（制冷及低温工程专业论文）蒸喷式热泵过热蒸汽发生器系统设计与装置研制.pdf

硕士论文 蒸喷式热泵过热蒸汽发生器系统设计与装置研制 摘要 生物质作为一种可再生资源正日益引起各国的重视。在生物质的综合利用过程中， 经常需要干燥过程，与常规热风干燥相比，过热蒸汽干燥作为一种新兴干燥技术显示 出了突出的优点。通常过热蒸汽源自锅炉等热源，为了降低能耗、提高能源利用效率， 本文提出将锅炉和热泵结合的方案，采用蒸汽喷射式( 简称蒸喷式) 热泵作为过热蒸 汽发生器来提供干燥所需的过热蒸汽，锅炉提供蒸喷式热泵所需要的工作蒸汽。 本文首先计算比较了蒸汽压缩式和蒸汽喷射式两种热泵循环的性能，分析了两种 热泵循环在相同冷凝温度下，蒸发温度对性能系数的影响以及蒸喷式热泵工作蒸汽压 力对喷射系数的影响。此外，以过热蒸汽干燥湿稻壳为例，分别对蒸汽压缩式和蒸喷 式热泵进行了物料和热量衡算，并确定采用可靠性高的蒸喷式热泵干燥方式。 其次，根据典型过热蒸汽干燥应用条件，设计了一套蒸喷式热泵蒸汽发生器实验 装置，该装置的过热蒸汽设计产量为8 1 7 k g h ，温度为1 3 0 ( 2 ，压力为常压。采用基于 一维定压混合理论的经验系数和经典热力学结合法设计了一种新型扁平矩形蒸汽喷射 器；设计了一种包括定压容器和电加热装置的工作蒸汽发生装置；完成了蒸发器、冷 凝器及其它部件的选型计算。 最后，根据设计结果，研制了一套蒸喷式热泵过热蒸汽发生器实验装置。完成了 扁平矩形蒸汽喷射器和工作蒸汽发生装置的加工；完成了实验装置的安装和初步调试； 完成了数据采集部分的硬件安装工作和软件编制工作。 本文工作为下一步详尽的实验研究奠定了基础。 关键词：过热蒸汽干燥，蒸喷式热泵，喷射系数，性能系数 a b s t r a c t b i o m a s sa sar e n e w a b l er e s o u r c ei sb e c o m i n go f i n c r e a s i n gi m p o r t a n c et oa l lc o u n t r i e s i nm a n yb i o m a s su t i l i z a t i o n s ，d r y i n gi sa k e yp r o c e s s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lh o ta i r d r y i n g , s u p e r h e a t e ds t e a md r y i n g , a san e wd r y i n gt e c h n o l o g y , s h o w sm a n ya d v a n t a g e s n o r m a l l y , s u p e r h e a t e ds t e a mi ss u p p l i e db yb o i l e r so ro t h e rh e a ts o u r c e s i no r d e rt or e d u c e p o w e rc o n s u m p t i o na n di m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c y , i nt h i sp a p e ri ti sp r o p o s e dt oc o m b i n e b o i l e ra n dh e a tp u m pt o g e t h e rt op r o v i d e s u p e r h e a t e ds t e a m s t e a mj e th e a tp u m pb e h a v e sa s t h es u p e r h e a t e ds t e a mg e n e r a t o ra n dab o i l e ri su s e dt op r o v i d ew o r k i n gs t e a mo f t h eh e a t p u m p f i r s t l y , t h ea u t h o rc a l c u l a t e sa n dc o m p a r e ss t e a mj e th e a tp u m pc y c l ea n dv a p o r c o m p r e s s i o nh e a tp u m pc y c l e t h ee f f e c t so fe v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r eo nc o e 伍c i e i l to f p e r f o r m a n c eo ft h et w ot y p e so fh e a tp u m pc y c l ea n de n t r a i n m e n tr a t i oo ft h es t e 锄i e th e a t p u m pc y c l ea r ea n a l y z e d i na d d i t i o n , m a s sa n dh e a tb a l a n c e sa r ec a l c u l a t e df o rw e tr i c eh u s k s u p e r h e a t e ds t e a md r y i n g d u et ot h eh i g hr e l i a b i l i t y , t h es t e a m j e th e a tp u m pi sc h o s e n s e c o n d l y , f o rt y p i c a la p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so fs u p e r h e a t e ds t e a m d r y i n a 1 1 e x p e r i m e n t a ls y s t e mo fs t e a mj e th e a tp u m ps t e a mg e n e r a t o ri sd e s i g n e d t h en o m i n a ls t e 锄 o u t p u ti s 817 k g hw i t h13 0 ( 3 t e m p e r a t u r eu n d e ra t m o s p h e r i cp r e s s u r e b a s e do no n e d i m e n s i o n a lc o n t a n tp r e s s u r em i x i n gt h e o r y , ac o m b i n e de m p i r i c a lf a c t o r - t h e r m o d y n a m i c s m e t h o di su s e dt od e s i g nan e wt y p eo ff l a t r e c t a n g u l a rc r o s ss e c t i o ns t e a me j e c t o r a w o r k i n gs t e a md e v i c ec o m p o s e do fac o n s t a n tp r e s s u r ev e s s e la n da ne l e c t r i c a lh e a t e ri s d e v e l o p e d a l lc o m p o n e n t si n c l u d i n ge v a p o r a t o r , c o n d e n s e ra n do t h e rn e c e s s a r yp a r t s 锄_ e d e t e r m i n e d f i n a l l y , i na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g nr e s u l t s ，a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo fs t e a m e th e a t p u m ps t e a mg e n e r a t o ri sb u i l t t h ef l a tr e c t a n g u l a rc r o s ss e c t i o ns t e a me j e c t o ra n dt h e w o r k i n gs t e a md e v i c ea r ef a b r i c a t e d t h ei n s t a l l a t i o na n dp r e l i m i n a r yt e s ta r ep e r f o r m e d t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ei sd e v e l o p e d t h ew o r ki nt h i sp a p e r p r o v i d e st h eb a s i sf o rf u r t h e re x p e r i m e n t a ls t u d v k e yw o r d s ：s u p e r h e a t e ds t e a md r y i n g ，s t e a mj e th e a tp u m p ，e i l t r a j l l m e n tr a t i o ，c o e f f i c i e n t o fp e r f o r m a n c e n 硕士论文蒸喷式热泵过热蒸汽发生器系统设计与装置研制 主要符号表 面积( m 2 ) 性能系数 直径( r a m ) 干燥能耗( k j k g h 2 0 ) 流量( k g h ) 总传热系数( w ( m 2 s ) ) 压力( p a ) 分液相压降( p a ) 热负荷( k w ) 被引射流体质量流量( k g s ) 雷诺数 温度( ) 温差( ) 体积( m 3 ) 理论比功( k j k g ) 马丁尼利参数 水的相变潜热( k j k g ) 导热系数( w ( m 目) 运动粘度( m 2 s ) 摩阻分液相表观系数 觑进口 o u t 出口 ， 液态 s 汽态 变量 安全系数 定压比热( 驯( k g k ) ) 直径( m m ) 摩擦系数 焓( k j k g ) ，对流换热系数( w ( m 2 s ) ) 努谢尔特数 压力损失( p a ) 普朗特数 单位热负荷( k j k g ) 工作蒸汽质量流量( k g s ) 核沸腾影响的系数 温度( ) ，时间( s ) 喷射系数 速度( m s ) 指示比功( k j k g ) 干基湿含量( k g 水分k g 绝干料) 等熵效率 动力粘度( n s m z ) 密度( k g m 3 ) 速度系数 下标 e引射流体，蒸发流体 c压缩流体，冷凝流体 g 工作流体 p 泵 v 口 勺以厂厅m心阶 g s ， ” w w五刁p缈 么d e g k p 锄q贴r竹y x 厂力 y 办 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： 鉴豸 矽7 年占月歹7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：迷豸 夕阳7 年乡月z 7 e l 硕士论文蒸喷式热泵过热蒸汽发生器系统设计与装置研制 1 绪论 1 1 选题的背景与意义 能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础，自改革开放以来，我国国民经 济以较快的速度持续发展，能源需求迅速增长，我国正面临着前所未有的能源压力【l 】。 在化石能源渐趋枯竭、环境压力日益沉重、需求和油价持续上涨及世界能源资源 争夺战愈演愈烈的情况下，寻求可再生清洁能源和能源的多元化已成为世界发展大势。 在众多新能源中，生物质能源以独特优点引起人们的兴趣。事实上，生物质能源一直 是人类赖以生存的重要能源【l 】，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总 量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。生物质能源的范围包括专用的能 源作物与能源林木，各种水生植物、草、纤维和动物废弃物、生活垃圾和其他废弃材 料，是指直接或间接通过植物的光合作用，将太阳能以化学能的形式贮存在生物质体 内的一种能量形式。 我国拥有丰富的生物质能资源【2 】，目前可供利用开发的资源主要为生物质废弃物， 包括农作物秸秆、薪柴、禽兽粪便、工业有机废弃物和城市固体有机垃圾等。近年来， 高产的能源作物作为现代生物质能资源已引起广泛注意，如甜高粱、甘薯、木薯、芭 蕉芋、绿玉树等，众多科研机构和科技企业参与其中，大力发展我国的生物质能资源， 将为生物质能源产业化提供可靠的资源保障。 据2 0 0 5 年统计结果表明，目前我国秸秆资源产量达7 4 5 0 5 1 0 4 吨，相当于3 7 亿 吨标煤，预计到2 0 1 0 年将达8 2 0 5 0 x1 0 4 吨；薪柴和林业废弃物数量也很大，林业废 弃物( 不包括炭薪林) 每年约1 7 亿吨，相当于1 0 亿吨标煤；禽畜粪便等其他生物质 资源，禽畜粪便实物量3 2 亿吨，相当于1 5 7 亿吨标煤；城市垃圾1 1 8 亿吨，相当于 0 5 亿吨标煤，因此我国每年的生物质资源达6 7 7 亿吨标煤以上，扣除一部分做饲料和 其他原料外，可开发为能源的生物质资源达4 亿多吨标煤【】。 生物质能属于可再生的低碳能源 5 1 ，若以现代手段高效率地予以开发转换，将逐步 改变我国以化石燃料为主的能源结构，特别是为农村地区因地制宜地提供清洁方便的 能源，具有十分重要的意义。 生物质的转换利用方式一般分为物理转变、化学转变和生物转变 6 】。物理转变主要 是指生物质致密成型，是生物质利用技术的一个重要方面。化学转变主要包括直接燃 烧、液化、气化、热解四个方面。生物转变主要是通过发酵或水解发酵工艺来获得甲 烷气和乙醇等化工产品以及氢气等清洁能源的转变过程。 无论哪一种利用方式( 气化、液化、固化等) ，都对生物质的含水率有严格要求， 例如控制在1 5 【6 j 以下。实际上，在收获季节，农作物秸秆的初含水量通常在3 0 以 1 绪论 硕士论文 上，长时间贮存非常容易引起秸秆变质。因此，秸秆的干燥就成为秸秆大规模资源化 工业利用的关键问题1 7 j 。 最常见的干燥方式是热风干燥，采用高温热空气作为工作介质。过热蒸汽干燥作 为一种新兴干燥技术具有独特的优点，如何获得廉价的过热蒸汽成为需要考虑的一个 技术问题，这也是本文要研究的主要内容。 1 2 过热蒸汽干燥技术概述 干燥是一种古老而常用的单元操作，从工业、农业、食品、化工、陶瓷、医药、 矿产加工到制浆造纸、木材加工，几乎所有的产业都涉及到干燥操作。干燥作业涉及 国民经济的广泛领域，它不仅是大批工农业产品不可或缺的基本生产环节，干燥也是 我国的耗能大户，所用能源占国民经济总能耗的1 2 左右瞵j 。 干燥技术的应用有悠久的历史，闻名于世的造纸术的发明就显示了干燥技术的应 用。干燥技术的机理涉及传热学、传质学、流体力学、工程热力学、物料学、机械学 等学科，是一个典型的多学科交叉技术领域。因此在干燥技术的许多方面存在着“知 其然而不知其所以然 的状况，正如m u j u m d a r 【9 】在他的著作前言中所说的那样：干 燥是科学、技术与工艺的一种混合物，至少在可以预见的将来，干燥大概仍然如此。 1 2 1 过热蒸汽干燥技术的发展 过热蒸汽干燥的思想最早起源于十九世纪中叶，1 9 0 8 年德国科学家h a u s b r a n d 第 一次以专著的形式在“d r ) ，i n g b y m e a n so f a i r a n ds t e a m 中提出了过热蒸汽干燥机的设 想，并讨论了该机的优缺点。较早的应用是在1 9 2 0 年瑞士工程师k a r r e r 根据h a u s b r a n d 的设想设计出过热蒸汽干燥机，报道了大量实验数据并应用于对铸砂的干燥，与空气 干燥机相比提高效率3 0 。直n - - 十世纪七十年代能源危机出现后，过热蒸汽干燥技 术才又一次得到迅速地发展。近年来，加拿大、瑞典、美国、德国、日本、月麦、英 国等发达国家将这一新技术，广泛应用于干燥木材、纸张、陶瓷、蔬菜、食品、煤炭、 垃圾等多种物料。目前我国在过热蒸汽干燥技术方面的研究和应用基本上是一片空白， 因此这一技术在我国干燥领域中具有巨大的发展空间【1 0 1 。 1 2 2 过热蒸汽干燥技术的特点 过热蒸汽干燥技术是目前国内外新兴发展起来的一种节能干燥技术，它是利用过 热蒸汽直接与被干物料接触而除去水分的一种干燥方式。与传统的热风干燥相比，过 热蒸汽干燥以水蒸汽作为干燥介质，干燥机排出的废气为水蒸汽，利用冷凝的方法可 以回收蒸汽的潜热再加以利用，因而热效率较高。由于水蒸汽的热容量要比空气大l 倍，干燥介质的消耗量明显减少，故单位能耗低，过热蒸汽干燥的单位能耗为1 0 0 0 - - 1 5 0 0 k j ( k g ) 水，而热风干燥的能耗为4 0 0 0 - - 一6 0 0 0k j ( k g ) 1 1 】，可见过热蒸汽干燥是一种 2 硕士论文蒸喷式热泵过热蒸汽发生器系统设计与装置研制 很有发展前景的干燥新技术。 1 2 2 1 过热蒸汽干燥技术的优点 ( 1 ) 可利用蒸汽的潜热，热效率高，节能效果显著。 ( 2 ) 干后产品品质好。用过热蒸汽干燥的另一个主要的原因是产品的质量得到改 善。 ( 3 ) 传热传质效率高。由于蒸汽有较高的比热，传递一定的热量所需的质量流量 较少，这能帮助减少设备的体积。 ( 4 ) 无爆炸和火灾危险。过热蒸汽干燥无空气存在，没有氧化和燃烧反应。 ( 5 ) 过热蒸汽干燥有利于保护环境。过热蒸汽干燥是在密封条件下进行的，粉尘 含量大大降低。对在热风干燥中会发出恶臭的城市垃圾、污泥等，用过热蒸汽干燥臭 味都得以消除。 ( 6 ) 过热蒸汽具有灭菌消毒作用。常压过热蒸汽干燥物料的温度超过1 0 0 ，对 于一些要求灭菌的食品原料和药品原料不仅能干燥，且能消灭细菌和其他有毒微生物。 1 2 2 2 过热蒸汽干燥技术的缺点 ( 1 ) 过热蒸汽干燥设备投资大。由于用过热蒸汽干燥，不能有气体泄漏，进料和 卸料不能有空气渗入，需要复杂的进料系统和产品收集系统，有时还有废气回收系统， 因此，设备费用高。 ( 2 ) 过热蒸汽进料易产生结露现象。 ( 3 ) 过热蒸汽干燥不适合热敏性物料。由于过热蒸汽干燥物料温度超过1 0 0 ， 这对于一些热敏性物料是不适宜的。 ( 4 ) 过热蒸汽干燥不能获得较低的湿含量。过热蒸汽干燥由于涉及到被干燥物料 和过热蒸汽的平衡问题，在这些情况下有些物料很难获得较低的湿含量。 1 3 蒸喷式热泵研究现状 热泵是一种制热装置，该装置以消耗电能或燃料能为代价，能从低温热源吸热， 向高温热源放热的装置。热泵的工作原理与制冷机相同，都是按逆卡诺循环工作，只 是使用目的不同。当使用目的是从低温热源吸收热量时，称为制冷机；当使用目的是 向高温热源释放热量时，称为热泵【1 2 1 。按照工作原理可分为蒸汽压缩式热泵、吸收式 热泵、化学热泵、蒸喷式热泵、热电热泵等 1 3 】。 1 3 1 蒸喷式热泵概述 蒸喷式热泵是一种没有运转部件的热力压缩机，是一种不直接消耗机械能或电能 的高效节能设备。它以高压工作蒸汽减压前后的能量差为动力，提高冷凝水二次蒸发 汽或废热蒸汽的品位再供生产使用。 3 1 绪论 硕士论文 它由蒸汽喷射器、冷凝器、蒸发器以及节流阀和水泵等组成，喷射器又由喷嘴、 吸入室、扩压器三个部分组成，见图1 1 。工作原理为：从锅炉来的高压工作蒸汽进入 喷射器的喷嘴，在喷嘴中迅速膨胀，并在喷嘴出口处达到很大速度，形成真空状态， 由于高速气流的引射作用，因而吸引了与喷射器相连接的蒸发器内的冷蒸汽，以维持 蒸发器内的真空。工作蒸汽与被引射的蒸汽在扩压器内进行充分混合，一起被压缩到 冷凝压力，然后进入冷凝器被冷凝成液体，即凝结水，凝结水从冷凝器引出后分为两 路，一路用凝结水泵送回锅炉，作为锅炉给水，以制取工作蒸汽，另一路经节流阀减 压到蒸发压力后进入蒸发器，蒸发制冷【l4 1 。 蒸喷式热泵热泵具有下述特点【1 2 1 ：以热能为补偿能量形式，结构简单，加工方便， 没有运动部件，使用寿命长，故具有一定的使用价值。但它所需的工作蒸汽压力高， 喷射器的流动损失大，因而效率较低。 1 3 2 喷射器的工作原理 喷射器是蒸喷式热泵的心脏部分【1 4 】，它起着压缩机的作用，将被引射的蒸汽压力 从巴压缩到b 。图1 1 示出了工作蒸汽和被引射蒸汽在蒸汽喷射器中压力和速度的变 化过程。在喷射器中，工作蒸汽通过拉法尔喷嘴绝热膨胀，压力由p 窖降至乃( 也) ， 速度由w 剧增至w 2 ，在喷嘴的出口处达到很高的速度( , - - i 达1 0 0 0 m s 以上) ，成为低 压高速的气流喷入吸入室，因而具有很大的动能，它是由蒸汽在膨胀过程中的焓降转 化而来的。因为在喷嘴出口处造成很高的真空，蒸发器内的低压蒸汽便被引射到喷射 器的吸入室，由蒸发压力只膨胀至n ，流速也略有增加，由增加到w 2 ，w 2 一般在 2 0 0 m s 以下。然后两股气流( 工作蒸汽流和被引射蒸汽流) 一起进入扩压器，扩压器 分为前段、喉部、和扩散段三部分。两股气流在扩压器前段相互混合，进行能量交换， 工作蒸汽将它的动能传给被引射蒸汽，因而两者的速度不断均化，当达到扩压器的喉 部或喉部之前时，两股气流充分混合，速度趋于一致，压力基本上保持不变。两股气 流完全混合后仍属超音速气流，这股超音速气流至扩压器喉部时速度正好降至当地音 速，压力也相应升高至临界压力b ，如速度仍高于当地音速也必将产生激波，压力剧 增，速度则由超音速降至音速。扩压器的后段全是扩压段，通过喉部的亚音速混合气 流在这里速度不断降低，压力却不断提高，在扩压器出口达到冷凝压力p c 。 4 硕士论文 蒸喷式热泵过热蒸汽发生器系统设计与装置研制 工作蒸汽 m g p g y g 压力p 速度w 图1 1 喷射器的结构示意及其中蒸汽压力和速度的变化过程 由以上分析可知，蒸汽在喷射器内的热力过程主要分为三个阶段：( 1 ) 工作蒸汽 的绝热膨胀过程；( 2 ) 工作蒸汽与被引射蒸汽的混合过程；( 3 ) 混合蒸汽的压缩过程。 在蒸喷式热泵中用喷射系数u 作为评定喷射器性能的参数，它表示在一定工况下， 单位质量工作流体通过泵所能抽吸的引射流体( 被抽气体) 的量，在数值上等于引射 流体的质量流量与工作流体的质量流量之比。 喷射器是依靠流体间的相互撞击来传递能量的，其内部的流动过程非常复杂，由 于实验研究的难度大，尤其是对内部流场的观察更困难，到目前为止，对喷射器流场 进行观察的实验结果很少，因此，对其内部复杂的流动现象掌握的很少，例如引射流 体进入后的流动方式，激波形成的条件及其对喷射器性能的影响，工作流体、引射流 体产生凝结、发生相变的可能性( 如欠膨胀工作流体低温凝结，或高温引射流体与喷 嘴出口低温工作流体的接触，凝结) 及原因等【1 5 】。 由于对喷射器内流场的了解不够，流体力学和气体动力学等基础科学水平不够高， 在很长一段时期内，喷射器理论多半是作为研究和详细分析一定用途喷射器的计算方 5 l 绪论 硕士论文 法而得到发展的【1 6 】，设计计算一般都是建立在一维分析基础上的半经验公式。 1 3 3 喷射器研究进展及现状 1 3 3 1 喷射器理论研究的状况 喷射器的基本原理在十六世纪时已被发现，到十九世纪六十年代德国学者z e u m e n 根据动量守恒定理，提出了喷射器设计的基本理论。1 8 7 0 年，他和r u n k i n 进一步发展 和完善了这个理论，但他们的理论还不能解决喷射器的实际计算和应用问题直到二十 世纪三十年代，流体力学和空气动力学的发展，推动了喷射器的应用和研究。 在二十世纪4 0 , - 一5 0 年代，k e e n a n 、n e u m a n n 和l u s 锕o k 【1 7 。18 】等应用理想气体动力 模型，结合质量、动量和能量守恒定律，建立了一维模型，进行了喷射器性能研究。 在k e e n a n 的模型中，假设工作气体和吸入气体在喷嘴出1 ：3 处压力达到一致、并开始混 合，该模型被称为等压混合模型。 索科洛夫 1 6 】在动量守恒的基础上，借助气体动力函数和自由流束理论推导出了计 算喷射系数的方法。该方法还应用效率系数结合了前苏联热工研究所进行的实验结果， 比较实用。在研究中，索科洛夫分析了喷射系数随工作压力、吸入压力和出口压力变 化而变化的过程，对喷射器在临界状态下工作的特性进行了研究。 m u n d a y 和b a g s t e r 于1 9 7 7 年提出喷射器设计的新方法【1 9 1 。其机理也是等压混合， 但考虑了激波的生成。该理论假设两股气流在扩散器的渐缩段保持各自的状态。假设 引射流体在收缩管某处达到声速。在接近混合室收缩段末端生成热动力激波和混合， 形成一瞬时的超音速混合流。没有超音速流的减速过程，而是混合过程与激波生成过 程同时进行，超音速的混合流马上被激波压缩，升压、降速，成为亚声速流。这以后， 混合流在亚声速扩压室内的速度接近零。尽管m u n d y a 和b a g s t e r 的假设考虑了激波的 存在，和引射流体达到声速的工况，但其忽略了超音速混合流可经扩压室收缩段降速、 减压，激波存在有一定的条件。 e a m e s 等【2 0 】改进了k e e n a n 的模型，在喷嘴、混合室和扩散室中引入了不可逆损失， 同时用实验进行了验证。a l y 等 2 1 】应用数学模型，在e a m e s 研究的基础上对喷射器的 性能和工作特性给出了更为详尽的分析。 r o g d a k i s 和a l e x i s 利用m u n d a y 和b a g s t e r 提出的设计方法，对以氨( r 7 1 7 ) 为 工质的喷射制冷式空调系统进行研究，编制计算程序，计算运行工况( 发生器、冷凝器、 蒸发器的温度、压力1 对喷射器性能和喷射系统的性能的影响。在假设喷嘴效率、混合 效率、扩压室效率分别为0 9 、0 8 、o 8 的基础上，通过对各过程的热动力学计算及混 合过程的动量守恒计算，可求出不同工况下的最大喷射系数，及所对应的喷嘴喉口与 等截面混合室的最佳面积比。该研究指出，引射流体的壅塞现象对喷射器和整个系统 的性能系数影响很大，引射压力不是常数，而是随着运行工况和喷射系数改变。进而 6 硕士论文蒸喷式热泵过热蒸汽发生器系统设计与装置研制 对计算结果进行归纳，得出系统最大性能系数c o p 与发生器温度成线性关系，与冷凝 器温度成平方关系，与蒸发器温度成三次方关系的关系式瞄。2 4 】。 台湾大学机械工程系的h u a n g ，c h a n g 等人对喷射器的性能及喷射制冷系统进行了 较深入的理论和实验研究。他们提出了假想喉口面积的概念，即引射流体在混合室收 缩段某处达到声速时的面积，并通过实验确定了以r 1 1 3 为工质的喷射器的假想喉口截 面积。同时指出了激波的位置与等截面段的面积、长度、混合区的收缩角、喷嘴的位 置及喷射器的粗糙度有关【2 5 1 。 1 3 3 2 喷射器结构对喷射性能影响的研究状况 m a t s u o 等人【2 睨7 】对具有矩形截面混合室和矩形面喷嘴的喷射器进行了研究，他们 采用不同的喷嘴及不同的西值( 咖表示混合室截面与喷嘴截面的面积比) 组合以观察 它们对喷射器操作性能的影响。他们发现：给定一个西值；存在一个最佳的膨胀比， 可以满足引射流体的流量最大而压缩比最小；给定一个固定的马赫数，存在一个最优 的面积比，可以满足( 删倒值最小。同时，他们依据实验中测量到的压力数据和 拍摄到的纹影照片将喷射器的工作性能曲线分成五类。n a h d i 等人【2 8 】也观察了面积比对 喷射器操作性能的影响，同m a t s u o 等人不同的是，他们采用圆形截面替代矩形截面以 便有可变的面积比西。他们的结果表明：最大喷射系数的压缩比随面积比的变化而变 化，在所有这些条件中存在一个最优的面积比和最大的喷射系数。所有的这些实验结 果表明：当工作条件发生改变时，喷射器的最优几何参数也发生改变，因而，为维持 喷射器最优运行的变参数设计看起来就很有必要。 喷射器的设计过程一般是根据工作参数来确定其具体结构，所使用的公式多为一 维等熵假设基础上得到的半经验公式【2 9 3 l 】。h u n a g 在原有研究的基础上，开始研究分 析喷射器本身结构对其性能及整个系统性能的影响【3 2 1 。1 9 9 9 年，h u a n g 建立了在临界 工况下的喷射器性能的一维分析模型，在一定程度上分析了喷射器结构对喷射器性能 及喷射制冷系统的影响。该模型假设等压混合发生在喷射器的等截面段，而不是混合 室的收缩段，与混合过程主要是发生在等截面区的实际更加接近。假设该过程是等熵 的，对于非理想化的实际过程，如磨擦损失、混合损失的影响通过在等熵关系式中引 入修正系数来考虑。由于引用损失系数，如喷嘴的损失系数、工作流体经喷嘴出口到 混合室的损失系数、引射流体的损失系数、及混合过程的损失系数，需要实验测得， 因此该模型仍是半经验模型。 台湾工业技术研究所的c h a n g 和台湾大学的c h e n 将广泛用于气动力领域中的花瓣 状喷嘴用于喷射制冷系统。研究表明，在等截面段与喷嘴喉部的面积比较大时，使用 花瓣状喷嘴的喷射器性能优于传统的喷射器。在获得最大压缩比时，使用花瓣状喷嘴 的喷射器存在某最佳的面积比，传统锥型喷嘴的喷射器没有这一现象【3 3 】。 总体说来，已发表的关于喷射器结构对喷射器性能影响的文章不是很多，而且相 7 l 绪论 硕士论文 关的文章对喷射器结构的研究并不全面，都是对某一固定结构的喷射器进行局部调节， 所得出的结论不能用于指导喷射器的设计，这说明，在喷射器优化方面的还有许多工 作需要深入。 1 3 3 3 我国喷射器的研究现状 我国早期对喷射技术的研究主要是以索科洛夫的喷射器一书为指导，以一元 流体流动基本方程和图表及半经验近似计算公式为基础。而从理论、实验及应用上对 喷射技术进行广泛和深入的研究则主要是从八十年代开始的。如1 9 8 1 年中山大学的郭 金基对亚音速气体喷射器进行了大量的模型试验，运用数理统计的方法找出速度幂函 数曲线，得出近似的速度分布模型，并用近似计算得出自由射流束长度和混合室的压 力值。此后，郭金基等在此基础上，根据优化条件和渐近法编制计算程序计算最佳截 面尺寸、混合室压力及引射系数【3 4 - 3 s 。尽管这些工作对改善喷射器的结构、提高喷射 器的效率有一定的指导意义，但其在计算过程中进行了一系列的假设，如流体为不可 压缩流体、等压力假设、工作流体与引射流体及混合流体的比热相同等，与实际偏离 很大，限制了结果的实际应用。另外，计算中引用了许多经验系数，也限制了其程序 的适用范围。 王权和向雄彪 3 6 】针对蒸汽喷射压缩器工作过程进行了分析，推导出一种简化的喷 射系数计算方法。该方法是在热力学分析方法的基础上，应用索科洛夫的实验结果进 行修正，并没有新的突破。 大连理工大学的沈胜强等对喷射器的研究工作进行得比较系统和全面，在对蒸汽 喷射器性能分析和结构设计方面，是以索科洛夫的一维喷射器理论为基础，同时，通 过实验的校验来不断的修正蒸汽喷射器一维分析理论，并形成了一套较完整的、建立 在维理论基础上的蒸汽喷射器性能分析与结构设计的软件【3 7 胡】。为进一步掌握喷射 器内部的流动状况，了解喷射器内部机理，大连理工大学的学者在喷射器的理论分析 上，开始通过求解喷射器内流动的二维、三维流体控制方程的方法，来捕捉喷射器内 部的流场，并通过对大量的模拟计算结果进行归纳总结，得出适用范围广、机理清晰 的喷射器的性能分析理论【4 2 - 4 4 。 1 3 4 蒸喷式热泵的应用 目前，蒸喷式热泵在木材干燥和纸机干燥中用的较多。 近年来，国内外木材加工工业化的程度不断提高，生产规模进一步扩大，对于优 质锯材的需求量越来越多，对木材干燥的要求越来越高。木材干燥的能源消耗约占木 制品生产所需总能耗的6 0 7 0 。目前仍以蒸汽干燥为主，其主要优点是工艺成熟、 干燥容量大、干燥周期短，但其最大的缺点是热损失大，而且能量利用率低，一般仅 为3 0 左右。如何提高木材干燥中能源的利用率、降低能源消耗，对节约能源、降低 8 硕士论文蒸喷式热泵过热蒸汽发生器系统设计与装置研制 成本具有重要意义，是木材加工企业面临的一个重大课题。 将蒸喷式热泵技术应用于木材干燥，可以降低木材干燥的能耗，提高干燥质量和 经济效益；蒸喷式热泵以水蒸汽为工质，冷凝温度可以较高，适用于各种木材在不同 的温度下的干燥以及高温干燥。它兼有蒸汽干燥适应性广和除湿干燥节能的优点，避 免了除湿干燥不能喷蒸、干燥温度低的缺点 4 5 j 。 造纸业是能源消耗大户，纸张干燥过程是造纸过程中能源的主要消耗过程之一。 因此，提高干燥部的干燥速率，降低干燥部的能耗仍是当今纸机改造的重点。在增加 烘缸组、改善袋通风、改进蒸汽冷凝水系统及虹吸管形式、增加扰流棒等提高造纸机 干燥部干燥能力的方法中，以增加烘缸组的代价为最高，以采用热泵供热改进蒸汽冷 凝水系统的性价比为最高m 】。蒸喷式热泵作为一种能使单位产品能耗下降2 0 - 3 0 的高效节能设备已在纸机干燥部得到了广泛应用。在实际运行中热泵的工作参数是随 着纸机生产的产品品种、定量、供汽压力、流量、供汽负荷等运行工况变化的，为了 适应这种变化，出现了可调式蒸喷式热泵【4 7 】。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 计算比较蒸汽压缩式和蒸汽喷射式两种热泵循环的性能，建立热泵过热蒸汽 发生器基本流程。 ( 2 ) 设计一套蒸喷式热泵过热蒸汽发生器实验装置，包括设计一种新型扁平矩形 蒸汽喷射器和一种包括定压容器和电加热装置的工作蒸汽发生装置，完成装置其他部 件的选型。 ( 3 ) 研制一套蒸喷式热泵过热蒸汽发生器实验装置，完成扁平矩形蒸汽喷射器和 工作蒸汽发生装置加工，实验装置安装和初步调试以及数据采集部分硬件安装工作和 软件编制工作。 9 2 蒸汽压缩式与蒸喷式热泵热力学循环计算 硕士论文 2 蒸汽压缩式与蒸喷式热泵热力学循环计算 2 1 蒸汽压缩式热泵循环计算 蒸汽压缩式热泵也称机械压缩式热泵，简称压缩式热泵，其主要特点是利用电动 机或内燃机等动力机械驱动压缩机使工质在热泵中循环流动并发生状态变化，实现热 泵的连续高效制热。 2 1 1 压缩式热泵理论循环 在分析压缩式热泵理论循环时，作以下假定：循环基于特定的热泵工质；工质的 压缩过程为等熵过程；工质的冷凝过程为等压等温过程；节流过程前后工质的焓相等； 工质的蒸发过程为等压等温过程【b 】。 按照以上假定，理论循环由两个等压过程、一个等熵过程和一个绝热节流过程组 成。图2 1 和图2 2 表示了其压焓( p - h ) 图和温熵( t - s ) 图。 p h t s 图2 1 压缩式热泵理论循环p - h 图 图2 2 压缩式热泵理论循环t - s 图 2 1 2 压缩式热泵实际循环 在压缩式热泵机组中，工质的实际工作过程与理论循环中的假设条件存在一定的 偏离，表现在以下几点【1 3 】：在压缩机中，工质流经压缩机进、排气阀时有压力损失， 工质在气缸中流动时有能量耗散，与气缸壁有热交换，活塞与气缸壁有摩擦损失等， 由于上述因素，压缩过程也不再是等熵过程，而是熵增过程；在蒸发器和冷凝器中， 工质流动时存在流动阻力，将产生压力降，导致工质的蒸发温度和冷凝温度不断降低， 并有热损失；在节流阀或毛细管中，工质与环境存在少量热交换，当采用膨胀机时， 主要的不可逆损失与压缩机中相似。 实际循环在p h 图和t - s 图上的表示见图2 3 和图2 4 。 1 0 硕士论文蒸喷式热泵过热蒸汽发生器系统设计与装置研制 p h t s 图2 - 3 压缩式热泵实际循环p - h 图 图2 4 压缩式热泵实际循环t - s 图 实际循环中，过程1 - 2 表示实际压缩过程，过程线向右倾斜，表示该过程为熵增 过程。在蒸发压力、冷凝压力、压缩机进气状态相同时，实际压缩过程的排气温度要 高于等熵压缩过程；过程2 2 表示压缩后高压高温过热蒸气经过压缩机排气阀的过程； 2 3 表示高压中温饱和蒸气在冷凝器中的冷凝过程，其压力和冷凝温度逐渐降低；3 3 表示高压中温饱和液在冷凝器中的冷凝过程；3 - 4 表示高压中温过冷液经节流阀的降压 降温过程；4 1 表示低压低温湿蒸气在蒸发器中的蒸发过程，其压力和蒸发温度逐渐降 低；过程1 - 1 表示低压低温饱和蒸气从蒸发器中到压缩机吸气阀进口的加热过程。 由图2 3 和图2 4 可见，压缩式热泵实际循环比理论循环更加偏离卡诺循环，当低 温热源温度和高温热源温度相同时，其性能系数也明显低于卡诺循环和理论循环。 2 1 3 压缩式热泵循环计算 本文研究利用热泵加热干燥过程中的循环过热蒸汽，热泵的冷凝温度为1 3 5 ，假 设干燥室出口的过热蒸汽温度温度为1 0 5 。c ，要求将其加热成为1 3 0 的过热蒸汽。 选择r 1 2 3 制冷剂计算压缩式热泵循环性能系数，其中蒸发温度分别为8 0 ，8 5 ，9 0 ，9 5 ，冷凝温度为1 3 5 ，其中等熵效率取0 7 5 ，循环过冷过热均取5 。 循环p - h 图和t - s 图分别见图2 5 和2 6 图。 pt h 图2 5 压缩式热泵回热循环p - h 图 图2 6 压缩式热泵回热循环t - s 图 s 2 蒸汽压缩式与蒸喷式热泵热力学循环计算 硕士论文 参照图2 5 和图2 6 ，进行压缩式热泵的热力计算。 1 、理论比功 w o = | i i 2 ，一厩 ( 2 1 ) 2 、指示比功 w2 w o 仍 ( 2 2 ) 3 、单位制冷量 q 。= j l l 一心 ( 2 3 ) 4 、冷凝器单位热负荷 吼= 如一缟- ( 2 4 ) 5 、性能系数 c o p2 q 。心 ( 2 5 ) 计算结果见图2 7 ，可知：保持冷凝温度不变，蒸发温度越高，循环的c o p 越大， 即c o p 随着蒸发温度和冷凝温度的温差t 的减小而增大。 7 0 6 5 6 0 c l5 5 o u 5 o 4 5 4 0 7 58 08 59 09 51 0 0 t e ( ) 图2 7 蒸发温度对c o p 的影响 2 2 蒸喷式热泵循环计算 2 2 1 蒸喷式热泵的理论循环 在分析蒸喷式热泵理论循环时，作以下假定：( 1 ) 工作蒸汽在喷嘴中进行等熵膨 胀；( 2 ) 混合蒸汽在扩压器中进行等熵压缩；( 3 ) 凝结水在泵中进行等熵压缩；( 4 ) 蒸汽在流动过程中均不考虑有阻力损失；( 5 ) 理想的等压混合过程无能量损失，遵循 动量守恒定律；( 6 ) 系统中无空气漏入。但是在实际循环过程与理论循环过程是有差 1 2 硕士论文 蒸喷式热泵过热蒸汽发生器系统设计与装置研制 别的，表现在以下几个方面：( 1 ) 工作蒸汽在喷嘴中的膨胀过程非等熵，而且由于阻 力损失要膨胀到比蒸发压力p e 更低的压力p 2 ；( 2 ) 混合蒸汽在扩压器中的压缩过程不 非等熵；( 3 ) 由于流动损失，被引射蒸汽从蒸发器流入喷射器的混合室时，压力稍许 降低到p 2 ；( 4 ) 工作蒸汽与被引射蒸汽从在等压混合过程中有能量损失；( 5 ) 由于系 统处在真空下工作，因此空气经常会漏入系统，锅炉给水和蒸发器供水中所溶解的不 凝性气体也会随蒸汽进入系统；( 6 ) 由于流动阻力损失以及不凝性气体漏入系统，引 起蒸发压力和冷凝压力的提高；( 7 ) 水泵内压缩过程也非等熵。 蒸喷式热泵理论循环t - s 图如图2 8 中所示。图中1 2 表示工作蒸汽在喷嘴中的等 熵膨胀过程，其压力从锅炉压力p ，降至蒸发器压力r ，状态2 的工作蒸汽与从蒸发器 引射出来的状态3 的低压低温蒸汽相混合，2 4 和3 4 表示等压混合过程，在扩压器中 混合蒸汽从状态4 等熵压缩到状态5 ，压力由r 提高到只，然后在冷凝器中冷凝成状 态6 的冷凝水，它分成两部分，一部分经凝结水泵等熵压缩至状态8 ，进入锅炉重新被 加热汽化为工作蒸汽，该过程用6 891 表示；另一部分经节流阀减压到蒸发器压力， 成为过热水，然后再蒸发器中，部分水自行蒸发至状态3 的蒸汽，其余部分水冷却至 状态1 0 的饱和水，状态7 的水汽混合物在蒸发器内进行分离，该过程可以用6 7 3 和 6 7 1 0 表示。 t s t 图2 8 蒸喷式热泵理论循环t - s 图图2 9 理论循环分解t - s 图 s 由上述分析可以看出热泵循环是由两个循环组成的，如图2 9 所示，一个是工作蒸 汽所完成的热力循环，用1 1 1 - 6 8 9 1 表示，另一个是制冷工质所完成的制冷循环，用 3 1 2 1 367 3 表示，在理论循环中动力循环所产生的功正好补偿了制冷循环所消耗的 功 1 4 1 。 参照图2 8 ，可进行蒸喷式热泵的热力计算。 l 、制冷量 q = q m o ( 呜一岛) ( 2 6 ) 1 3 2 蒸汽压缩式与蒸喷式热泵热力学循环计算 硕士论文 式中g 肿一被引射蒸汽的质量流量，k g s ； h 3 一制冷蒸汽出蒸发器时的焓值