CN101144616A - 动态调节式变声速增压热交换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态调节式变声速增压热交换装置包括前二通(1)、蒸汽喷管(11)、中三通(2)、中二通(7)及扩压管(13)和后二通(8)，蒸汽喷管同轴设置在中三通内，扩压管嵌套在中二通与后二通之间，在中三通和中二通之间设置有可调中芯(3)，该可调中芯(3)可做轴向前后水平移动，其中心具有轴向贯通的混合室(12)，该混合室由锥形曲线部分和水平直线部分构成，其中锥形曲线部分为流量调节段(10)用于调整进水流量，水平直线部分为状态压力调节段(9)用于调节混合室中汽水混合比例。本发明在汽水参数发生变化时，在不停止系统运行的情况下达到动态调节的目的。并使热交换器内汽水混合质量比、压力比始终处于最佳状态，有效降低设备运行噪音和运行费用，提高其换热效率和运行安全性。

Description

动态调节式变声速增压热交换装置

技术领域

本发明属于热交换技术领域，主要涉及的是一种动态调节式变声速增压热交换器。

背景技术

国内公知的变声速增压热交换器只能对流量进行间断式调节，当换热器热负荷出现变化，或蒸汽、供回水参数出现变化系统无法正常运行时，无法进行即时调节。如需调整，只能停止系统正常运行，整体拆开设备，调整产品内部结构，即使在热负荷或运行参数出现微量变动时，也无法对一定进水流量下的混合物状态进行连续调节，而使系统处于非最佳运行状态下运行，降低了换热效率和运行安全性。

发明内容

本发明的目的即由此产生，提出一种动态调节式变声速增压热交换器。使系统在汽水参数发生变化时，在不停止系统运行的情况下达到连续动态调节。以使热交换器内汽水混合质量比、压力比始终处于最佳状态，有效降低设备运行噪音和运行费用，提高其换热效率和运行安全性。

本发明实行上述目的采取的技术方案是：其主要由前二通、蒸汽喷管、中三通、可调中芯、中二通及扩压管和后二通构成，蒸汽喷管同轴设置在中三通内，在中三通和中二通之间设置有可调中芯，该可调中芯可做轴向前后水平移动，该可调中芯的中心具有轴向贯通的混合室，该混合室由锥形曲线部分和水平直线部分构成，其中锥形曲线部分为流量调节段，水平直线部分为状态压力调节段，扩压管嵌套在中二通与后二通之间。

本发明是依据两相流汽水混合换热的理论，结合计算机、热力学、流体力学、声学、机械设计等领域的相关理论，应用连续方程、能量方程、动量定理、热力学第一二定律等物理定律推导出用于理论设计的一套基本关系式，在给定蒸汽压力、冷水压力、温度、出水量、冲击力等设计参数下，确定热交换器系统参数及工艺流程，并选定基本元件的几何形状和尺寸研制的节能环保型具有多种用途的的产品。其通过两相流体场汽液混合压缩时，经过绝热膨胀技术处理后，以射流态与水在热交换器混合室瞬间相混合。由于蒸气释放大量的汽化潜热，产生了蒸汽与水两相流的混合物，形成两相流体场。当汽水两相流满足一定容积比时，场态激化，热交换器中的混合物在不变截面管道内克服音障，使汽水混合物中的声速大大低于蒸汽中的声速(可低至5～10米/秒)，流动速度完成了向亚声速的转变。此时产生了大量的压力激波。由于压力激波的单向传导特性，使流体在不变截面管道中出现压力剧增而不回流现象。使输出混合物的压力可以大大超过蒸汽压力，因而达到增压和瞬时加热的效果。其能瞬时将水加热、加压到设定温度和压力，可随时调整水温、水压，起到即供即热即有压力的效果。汽水接触面积小，在高速汽水流剧烈冲刷下，热交换器内表面不易结垢。换热效率高达99.28％，具有自增压功能，输出热水的压力高于输入流体的压力，可减少循环水泵的数量及功率，节省电能，降低能源消耗，减少污染物排放，保护了环境。每小时最大可达100吨。体积小，重量轻，安装简便。

本发明通过改善产品的内部结构，使内部结构由原固定状态变为可连续调节状态。对变声速增压热交换器内部零件可进行动态调节，使系统在汽水参数发生变化时，在不停止系统运行的情况下可自动或手动达到新的平衡状态。改变混合室内部曲线变化，由原线性结构变为区间性曲线结构，使热交换器内汽水混合质量比、压力比始终处于最佳状态。当系统汽水参数发生变化时，可通过调节喷嘴与混合室的位置，改变喷嘴与混合室的间隙和距离，达到动态调节的目的。其具有以下特点：

1、本发明是一种射流式汽水混合增压热交换器，其输出水的压力可以高于工作蒸汽的压力，它利用蒸汽的能量来直接加热水、并使网路水循环，不需要补充其它能量，节约电能50％-85％以上，节约蒸汽10％以上。

2、本发明为管状设备，体积小，重量轻，安装简便。长度最大为1038mm，外径最大为190mm，热水在换热器内，如同走高速公路，输水量每小时最大可达100吨。改建项目无需大动现有管路，节省土建费用。内部材料为特种合金钢，使用寿命15年以上，性能可靠，使用维护运行费用低。

3、操作方便、简单。能瞬时将水加热到设定温度，可随时调整水温，起到即供即热的效果。汽水接触面积小，在高速汽水流剧烈冲刷下，热交换器管状内表面不易结垢。输出热水的压力较输入流体的压力高，具有自增压功能。使蒸汽、水混合介质动压增大，产生增压节能效果。可减少、减少循环水泵的数量，节省电能30％～85％。降低能源消耗，减少污染物排放，保护了环境，由于在运行中可进行动态调节，可与计算机系统、自动控制系统联网进行全面自动控制。

4、性能参数如下表：

序号	性能参数	单位	达到的指标
				1	动态调节式变声速增压热交换器公称内径	mm	25～100
2	动态调节式变声速增压热交换器噪音	dB	≤85
				3	动态调节式变声速增压热交换器内部真空度	MP	-0.01～-0.1
4	动态调节式变声速增压热交换器热生产能力	KW	300～108
				5	动态调节式变声速增压热交换器供蒸汽压力	MP	0.2～0.8
6	蒸汽用量	吨	0.1～4.8
				7	动态调节式变声速增压热交换器进水量	吨	2.4～65
8	动态调节式变声速增压热交换器进水压力	MP	0.2～0.6
				9	动态调节式变声速增压热交换器进水温度	℃	0～65

10	动态调节式变声速增压热交换器出水静压力	MP	0
				11	动态调节式变声速增压热交换器出水温度	℃	20～130
12	动态调节式变声速增压热交换器出水动压力	MP	0.1～1.5

附图说明

图1为本发明的装配结构示意图。

图2为现有热交换器中芯部位的结构示意图。

图3是本发明的中芯部位的结构示意图。

图中：1、前二通，2、中三通，3、可调中芯，4、锁紧螺母，5、密封圈，6、加固螺栓，7、中二通，8、后二通，9、状态调节段，10流量调节段，11、蒸汽喷管，12、混合室，13、扩压管。

具体实施方式

结合附图，给出本发明的实施例如下：

如图1结合图3所示：本实施例装置具体主要由前二通1、蒸汽喷管11、中三通2、可调中芯3、中二通7及后二通8和扩压管13构成。其中前二通1、中三通2、中二通7及后二通8的端面均为法兰结构。蒸汽喷管11同轴插入中三通内，利用法兰端面通过螺栓6与前二通和中三通固定连接并保持同轴性。中三通的一端与前二通连接、另一端设有内螺纹与可调中芯的一端连接。可调中芯3的外部两端设有相应的外螺纹，其设置在中三通2和中二通7之间，与中三通2和中二通7为螺纹连接，并分别用锁紧螺母4锁紧、密封圈5密封，并用加固螺栓6进一步紧固。可调中芯可做轴向前后水平移动，可调中芯的中心具有轴向贯通的混合室12，该混合室12由锥形曲线部分和水平直线部分构成，其中锥形曲线部分为流量调节段10，主要用于调整进水流量，水平直线部分为状态压力调节段9，主要用于调节混合室中汽水混合比例。调节可调中芯，可改变蒸汽喷嘴与混合室的间隙和距离，达到动态调节的目的。中二通的另一端与后二通通过法兰连接。扩压管13嵌套在中二通与后二通之间，通过螺栓固定连接。

本发明混合室12的长度设计原则为：在最大设计流量下，其长度等于临界流速情况下的极限长度加上中芯调节余量，根据公式 $\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}\frac{L_{\mathrm{cr}}}{D}=\frac{1}{k}(\frac{1}{M^2}-1)+\frac{k+1}{2k}\ln \left[\frac{(k+1)M^2}{(k-1)M^2+2}\right],$ 由入口马赫数M来确定极限管长Lcr。混合室流通截面积以流道最佳流速(最佳流速为40～60m/s)确定流量为参考依据，  其中流通截面积与速度的关系为dA/A＝(M2-1)dv/v。扩压管(后芯)去除水平过度段，以缩短长度，内部扩散角在8℃～12℃范围内，以取10℃为最佳值，来减小截面突变性。

密封圈5采用氟橡胶材料，耐热温度170℃。密封材料或装置可采用一次性结构，调节后不能拆卸，以利于保密。总调节余量最大50mm 。

蒸汽喷管11为缩扩形拉伐尔喷管，蒸汽进入后进行绝热膨胀以超音速喷射至室，并在混合室与进水相混合，于是产生了具有一定计算容积比的蒸汽与水的混合物，汽水混合物中的声速大大低于蒸汽中的声速(可低至5～10米/秒)，该热交换器中混合物的流动速度(30～40米/秒)超过混合物的声速值，所以能在收缩段变窄的截面内克服音障，继而在不变截面管道中流动速度完成了向亚声速的转变，此时产生了压力激波，压力急剧增大，其结果是输出混合物的压力可以大大超过蒸汽压力，因而达到增压和瞬时加热的效果。由于主要压力能向动能转化，实现蒸汽流速的剧增。当具有一定压力、流速的蒸汽进入喷管后，由于管内径变小，蒸汽的压力降低，流速急剧增大，形成高速气流由喷嘴射出。

扩压管13是汽水发生动能、热能交换形成高温汽水混合物的主要场所。当水管入口处的水和由蒸汽喷管高速蒸汽射入混合室蒸汽发生动能和热量的交换。即高温蒸汽遇冷凝结，释放出大量汽化潜热热量，最终和给水形成高温汽水混合物。同时，蒸汽给水迅速发生速度交换，使汽水混合物的流速急剧增加，这样便在混合室形成高温，高速水流流向扩压段。混合扩压段主要完成混合物动能向压力能的转化，实现混合物压力的剧增，当高温、高速的水流流入扩压段时，由于管径增大，水流流速逐渐减少至外界循环网正常流速，这样部分动能转化为压力能，使压力升高，从而代替循环泵，实现系统的循环。

本实施例在使用时，在采暖系统回水压力稳定，可采用单级调节(单一流量调节)(如图2)，流量调节最大值按各产品型号的设计最大流量进行计算，状态调节值按混合物含汽率5～15％计算；对热水系统，由于进水压力的不确定性，可采用多级调节(如图3)，多级调节可让进水流量从一个值变化到另一个值，达到调节进水流量的目的。一级调节段按设计最大流量(温差30℃)的60％计算，状态调节值按混合物含汽率5～10％计算；二级调节段按设计最大流量(温差30℃)计算，状态调节值按混合物含汽率5～15％计算；两种可调中芯的装配尺寸相同，可在同一型号的产品上互换，多级调节比单级调节多。

Claims (4)

1.一种动态调节式变声速增压热交换装置，包括前二通(1)、蒸汽喷管(11)、中三通(2)、中二通(7)及扩压管(13)和后二通(8)，蒸汽喷管(11)同轴设置在中三通(2)内，扩压管(13)嵌套在中二通(7)与后二通(8)之间，其特征在于：在所述的中三通(2)和中二通(7)之间设置有可调中芯(3)，所述的可调中芯(3)可做轴向前后水平移动，其中心具有轴向贯通的混合室(12)，该混合室(12)由锥形曲线部分和水平直线部分构成，其中锥形曲线部分为流量调节段(10)用于调整进水流量，水平直线部分为状态压力调节段(9)用于调节混合室中汽水混合比例。

2.根据权利要求1所述的动态调节式变声速增压热交换装置，其特征在于：所述可调中芯(3)的混合室(12)的长度在最大设计流量下等于临界流速情况下的极限长度加上中芯调节余量，根据公式 $\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}\frac{L_{\mathrm{cr}}}{D}=\frac{1}{k}(\frac{1}{M^2}-1)+\frac{k+1}{2k}\ln \left[\frac{(k+1)M^2}{(k-1)M^2+2}\right],$ 由入口马赫数M来确定极限管长Lcr。混合室流通截面积以流道最佳流速(最佳流速为40～60m/s)确定流量为参考依据，其中流通截面积与速度的关系为dA/A＝(M2-1)dv/v。

3.根据权利要求1所述的动态调节式变声速增压热交换装置，其特征在于：所述的扩压管(13)的内部扩散角在8℃～12℃范围内。

4.根据权利要求1所述的动态调节式变声速增压热交换装置，其特征在于：所述的可调中芯(3)与中三通(2)和中二通(7)为螺纹连接。

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