摘 要

摘　要：對蒸汽噴嘴噴射蓄熱過程熱水力特性及蒸汽在噴嘴中的流動特性進行研究分析，從蒸汽噴嘴安裝角、出口直徑及內通道變化曲線3個方面進行結構優化。關鍵詞：蒸汽蓄熱器 蒸汽

摘　要：對蒸汽噴嘴噴射蓄熱過程熱水力特性及蒸汽在噴嘴中的流動特性進行研究分析，從蒸汽噴嘴安裝角、出口直徑及內通道變化曲線3個方面進行結構優化。

關鍵詞：蒸汽蓄熱器  蒸汽噴嘴  馬赫數  噴射蓄熱  結構優化

Injection Heat Accumulation Mechanism and Structural Optimization of Steam Accumulator Injector

Abstract：The thermohydraulic characteristics of steam injector during its injectiOil heat accumulation as well as the flow characteristics of steam in injector are analyzed．The structure of the injeetor is optimized in terms of installation angle，outlet diameter and inner passage variation curve of steattl injector．

Keywords：steam accumulator；steam injector；Mach number；injection heat accumulation：structural optimization

 

1　概述

蒸汽蓄熱器相關技術已較為成熟，運行簡便而可靠，一般可節省燃料5％～l0％以上^[1]，對于負荷波動頻繁的鍋爐，采用蒸汽蓄熱器后熱效率一般能提高3％～ll％^[2]，是改善工業鍋爐實際運行效率的有效途徑，具有很好的節能效益。

我國自20世紀60年代開始進行蒸汽蓄熱器的研究，于80年代從日本全套引進了先進的設計和制造技術。并在相關節能技術政策中明確指出，對熱負荷波動大的供熱系統，推薦使用蒸汽蓄熱器，以節能降耗，保護環境^[3]。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構，技術革新緩慢，與國外的技術發展嚴重脫節。基于此背景，對蒸汽噴射蓄熱機理和噴嘴結構進行研究具有熏要的現實意義和應用價值。本文把實踐經驗和理論原理相結合，對蒸汽蓄熱器噴嘴噴射蓄熱機理進行較深入研究，并借鑒國內外先進的設計經驗對蒸汽噴嘴進行結構優化。

2　蒸汽噴嘴噴射蓄熱過程熱水力特性分析

蒸汽蓄熱器是利用水的單位體積焓遠大于蒸汽的特性而設計的間接存儲蒸汽的貯熱裝置，其中的水既是蒸汽和水進行熱交換的傳熱介質，又是蓄存熱能的載熱體^[1]。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l。充熱過程中，工作蒸汽通過充汽分配管進入蒸汽噴射系統，均勻噴射入蓄熱器水空間，使蓄熱器內水溫、水位和焓逐漸升高。充熱過程終止時，蓄熱器內儲存與充汽分配管等蒸汽壓的飽和水及與其相應的焓，同時水位達到與充汽分配管底部平齊^[4]。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，這要求盡量強化水循環的湍流擾動。傳質傳熱的程度和速度直接影響飽和水空間溫度場及蒸汽壓力與水飽和蒸汽壓之間的偏差，由此造成不可逆內部熱損失隨充熱時間的增加而增加。充熱過程動態特性曲線見圖2、3。

 

 

 

蓄熱器內傳質傳熱效果關鍵在于水循環擾動程度，蒸汽充入時會引起水上下溫度不均，由此產生的密度差有助于水的擾動，但這種自然對流作用十分有限，水循環的主要驅動力在于噴嘴噴射出的蒸汽流引發的強制對流。

強制對流表面傳熱系數經驗關聯式見式(1) ^[5]，由式(1)可知，對流傳熱影響因素主要有Re，Pr，Gr，Nu。在蒸汽充熱過程中，強制對流表面傳熱系數a的關系參量中，由于自然對流驅動力較小，Gr可忽略不計；在一定的工況下，Pr也為定值：a的主要驅動因素體現于水循環的強制湍流的表征參量，即Re與Nu。水強制湍流的驅動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，湍流擾動越強，蒸汽充熱周期越短，蓄熱器內部熱損失越少，熱效率越高，蓄熱器的利用效果越好，蓄熱能力越強^[3]。因此，工程上采用提高蒸汽噴射速度和強化汽液混合對流傳熱的噴嘴結構，以優化充熱過程，提高蓄熱能力。

 

式中a——強制對流表面傳熱系數，W／(m²·K)

l——流體熱導率，W／(m·K)

C——實驗校正系數

Re——雷諾數，表征流體流動狀態對對流傳熱的影響

Pr——普朗特數，反映流體物性對對流傳熱的影響

Gr——格拉曉夫數，表征自然對流對對流傳熱的影響

L——特性尺寸，m

C1——實驗校正系數

Nu——努塞爾數，反映對流傳熱過程強度

a，k，g——流態選擇性指數

3　蒸汽在噴嘴中的流動特性分析

蒸汽噴嘴是一種降壓增速的流體機械部件。為了簡化分析，對蒸汽噴嘴的熱力學模型作如下假設：①噴嘴內流體的流動狀態為一維穩態流動。②工作蒸汽的膨脹和壓縮過程為等熵過程，忽略熱力學能變化。

①力學條件

蒸汽在噴嘴中的流動過程是將蒸汽的焓轉換為動能的過程，一維穩定流動定熵流動過程有^[5]：

 

式中p——絕對壓力，Pa

k——等熵指數

M——馬赫數

c——速度，m／s

方程(2)為促使蒸汽流速改變的力學條件，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的流體機械部件。

②幾何條件

結合式(2)和連續性方程、可逆絕熱過程方程有^[5]：

 

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系取決于馬赫數M，基于馬赫數M可把噴嘴分為3類：漸縮型、漸擴型、漸縮漸擴型(拉伐爾型)。

蒸汽蓄熱器噴嘴的功能是降壓增速，則dp<0，dc>0。對于漸縮型噴嘴，噴嘴通道截面逐漸減小，即dA<0，此時，由式(3)可得出M<1。以上分析表明：為達到降壓增速的目的，漸縮型噴嘴僅適用于噴嘴入口氣流為亞聲速的氣流，且對亞聲速氣流加速過程中，獲得亞聲速氣流或等聲速氣流。對于漸擴型噴嘴，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，漸擴型噴嘴僅適用于噴嘴入口氣流為超聲速的氣流。

基于工程應用實踐，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^[6]，屬于亞聲速流動，此時M<1。蒸汽噴嘴采用單一的漸縮型或漸擴型都不能達到蒸汽流加速的最佳效果，唯有漸縮漸擴型噴嘴作為漸縮型和漸擴型的結合體，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變為逐漸擴大，漸縮段蒸汽流屬于亞聲速，漸擴段屬于超聲速，漸縮段和漸擴段之間的最小截面稱為喉部，此處蒸汽流實現由亞聲速向超聲速的轉變。喉部M=1，流速達到聲速。在工程上，當蒸汽空間工作壓力為0～0.4MPa時，喉部蒸汽噴射速度取70m／s；當蒸汽空間工作壓力為0.4～2.0MPa時，喉部蒸汽噴射速度取40m／s^[6]。

4　蒸汽噴嘴結構參數優化

目前，國內蒸汽噴嘴結構落后，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。結合以上理論分析及國外先進設計經驗，采用拉伐爾型噴嘴作為蒸汽噴嘴勢在必行。本文對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方面進行結構優化，以實現蒸汽噴嘴型式和結構的全方位優化。

①噴嘴安裝角

水的循環擾動由蒸汽的噴射動量和上下汽水混合物密度差聯合作用產生，噴嘴與豎直方向夾角(噴嘴安裝角)q角(見圖l)不影響噴射動量大小，但會影響蒸汽噴射角度。q角越大，蒸汽流橫向動量越大，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；q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擾動強度遠大于密度差引起的自然對流，因此，水循環擾動越強，整體的傳熱效果越好。因此q角對充熱過程有雙重性影響，找出二者的平衡點，是確定最佳噴嘴安裝角的關鍵。經吳曉等^[6]實驗數據驗證：當q角為30°或60°時，噴射蓄熱效果相當，充熱效率較好；而q角為45°時，噴射蓄熱效果稍差。q角最佳值隨著實驗裝置、工況條件的差別稍有不同，但可以肯定當q角約為30°或60°時，可以達到較好的充熱效果。

為了增大噴射蒸汽與水的接觸面積，避免噴射干擾，在循環筒中，噴嘴盡鼉分層布置，俯視看循環筒，相鄰兩排噴嘴錯開l5°布置且q角相差7°～10°^[6]。

②噴嘴出口直徑優化

噴嘴出口直徑越小，蒸汽噴出速度越大，噴射蒸汽流動量越大，引起水空間擾動強度越大，水循環越快；而且噴嘴出口直徑越小，噴射蒸汽流霧化效果越好，會增大與水的接觸表面積。這兩方面都可以強化充熱過程的傳質傳熱效果，改善噴射蓄熱性能。但是減小噴嘴出口直徑，會很大程度上增大蒸汽噴射時的節流阻力，增加不可逆的熱損失^[7]，故噴嘴出口直徑存在最佳范圍。國外文獻認為最佳范圍為4.5～7.5mm；章登光^[8]通過計算得出噴嘴出口直徑的最佳范圍為4.5～7.0mm；吳曉等^[6]通過實驗驗證，當噴嘴出口直徑為6mm時，綜合考慮提高蒸汽噴射速度和減少節流阻力兩方面，充熱效果最佳。即噴嘴出口直徑為6mm時，理論推導和實驗數據吻合良好，可認為蒸汽噴嘴出口直徑約為6mm時達到最佳噴射蓄熱效果。

③噴嘴截面的變化曲線

馬赫數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，因此在設計過程中，可以把馬赫數M作為噴嘴的一個主要設計參數。根據馬赫數和截面面積之間的關系，可導出噴嘴內通道的曲線方程。氣體一維等熵穩態流動方程見式(4)^[9]：

 

式中g——比熱比

對式(4)進行積分等處理得：

 

式中C2——常數

設喉口截面的面積為Ah，則M=1時，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之間的關系：

 

式中d——噴嘴任意截面直徑，m

dh——噴嘴喉口截面直徑，m

在設計蒸汽噴嘴通道時，設馬赫數M沿噴嘴通道呈線性變化，即M=¦(x)，可得到噴嘴截面變化曲線方程：

 

式中¦(x)——馬赫數M沿噴嘴通道呈線性的函數

由式(9)可描繪出噴嘴截面變化曲線，當馬赫數M<1時，曲線類似于橢圓形；當馬赫數M>1時，曲線類似于雙曲型。對于拉伐爾型噴嘴，其漸縮段曲線是橢圓形，漸擴段曲線是雙曲型。

在國內傳統蒸汽蓄熱器噴嘴結構中，蒸汽噴嘴通道一般加工成直線型，雖然易于加工，但不利于蒸汽流態的充分發展，從而影響噴嘴內蒸汽流的加速性能。現在通過噴嘴截面變化曲線的編程和數控加工，完全可以獲得精度較高的流線曲面，與母線為直線的噴嘴相比，噴嘴內通道結構從流體特性上得到進一步優化，從而一定程度上改善了蒸汽噴嘴的噴射性能。

 

參考文獻：

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本文作者：邢承治  邢凌燕  胡兆吉

作者單位：中海油新能源投資有限責任公司鄂爾多斯SNG項目籌備組

  北京能源投資(集團)有限公司

  南昌大學環境科學與工程學院