船舶給水泵試驗(yàn)蒸汽噴嘴加熱器的設(shè)計(jì)與應(yīng)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(jì)了噴嘴加熱器并應(yīng)用于某船舶汽輪給水泵機(jī)組陸上試驗(yàn)測(cè)試水加熱系統(tǒng)。試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明該噴嘴加熱器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，可滿足試驗(yàn)要求。

關(guān)鍵詞：蒸汽噴嘴加熱器；陸上試驗(yàn)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TS73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yīng)用于食品、采礦、化工、機(jī)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(jì)性的重要加熱設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)單位對(duì)蒸汽噴嘴加熱器已開展過(guò)許多理論研究并生產(chǎn)了一些產(chǎn)品。但是，對(duì)于陸上試驗(yàn)中能夠指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行的模型很少。本文結(jié)合目前市場(chǎng)已有蒸汽噴嘴加熱器的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)理論分析計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制出了一臺(tái)用于船舶主給水泵試驗(yàn)臺(tái)測(cè)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(jī)理

蒸汽噴嘴加熱器由噴嘴和換流管組成。當(dāng)具有一定壓力的蒸汽通過(guò)噴嘴時(shí)形成高速噴射流，由于動(dòng)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(fù)壓，從而帶動(dòng)換流管內(nèi)的冷水一起向上流動(dòng)并與高速噴射氣體互相混合。這樣蒸汽與冷水混合并進(jìn)行動(dòng)能與熱能的交換，使冷水水溫升高而形成高速水流，經(jīng)水?dāng)嗝嬷饾u擴(kuò)大而流速逐漸降低，即動(dòng)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(jìn)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(huì)沖出水面而不能與水混合；流速太慢就沒(méi)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(cè)試回路加熱要求設(shè)計(jì)的噴嘴加熱器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、振動(dòng)噪聲低、加熱效率高且制作簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。

2 設(shè)計(jì)方案選擇

試驗(yàn)用的加熱蒸汽來(lái)自試驗(yàn)場(chǎng)地蒸汽母管，通過(guò)截止閥和節(jié)流閥減壓后分別進(jìn)入水泵測(cè)試回路系統(tǒng)需加熱的除氧箱。

蒸汽引入管進(jìn)入除氧箱后，沿除氧箱筒體長(zhǎng)度或高度方向布置蒸汽分配總管，在總管下面沿筒體長(zhǎng)度方向均勻布置2個(gè)蒸汽分配支管（見(jiàn)圖1），在支管下面安裝噴嘴和換流管。為了防止加熱過(guò)程中的氣流引起裝置的振動(dòng)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(jì)方案有以下兩種型式（見(jiàn)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(gè)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(yàn)實(shí)際使用情況，該型加熱器加熱效果好，效率高，其缺點(diǎn)是噴嘴與噴嘴盤易由于振動(dòng)引起絲扣連接的松動(dòng)，噴嘴在運(yùn)行過(guò)程中易脫落，導(dǎo)致加熱效果不良，存在試驗(yàn)裝置安全隱患，且制造加工較為復(fù)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(gè)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(cuò)列布置了24個(gè)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(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)，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(yàn)頻繁變換工況情況下，裝置振動(dòng)不容易引起噴嘴的脫落，因此我們?cè)谌萜骷訜徇^(guò)程中選擇該結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)方案。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）設(shè)計(jì)條件

按照試驗(yàn)場(chǎng)地實(shí)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(guò)夜間的不完全的自然冷卻，第二日還會(huì)有一定的余溫，同時(shí)可以采用電加熱器提前預(yù)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(dá)到104℃前（測(cè)試回路要求加熱溫度），給水泵機(jī)組運(yùn)行機(jī)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(fù)荷計(jì)算

熱負(fù)荷可用以下公式進(jìn)行計(jì)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(shí)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(jì)算：

（3）

故噴嘴采用縮放形噴管。根據(jù)工程使用經(jīng)驗(yàn)，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(guò)熱蒸汽的氣體常數(shù)，461.5J/（kg·K）；噴嘴的數(shù)量按式（4.34）進(jìn)行計(jì)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(jì)算可得n=20，考慮散熱損失等因素，實(shí)際選用24個(gè)d=10㎜的噴嘴。

縮放形噴管出口截面積計(jì)算如下：

=174.54mm2 （6）

式中：k—過(guò)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(jì)算：

mm（7）

縮放形噴管漸放部分的長(zhǎng)度應(yīng)適當(dāng)，過(guò)短時(shí)氣流擴(kuò)張不及而造成損失，過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)度L：

mm（8）

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，實(shí)際噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

結(jié)語(yǔ)

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

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