基于液氣射流的負壓蒸汽加熱系統設計與試驗

孫奉辰 蔡紅珍 祁志強 高鋒 劉玉鳳 劉德營

摘要：針對當前100 ℃以下的低溫加熱工藝在農業、化工、食品加工業中存在加熱效率低、溫度難以精確維持、自動化程度低、設備成本高等問題，集成射流泵抽空技術、PLC控制技術、控溫調壓技術，設計開發一種基于液氣射流的負壓蒸汽加熱系統。該系統由智能控制系統、液氣射流真空循環系統、降溫調壓系統和循環水調節系統組成，通過液氣射流泵抽空提供蒸汽負壓環境，結合減溫減壓裝置和PLC智能控制系統對負壓蒸汽進行控制，實現負壓蒸汽對物料的精準自動化加熱。詳細闡述負壓蒸汽加熱系統的工作原理，確定關鍵部件射流泵設計結構和相關參數，并對其進行流體數值模擬的相關驗證，模擬結果與實際誤差在10%以內，表明射流泵設計合理可靠性高。對系統的加熱性能進行試驗，結果表明：基于液氣射流的負壓蒸汽加熱系統可以精確控制蒸汽溫度進行加熱，同時加熱溫度曲線平緩，快速升溫階段真空度上下浮動0.003 MPa，平衡階段真空度上下浮動0.002 MPa，加熱溫度浮動也在±1 ℃，更好地適應不同物料的加熱溫度，在加熱效率方面優于水浴加熱約2倍。該研究可解決傳統水浴加熱顯熱加熱不均勻、控制精度差、加熱過程緩慢、生產能力較低等問題，為農產品、化工產品深加工的加熱方式、系統及裝置提供新的思路與參考。

關鍵詞：低溫加熱；負壓蒸汽；精準控溫；數值模擬；液氣射流泵

中圖分類號：S24： TK6

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 04-0104-09

Abstract： Aiming at the current problems of low heating efficiency， difficult to maintain accurate temperature， low automation and high equipment cost in agriculture， chemical and food processing industries for low temperature heating process below 100 ℃， a negative pressure steam heating system based on liquid-air jet is designed and developed by integrating jet pump evacuation technology， PLC control technology and temperature control and pressure regulation technology. The system consists of intelligent control system， liquid-air jet vacuum circulation system， temperature reduction and pressure regulation system and circulating water regulation system， which provides negative pressure environment of steam through liquid-air jet pump evacuation， combined with temperature and pressure reduction device and PLC intelligent control system to control the negative pressure steam and realize the precise automatic heating of materials by negative pressure steam. The working principle of the negative-pressure steam heating system is elaborated， the design structure and relevant parameters of the key component jet pump are determined， and the relevant verification of the fluid numerical simulation is carried out， and the simulation results are within 10% error from the actual one， which shows that the jet pump design is reasonable and reliable. The heating performance of the system is tested， and the results show that the negative pressure steam heating system based on liquid-air jet can precisely control the steam temperature for heating， while the heating temperature curve is gentle， with the vacuum level fluctuating up and down by 0.003 MPa in the rapid heating stage and 0.002 MPa in the equilibrium stage， and the heating temperature fluctuation is also within ±1 ℃， which can better adapt to the heating temperature of different materials. The heating efficiency is about 2 times better than that of water bath heating. This study can solve the problems of uneven heating， poor control accuracy， slow heating process and low production capacity of traditional water bath heating， and provide new ideas and references for heating methods， systems and devices for deep processing of agricultural and chemical products.

Keywords： low temperature heating; negative pressure steam; accurate temperature control; numerical simulation; liquid-air jet pump

0 引言

在農業、化工、食品等行業部分產品開發和生產過程中，溫度控制至關重要［1-6］。目前常用的低溫（30 ℃～100 ℃）加熱方式以水浴和油浴加熱為主，熱水的顯熱加熱存在不均勻、控制精度差、加熱過程緩慢、生產能力較低等問題［7-9］。而蒸汽作為一種清潔、安全的傳熱介質，其傳熱系數是熱水循環和導熱油循環方式的5～10倍，具有加熱均勻、成本低、安全、具有可控性和可輸送性等特點，在加工領域一直受到人們的重視。隨著農業、食品加工業的發展，低溫蒸汽的價值逐漸被發掘并利用，但在產業化的道路上還相差甚遠［10］。

目前，蒸汽作為熱源一般都是高溫蒸汽（100 ℃以上），低溫蒸汽和負壓加工技術的利用在各種食品等加工業中都能產生較好的效果［11-17］，卻無法進行大規模應用和產業化，整個技術的應用存在局限性。國內對低于100 ℃的低溫加熱研究還局限于對反應釜本身的結構改善或利用二次蒸汽進行間接換熱。徐曉光等［18］設計了一種利用85 ℃熱水進行加熱的偏心式攪拌反應釜避免加熱時產生焦糊現象。方定甫［19］研制了一種循環升膜真空濃縮鍋能夠利用二次蒸汽濃縮熱敏性物料。王國君等［20］利用乙酸乙酯作為換熱介質利用負壓二次蒸汽提純熱敏性藥物。卜銀坤［21］利用重力低位排氣法來連續獲得負壓蒸汽進行供熱采暖。而國外研制的真空蒸汽加熱設備大多太過昂貴，且設備小導致生產效率低下，對大型加工產業不友好。Rivers［22］總結了低壓蒸汽加熱真空系統在國外的發展概況。張立國等［23］介紹了負壓蒸發與二次蒸汽生產工藝流程，既節省了成本又提高了毛油浸出量。日本的化學裝置［24］期刊在1998年介紹了真空蒸汽加熱和氣化冷卻技術的原理。因此，開發一種真空蒸汽加熱裝置，實現農業、食品等行業產品生產過程中的均勻、快速、精準加熱，對于提升行業生產水平具有重大意義。

本文調研不同生產工藝的控溫要求并針對100 ℃以下的低溫加熱問題，在大量研究參考的基礎上［25-28］，結合射流泵抽空技術、PLC控制技術、控溫調壓技術，設計開發了一種基于液氣射流的負壓蒸汽加熱系統。通過液氣射流泵抽空提供蒸汽負壓環境，結合減溫減壓裝置和PLC智能控制系統對負壓蒸汽進行控制，實現負壓蒸汽加熱系統對物料的精準自動化加熱。對關鍵部件射流泵設計后進行流體數值模擬，模擬結果能夠達到設計標準后進行實物制造，并在加熱系統中對其進行驗證試驗，使射流泵與加熱系統相互配合以獲得更好的工作性能。

1 系統結構和工作原理

1.1 系統結構

負壓蒸汽加熱系統的結構示意如圖1所示，由控制系統、減壓系統、減溫系統、調節反饋系統、真空循環系統、反應釜以及循環水系統等組成。

控制系統為裝載PLC控制程序的電控柜；減壓系統由電動減壓閥構成；減溫系統由降溫水管路、降溫水噴頭、降溫水箱構成；調節反饋系統由各個位置的溫度壓力傳感器構成；真空循環系統由液氣射流泵、真空表和循環水泵等構成；循環水系統主要是水箱及其連接的水泵。反應釜的規格參數如表1所示。

1.2 工作原理

負壓蒸汽加熱系統工作時，首先通過PLC控制系統進行參數設定，如加熱溫度、加熱時間、攪拌速度和時間等。設定完成后，主水泵啟動，PLC程序會根據所設定加熱溫度自動調節主水泵的功率，主水泵的水在經過射流泵后會使其吸出并裹挾吸入端（連接反應釜夾套）內的空氣，達到相應飽和水蒸汽所存在需要的真空環境。在經過一段時間后，夾套內部真空環境保持穩定，隨即自動開啟蒸汽的通入。熱蒸汽的狀態會由溫度壓力傳感器反饋給控制系統，由控制系統智能改變減壓閥的開度和減溫系統的參數，水蒸汽降壓后會被冷水噴淋降溫，為了保證調節準確性，調節后的水蒸汽性質會再次被檢測反饋。調節后的水蒸汽隨即進入反應釜夾套加熱物料。經過加熱后，水蒸汽釋放潛熱轉變為相同溫度的冷凝水，為了保證加熱質量，冷凝水在疏水閥的作用下會流出夾套并被吸出進入水循環［25］。

經過一定的加熱時間后，蒸汽輸入自動關閉，隨后真空循環系統關閉，系統進入待機狀態。利用水蒸汽加熱一方面保證了加熱效率，另一方面大大提升了加熱溫度的穩定性，由真空度限制溫度，有效提高了物料的生產質量。工作原理如圖2所示。

1.3 精確控溫原理

首先由射流泵制造并維持蒸汽輸送管路和反應釜夾套內的真空環境，之后高溫高壓蒸汽通入，蒸汽先經過由控制系統控制開度的減壓閥，減壓后的水蒸汽為該真空環境下的過熱蒸汽，隨后進入噴水減溫區，高溫水蒸汽經過調溫冷水的噴淋轉變為調溫水蒸汽和一定量的冷凝水，此時的調溫水蒸汽溫度恰好對應真空環境的飽和蒸汽溫度，隨后送入加熱管路，而多余冷凝水則會被重新送回調溫冷水管道重復利用。調溫原理如圖3所示。

1.4 PLC電路控制原理

電路程序控制由各類傳感器和閥門完成信號傳輸和調節工作，包括真空度、溫度、水位等監測傳感器。程序控制原理如圖4所示。在本系統運行中，加熱過程中的溫度變化是動態的，為了保持動態平衡，在各個控制流程中添加了負反饋調節，從而提高控制精度。

根據機組設計工況，循環水泵要求揚程≥40 m，工作流量≥10 m3/h，則根據工況選擇水泵型號為ZS65-40-200/7.5，工作流量為25 m3/h，揚程為46 m，額定功率為7.5 kW，進口管徑DN65，出口管徑DN40。

2.2 射流泵的設計參數

經過管路排布和選型，確定射流泵入口和出口參數：進水口DN32-PN1.0、出汽液口DN65-PN1.0、吸氣口DN25-PN1.0。并通過上述設計參數和液氣射流泵抽真空設計方法［2］進行尺寸計算，得到表2的射流泵結構尺寸。

在FLUENT中，可以通過二維圖紙或3D模型導入進行流體模擬，射流泵擁有多個圓管，不能將其作為二維平面圖進行模擬，為了保證模擬的可靠性和合理性，根據表2的結構尺寸建立的了圖5的3D模型來進行模擬試驗。

2.3 射流泵的流體模擬

Fluent是CFD軟件中一款強大的流體模擬軟件，具有出色的計算方法的處理能力。基于此軟件可以模擬出射流泵內部流體的復雜狀態，在參數設置合理的條件下，通過FLUENT可以正確模擬出絕大多數流體狀態，對模擬驗證具有很大的幫助。

2.3.1 流體網格劃分

通過SolidWorks建立的3D射流泵模型導入到Fluent中后，首先對其進行網格劃分，利用Fluent自帶的space claim軟件對射流泵進行流體域抽取，并將其劃分為兩半對稱模型，此步可以極大的節省計算時間和運算成本，且模擬結果也不會有太大偏差。處理后的流體域如圖6所示。

在Fluent中導入處理后的流體模型，利用meshing對進行網格劃分，劃分條件6層邊界層，劃分類型采用poly hexcore，光滑過渡，最小單元格尺寸0.5 mm，生成模型網格單元格數量105 144個，網格節點290 471個。網格模型如圖7所示。

2.3.2 數值模擬設置

在模擬模型選擇中，選擇歐拉雙相流體模型。紊流模型采用標準SST k-Ω模型。由于模擬的是抽真空過程，流體材料選擇水和空氣。邊界條件設置中，壁面運動選擇靜止壁面，標準粗糙度模型；出口采用壓力邊界條件，設為一個大氣壓；工作水入口采用壓力邊界條件，根據水泵的壓力進行取值；被吸入口采用壓力邊界條件。求解方法選用二階迎風Coupled算法對控制方程進行求解，犧牲計算時間以提高計算精度。采用標準壁面函數法來處理壁面區的流動［28-37］。設置好模擬選項后，對解決方案使用默認初始化開始進行流體計算。

2.3.3 模擬結果分析

為了驗證抽氣性能，建立中心軸線，射流泵中心軸線的壓力分布隨位置變化如圖8所示。

從中心軸線壓力分布可以得出，工作流體水經過入口進入噴嘴中時，壓力保持不變，從噴嘴射出后，壓力急速降低，轉化為動能，在吸入室產生負壓，在進入喉管后壓力又逐步上升，最后由擴壓管噴出，壓力回歸一個標準大氣壓。

可見液氣射流泵的工作原理與模擬趨勢一致：工作流體水進入工作入口時壓力保持不變，隨之進入噴嘴處時因為噴嘴管口的回縮壓力達到一個頂峰值，隨后由噴嘴射出，壓力能轉化為動能，速度達到峰值，在吸入室內由于低壓和快速的水流使引射入口的空氣被裹挾進入射流泵，工作水和空氣一起混合進入喉管，在喉管內進行動能和壓力能的交換，壓力隨之上升，最后達到一個平衡值，再一起進入擴散管，由于射流泵內壓力遠大于大氣壓力，射流泵內的氣液混合流體便由擴散管噴出，達到了抽真空的目的。

3 流體模擬預試驗

3.1 試驗條件

為了驗證射流泵能否根據不同的工況得到不同的工作性能，對射流泵開展流體模擬預試驗。水泵工作頻率分為35級工作泵壓，為保證預試驗的覆蓋性和節約時間，選取其中4個泵壓作為入口壓力，通過改變流體平面類型進行不同的抽空預試驗和流量預試驗。為了更方便地觀察對比情況，將云圖著色范圍設置為相同的取值，觀察并記錄不同工況下的壓力和流量云圖。為了保證試驗準確性，模擬迭代終止條件為：（1）所有殘差項低于10-2。（2）流量曲線穩定。（3）流入和流出噴射泵的流量差低于10-5 kg/s。

3.2 模擬試驗

通過改變不同入口泵壓得到不同的真空度和流量能夠反映射流泵對工況的應變情況，將其結合到PLC控制系統可以更好地控制系統運行保證工作性能。

試驗過程和方法：在抽空試驗中，由于被吸口連接反應釜夾套為封閉容器，在模擬中可以將被吸入口設置為壁面，將觀測點設置在被吸口管路中心即可得到對應真空度結果。在流量試驗中，被吸口吸入多余的蒸汽以及冷凝水，因此將其設置為流量入口，工作入口不變，觀測點記錄流量數據。

圖9為4組不同壓力下的模擬抽空壓力云圖，可以看到隨著工作入口的壓力不斷增大，從噴嘴噴出的水流壓力也在增大，因此裹挾的空氣更多，被吸口和吸入室真空度能夠不斷提高，最終可以達到完全真空。圖10為4組試驗條件下的流量云圖。

圖10中可以看到隨著工作流量增大，被吸口的冷凝水和蒸汽流量也在增大，并且能夠在喉管內混合順利排出，水汽的結合湍流少。試驗說明射流泵可以在所有泵壓中得到不同的工作性能，以適應不同溫度的加熱需求。

4 試驗與分析

4.1 試驗條件

對抽空試驗中的泵壓—真空度—抽空時間的曲線擬合和流量試驗中的工作流量-被吸流量的流量比曲線進行了試驗和測試，在室溫20 ℃～25 ℃和水溫20 ℃的初始條件下進行試驗。試驗設備：自行設計的負壓蒸汽加熱系統；大型夾套反應釜2 000 L；蒸汽發生器（達能電加熱72 kW）。通過控制系統界面進行數據記錄。

4.2 實際抽空試驗

泵壓—真空度關聯情況是射流泵抽真空性能的重要指標，通過測試可檢驗射流泵能否達到設計參數。

試驗過程和方法：首先打開氣閥，將射流泵吸入口連接的反應釜夾套中氣壓環境恢復一個大氣壓，通過改變不同泵壓，在真空環境穩定后記錄真空度，可以得到實際真空度的變化數據。

圖11為泵壓與真空度關系曲線。由圖11可知，隨著泵壓的增大，真空度逐步增大，而射流泵抽空時間先增大后減小，在0.2 MPa時達到真空臨界點，之后的抽空效率逐步上升，抽空時間與抽空曲線相吻合，抽空模擬試驗與實際抽空試驗存在一定誤差，但在誤差允許范圍內，模擬結果準確有效，證明所設計的液氣射流泵抽空性能達到設計要求。

4.5 加熱性能試驗

加熱時間和溫度穩定性是衡量本設備加熱性能的重要指標，通過不同溫度的實際加熱試驗可檢測能否達到設計要求。

加熱性能試驗方法：在相同的初始條件下（水溫20 ℃，容量2 000 L），使用所設計的負壓蒸汽加熱系統在不同設定的加熱溫度（50 ℃～80 ℃）下進行加熱試驗。選取加熱時間、真空度、溫度作為記錄項，每個試驗重復測試3次，取平均值。加熱開始后3 h結束記錄。

在PLC控制程序的設定中，本設備自主設計了2套加熱方案，方案一為從始至終使用設定溫度的蒸汽進行加熱，此方案加熱速率慢，準確性強；方案二為加熱初始使用高于設定溫度的蒸汽加熱，臨近所需溫度后再將蒸汽降溫進行維持加熱，此方案加熱速率快，需要一定時間平衡溫度波動。為了節約時間成本，本試驗使用方案二。加熱溫度和真空度變化如圖13和圖14所示。

由圖13可知，本系統方案二由80 ℃蒸汽進行快速加熱，升到50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃所需時間分別為1 h、1.5 h、2 h、2.5 h。加熱效率遠高于傳統水浴加熱的2.3 h、3 h、3.8 h、4.5 h。這是由于蒸汽在夾套內的均勻快速擴散，可以有更大的傳熱面積。而溫度的穩定性和準確性也是水浴加熱不能比擬的，本系統利用蒸汽的潛熱對物料進行加熱，而潛熱在釋放的過程中，溫度沒有變化，變化的只有氣相變成水相，而相較水浴加熱是通過顯熱進行加熱，介質進出口有溫差且難以控制，精準控溫是很難達到的。

由圖14可知，本系統的加熱分為3個階段，升溫階段、穩定階段和平衡階段。升溫階段真空度穩定在0.054 MPa上下浮動0.003 MPa，升溫階段為了更快地達到目標溫度，控溫要求往往不需要很高，因此浮動較大。而穩定階段則需要將真空度進行細致調節，同時也對蒸汽進行微調，為進入平衡階段做好鋪墊，因此穩定階段需要射流泵進行快速抽空，達到設定溫度所需真空度。平衡階段真空度浮動在0.002 MPa，由此保持平衡階段蒸汽溫度穩定性，加熱溫度浮動也在±1 ℃。通過PLC控制系統、減溫減壓系統和儀表閥門之間的反饋互動對真空度的進行精準把控，使蒸汽的加熱更可控，最終本設備達到了預期的設計結果。

5 結論

1） 農業、化工產業目前常用的低溫加熱方式以水浴加熱為主，針對其存在的加熱不均勻、控制精度差、加熱過程緩慢、生產能力較低等問題，設計了由控制系統、減壓系統、減溫系統、調節反饋系統、真空循環系統、反應釜以及循環水系統等組成的負壓蒸汽加熱系統，能夠在50 ℃～100 ℃內進行精準控溫加熱，每次最多加熱2 000 L液體物料，該系統通過PLC程序控制減溫減壓裝置與水泵的協調，能夠對加熱介質蒸汽達到精度±1 ℃的控制，并可隨時進行調節。

2） 采用液氣射流泵作為真空獲得和維持設備，根據使用工況進行設計，為了解射流泵工作性能及并驗證設計可靠性，利用FLUENT流體模擬對其進行模擬試驗并實際驗證，得到結果抽空模擬試驗與實際抽空試驗誤差小于10%，抽空時間與抽空曲線也相吻合，模擬結果準確有效，證明所設計的液氣射流泵抽空性能達到設計要求。

3） 對系統的加熱性能進行了試驗，結果表明：通過負壓環境與減溫減壓設備結合PLC控制系統，對蒸汽進行精確控溫，加熱溫度曲線平緩，快速升溫階段真空度上下浮動0.003 MPa，平衡階段真空度上下浮動0.002 MPa，加熱溫度浮動也在±1 ℃，更好地適應不同物料的加熱溫度，與計算水浴加熱進行比較，加熱效率也在2倍左右。

4） 本文設計的基于液氣射流的負壓蒸汽加熱系統，通過設備性能試驗表明，射流泵結構設計合理，蒸汽控溫精確穩定，加熱效率高，可滿足大部分100 ℃以下的低溫加熱，達到良好的加熱效果，對各類熱敏性農產品和化工產品都具有廣泛的適用性。

參 考 文 獻

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