CN102405110A - 适于最大化由来自饱和流的膨胀的两相流所产生的动量的量的喷嘴 - Google Patents

Abstract

喷嘴(10)适于膨胀饱和流(D)，且包括会聚部分(2)、喉部(3)、管子(4)和在所述喉部(3)的下游的混合器元件(5)，该混合器元件(5)适于混合饱和流的蒸汽和液体相。

Description

适于最大化由来自饱和流的膨胀的两相流所产生的动量的量的喷嘴

技术领域

本发明属于用作涡轮中的膨胀构件的喷射器和喷嘴的领域。

背景技术

通常，设计这样的装置以将压力能转换成动能，所述动能之后用于做功；例如使得涡轮叶片或叶片旋转，或在具有喷射器的情况下用于吸入流。

这样的装置通常用作膨胀高度过冷的蒸汽或液体。

相比，使用喷射器或喷嘴膨胀饱和的液体是边缘性的，这是因为蒸汽相的出现对在膨胀之后的液体/蒸汽两相流中的动量的量施加了相当大的限制。

图1至4示出了这一现象。图1显示根据现有技术的喷嘴1。喷嘴1包括会聚部分2、喉部3和适中角度的发散部分4。饱和的液体流D经过会聚部2进入喷嘴1，且沿着喷嘴从右至左行进通过喉部3，且之后通过适中的发散部4。

沿着横坐标轴线，图2显示在流D沿着图1的喷嘴1行进时测得的流D的压力，从其纵坐标轴向上，它绘出质量速度ρ.V，即密度ρ乘以速度V的乘积。应当看到，该质量速度在喉部3(由垂直线标记)处于最大值。

图3显示在所述流D沿着喷嘴1行进时其均匀的液体-蒸汽密度(表达成每立方米千克(kg/m³))怎样作为压力(P，以兆帕斯卡(MPa)测量的)的函数变化。通过计算获得这些结果，它们表明在压力沿着喷嘴下降期间密度随着蒸汽相的出现而减小。

图4显示在所述流D沿着喷嘴1行进时其速度(V，表达成米每秒(m/s))作为其压力(P，表达成MPa)的函数的变化。

通过测试获得的这些结果显示由于液体的部分蒸汽化(短划线曲线)源自密度下降，两相混合物的速度的真实增加很大地偏离理论上的变化(连续线曲线)。

这样差的性能严重地限制了两相涡轮的发展，一些人甚至相信它们在工业上是没有用途的。

本发明试图通过提出在第一方面中的适合用于最大化由来自饱和液体的膨胀的液体/蒸汽两相流所产生的动量的量的喷嘴，来减轻现有技术的缺点。

还了解到，诸如两相涡轮的喷射器使得可以获得更大的能量表现，尤其是对于具有等焓的膨胀器的制冷系统或热泵。

当前，涡轮和喷射器广泛地用于膨胀保持是液体的液体或保持主要是蒸汽的蒸汽；这些热力学的膨胀变化接近理想的等墒膨胀。对于给定的压力差和液体的膨胀，这样的等墒膨胀设定了最小部分的蒸汽，这样可能由所述高压饱和液体的膨胀产生。

图5显示成T/S图表的形式的制冷循环和蒸汽压缩，其中每单位质量的熵S(表达成千焦每千克开尔文(kJ/kg.K))和温度T(表达成开尔文)被分别沿着横坐标轴线和从纵坐标轴线向上绘出。

该图表表明：

·在状态101和102之间，从蒸发低压至冷凝高压对蒸汽相的制冷流体的压缩；和

·在状态102和103之间，冷凝之后的蒸汽去过热阶段，其中制冷液体变成饱和液体。

点103(冷凝高压)和点104_ith(蒸发低压)之间的过渡示出了现有技术中的等焓膨胀。在这一膨胀期间产生的蒸汽量处于最大值。

这样的等焓膨胀远不能通过在冷凝高压(点103)和理论点(点104_is)之间的过渡实现如图5所示的理想的等焓膨胀性能。对于等熵膨胀，所产生的蒸汽量处于最小值，饱和液体的蒸发熵差远大于等焓膨胀的情况。

应当想到，等焓膨胀典型地发生于具有上游和下游部分的节流孔中，该上游和下游部分远大于节流孔的尺寸，除了节流孔之外，在节流孔的每一侧上的突然的变窄和突然的变宽用于产生压头损失，该损失是非常显著的。

在涡轮中或在喷射器中，已知通过使得流体经由会聚部分到达喉部来限制压头损失。测试和少数学术论文显示在会聚部分中的膨胀直到喉部是准等熵的。

之后主要地观察到，在喉部下游的液体的速度基本上与它在喉部中的速度相等，换句话说，压力能没有转换成动能。

在下文所述的图6A至6C中显示出这一现象。图6A显示现有技术的喷射器60。这一喷射器主要包括参考图1所述类型的喷嘴1和中空的主体62。

喷嘴1的作用是通过增加其速度将在高压P_F1S1的饱和液体F1的流膨胀至理论低压P_{Th_F1S3}，以便于携带(entrain)处于显著低于P_F1S1的压力P_F2S2的流体流F2。

这一流体流F2通常是来自具有蒸发压力P_F2S2的流体的蒸发的蒸汽流，该流体的蒸发压力小于压力P_F1S1和小于在喷射之后的混合物的压力P_{Th_MixS5}。

中空主体62具有会聚部分63、具有恒定截面S4的混合腔64以及具有最大的截面S5的圆锥形的发散部分65。

流F1通过截面S1进入到喷嘴1中，它在主要的两相流中膨胀至具有截面S3的它的出口。

使用下述符号：

·V_F1S1：在截面S1处的主要流F1的速度；

·P_F1S1：在截面S1处的主要流F1的压力；

·V_{Th_F1S3}：在截面S3处的主要流F1的理论速度；和

·P_{Th_F1S3}：在截面S3处的主要流F1的理论压力。

流F2通过截面S2进入到喷射器60。由于截面S3和S2之间的压力差，通过主要流F1携带和加速所谓的“次要流”。

使用下述符号：

·V_F2S2：在截面S2处的次要流F2的速度；

·P_F2S2：在截面S2处的次要流F2的压力；

·V_{Th_F2S3}：在截面S3处的次要流F2的理论速度。

主要流和次要流F1和F2在恒定压力下在会聚部分63中混合，然后它们进入到混合腔64中，在混合腔中它们形成了处于理论速度V_{Th_MixS4}和理论压力P_{Th_MixS4}的两相混合物。

发散部分65形成扩散道，用于加速流体流F1和F2的两相混合物高至速度V_{Th_MixS5}且将动能转换成压力势能。混合物的压力在发散部分65中增加高至理论出口压力P_{Th_MixS5}。

然而，实际上，发现如在喉部3的出口处所测量的主要流F1的实际速度V_{Noz1_F1S3}远小于理论速度V_{Th_F1S3}。

因此：

·对次要流F2的携带小于理论；

·在混合腔64的出口处的混合物的实际压力P_{Noz1_MixS4}小于理论压力P_{Th_MixS4}；且结果

·实际出口压力P_{Noz1_MixS5}小于理论出口压力P_{Th_MixS5}。

图6B和6C显示这样的事件的状态，其中分别显示上述定义的压力和速度，理论由细线表示，现有技术性能由粗体虚线表示。

本发明还寻求提供不会呈现现有技术的缺点的喷射器。

发明内容

更精确地，本发明涉及适合用于膨胀饱和流的喷嘴。所述喷嘴包括会聚部分、喉部、管子和在所述喉部下游的管子内的混合器元件，所述混合器元件适合于分馏所述饱和的液体相，以使其与蒸汽相混合。

因此，整体上，本发明的喷嘴寻求混合在喉部的下游的饱和液体的蒸汽相和液体相，而在现有技术中，寻求分别地处理这两相。

申请人发现：在现有技术的喷嘴中，液体和蒸汽在出现放大的喉部的出口处分开。在喉部的下游处，申请人观察到液体相和蒸汽相之间的滑移：蒸汽相寻求占据其可以利用的所有体积，且它蔓延到留中心处的液体流的外围。因此，在会聚部分的出口的液体的喷射没有被膨胀所形成的蒸汽加速，因为蒸汽占据了在液体喷射的外围处的位置。

因此本发明提出了混合蒸汽和液体相，由此相当大地增加了由来自饱和的液体膨胀的液体/蒸汽的两相流所产生的动量，如在下文所说明的那样。

在特定的实施例中，管子是截面增大的发散部分，例如圆锥形界面的发散部分。该圆锥形管子的锥角可以被选择以在两相流加速期间保持质量流量恒定。

在变形例中，适中的圆锥形发散部分4可以被圆柱形管子替代。

在特定的实施例中，本发明的喷嘴的会聚部分包括用于改变喉部的截面的针。

在特定实施例中，上述的混合器元件是静止的螺旋件。

在变形例中，螺旋件可以是可移动的。

在本发明的另一实施例中，混合器元件可以包括截面增大的回转形状。

本发明的喷嘴可以用在许多装置中，尤其是用在喷射器中，在Hero涡轮中，在Pelton涡轮中或在Francis涡轮中。

更精确地，本发明还提供喷射器，包括中空主体，所述中空主体包括会聚部分、混合腔和发散部分，所述喷射器包括在会聚部分中的如上文所述的膨胀喷嘴，所述喷嘴适合于膨胀饱和液体的主要流以便携带在围绕喷嘴的会聚部分中引入的次要流。

本发明因此可以以满意的方式混合主要流的蒸汽和液体相，并且比现有技术的喷射器更加有效率地携带次要流。结果，获得了非常接近理论出口压力的实际的出口压力。

本发明还提供了Hero涡轮，其包括可以围绕轴旋转运动的一个或更多的中空臂，所述轴给中空臂供给饱和液体，所述涡轮包括在每一中空臂的末端处的如上文所述的膨胀喷嘴。

本发明还提供了Pelton涡轮，包括固定至轮的至少两个叶片，该轮围绕轴线可旋转运动，所述涡轮包括如上所述的至少一个膨胀喷嘴，其适合于朝向所述叶片喷出两相射流。

本发明还提供了一种Francis类型涡轮，包括如上文所述的至少一个膨胀喷嘴，其适合于朝向所述涡轮的转子的内部喷出两相射流。

在特定实施例中，本发明的喷射器包括第二混合器元件，部分地在混合腔中和部分在发散部分中。该特征促进在喷嘴的出口处的主要流的两相流与次要流的混合。

附图说明

结合参考附图将从下述的描述明白本发明的其它特点和优点，附图示出实施例，这些实施例中的特征并非限制性的。在图中：

·图1显示现有技术的喷嘴；

·图2至4显示穿过图1的喷嘴的饱和流的压力和速度值；

·图5是显示蒸汽压缩制冷循环的T/S图表；

·图6A显示现有技术的喷射器；

·图6B和6C显示穿过图6A的喷射器的主要流和次要流的压力和速度值；

·图7A和7B显示根据本发明的特定的实施例的喷嘴；

·图8显示适合用在本发明中的混合器元件；

·图9显示穿过图7A和7B的喷嘴的饱和流的压力和速度值；

·图10A和10B显示在本发明的第一特定实施例中的Hero涡轮；

·图10C是在本发明的第二特定实施例中的Hero涡轮的图表；

·图11显示根据本发明的特定实施例的Pelton涡轮；

·图12显示根据本发明的特定实施例的Francis涡轮；

·图13A显示根据本发明的特定实施例的喷射器；和

·图13B和13C显示穿过图13A的喷射器的主要流和次要流的压力和速度值。

具体实施方式

图7A和7B显示根据本发明的喷嘴10。

它与图1的喷嘴1的不同在于，它包括在喉部3的下游的混合器元件5，所述混合器元件适合于在适中的发散部分4中产生蒸汽和液体相的均匀的混合，其具有的结果是相当大地增大了在发散部分4的出口处的两相流的动量。

在此处所述的实施例中，根据本发明的喷嘴10的适中的发散部分4具有略微外张的圆锥形形状，以便于保持质量流量，所述质量流量在两相流的加速期间是恒定的。

在此处显示的实施例中，混合器元件5由静止的螺旋件构成，如在图8中显示的。

在图9中，连续的粗体线显示在流D沿着喷嘴10行进时作为压力的函数的流D的速度变化。这一图通过比较的方式重现了图4中的曲线。它用于证明在喉部3的下游引入螺旋形混合器元件5使得可以接近理论曲线(细连续线)。

再次参考图7A和7B，可以通过改变在喷嘴的出口6处的直径δ来调节在喷嘴10的出口处的流D的速度。

在图9的示例中，根据本发明的从喷嘴10的出口流速度等于110m/s，其远大于在没有混合器5时所获得的速度20m/s。

已知，在喷嘴的出口处可利用的能量由关系V²/2给出。

因此，在本发明的喷嘴10的出口处的可利用的动能(6050J/kg)比在现有技术的喷嘴1的出口处所获得的动能(200J/kg)大大约30倍。

本发明的喷嘴10可以被尤其是包含在涡轮中或在两相喷射器中。

图10A和10B分别显示根据本发明的Hero类型的两相涡轮20的正面视图和平面视图。

在此处所述的实施例中，涡轮20具有两个中空的臂21，每个臂包括根据本发明的在其末端处的喷嘴10。

中空臂21是可移动的，围绕适合于供给中空臂饱和液体的中空轴22旋转。

想到，在Hero类型的涡轮中，由于来自从切向地离开臂21的喷射的冲量，直接从轴22重新获得功。

图10C显示根据本发明的另一Hero类型的涡轮20′，其具有绕饱和液体供给轴22′分布的八个中空臂21′，每个臂21′包括根据本发明的喷嘴10(未显示)。

图11显示根据本发明的Pelton两相涡轮30。该涡轮30具有本发明的两个喷嘴10，离开喷嘴10的两相射流撞击固定至旋转轮32的叶片31，用于使其运转。

图12显示根据本发明的Francis型两相涡轮40。该涡轮40具有本发明的8个喷嘴，离开喷嘴的两相射流被引导至转子42的内部。

图13A显示根据本发明的喷射器70。

它不同于现有技术的喷射器60之处在于，作为喷嘴1的替代物，它包括根据本发明的喷嘴10，其中螺旋件5产生了将主要流F1的蒸汽和液体相混合在一起的涡流。

分别在图13B和13C显示处在本发明的喷射器70中获得的压力和速度。尤其可以从其中看到，喷嘴10的使用使得在所述喷嘴10的截面S3处的主要流F1的实际速度V_{Noz10_F1S3}非常接近理论速度V_{Th_F1S3}。

此外，在此处所述的实施例中，本发明的喷射器70包括适合于放置在混合腔64的出口中或出口处的第二静止螺旋件5。

该第二螺旋件促进了主要流F1的两相流和次要流F2的相的混合。

Claims (10)

1.一种喷嘴(10)，适合用于膨胀饱和流(D)，所述喷嘴包括会聚部分(2)、喉部(3)以及管子(4)，所述喷嘴特征在于，包括混合器元件(5)，所述混合器元件在所述喉部(3)的下游的所述管子中且适合于分馏饱和液体相，以便于将其与蒸汽相混合。

2.根据权利要求1所述的膨胀喷嘴(10)，其特征在于，所述管子(4)是截面增大的发散部分。

3.根据权利要求1或2所述的膨胀喷嘴(10)，其特征在于，所述混合器元件(5)是静止的螺旋件。

4.根据权利要求1或2所述的膨胀喷嘴(10)，其特征在于，所述混合器元件(5)包括截面增大的回转形状。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的膨胀喷嘴(10)，其特征在于，所述会聚部分(2)包括适于改变所述喉部(3)的截面的针。

6.一种喷射器(70)，包括中空的主体(62)，所述中空主体(62)包括会聚部分(63)、混合腔(64)和发散部分(65)，所述喷射器(70)的特征在于，包括在所述会聚部分(63)中的根据权利要求1-5中任一项所述的膨胀喷嘴(10)，所述喷嘴(10)适于膨胀饱和液体的主要流(F1)，以便携带被引入到所述会聚部分(63)中的围绕所述喷嘴(10)的次要流(F2)。

7.根据权利要求6所述的喷射器(70)，其特征在于，它包括部分地在所述混合腔(64)中和部分地在所述发散部分(65)中的第二混合器元件(5)，所述第二混合器元件(5)适于促进在所述喷嘴(10)的出口处的所述主要流(F1)的两相流与所述次要流(F2)混合。

8.一种Hero涡轮(20，20′)，包括至少一个中空臂(21，21′)，所述中空臂围绕轴(22)可旋转运动，所述轴(22)供给所述中空臂(21)饱和液体，所述涡轮的特征在于，它在所述至少一个中空臂(21)的末端处包括根据权利要求1-5中任一项所述的膨胀喷嘴(10)。

9.一种Pelton涡轮(30)，包括固定至轮(32)的至少两个叶片(31)，该轮(32)围绕轴线可旋转运动，所述涡轮的特征在于，它包括根据权利要求1-5中任一项所述的至少一个膨胀喷嘴(10)，所述膨胀喷嘴适于朝向所述叶片(31)喷出两相射流。

10.一种Francis类型涡轮(40)，包括根据权利要求1-5中任一项所述的至少一个膨胀喷嘴(10)，所述膨胀喷嘴适于朝向所述涡轮的转子(42)的内部喷出两相射流。

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