船舶給水泵試驗蒸汽噴嘴加熱器的設(shè)計與應用

摘 要：本文介紹了蒸汽噴嘴加熱器的構(gòu)造和原理，設(shè)計了噴嘴加熱器并應用于某船舶汽輪給水泵機組陸上試驗測試水加熱系統(tǒng)。試驗運行結(jié)果表明該噴嘴加熱器運行穩(wěn)定、可靠，可滿足試驗要求。

關(guān)鍵詞：蒸汽噴嘴加熱器；陸上試驗；應用

中圖分類號：TS73 文獻標識碼：A

蒸汽噴嘴加熱器是一種較為廣泛的用于容器液體加熱的設(shè)備，它已被應用于食品、采礦、化工、機械、造紙等各種行業(yè)中，成為一種節(jié)能、高效及提高經(jīng)濟性的重要加熱設(shè)備。目前國內(nèi)相關(guān)單位對蒸汽噴嘴加熱器已開展過許多理論研究并生產(chǎn)了一些產(chǎn)品。但是，對于陸上試驗中能夠指導實際運行的模型很少。本文結(jié)合目前市場已有蒸汽噴嘴加熱器的特點，經(jīng)過理論分析計算及優(yōu)化設(shè)計，研制出了一臺用于船舶主給水泵試驗臺測試回路容器加熱的高壓蒸汽噴射混流加熱器。

1 蒸汽噴嘴加熱器加熱機理

蒸汽噴嘴加熱器由噴嘴和換流管組成。當具有一定壓力的蒸汽通過噴嘴時形成高速噴射流，由于動壓急劇增大而靜壓顯著降低，致使噴嘴出口產(chǎn)生低于被加熱液體壓力的負壓，從而帶動換流管內(nèi)的冷水一起向上流動并與高速噴射氣體互相混合。這樣蒸汽與冷水混合并進行動能與熱能的交換，使冷水水溫升高而形成高速水流，經(jīng)水斷面逐漸擴大而流速逐漸降低，即動能降低靜壓升高，從而將經(jīng)被加熱的冷水以一定的壓力送入貯水灌中。這樣冷水不斷從換熱管下部進入換熱管，高溫水從換熱管上部排出，從而容器內(nèi)部形成加熱環(huán)流，蒸汽噴出噴嘴的流速需有一定要求：速度太快，蒸汽會沖出水面而不能與水混合；流速太慢就沒有抽吸作用，不能形成混流。因此蒸氣噴射須控制在一定的流速范圍內(nèi)，本文根據(jù)船舶大型給水泵測試回路加熱要求設(shè)計的噴嘴加熱器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、振動噪聲低、加熱效率高且制作簡單經(jīng)濟。

2 設(shè)計方案選擇

試驗用的加熱蒸汽來自試驗場地蒸汽母管，通過截止閥和節(jié)流閥減壓后分別進入水泵測試回路系統(tǒng)需加熱的除氧箱。

蒸汽引入管進入除氧箱后，沿除氧箱筒體長度或高度方向布置蒸汽分配總管，在總管下面沿筒體長度方向均勻布置2個蒸汽分配支管（見圖1），在支管下面安裝噴嘴和換流管。為了防止加熱過程中的氣流引起裝置的振動和沖擊，蒸汽分配管由型鋼焊接固定在筒體上。蒸汽加熱器設(shè)計方案有以下兩種型式（見圖2和圖3）。

圖2所示蒸汽加熱器使用的噴嘴結(jié)構(gòu)型式是在蒸汽分配支管的末端裝有兩只噴嘴盤，噴嘴盤分上下布置，每個噴嘴盤上裝設(shè)噴嘴，噴嘴與噴嘴盤采用絲扣連接，換熱管為一體流線形構(gòu)造，根據(jù)以往試驗實際使用情況，該型加熱器加熱效果好，效率高，其缺點是噴嘴與噴嘴盤易由于振動引起絲扣連接的松動，噴嘴在運行過程中易脫落，導致加熱效果不良，存在試驗裝置安全隱患，且制造加工較為復雜且成本高。

圖3所示蒸汽加熱器的結(jié)構(gòu)型式是噴頭組件的外形采用雙層寶塔式焊接結(jié)構(gòu)，2個噴頭組件焊接在蒸汽分配支管的末端，上下兩層噴頭組件的錐形斜面上錯列布置了24個小噴嘴，噴嘴內(nèi)部開孔采用縮放形孔，噴嘴與噴頭組件的連接采用焊接方式。其換流管采用三段分節(jié)式焊接，即上下為喇叭口，中間位直管，經(jīng)水流阻力分析這種型式與圖2所示的換熱管阻力相差很小，可以忽略，而且這種型式的噴嘴和換流管加工制造都較為簡便經(jīng)濟，而且噴頭組件的錐形斜面不易形成結(jié)垢且易清理，高溫蒸汽的斜向射流更易加速水流的換熱循環(huán)，提高了加熱效率，加熱均和程度好較圖2所示較好，水泵試驗頻繁變換工況情況下，裝置振動不容易引起噴嘴的脫落，因此我們在容器加熱過程中選擇該結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計方案。

3 設(shè)計計算

（1）設(shè)計條件

按照試驗場地實際情況，加熱蒸汽壓力P1=1.4MPa，t1=300℃，經(jīng)噴嘴后的蒸汽壓力比大氣壓稍高，取P2=0.125MPa；最終熱水量按最大量取m=20t。

水箱中的水經(jīng)過夜間的不完全的自然冷卻，第二日還會有一定的余溫，同時可以采用電加熱器提前預熱到一定溫度，因此，取冷水初始加熱溫度t=50℃；另外，在水溫未達到104℃前（測試回路要求加熱溫度），給水泵機組運行機械功部分損失發(fā)熱，可以使水溫上升，本加熱器取加熱最終溫度t0=100℃。

（2）冷水吸熱負荷計算

熱負荷可用以下公式進行計算

Q吸 =Q放 （1）

（m-qm·th）·cP·（t0-t）=qm·

th·（h1-h0） （2）

（20×103-qm×2）×4.18×（100-50）=qm×2×（3045-419.06）

qm=737kg/h

式中：th—蒸汽加熱時間，取2h；h1—加熱蒸汽焓值，查水蒸汽h-s圖得3045kJ/kg；h0—100℃飽和水焓值，查表得419.06kJ/kg；qm—加熱蒸汽流量，kg/h。

（3）噴嘴形式確定及喉部數(shù)量計算：

（3）

故噴嘴采用縮放形噴管。根據(jù)工程使用經(jīng)驗，通常噴嘴的喉部直徑取dmin=10㎜。

加熱蒸汽的比重為：

（4）

式中：R—過熱蒸汽的氣體常數(shù)，461.5J/（kg·K）；噴嘴的數(shù)量按式（4.34）進行計算：

（5）

式中：ε—噴嘴的收縮系數(shù)，取ε=0.5；V—噴口處蒸汽流速，m/s，一般取50m/s；f—噴口截面積，㎡；dmin—噴嘴喉部直徑，m；n—噴嘴數(shù)量。

由以上公式計算可得n=20，考慮散熱損失等因素，實際選用24個d=10㎜的噴嘴。

縮放形噴管出口截面積計算如下：

=174.54mm2 （6）

式中：k—過熱蒸汽比熱比，取1.30；Amin——喉部截面積，m2。

出口截面直徑d按下式計算：

mm（7）

縮放形噴管漸放部分的長度應適當，過短時氣流擴張不及而造成損失，過長時摩擦損失太大。一般漸放部分的錐角取為10°～12°，在此我們?nèi)?2°。從最小截面到出口截面噴管的長度L：

mm（8）

根據(jù)以上計算結(jié)果，實際噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

結(jié)語

本文研究設(shè)計的蒸汽噴嘴加熱器行穩(wěn)定、可靠，且制造簡單，投資費用低，具有較大的節(jié)能潛力。經(jīng)過船舶大型給水泵測試回路加熱檢驗，該蒸汽噴嘴加熱器完全能滿足試驗的定參數(shù)及變參數(shù)等不同條件的加熱要求，且具有進出口壓力比高、加熱效率高、水箱水溫均和程度好及振動噪聲低等特點。

參考文獻

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