大口徑變聲速增壓熱交換裝置的製作方法

2023-12-08 23:45:31

專利名稱：大口徑變聲速增壓熱交換裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於熱交換技術領域，主要涉及的是一種大口徑變聲速增 壓熱交換裝置。
背景技術：
現有的變聲速增壓熱交換裝置只能進行小流量汽水換熱，其進水
量小於100噸/小時，單臺採暖面積小於5萬平方米，當進水量進一步 增大時，熱交換器內部的汽水混合物流束將會由層流狀態變為紊流狀 態，由於其混合室結構為單一大口徑流道，這樣在單一大口徑流道下， 流通截面積的直徑增大，汽水混合物的流動狀態為紊流流動，由於附 加切應力的作用，流體質點不斷地互相混雜和碰撞，使流體速度、溫 度、壓力在徑向和軸向都產生變化，增加了流體的能量損失，使混合 室內汽水混合物的速度、壓力處于波動狀態，造成了換熱器的運行不 穩定。當熱交換的場態發生急劇的變化，使換熱過程無法在穩定的狀 態下進行。當換熱器熱負荷或採暖面積較大時，變聲速增壓熱交換裝 置無法滿足使用要求，進水量強行增大，換熱器運行時會出現巨烈的 異響、振動，容易引起管道及換熱設備出現安全事故。

發明內容
本發明的目的即由此產生，提出一種大口徑變聲速增壓熱交換裝 置。使系統在大水量時，熱交換器內汽水混合質量比、壓力比始終處 於最佳狀態，有效降低設備運行噪音和運行費用，提高其換熱效率和 運行安全性。
本發明實行上述目的採取的技術方案是其由前變徑、蒸汽噴管、 三通、短二通、長二通、後變徑和前混合室和後混合室構成，蒸汽噴 管同軸插入三通內，三通連接在變徑和短二通之間，長二通連接在短 二通和後變徑之間，前混合室位於三通與短二通內的連接部位之間用 於調整進水流量和調節混合室汽水混合比例；後混合室設置在短二通 內，其通過改變流通截面積改善汽水混合物的流束和場態。本發明是依據兩相流汽水混合換熱的理論，結合計算機、熱力學、 流體力學、聲學、機械設計等領域的相關理論，應用連續方程、能量 方程、動量定理、熱力學第一二定律等物理定律推導出用於理論設計 的一套基本關係式，在給定蒸汽壓力、冷水壓力、溫度、出水量、衝 擊力等設計參數下，確定熱交換器系統參數及工藝流程，並選定基本 元件的幾何形狀和尺寸研製的節能環保型具有多種用途的的產品。其 通過兩相流體場汽液混合壓縮時，經過絕熱膨脹技術處理後，以射流 態與水在熱交換器混合室瞬間相混合。由於蒸氣釋放大量的汽化潛 熱，產生了蒸汽與水兩相流的混合物，形成兩相流體場。當汽水兩相 流滿足一定的容積比時，場態激化，熱交換器中的混合物在不變截面 管道內克服音障，使汽水混合物中的聲速大大低於蒸汽中的聲速(可
低至5 10米/秒)，流動速度完成了向亞聲速的轉變。此時產生了大 量的壓力激波。由於壓力激波的單向傳導特性，使流體在不變截面管 道中出現壓力劇增而不回流現象。使輸出混合物的壓力可以大大超過 蒸汽壓力，因而達到增壓和瞬時加熱的效果。其能瞬時將水加熱、加 壓到設定溫度和壓力，可隨時調整水溫、水壓，起到即供即熱即有壓 力的效果。汽水接觸面積小，在高速汽水流劇烈衝刷下，熱交換器內 表面不易結垢。換熱效率高達99.28%，具有自增壓功能，輸出熱水的 壓力高於輸入流體的壓力，可減少循環水泵的數量及功率，節省電能， 降低能源消耗，減少汙染物排放，保護了環境。每小時最大可達100 噸。體積小，重量輕，安裝簡便。
本發明通過改進傳統汽水混合換熱器的混合室結構，由原單一孔 徑混合室變為多孔徑混合室，通過流通截面積的改變，改善汽水混合 物的流束和場態。改變混合室內部曲線變化，由原線性結構變為區間 性曲線結構，使熱交換器內汽水混合質量比、壓力比始終處於最佳狀 態。當系統汽水參數發生變化時，可通過調節噴嘴與混合室的位置， 改變噴嘴與混合室的間隙和距離，達到動態調節的目的。其具有以下 特點
1、其為射流式汽水混合增壓熱交換器，輸出水的壓力可以高於 工作蒸汽的壓力，它利用蒸汽的能量來直接加熱水、並使網路水循環， 不需要補充其它能量，節約電能50%-85%以上，節約蒸汽10%以上。2、 其為管狀設備，術只小，重量輕，安裝簡便。輸水量每小時最大可達 300噸。改建項目無需大動現有管路，節省土建費用。內部材料為特 種合金鋼，使用壽命15年以上，性能可靠，使用維護運行費用低。
3、 操作方便、簡單。能瞬時將水加熱到設定溫度，可隨時調整 水溫，起到即供即熱的效果。汽水接觸面積小，在高速汽水流劇烈衝 刷下，熱交換器管狀內表面不易結垢。輸出熱水的壓力較輸入流體的 壓力高，具有自增壓功能。使蒸汽、水混合介質動壓增大，產生增壓 節能效果。可減少、減少循環水泵的數量，節省電能30% 85%。降低 能源消耗，減少汙染物排放，保護了環境，由於在運行中可進行動態 調節，可與計算機系統、自動控制系統聯網進行全面自動控制。
4、 混合室結構為多孔小口徑流道，該多個小口徑流通面積之和 與單一口徑面積流通面積相同，汽水混合物的流速相同，在流通截面 積的直徑很小，汽水混合物的流動狀態為層流流動，流體只在軸向上 產生速度、壓力的變化，沒有液體質點的橫向運動，各流束截面上的 質量流量變化基本相同，混合室內汽水混合物的速度、壓力處於穩定 狀態，換熱器的運行穩定。


圖1為本發明的裝配結構示意圖。
圖2為本發明熱交換器改進中芯部位的結構示意圖。
圖3為圖2的左視圖。
圖中1、前變徑，2、蒸汽噴管，3、三通，4、短二通，5、後 混合室，6、長二通，7、後變徑，8、襯套，9、前混合室，10、擴 壓段。
具體實施例方式
結合附圖，給出本發明的實施例如下
如圖l所示本實施例裝置具體主要由前變徑1、蒸汽噴管2、
三通3、短二通4、後混合室5、長二通6、後變徑7、襯套8、前混合 室9構成。其中前變徑1、三通3、短二通4、長二通6及後變徑7的 端面均為法蘭結構。蒸汽噴管2同軸插入三通3內，利用法蘭端面及 插入端面通過螺栓與前變徑1和三通3固定連接並保持同軸性。三通 3的一端與前變徑1連接、另一端與短二通4的一端連接。前混合室9
5利用前後兩配合面分別與三通3、短二通4內徑配合連接。後混合室5 外徑與襯套8內徑配合連接，襯套8起著固定後混合室5，並保持後 混合室5得到同軸度的作用。襯套8外徑與短二通4另一端內徑配合 連接，襯套8的內徑與長二通大徑端面的內徑相同，襯套8與長二通 有一定的間隙。後混合室5、前混合室9通過短二通4保持同軸度。 後混合室5與前混合室9連接的端面為錐形曲線圓弧，該錐形曲線圓 弧與汽水混合物速度分布曲線相同，有利於汽水混合物均勻分布於各 同軸小孔中。後混合室5內為多孔小口徑^it結構(如圖2-3所示)，可調整 汽水混合物的流態、流速。前混合室9由錐形曲線部分和水平直線部 分構成，其中錐形曲線部分為流量調節段，主要用於調整進水流量， 水平直線部分為狀態壓力調節段，主要用於調節混合室中汽水混合比 例。長二通6的內徑為漸擴結構構成擴壓段10,其一端外徑與短二通 4的內徑配合嵌套，並通過法蘭用螺栓固定連接，以保持短二通與長 二通的同軸度；另一端與後變徑7之間，通過法蘭用螺栓固定連接。
本發明後混合室5的長度設計原則為在最大設計流量下，其長 度等於臨界流速情況下的極限長度減去後混合室調節餘量，根據公式
Lcr 。混合室流通截面積以流道最佳流速(最佳流速為40 60m/s) 確定流量為參考依據，其中流通截面積與速度的關係為 dA/A二(M2-1)dv/v。擴壓段內部擴散角在9"C irC範圍內，以取10 'C為最佳值，來減小截面突變性。
蒸汽噴管2為縮擴形拉伐爾噴管，蒸汽進入後進行絕熱膨脹以超 音速噴射至前混合室，並在前混合室與進水相混合，於是產生了具有 一定計算容積比的蒸汽與水的混合物，汽水混合物中的聲速大大低於 蒸汽中的聲速(可低至5~10米/秒)，該熱交換器中混合物的流動速 度(30~40米/秒)超過混合物的聲速值，所以能在收縮段變窄的截面 內克服音障，繼而在不變截面管道中流動速度完成了向亞聲速的轉 變，此時產生了壓力激波，壓力急劇增大，其結果是輸出混合物的壓 力可以大大超過蒸汽壓力，因而達到增壓和瞬時加熱的效果。由於主 要壓力能向動能轉化，實現蒸汽流速的劇增。當具有一定壓力、流速
由入口馬赫數M來確定極限管長的蒸汽進入噴管後，由於管內徑變小，蒸汽的壓力降低，流速急劇增 大，形成高速氣流由噴嘴射出。
擴壓段10是汽水發生動能、熱能交換形成高溫汽水混合物的主
要場所。當水管入口處的水和由蒸汽噴管高速蒸汽射入前混合室蒸汽 發生動能和熱量的交換。即高溫蒸汽遇冷凝結，釋放出大量汽化潛熱 熱量，最終和給水形成高溫汽水混合物。同時，蒸汽給水迅速發生速 度交換，使汽水混合物的流速急劇增加，這樣便在混合室形成高溫， 高速水流流向擴壓段。混合擴壓段主要完成混合物動能向壓力能的轉 化，實現混合物壓力的劇增，當高溫、高速的水流流入擴壓段時，由 於管徑增大，水流流速逐漸減少至外界循環網正常流速，這樣部分動 能轉化為壓力能，使壓力升高，從而代替循環泵，實現系統的循環。
權利要求
1、一種大口徑變聲速增壓熱交換裝置，包括前變徑(1)、蒸汽噴管(2)、三通(3)、短二通(4)、長二通(6)和後變徑(7)，蒸汽噴管(2)同軸插入三通(3)內，三通連接在變徑(1)和短二通(4)之間，長二通(6)連接在短二通(4)和後變徑(7)之間，其特徵在於還設置有前混合室(9)和後混合室(5)，前混合室(9)位於三通(3)與短二通(4)內的連接部位之間用於調整進水流量和調節混合室汽水混合比例；後混合室(5)設置在短二通(4)內，其通過改變流通截面積，改善汽水混合物的流束和場態。
2、 根據權利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特 徵在於所述的後混合室(5)為多孔小口徑流道結構，該多個小口 徑流通面積之和與單一口徑面積流通面積相同。
3、 根據權利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特 徵在於所述的前混合室(9)具有錐形曲線部分和水平直線部分。
4、 根據權利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特 徵在於所述的後混合室(5)的外徑與襯套(8)的內徑配合連接。
5、 根據權利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特 徵在於所述的襯套(8)的外徑與短二通(4)的內徑配合連接。
6、 根據權利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特 徵在於所述的後混合室(5)與前混合室(9)連接的端面為錐形曲 線圓弧，該錐形曲線圓弧與汽水混合物速度分布曲線相同。
7、 根據權利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特徵在於所述的擴壓段(10)內部的擴散角在9'c irc範圍內。
8、 根據權利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特 徵在於所述的後混合室(5)通過襯套(8)固定在短二通(4)內 的。
全文摘要
本發明公開的大口徑變聲速增壓熱交換裝置由前變徑(1)、蒸汽噴管(2)、三通(3)、短二通(4)、長二通(6)、後變徑(7)，前混合室(9)和後混合室(5)構成。蒸汽噴管同軸插入三通內，三通連接在前變徑和短二通之間，長二通連接在短二通和後變徑之間用於調整進水流量和調節混合室汽水混合比例；後混合室設置在短二通內，其通過改變流通截面積改善汽水混合物的流束和場態。本發明通過改進混合室結構可有效改善汽水混合物的流束和場態，使熱交換器內汽水混合質量比、壓力比始終處於最佳狀態。有效降低設備運行噪音和運行費用，提高其換熱效率和運行安全性。當系統汽水參數發生變化時，通過調節噴嘴與混合室的位置實現動態調節。
文檔編號F28C3/00GK101435664SQ20071018994
公開日2009年5月20日 申請日期2007年11月12日 優先權日2007年11月12日
發明者輝 曹, 王龍江 申請人:洛陽藍海實業有限公司