其效率，則可以在大型的供熱式機組中得到更廣泛的推廣和應用.

1 噴射式汽汽混合器的結構分析及簡化模型

噴射式汽汽混合器是利用驅動蒸汽來抽吸低壓蒸汽，2股蒸汽混合后再擴壓，為熱用戶供應某一新參數(shù)蒸汽的裝置.圖1為該裝置的結構示意簡圖.

圖1 噴射式汽汽混合器

由圖1可以看出，裝置主要由4個部分組成:工作噴嘴、混合部分、喉部、擴壓部分.

1.1 裝置的結構及作用分析

1)工作噴嘴.工作噴嘴的結構是縮放型噴管，其任務是將高參數(shù)(壓力和溫度)的蒸汽降壓膨脹，轉換成高速的低壓蒸汽，工作噴嘴出口的速度一般超過音速，甚至達到800～1 000 m/s.高速低壓狀態(tài)一方面可以保證低壓蒸汽被抽吸到裝置內，另一方面可以借助高速汽流的攜帶作用，加速低壓蒸汽.

2)混合部分.裝置的混合部分是一段漸縮結構，這樣的結構可以促進抽吸蒸汽的速度進一步增加，減小抽吸蒸汽和工作蒸汽之間的速度差，提高混合效果.由于工作噴嘴出口的蒸汽速度是超音速，抽吸蒸汽是亞音速，則在工作噴嘴出口處開始出現(xiàn)斜激波，激波后速度降低，壓力升高，進而易導致蒸汽在抽吸通道內逆流;故抽吸蒸汽與工作蒸汽混合處要有合理的漸縮結構，一方面避免出現(xiàn)逆流現(xiàn)象，另一方面為后面的超音速汽流流過喉部做好充分的準備.

3)喉部.喉部結構為1節(jié)直管段，其作用是保證混合后的汽流能夠逐漸減速、增壓，由超音速狀態(tài)向音速狀態(tài)緩慢變化;此過程可以減緩壓力突變，并進而使強激波變成弱激波，增強對汽流的控制.

4)擴壓部分.擴壓段是1節(jié)漸擴圓管，其任務是將亞音速汽流降速增壓，并最終達到所需的蒸汽參數(shù)(出口壓力).

1.2 噴射式汽汽混合器的簡化模型

為適用數(shù)值模擬方法進行分析，即應用FLUENT大型流體計算軟件，根據(jù)流量方程、動量方程和能量方程，再結合N-S方程，模擬計算出喉部內的蒸汽流場，并獲得喉部各截面處的壓力變化規(guī)律，先建立其數(shù)學模型.

1)基本假設.為研究問題方便，在建立噴射式汽汽混合器的簡化計算數(shù)學模型前，做以下假設:①將噴射式混合器內流動的工質按理想氣體處理;②工質在噴射式混合器內的流動是三維穩(wěn)態(tài)絕熱流動，驅動蒸汽在工作噴嘴內的流動是等熵膨脹過程，驅動蒸汽與抽吸汽體的混合物在喉部和擴壓段內的流動是等熵增壓過程;③驅動蒸汽與抽吸汽體在混合段內開始混合;④驅動蒸汽與抽吸汽體具有相同的比重和熱比容.

2)建立數(shù)學模型.汽汽混合器內的質量平衡方程［5］:

式中，Mp為工作蒸汽質量，kg;Me為抽吸蒸汽質量，kg;Mc為混合蒸汽質量，kg.

抽吸汽體與工作蒸汽的質量流量比［6］(即引射系數(shù)W):

2 汽汽混合器中汽流速度變化狀況

驅動蒸汽在工作噴嘴內降壓增速，在工作噴嘴出口處已達到超音速狀態(tài)，馬赫數(shù)Ma=1.7.引射裝置內的蒸汽在驅動蒸汽的抽吸作用下，蒸汽由入口到出口，速度快速增長，并最終達到亞音速狀態(tài)，馬赫數(shù)Ma=0.8.驅動蒸汽與引射蒸汽在混合部分開始混合，混合后的蒸汽平均速度處于低超音速狀態(tài)，馬赫數(shù)Ma=1.2.之后，蒸汽在喉部流動過程中，速度逐漸降低，蒸汽由超音速狀態(tài)向音速狀態(tài)過度.

由于混合的2股蒸汽分別是超音速和亞音速狀態(tài)，故在混合部分及后面的喉部區(qū)域內將出現(xiàn)激波.因為激波的出現(xiàn)，導致蒸汽混合時產(chǎn)生的損失較大;通過適當?shù)匮娱L喉部的長度，可降低激波的強度，減小蒸汽流動過程中的損失，提高汽汽混合器的引射系數(shù).

圖2 汽汽混合器速度變化規(guī)律

3 計算結果及分析

某噴射式汽汽混合器的工作蒸汽壓力2.4 MPa，390℃;抽吸蒸汽壓力0.5 MPa，溫度250℃;混合擴壓后壓力1 MPa.通過數(shù)值模擬計算，得到沿混合器軸向位置的壓力曲線圖(見圖3中粗的曲線);其中混合器出口壓力1 MPa，溫度336.7℃，工作蒸汽流量為5.56 kg/s，引射系數(shù)為 0.34.

圖3 不同長度喉部的汽汽混合器的壓力變化規(guī)律

汽汽混合器喉部軸向的長度變化，會直接影響混合器的工作性能，即在混合器出口壓力維持不變的條件下，喉部長度的增加或減少，都會導致引射系數(shù)減小.喉部軸向長度不同時，混合器沿軸向位置壓力曲線見圖3.

喉部軸向長度減小時工作噴嘴壓力2.4 MPa，引射壓力0.5 MPa，工作流量5.56 kg/s，混合器出口蒸汽壓力1 MPa，溫度338℃，引射系數(shù)為0.308.

軸向距離增大時工作噴嘴壓力2.4 MPa，引射壓力0.5 MPa，工作流量5.56 kg/s，混合器出口蒸汽壓力1 MPa，溫度336.8 ℃，引射系數(shù)為 0.335.

由喉部軸向長度減小時的壓力曲線圖(圖3中細線表示)和軸向長度增大時的壓力曲線圖(圖3中粗線表示)可以看出，混合蒸汽在喉部處增壓的過程變短，激波強度增加.激波強度增強，直接影響到引射通道內的蒸汽流動性能，進而導致引射能力減弱.

4 結論

1)從計算結果看，噴管喉部的延長可以提高2種不同參數(shù)汽體的混合效果，保證混合后的蒸汽具有均勻的速度，為后部的擴壓過程提供良好的轉化條件.

2)2種不同速度的汽體混合(超音速和亞音速混合)會導致激波的出現(xiàn)，合理的混合結構將有助于完成工作蒸汽和抽吸蒸汽的順利混合，并避免出現(xiàn)逆流，為汽體繼續(xù)前行，完成后面的速度-壓力轉換過程做好準備.

3)工作蒸汽抽吸低參數(shù)蒸汽時，低參數(shù)蒸汽有最佳的壓力范圍，此壓力范圍應該根據(jù)低壓蒸汽參數(shù)和供應蒸汽參數(shù)的關系來確定，同時還要考慮到工作蒸汽的壓力.

4)從模擬計算可以看出，工作蒸汽和抽吸蒸汽混合后還是超音速狀態(tài)，故要通過增加喉部軸向長度來減弱激波的強度.

［1］張兆順，崔桂香.流體力學［M］.北京:清華大學出版社，1998.

［2］沈維道，鄭佩芝，蔣淡安.工程熱力學:第3版［M］.北京:高等教育出版社，2001.

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