一種基於壓力調控的蒸汽噴射器的製作方法
2023-08-03 13:50:46
本發明涉及流體機械技術領域，尤其涉及一種基於壓力調控的蒸汽噴射器。
背景技術：
能源作為人類生存和社會發展的基本保證，已成為每個國家可持續發展的關鍵。然而為了滿足工業發展要求而過度消耗能源和不合理地使用能源造成了嚴重的能源危機和環境汙染，尤其是工業工程中大量的低品位能源不加以合理地轉換利用而直接排入室外環境。為有效地控制能源危機和環境汙染問題進一步惡化，節能環保成為社會可持續發展的必經之路。蒸汽噴射器是一種節能的流體機械。其藉助部分高壓工作蒸汽抽吸低壓引射蒸汽，可以在不消耗額外機械功的前提下提高流體壓力，將低品質的熱能提升為高品質熱能從而再利用。在一些特定的場合，引射器的應用有助於熱量的充分利用和節能環保，因此在許多工業過程中都有著廣泛的應用。
傳統的蒸汽噴射器採用固定主噴嘴和混合室漸縮部、混合室喉部、擴壓室一體化結構，雖然經過大量的工作參數和結構參數優化後，其引射性能在一定程度上得到改善。但這種結構只有在工作參數固定的設計條件下才能達到最佳工況。然而，實際工業生產中經常會出現外部蒸汽工作參數變化的情況，尤其是引射器背壓不穩定運行過程中。當實際工況與設計值有所變化時，蒸汽噴射器工作性能就會出現很大的惡化狀況，導致整個系統運行不穩定，效率下降，這是因為不同背壓下都應該對應一個最佳的蒸汽噴射器設計尺寸，若背壓過低，就會出現餘壓餘速、激波惡化和壅塞現象，壓力過高則會出現引射量銳減甚至回流，從而導致引射係數降低，嚴重影響蒸汽噴射器的工作效率。即使在標準工況下，喉部也存在大量的餘壓餘速，混合室也存在劇烈激波區，尤其是混合室末端激波形成的高壓區嚴重影響引射蒸汽的有效卷吸。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
本發明要解決的技術問題是現有的噴射器在設計工況和變背壓工況環境下內部流場分布不完善及流體壅塞而導致引射性能惡化的問題。
(二)技術方案
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基於壓力調控的蒸汽噴射器，包括噴射器主體，所述噴射器主體包括沿軸線依次密封連接的主噴嘴、接收室、混合室漸縮部、混合室喉部和擴壓室，所述噴嘴設有工作蒸汽入口，所述擴壓室的後端設有混合蒸汽出口，所述混合蒸汽出口連接混合蒸汽管道，所述噴射器主體上設有調控入口，所述調控入口包括設於混合室漸縮部的卷吸壓力調控入口和高壓區調控入口、設於混合室喉部的第一低壓區調控入口、設於擴壓室的第二低壓區調控入口；所述蒸汽噴射器還包括壓力調控系統，所述壓力調控系統包括壓力調控管道和電磁閥，所述卷吸壓力調控入口和第二低壓區調控入口分別與所述壓力調控管道的兩端連接，所述壓力調控管道的側壁向外伸出第一管道和第二管道，所述第一管道和所述第二管道分別與所述高壓區調控入口和所述第一低壓區調控入口連接，所述電磁閥的數量為多個，多個所述電磁閥分別設於所述壓力調控管道的兩端、第一管道和第二管道上。
其中，所述壓力調控系統還包括壓力檢測單元和控制單元，所述壓力檢測單元設於所述混合蒸汽管道上，所述控制單元與所述壓力檢測單元和電磁閥連接，用於根據所述壓力檢測單元檢測到的壓力值控制所述電磁閥的開閉。
其中，所述電磁閥包括設於所述壓力調控管道與卷吸壓力調控入口連接端的第一電磁閥、設於第一管道上的第二電磁閥、設於第二管道上的第三電磁閥、設於壓力調控管道與第二低壓區調控入口連接端的第四電磁閥。
其中，所述壓力檢測單元為壓力變送器，所述控制單元為可編程邏輯控制器。
其中，所述壓力檢測單元檢測到的壓力為P，當P>P1時，所述控制單元控制所述第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥和第四電磁閥關閉；當P2<P≤P1時，所述控制單元控制所述第二電磁閥和第三電磁閥開啟、第一電磁閥和第四電磁閥關閉；當P3P2>P3，P1為標準設計工況下背壓對應的壓力參數。
其中，所述卷吸壓力調控入口設於所述混合室漸縮部的前端的壓力最高位置處，所述高壓調控入口設於所述混合室漸縮部的後端壓力最高位置處，所述第一低壓調控入口設於混合室喉部壓力最低位置處，所述第二低壓調控入口設於擴壓室起始端兩側壓力最低位置處。
其中，所述調控入口的數量為多組。
其中，所述調控入口的數量為兩組，兩組所述調控入口對稱設置。
其中，所述混合蒸汽管道、所述壓力調控管道的兩端、第一管道及第二管道與所述噴射器主體分別通過法蘭連接，且各個連接處均設有高溫密封圈。
(三)有益效果
本發明的上述技術方案具有如下優點：本發明提供的一種基於壓力調控的蒸汽噴射器，噴射器主體上設有調控入口，調控入口包括混合室漸縮部的卷吸壓力調控入口和高壓區調控入口、設於混合室喉部的第一低壓區調控入口、設於擴壓室的第二低壓區調控入口，蒸汽噴射器還包括壓力調控系統，壓力調控系統包括壓力調控管道和電磁閥，卷吸壓力調控入口和第二低壓區調控入口分別與壓力調控管道的兩端連接，壓力調控管道的側壁向外伸出第一管道和第二管道，第一管道和第二管道分別與高壓區調控入口和第一低壓區調控入口連接，壓力調控管道的兩端、第一管道和第二管道上均設有電磁閥。其在工業運行過程中，當運行背壓處於或脫離設計工況時，通過控制電磁閥的開閉來優化內部流場以破除壅塞狀態，從而提高蒸汽噴射器引射性能，減少過程中的能量損耗。進而能夠適應多工況的要求。同時，自動化程度高，方便操作，整體穩定性和氣密性良好。
除了上面所描述的本發明解決的技術問題、構成的技術方案的技術特徵以及有這些技術方案的技術特徵所帶來的優點之外，本發明的其他技術特徵及這些技術特徵帶來的優點，將結合附圖作出進一步說明。
附圖說明
圖1是本發明實施例提供的基於壓力調控的蒸汽噴射器的結構示意圖；
圖2是本發明實施例提供的蒸汽噴射器主體結構示意圖；
圖3是本發明實施例提供的壓力調控系統的結構示意圖；
圖4是本發明實施例提供的蒸汽噴射器不同壓力調控階段內部流場對比圖；
圖5是本發明實施例提供的蒸汽噴射器引射係數提升率隨背壓變化關係圖。
圖中：1：主噴嘴；2：接收室；3：混合室漸縮部；4：混合室喉部；5：擴壓室；6：工作蒸汽入口；7：引射蒸汽入口；8：混合蒸汽管道；9：卷吸壓力調控入口；10：高壓區調控入口；11：第一低壓區調控入口；12：第二低壓區調控入口；13-19：法蘭；20：壓力檢測單元；21：第一電磁閥；22：第二電磁閥；23：第三電磁閥；24：第四電磁閥；25：壓力調控管道；26：第一管道；27：第二管道；28：控制單元；29：信號發出端；30：信號接收端。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
此外，在本發明的描述中，除非另有說明，「多個」、「多根」、「多組」的含義是兩個或兩個以上，「若干個」、「若干根」、「若干組」的含義是一個或一個以上。
如圖1至圖3所示，本發明實施例提供的一種基於壓力調控的蒸汽噴射器，包括噴射器主體，噴射器主體包括沿軸線依次密封連接的主噴嘴1、接收室2、混合室漸縮部3、混合室喉部4和擴壓室5，主噴嘴1設有工作蒸汽入口6，接收室2設有引射蒸汽入口7，工作蒸汽入口6通過法蘭13與工作蒸汽管道連接，引射蒸汽入口7通過法蘭14連接引射蒸汽管道；擴壓室5出口通過法蘭15與混合蒸汽管道8連接，混合蒸汽出口連接混合蒸汽管道8，噴射器主體上設有調控入口，調控入口包括設於混合室漸縮部3的卷吸壓力調控入口9和高壓區調控入口10、設於混合室喉部4的第一低壓區調控入口11、設於擴壓室5的第二低壓區調控入口12；蒸汽噴射器還包括壓力調控系統，壓力調控系統包括壓力調控管道25和電磁閥，卷吸壓力調控入口9和第二低壓區調控入口12分別與壓力調控管道25的兩端連接，壓力調控管道25的側壁向外伸出第一管道26和第二管道27，第一管道26和第二管道27分別與高壓區調控入口10和第一低壓區調控入口11連接，電磁閥的數量為多個，多個電磁閥分別設於所述壓力調控管道25的兩端、第一管道26和第二管道上27。高溫高壓的工作蒸汽流經主噴嘴1進行絕熱膨脹，並在主噴嘴1的出口處形成超音速流和真空區，引射蒸汽從引射蒸汽入口7進入接收室2，在卷吸壓差和高速工作流體的作用下被卷吸和攜帶入混合室3，兩股流體在混合室漸縮部3入口段形成一股以超音速工作流體為中心外圍包裹低速引射流體的混合流體。在激波和紊動擴散作用下，兩股流體相互碰撞、摩擦和摻和，從而進行質量、能量和動量的交換，使得工作流體的速度不斷減小，引射流體的速度不斷增大。混合流體進入擴壓室5後，壓力升高流速降低，達到排出蒸汽所需參數後排出。而實際混合過程中蒸汽噴射器內部流場分布存在很大的缺陷，使得能量損耗嚴重，引射性能惡化，主要包括混合室由於激波現象在卷吸壓力入口9處形成一個壓縮波，使得局部壓力升高引射蒸汽卷吸受阻，混合室高壓區調控入口10處形成一個橫截面高壓區使得混合蒸汽壅塞，而喉部4又有大面積可利用的低壓區。加之實際工況中背壓往往會偏離設計工況，背壓的降低會使得上述流場缺陷更加明顯，且當背壓較小時，還會在擴壓室5起始端形成一個更大的低壓區。本發明實施例利用蒸汽噴射器內部的低壓區去降低高壓區壓力和提高卷吸壓差，削弱激波強度優化流場增加引射蒸汽質量流量，從而改善蒸汽噴射器引射性能。其在工業運行過程中，當背壓處於設計工況或背壓脫離設計工況時，都可以通過控制電磁閥的開閉去調節內部高壓區以優化內部流場，降低混合室壓力，減弱激波強度，破除壅塞狀態，從而提高蒸汽噴射器引射性能，減少過程中的能量損耗。
進一步地，壓力調控系統還包括壓力檢測單元20和控制單元28，壓力檢測單元20設於混合蒸汽管道8上，用於檢測從擴壓室5出來的混合蒸汽的壓力，控制單元28與壓力檢測單元20和電磁閥連接，用於根據壓力檢測單元20檢測到的壓力值控制電磁閥的開閉。其中，電磁閥包括設於壓力調控管道25與卷吸壓力調控入口9連接端的第一電磁閥21、設於第一管道26上的第二電磁閥22、設於第二管道27上的第三電磁閥23、設於壓力調控管道25與第二低壓區調控入口12連接端的第四電磁閥24，壓力檢測單元為壓力變送器，控制單元28為可編程邏輯控制器。且壓力變送器與可編程邏輯控制器的信號接收端29連接，第一電磁閥21、第二電磁閥22、第三電磁閥23和第四電磁閥24分別與編程控制器的信號發出端30連接。壓力變送器檢測蒸汽噴射器背壓，並將檢測的壓力信號傳遞給可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器根接收到的壓力信號和內部對應程序對第一電磁閥21、第二電磁閥22、第三電磁閥23和第四電磁閥24進行相應控制。在本實施例中，控制單元28分別與壓力檢測單元20和電磁閥(第一電磁閥21、第二電磁閥22、第三電磁閥23和第四電磁閥24)連接，各調控入口通過管道(壓力調控管道25、第一管道26、第二管道27)相互連通，一起構成壓力調控系統。
進一步地，蒸汽噴射器各結構尺寸符合標準工作參數下的最佳工況設計要求，壓力檢測單元20檢測到的壓力為P，當P>P1時，可編輯邏輯控制器控制第一電磁閥21、第二電磁閥22、第三電磁閥23和第四電磁閥24關閉；當P2<P≤P1時，可編輯邏輯控制器控制第二電磁閥22和第三電磁閥23開啟、第一電磁閥21和第四電磁閥24關閉；當P3P2>P3，P1為標準設計工況下背壓對應的壓力參數。
使用時，首先將背壓預設值P與各壓力調控入口的關係輸入可編程邏輯控制器，搭建對應的壓力調控系統。初始狀態時，壓力調控管道25兩端的電磁閥和第一管道26、第二管道27上所有電磁閥都處於關閉狀態，當背壓P處於P1至P2間，混合室3末端出現大面積高壓區域導致蒸汽噴射器壅塞，同時喉部4出現明顯低壓區，此時自動打開第二電磁閥22和第三電磁閥23，利用喉部4低壓自第二管道27、壓力調控管道25和第一管道26去降低混合室3末端的高壓區。當背壓繼續降低到處於P2至P3間，混合室喉部4低壓區餘壓強度有所減小，擴壓室5低壓區強度越居主要地位，此時自動關閉第三電磁閥23，打開第四電磁閥24，利用擴壓室5低壓區自壓力調控管道25和第一管道26去降低混合室末端的高壓區。當背壓進一步減小且低於P3時，餘壓強度進一步增大，在調節混合室3末端高壓區後仍存在較低的壓力，此時在打開第二電磁閥22和第四電磁閥24條件下，再自動打開第一電磁閥21以降低引射蒸汽出口壓力，增大卷吸壓差，從而增大引射蒸汽質量流量。
進一步地，卷吸壓力調控入口9設於混合室漸縮部3的前端的壓力最高位置處，高壓調控入口10設於混合室漸縮部3的後端壓力最高位置處，第一低壓調控入口11設於混合室喉部4壓力最低位置處，第二低壓調控入口12設於擴壓室5起始端兩側壓力最低位置處。
進一步地，調控入口的數量為多組。在本實施例中，調控入口的數量為兩組，兩組調控入口對稱設置。即兩個卷吸壓力調控入口9對稱設於所述混合室3起始端兩側壓力最高位置處，兩個高壓調控入口10對稱設於所述混合室3末端兩側壓力最高位置處，兩個第一低壓調控入口11對稱設於喉部4兩側壓力最低位置處，兩個第二低壓調控入口12對稱設於擴壓室5起始端兩側壓力最低位置處，使用時，兩組調控入口同時起到調節壓力的作用。
進一步地，混合蒸汽管道8、壓力調控管道25的兩端、第一管道26及第二管道27與噴射器主體分別通過法蘭連接，且各個連接處均設有高溫密封圈。具體地，卷吸壓力調控入口9、高壓區調控入口10、第一低壓區調控入口11和第二低壓區調控入口12分別通過法蘭16、法蘭17、法蘭18和法蘭19與壓力調控管道25聯通，各個法蘭間添設高壓密封圈，保證各個整個系統密封性。利用蒸汽噴射器內部的低壓區去降低高壓區壓力以削弱激波強度和提高引射蒸汽卷吸壓差以增加引射蒸汽質量流量，從而改善蒸汽噴射器引射性能。
如圖4所示，圖4給出了蒸汽噴射器三個調控階段的內部流場對比圖，從圖中可以清晰的看出激波強度減弱，混合室壓力明顯降低，優化效果較好。本發明提供的一種基於壓力調控的蒸汽噴射器，在優化內部流場的同時可以明顯降低引射蒸汽出口處的壓力，增大卷吸壓差從而增大引射蒸汽質量流量，提高引射係數μ。圖5給出了實驗方案中蒸汽噴射器引射係數提升率隨背壓變化關係，可以看出蒸汽噴射器引射性能得到了較大的提升，在給定背壓變化範圍了，引射係數最高可達28.68％，即使在設計工況下也可以提升5.15％。
綜上所述，本發明提供的一種基於壓力調控的蒸汽噴射器對傳統噴射器結構進行合理改變，同時引入壓力調控系統。充分利用不同背壓下蒸汽噴射器內部低壓區去調節混合室末端高壓區和引射蒸汽出口壓力，削弱激波強度，減少過程能耗，很大程度上提升了蒸汽噴射器引射性能。解決了現有蒸汽噴射器在設計工況和變背壓工況環境下內部流場分布不完善及流體壅塞而導致引射性能惡化的問題。
最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。