CN102128521B

CN102128521B - 喷射增焓相变增压水蒸汽热泵

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Publication number: CN102128521B
Application number: CN2011100876835A
Authority: CN
Inventors: 魏仕英
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: CN102128521A

Abstract

喷射增焓相变增压水蒸汽热泵，设同轴顺次连接的进汽室、有加热外套的一支以上拉瓦尔喷管组件、收敛段有加热外套的一支以上收敛-扩张型扩压器组件及扩容减压管；加热外套是在外壁固定加热片和外装密闭的蒸汽加热套。喷管进口为低压水蒸汽，且进口压强大于出口的2倍，喷管出口至扩压器喉道汽流干度X＜1；扩压器出口小于喷管进口压强。利用拉瓦尔喷管和真空技术，将低压水蒸汽加速为超音速的含湿蒸汽，利用湿蒸汽特性使汽流在等温状态下增焓，利用扩压器将超音速湿蒸汽流转变为低亚音速的饱和水蒸汽，利用饱和水蒸汽温度、压力、热焓对应的特性实现非压缩方式的相变增压，热泵能耗比现有机械压缩器低数倍，比蒸汽喷射热泵低数十倍。可用于水蒸汽增压回热系统。

Description

喷射增焓相变增压水蒸汽热泵

(一)技术领域：喷射增焓相变增压水蒸汽热泵，属热泵系统设备(F25B)。

(二)背景技术：蒸发节能、低压水蒸汽的回用、冷凝废水的余热回收等均是当今节能环保需要急迫解决的问题。解决此问题的途径只能是将低压水蒸汽增压后循环利用。水蒸汽的循环利用需要节能型热泵。热泵的作用就是将低压水蒸汽增压为高压水蒸汽。现有的水蒸汽热泵有机械压缩式和喷射压缩式两种，分别通过机械压缩方式和高压水蒸汽引射方式使低压水蒸汽增温增压，两者均为绝热压缩过程。从原理上讲，对饱和水蒸汽进行绝热压缩，其终态必为过热状态，其中80％以上的能量消耗于蒸汽的过热，不足20％的能量用于增压，且随压缩比的增大而陡增，也就是说，水蒸汽绝热压缩是非常耗能的过程。例如：将80℃的饱和水蒸汽增压为100℃压力下的水蒸汽，压缩比2.1，理论的绝热压缩能耗为167kj/kg，实际情况远大于此数值。在相同要求下，若采用喷射热泵增压，压缩比1.8-2.0，引射系数0.8-1.0，相当于喷射热泵的压缩能耗为2500-2740kj/kg。但仔细分析饱和水蒸汽的热力性质，便发现，饱和水蒸汽的温度和压力变化很大时，其热焓变化并不大。见表1中，100℃与80℃饱和水蒸汽的热焓差仅32kj/kg，而1kwh电的热能是3545kj。表1

温度℃	46	60	80	100	120	140
							压强kpa	7.4	20.0	48.0	101	199	362
热焓kj/kg	2575	2610	2644	2676	2706	2733

从表1启示我们，有必要探索水蒸汽的增焓压缩问题，这其中等温增焓，即向低压水蒸汽中喷射高温水雾是可以借鉴的方法和原理，即喷水降温原理。此方法和原理在某些压缩机中得到应用，但在压缩机中采用的喷水降温原理，出现了增压后蒸汽回流的问题，即高压汽向低压汽回流，使增焓过程无法进行，由此须探索水蒸汽增焓压缩的新原理和可行方法。

(三)发明内容：

本发明提供的喷射增焓相变增压水蒸汽热泵，就是解决现有采用对低压饱和水蒸汽喷射高温水雾，不能实现等温增焓压缩过程的问题。其技术方案如下：喷射增焓相变增压水蒸汽热泵，其特征是：i)设同轴顺次连接固定的被增压水蒸汽的进汽室1、有加热外套的一支以上拉瓦尔喷管组件2、收敛段有加热外套的一支以上收敛-扩张型扩压器组件3以及扩容减压管4；其中，加热外套是指分别在拉瓦尔喷管2.2和扩压器收敛段3.7外壁固定加热片，并在加热片外设有密闭的通有蒸汽的喷管加热套2.6和收敛段加热套3.6；ii)拉瓦尔喷管进口蒸汽压强P_2a为低压水蒸汽压强，此处选用二次蒸汽、泛汽及其它低品位水蒸汽；且进口压强P_2a/出口压强P_2b＞2；iii)从拉瓦尔喷管出口面2b处至收敛-扩张型扩压器喉道出口3C处这一段Lx汽流干度X＜1；iv)收敛-扩张型扩压器出口截面的压强P_3b＜拉瓦尔喷管进口蒸汽压强P_2a；v)扩容减压管4采用圆柱-圆锥-圆柱形，进口面积S_4a/出口面积S_4b＞3。

本发明有益效果：

1)热焓是水蒸汽的状态参数，焓差表示水蒸汽做功能力的大小。水蒸汽的热焓i″＝xr+i’上式中x-水蒸汽的干度，r-汽化潜热，i’-饱和水的热焓。当x＜1.00时，水蒸汽为含湿蒸汽；x＝1.00时，水蒸汽为饱和蒸汽。饱和水蒸汽的热焓、温度和压力三者单值对应，也就是说，饱和水蒸汽增焓必增温增压。当x＜1.00时，湿蒸汽在蒸发减湿的过程中，温度不变，压力也不变，且湿蒸汽的干度每增加1％，其热焓可增加约25kj/kg，也就是说，可以在等温的状态下对湿蒸汽增焓。本发明即利用了水蒸汽这一特性实现低压水蒸汽的节能增压。表2是根据能量方程算出的饱和水蒸汽的干度与流速的关系。表2

速度系数λ	0	0.20	0.40	0.60	0.80	1.00	1.20	1.40	1.60	1.80
											汽流干度x	1.0	0.996	0.994	0.993	0.976	0.966	0.952	0.935	0.918	0.890

表2中速度系数λ＝汽流速度/临界音速，λ＞1为超音速流，λ＜1为低亚音速流。从表2中指出：在超音速状态的水蒸汽流为湿蒸汽流，在低亚音速状态的汽流为饱和蒸汽流。为此本发明借助拉瓦尔喷管和真空技术，首先将低压水蒸汽在拉瓦尔喷管2.2内膨胀加速为超音速的湿蒸汽流，然后通过喷射加热套2.6对湿蒸汽流进行加热，使其在等温的状态下增焓，其后再利用超音速扩压器3.3，将含湿的超音速汽流减速为低亚音速的汽流，在扩压减速的条件下，汽流的动能转变成内能，水蒸汽流从含湿状态转变为饱和状态。由于饱和水蒸汽的温度和压力，与增焓后的新的热焓值对应，故而便实现非压缩方式的水蒸汽的相变增压。2)本发明从水蒸汽汽流的热力学和动力学，以及蒸汽喷射的基本原理，根据饱和水蒸汽的温度、压力、热焓对应的特性，利用湿蒸汽增焓过程特性，再通过喷射技术实现低压水蒸汽的相变增压，最后通过扩容减压技术克服增压汽的回流，实现了非压缩方式的水蒸汽的节能增压，其增压能耗比现行的机械压缩器低数倍，比蒸汽喷射式热泵低数十倍，这就为当今社会的节能减排开辟了新途径。3)设计拉瓦尔喷管入口压强为低压水蒸汽压强，且入口比出口压强＞2，便实现了喷管出口汽流为超音速的湿蒸汽流。4)设计拉瓦尔喷管出口面处至扩压器喉道出口处这一段Lx汽流干度X＜1，便实现湿蒸汽在蒸发而减湿过程中温度压力不变，即保证在等温状态下对湿蒸汽增焓。5)设计收敛-扩张型超音速扩压器出口截面的压强P3b＜拉瓦尔喷管入口蒸汽压强P_2a，便实现了增压后水蒸汽不回流。6)扩容减压管4进出口面比大于3，可以降低背压的影响，并提高拉瓦尔喷管的膨胀度。7)由于拉瓦尔喷管之后为低温含湿汽流，加热量又不足以使汽流达饱和状态，且汽流干度X始终小于1，不仅加热过程是在大温差、等温状态下进行，且加热效率高。8)设有散热片、加热套以及蒸汽通道等，提供大的传热面积和较长的加热路程，保证了加热蒸汽从汽态变成液态，充分释放汽化潜热。9)采用多支拉瓦尔喷管和扩压器的效果：①增大了传热面积。②可利用定型喷管进行组合，降低大型增压热泵的研制难度和经费。③减小整台热泵的几何长度。

(四)附图说明

图1实施例1喷射增焓相变增压水蒸汽热泵图(单管)；

图2实施例2喷射增焓相变增压水蒸汽热泵图(多管)。

(五)具体实施方式

实施例1：见图1喷射增焓相变增压水蒸汽热泵(单管)

设被增压水蒸汽进汽室1由顺次连接固定的进汽管1.1、封头1.2、圆柱室1.3和法兰1.4组成。有加热外套的一支拉瓦尔喷管组件2如下组成：由中心的一支拉瓦尔喷管2.2、焊接于喷管外壁的加热片2.3、外部设密闭的喷管加热套2.6将喷管2.2和加热片2.3密闭套在其内，进、出两端焊接法兰2.1和2.4。收敛段有加热外套的一支收敛-扩张型扩压器组件3如下组成：由中心的一支收敛-扩张管3.3、焊接于扩压管收敛段3.7外壁的加热片3.5、将收敛段3.7和加热片3.5密闭套在收敛段加热套3.6内，收敛段加热套3.6进汽端焊接有连接法兰3.1和后端焊接有密闭环3.2。圆柱-圆锥-圆柱形扩容减压管4由顺次焊接的上盖板4.1、圆筒4.2、收敛管4.3和圆管出汽管4.4组成；扩压管3.3出口端伸入扩容减压管4圆筒4.1内，并以焊接方式将扩压器组件3和扩容减压管4连接固定。进汽管1用法兰1.4与拉瓦尔喷管组件2法兰2.1连接，拉瓦尔喷管组件2法兰2.4与扩压管法兰3.1均用螺栓连接固定。由此上述四部分形成同轴连接固定的整体。

见图1，蒸汽进口2.5开设在喷管加热套2.3首端，冷凝水出口3.4设在收敛段加热套3.6末端，喷管加热套和收敛段加热套之间有蒸汽通道2.7，加热蒸汽从蒸汽进口2.5进入并充满在喷管加热套2.6内加热拉瓦尔喷管内被增压蒸汽，然后加热蒸汽经过蒸汽通道2.7进入收敛段加热套3.6加热扩压器内被增压蒸汽，冷凝水从冷凝水出口3.4排出。

上述各部分设计参数如下：①拉瓦尔喷管2.2进口蒸汽压强P_2a为低压水蒸汽压强Pi，可选二次蒸汽、泛汽及低品位水蒸汽。拉瓦尔喷管进口蒸汽压强P_2a/出口蒸汽压强P_2b＞2；②从拉瓦尔喷管出口面2b处至收敛-扩张型超音速扩压器喉道出口3C处这一段Lx汽流干度X＜1；③收敛-扩张型超音速扩压器3.3出口截面的压强P3b＜拉瓦尔喷管进口蒸汽压强P2a；④圆柱-圆锥-圆柱形扩容减压管4进口面积S4a/扩容减压管出口面积S4b＞3。

工作过程：喷射增焓相变增压水蒸汽热泵安装于水蒸汽增压回热系统中。在上下游压差的作用下，被增压的来流低压蒸汽，由进汽管1.1进入进汽室1中，通过拉瓦尔喷管2.2，2.2A膨胀为含湿状态的超音速汽流。在设计状态下，湿蒸汽流的干度小于90％(见表2)其汽温在30℃以下，因此拉瓦尔喷管出口汽流为高含湿状态的低温汽流。在拉瓦尔喷管内，汽流首先被喷管加热套2.6中高温水蒸汽加热。加热拉瓦尔喷管水蒸汽流降温后的加热蒸汽经过蒸汽通道2.7进入收敛段加热套3.6A继续对超音速湿蒸汽进行加热，直至变成冷凝水。由于仅需补充少量的热焓就能使水蒸汽大幅度地增温增压(见表1)因此超音速汽流的加热过程始终是在汽流干度小于1.00的条件下进行，即被加热汽流为湿蒸汽流，加热过程中只是汽流的干度在变，温度不变，压强也不变，加热过程为等温增焓过程。这样，从拉瓦尔喷管流出进入扩压器3.3的增焓汽流为含湿的超音速汽流，在扩压器3.3的收敛段，超音速汽流一方面被继续加热、增焓，同时还减速、增压、减湿，并在扩压器的喉道，达到接近而又略小于音速的速度。这样，增焓汽流在扩压器3.3的扩张段中，汽流进一步减速、减湿和增压，并在与新的热焓对应的汽速下转变为饱和水蒸汽。由于饱和水蒸汽的温度、压强与增焓后的热焓对应，故本发明实现了水蒸汽的相变增压。从扩压器3.3流出的增温增压汽流，首先流入扩容减压室4.1，然后再经收敛管4.2和排汽管4.3送至用户。由于扩容减压管4的入口截面积远大于其出口截面积，故而大大降低了下游背压对上游的影响。

实施例2：见图2

实施例2与实施例1不同之处如下：

1)设置有加热外套的三支拉瓦尔喷管组件2A如下组成：由中心的三支拉瓦尔喷管2.2A、焊接于喷管外壁的加热片2.3A、外部设密闭的将三个喷管2.2A和三组加热片2.3A密闭套在其内的一个多喷管加热套2.6A进、出两端焊接法兰2.1A和2.4A。2)收敛段有加热外套的三支收敛-扩张型超音速扩压器组件3A如下组成：由中心的三支收敛-扩张管3.3A、焊接于扩压管收敛段外壁的加热片3.5A、将三支收敛段3.7A和三组加热片3.5A密闭套在其内的一个多管收敛段加热套3.6A，多管收敛段加热套3.6A进汽端焊接有法兰3.1A和后端焊接有密闭环3.2A。并设蒸汽进口2.5A，蒸汽通道2.7A，冷凝水出口3.4A。其余部分与实施例1完全相同。

Claims

1.喷射增焓相变增压水蒸汽热泵，其特征是：

i)设同轴顺次连接的被增压水蒸汽的进汽室(1)、有加热外套的一支以上拉瓦尔喷管组件(2、2A)、收敛段有加热外套的一支以上收敛-扩张型扩压器组件(3、3A)以及扩容减压管(4)；其中，加热外套是指分别在拉瓦尔喷管(2.2)和扩压器收敛段(3.7)外壁固定加热片，并在加热片外装有密闭的通有蒸汽的喷管加热套(2.6)和收敛段加热套(3.6)；ii)拉瓦尔喷管进口蒸汽压强P₂a为低压水蒸汽压强；且进口蒸汽压强P₂a/出口蒸汽压强P₂b＞2；iii)从拉瓦尔喷管出口面(2b)处至收敛-扩张型扩压器喉道出口(3C)处这一段(Lx)汽流干度X＜1；iv)收敛-扩张型扩压器出口压强P_3b＜拉瓦尔喷管进口压强P₂a；v)扩容减压管(4)采用圆柱-圆锥-圆柱形，进口面积S_4a/出口面积S_4b＞3。

2.按权利要求1所述水蒸汽热泵，其特征是喷管加热套(2.6)和收敛段加热套(3.6)之间设有蒸汽通道(2.7)，并在喷管加热套(2.6)首端设加热蒸汽进口(2.5)，在收敛段加热套(3.6)末端设冷凝水出口(3.4)。

3.按权利要求1所述水蒸汽热泵，其特征是两支以上的拉瓦尔喷管组件(2A)采用一个整体的多喷管加热套(2.6A)和两支以上的收敛-扩张型扩压器组件(3A)采用一个整体的多管收敛段加热套(3.6A)。

4.按权利要求3所述水蒸汽热泵，其特征是多喷管加热套(2.6A)和多管收敛段加热套(3.6A)之间设有蒸汽通道(2.7A)，并在多喷管加热套首端设加热蒸汽进口(2.5A)，在多管收敛段加热套末端设冷凝水出口(3.4A)。

5.按权利要求1所述水蒸汽热泵，其特征是进汽室(1)和有加热外套的一支以上拉瓦尔喷管组件(2、2A)之间用法兰螺拴连接或焊接；有加热外套的一支以上拉瓦尔喷管组件(2、2A)和收敛段有加热外套的一支以上扩压器组件(3、3A)之间用法兰螺拴连接或焊接。