CN101435664B - 大口径变声速增压热交换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的大口径变声速增压热交换装置由前变径(1)、蒸汽喷管(2)、三通(3)、短二通(4)、长二通(6)、后变径(7)，前混合室(9)和后混合室(5)构成。蒸汽喷管同轴插入三通内，三通连接在前变径和短二通之间，长二通连接在短二通和后变径之间用于调整进水流量和调节混合室汽水混合比例；后混合室设置在短二通内，其通过改变流通截面积改善汽水混合物的流束和场态。本发明通过改进混合室结构可有效改善汽水混合物的流束和场态，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。当系统汽水参数发生变化时，通过调节喷嘴与混合室的位置实现动态调节。
Description
技术领域
本发明属于热交换技术领域，主要涉及的是一种大口径变声速增压热交换装置。
背景技术
现有的变声速增压热交换装置只能进行小流量汽水换热，其进水量小于100吨/小时，单台采暖面积小于5万平方米，当进水量进一步增大时，热交换器内部的汽水混合物流束将会由层流状态变为紊流状态，由于其混合室结构为单一大口径流道，这样在单一大口径流道下，流通截面积的直径增大，汽水混合物的流动状态为紊流流动，由于附加切应力的作用，流体质点不断地互相混杂和碰撞，使流体速度、温度、压力在径向和轴向都产生变化，增加了流体的能量损失，使混合室内汽水混合物的速度、压力处于波动状态，造成了换热器的运行不稳定。当热交换的场态发生急剧的变化，使换热过程无法在稳定的状态下进行。当换热器热负荷或采暖面积较大时，变声速增压热交换装置无法满足使用要求，进水量强行增大，换热器运行时会出现巨烈的异响、振动，容易引起管道及换热设备出现安全事故。
发明内容
本发明的目的即由此产生，提出一种大口径变声速增压热交换装置。使系统在大水量时，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：其由前变径、蒸汽喷管、三通、短二通、长二通、后变径和前混合室和后混合室构成，蒸汽喷管同轴插入三通内，三通连接在前变径和短二通之间，长二通连接在短二通和后变径之间，前混合室位于三通与短二通内的连接部位之间，用于调整进水流量和调节前、后混合室内的汽水混合比例；衬套安装在短二通内部，后混合室安装在衬套内部，通过后混合室改变流通截面积，改善汽水混合物的流束和场态。
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的容积比时，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1 00吨。体积小，重量轻，安装简便。
本发明通过改进传统汽水混合换热器的混合室结构，由原单一孔径混合室变为多孔径混合室，通过流通截面积的改变，改善汽水混合物的流束和场态。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、其为射流式汽水混合增压热交换器，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、其为管状设备，体积小，重量轻，安装简便。输水量每小时最大可达300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、混合室结构为多孔小口径流道，该多个小口径流通面积之和与单一口径面积流通面积相同，汽水混合物的流速相同，在流通截面积的直径很小，汽水混合物的流动状态为层流流动，流体只在轴向上产生速度、压力的变化，没有液体质点的横向运动，各流束截面上的质量流量变化基本相同，混合室内汽水混合物的速度、压力处于稳定状态，换热器的运行稳定。
附图说明
图1为本发明的装配结构示意图。
图2为本发明热交换器改进中芯部位的结构示意图。
图3为图2的左视图。
图中：1、前变径，2、蒸汽喷管，3、三通，4、短二通，5、后混合室，6、长二通，7、后变径，8、衬套，9、前混合室，10、扩压段。
具体实施方式
结合附图，给出本发明的实施例如下：
如图1所示：本实施例装置具体主要由前变径1、蒸汽喷管2、三通3、短二通4、后混合室5、长二通6、后变径7、衬套8、前混合室9构成。其中前变径1、三通3、短二通4、长二通6及后变径7的端面均为法兰结构。蒸汽喷管2同轴插入三通3内，利用法兰端面及插入端面通过螺栓与前变径1和三通3固定连接并保持同轴性。三通3的一端与前变径1连接、另一端与短二通4的一端连接。前混合室9 利用前后两配合面分别与三通3、短二通4内径配合连接。后混合室5外径与衬套8内径配合连接，衬套8起着固定后混合室5，并保持后混合室5得到同轴度的作用。衬套8外径与短二通4另一端内径配合连接，衬套8的内径与长二通大径端面的内径相同，衬套8与长二通有一定的间隙。后混合室5、前混合室9通过短二通4保持同轴度。后混合室5与前混合室9连接的端面为球面或椭圆形球面，该球面或椭圆形球面的外廓曲线与汽水混合物速度分布曲线相同，有利于汽水混合物均匀分布于各同轴小孔中。后混合室5内为多孔小口径流道结构(如图2-3所示)，可调整汽水混合物的流态、流速。前混合室9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，主要用于调整进水流量，水平直线部分为状态压力调节段，主要用于调节混合室中汽水混合比例。长二通6的内径为渐扩结构构成扩压段10，其一端外径与短二通4的内径配合嵌套，并通过法兰用螺栓固定连接，以保持短二通与长二通的同轴度；另一端与后变径7之间，通过法兰用螺栓固定连接。
本发明后混合室5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减去后混合室调节余量，根据公式 
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。扩压段内部扩散角在9℃～11℃范围内，以取10℃为最佳值，来减小截面突变性。
蒸汽喷管2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前混合室，并在前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。
扩压段10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前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。
Claims (5)
1.一种大口径变声速增压热交换装置，包括前变径(1)、蒸汽喷管(2)、三通(3)、短二通(4)、长二通(6)和后变径(7)，蒸汽喷管(2)同轴插入三通(3)内，三通连接在前变径(1)和短二通(4)之间，长二通(6)连接在短二通(4)和后变径(7)之间，其特征在于：还设置有前混合室(9)和后混合室(5)，前混合室(9)位于三通(3)与短二通(4)内的连接部位之间，具有锥形曲线部分和水平直线部分，用于调整进水流量和调节前、后混合室内的汽水混合比例；后混合室(5)通过衬套(8)固定在短二通(4)内，后混合室(5)为多孔小口径流道结构，所述多孔小口径流道的流通面积与单一大口径流道的流通面积相同，后混合室(5)通过改变流通面积，改善汽水混合物的流束和场态。
2.根据权利要求1所述的大口径变声速增压热交换装置，其特征在于：所述的后混合室(5)的外径与衬套(8)的内径配合连接。
3.根据权利要求1所述的大口径变声速增压热交换装置，其特征在于：所述的衬套(8)的外径与短二通(4)的内径配合连接。
4.根据权利要求1所述的大口径变声速增压热交换装置，其特征在于：所述的后混合室(5)与前混合室(9)连接的端面为锥形曲线圆弧，该锥形曲线圆弧与汽水混合物速度分布曲线相同。
5.根据权利要求1所述的大口径变声速增压热交换装置，其特征在于：所述长二通(6)内部为扩压段(10)，该扩压段(10)内部的扩散角在9°～11°范围内。
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