專利名稱：大口徑變聲速增壓熱交換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱交換技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及的是一種大口徑變聲速增 壓熱交換裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的變聲速增壓熱交換裝置只能進(jìn)行小流量汽水換熱，其進(jìn)水
量小于100噸/小時(shí)，單臺(tái)采暖面積小于5萬(wàn)平方米，當(dāng)進(jìn)水量進(jìn)一步 增大時(shí)，熱交換器內(nèi)部的汽水混合物流束將會(huì)由層流狀態(tài)變?yōu)槲闪鳡?態(tài)，由于其混合室結(jié)構(gòu)為單一大口徑流道，這樣在單一大口徑流道下， 流通截面積的直徑增大，汽水混合物的流動(dòng)狀態(tài)為紊流流動(dòng)，由于附 加切應(yīng)力的作用，流體質(zhì)點(diǎn)不斷地互相混雜和碰撞，使流體速度、溫 度、壓力在徑向和軸向都產(chǎn)生變化，增加了流體的能量損失，使混合 室內(nèi)汽水混合物的速度、壓力處于波動(dòng)狀態(tài)，造成了換熱器的運(yùn)行不 穩(wěn)定。當(dāng)熱交換的場(chǎng)態(tài)發(fā)生急劇的變化，使換熱過(guò)程無(wú)法在穩(wěn)定的狀 態(tài)下進(jìn)行。當(dāng)換熱器熱負(fù)荷或采暖面積較大時(shí)，變聲速增壓熱交換裝 置無(wú)法滿足使用要求，進(jìn)水量強(qiáng)行增大，換熱器運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)巨烈的 異響、振動(dòng)，容易引起管道及換熱設(shè)備出現(xiàn)安全事故。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的即由此產(chǎn)生，提出一種大口徑變聲速增壓熱交換裝 置。使系統(tǒng)在大水量時(shí)，熱交換器內(nèi)汽水混合質(zhì)量比、壓力比始終處 于最佳狀態(tài)，有效降低設(shè)備運(yùn)行噪音和運(yùn)行費(fèi)用，提高其換熱效率和 運(yùn)行安全性。
本發(fā)明實(shí)行上述目的采取的技術(shù)方案是其由前變徑、蒸汽噴管、 三通、短二通、長(zhǎng)二通、后變徑和前混合室和后混合室構(gòu)成，蒸汽噴 管同軸插入三通內(nèi)，三通連接在變徑和短二通之間，長(zhǎng)二通連接在短 二通和后變徑之間，前混合室位于三通與短二通內(nèi)的連接部位之間用 于調(diào)整進(jìn)水流量和調(diào)節(jié)混合室汽水混合比例；后混合室設(shè)置在短二通 內(nèi)，其通過(guò)改變流通截面積改善汽水混合物的流束和場(chǎng)態(tài)。本發(fā)明是依據(jù)兩相流汽水混合換熱的理論，結(jié)合計(jì)算機(jī)、熱力學(xué)、 流體力學(xué)、聲學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的相關(guān)理論，應(yīng)用連續(xù)方程、能量 方程、動(dòng)量定理、熱力學(xué)第一二定律等物理定律推導(dǎo)出用于理論設(shè)計(jì) 的一套基本關(guān)系式，在給定蒸汽壓力、冷水壓力、溫度、出水量、沖 擊力等設(shè)計(jì)參數(shù)下，確定熱交換器系統(tǒng)參數(shù)及工藝流程，并選定基本 元件的幾何形狀和尺寸研制的節(jié)能環(huán)保型具有多種用途的的產(chǎn)品。其 通過(guò)兩相流體場(chǎng)汽液混合壓縮時(shí)，經(jīng)過(guò)絕熱膨脹技術(shù)處理后，以射流 態(tài)與水在熱交換器混合室瞬間相混合。由于蒸氣釋放大量的汽化潛 熱，產(chǎn)生了蒸汽與水兩相流的混合物，形成兩相流體場(chǎng)。當(dāng)汽水兩相 流滿足一定的容積比時(shí)，場(chǎng)態(tài)激化，熱交換器中的混合物在不變截面 管道內(nèi)克服音障，使汽水混合物中的聲速大大低于蒸汽中的聲速(可
低至5 10米/秒)，流動(dòng)速度完成了向亞聲速的轉(zhuǎn)變。此時(shí)產(chǎn)生了大 量的壓力激波。由于壓力激波的單向傳導(dǎo)特性，使流體在不變截面管 道中出現(xiàn)壓力劇增而不回流現(xiàn)象。使輸出混合物的壓力可以大大超過(guò) 蒸汽壓力，因而達(dá)到增壓和瞬時(shí)加熱的效果。其能瞬時(shí)將水加熱、加 壓到設(shè)定溫度和壓力，可隨時(shí)調(diào)整水溫、水壓，起到即供即熱即有壓 力的效果。汽水接觸面積小，在高速汽水流劇烈沖刷下，熱交換器內(nèi) 表面不易結(jié)垢。換熱效率高達(dá)99.28%，具有自增壓功能，輸出熱水的 壓力高于輸入流體的壓力，可減少循環(huán)水泵的數(shù)量及功率，節(jié)省電能， 降低能源消耗，減少污染物排放，保護(hù)了環(huán)境。每小時(shí)最大可達(dá)100 噸。體積小，重量輕，安裝簡(jiǎn)便。
本發(fā)明通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)汽水混合換熱器的混合室結(jié)構(gòu)，由原單一孔 徑混合室變?yōu)槎嗫讖交旌鲜?，通過(guò)流通截面積的改變，改善汽水混合 物的流束和場(chǎng)態(tài)。改變混合室內(nèi)部曲線變化，由原線性結(jié)構(gòu)變?yōu)閰^(qū)間 性曲線結(jié)構(gòu)，使熱交換器內(nèi)汽水混合質(zhì)量比、壓力比始終處于最佳狀 態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)汽水參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴與混合室的位置， 改變噴嘴與混合室的間隙和距離，達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的目的。其具有以下 特點(diǎn)
1、其為射流式汽水混合增壓熱交換器，輸出水的壓力可以高于 工作蒸汽的壓力，它利用蒸汽的能量來(lái)直接加熱水、并使網(wǎng)路水循環(huán)， 不需要補(bǔ)充其它能量，節(jié)約電能50%-85%以上，節(jié)約蒸汽10%以上。2、 其為管狀設(shè)備，術(shù)只小，重量輕，安裝簡(jiǎn)便。輸水量每小時(shí)最大可達(dá) 300噸。改建項(xiàng)目無(wú)需大動(dòng)現(xiàn)有管路，節(jié)省土建費(fèi)用。內(nèi)部材料為特 種合金鋼，使用壽命15年以上，性能可靠，使用維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用低。
3、 操作方便、簡(jiǎn)單。能瞬時(shí)將水加熱到設(shè)定溫度，可隨時(shí)調(diào)整 水溫，起到即供即熱的效果。汽水接觸面積小，在高速汽水流劇烈沖 刷下，熱交換器管狀內(nèi)表面不易結(jié)垢。輸出熱水的壓力較輸入流體的 壓力高，具有自增壓功能。使蒸汽、水混合介質(zhì)動(dòng)壓增大，產(chǎn)生增壓 節(jié)能效果?？蓽p少、減少循環(huán)水泵的數(shù)量，節(jié)省電能30% 85%。降低 能源消耗，減少污染物排放，保護(hù)了環(huán)境，由于在運(yùn)行中可進(jìn)行動(dòng)態(tài) 調(diào)節(jié)，可與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行全面自動(dòng)控制。
4、 混合室結(jié)構(gòu)為多孔小口徑流道，該多個(gè)小口徑流通面積之和 與單一口徑面積流通面積相同，汽水混合物的流速相同，在流通截面 積的直徑很小，汽水混合物的流動(dòng)狀態(tài)為層流流動(dòng)，流體只在軸向上 產(chǎn)生速度、壓力的變化，沒(méi)有液體質(zhì)點(diǎn)的橫向運(yùn)動(dòng)，各流束截面上的 質(zhì)量流量變化基本相同，混合室內(nèi)汽水混合物的速度、壓力處于穩(wěn)定 狀態(tài)，換熱器的運(yùn)行穩(wěn)定。


圖1為本發(fā)明的裝配結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明熱交換器改進(jìn)中芯部位的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖2的左視圖。
圖中1、前變徑，2、蒸汽噴管，3、三通，4、短二通，5、后 混合室，6、長(zhǎng)二通，7、后變徑，8、襯套，9、前混合室，10、擴(kuò) 壓段。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖，給出本發(fā)明的實(shí)施例如下
如圖l所示本實(shí)施例裝置具體主要由前變徑1、蒸汽噴管2、
三通3、短二通4、后混合室5、長(zhǎng)二通6、后變徑7、襯套8、前混合 室9構(gòu)成。其中前變徑1、三通3、短二通4、長(zhǎng)二通6及后變徑7的 端面均為法蘭結(jié)構(gòu)。蒸汽噴管2同軸插入三通3內(nèi)，利用法蘭端面及 插入端面通過(guò)螺栓與前變徑1和三通3固定連接并保持同軸性。三通 3的一端與前變徑1連接、另一端與短二通4的一端連接。前混合室9
5利用前后兩配合面分別與三通3、短二通4內(nèi)徑配合連接。后混合室5 外徑與襯套8內(nèi)徑配合連接，襯套8起著固定后混合室5，并保持后 混合室5得到同軸度的作用。襯套8外徑與短二通4另一端內(nèi)徑配合 連接，襯套8的內(nèi)徑與長(zhǎng)二通大徑端面的內(nèi)徑相同，襯套8與長(zhǎng)二通 有一定的間隙。后混合室5、前混合室9通過(guò)短二通4保持同軸度。 后混合室5與前混合室9連接的端面為錐形曲線圓弧，該錐形曲線圓 弧與汽水混合物速度分布曲線相同，有利于汽水混合物均勻分布于各 同軸小孔中。后混合室5內(nèi)為多孔小口徑^it結(jié)構(gòu)(如圖2-3所示)，可調(diào)整 汽水混合物的流態(tài)、流速。前混合室9由錐形曲線部分和水平直線部 分構(gòu)成，其中錐形曲線部分為流量調(diào)節(jié)段，主要用于調(diào)整進(jìn)水流量， 水平直線部分為狀態(tài)壓力調(diào)節(jié)段，主要用于調(diào)節(jié)混合室中汽水混合比 例。長(zhǎng)二通6的內(nèi)徑為漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成擴(kuò)壓段10,其一端外徑與短二通 4的內(nèi)徑配合嵌套，并通過(guò)法蘭用螺栓固定連接，以保持短二通與長(zhǎng) 二通的同軸度；另一端與后變徑7之間，通過(guò)法蘭用螺栓固定連接。
本發(fā)明后混合室5的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)原則為在最大設(shè)計(jì)流量下，其長(zhǎng) 度等于臨界流速情況下的極限長(zhǎng)度減去后混合室調(diào)節(jié)余量，根據(jù)公式
Lcr ?；旌鲜伊魍ń孛娣e以流道最佳流速(最佳流速為40 60m/s) 確定流量為參考依據(jù)，其中流通截面積與速度的關(guān)系為 dA/A二(M2-1)dv/v。擴(kuò)壓段內(nèi)部擴(kuò)散角在9"C irC范圍內(nèi)，以取10 'C為最佳值，來(lái)減小截面突變性。
蒸汽噴管2為縮擴(kuò)形拉伐爾噴管，蒸汽進(jìn)入后進(jìn)行絕熱膨脹以超 音速噴射至前混合室，并在前混合室與進(jìn)水相混合，于是產(chǎn)生了具有 一定計(jì)算容積比的蒸汽與水的混合物，汽水混合物中的聲速大大低于 蒸汽中的聲速(可低至5~10米/秒)，該熱交換器中混合物的流動(dòng)速 度(30~40米/秒)超過(guò)混合物的聲速值，所以能在收縮段變窄的截面 內(nèi)克服音障，繼而在不變截面管道中流動(dòng)速度完成了向亞聲速的轉(zhuǎn) 變，此時(shí)產(chǎn)生了壓力激波，壓力急劇增大，其結(jié)果是輸出混合物的壓 力可以大大超過(guò)蒸汽壓力，因而達(dá)到增壓和瞬時(shí)加熱的效果。由于主 要壓力能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)蒸汽流速的劇增。當(dāng)具有一定壓力、流速
由入口馬赫數(shù)M來(lái)確定極限管長(zhǎng)的蒸汽進(jìn)入噴管后，由于管內(nèi)徑變小，蒸汽的壓力降低，流速急劇增 大，形成高速氣流由噴嘴射出。
擴(kuò)壓段10是汽水發(fā)生動(dòng)能、熱能交換形成高溫汽水混合物的主
要場(chǎng)所。當(dāng)水管入口處的水和由蒸汽噴管高速蒸汽射入前混合室蒸汽 發(fā)生動(dòng)能和熱量的交換。即高溫蒸汽遇冷凝結(jié)，釋放出大量汽化潛熱 熱量，最終和給水形成高溫汽水混合物。同時(shí)，蒸汽給水迅速發(fā)生速 度交換，使汽水混合物的流速急劇增加，這樣便在混合室形成高溫， 高速水流流向擴(kuò)壓段?；旌蠑U(kuò)壓段主要完成混合物動(dòng)能向壓力能的轉(zhuǎn) 化，實(shí)現(xiàn)混合物壓力的劇增，當(dāng)高溫、高速的水流流入擴(kuò)壓段時(shí)，由 于管徑增大，水流流速逐漸減少至外界循環(huán)網(wǎng)正常流速，這樣部分動(dòng) 能轉(zhuǎn)化為壓力能，使壓力升高，從而代替循環(huán)泵，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的循環(huán)。
權(quán)利要求
1、一種大口徑變聲速增壓熱交換裝置，包括前變徑(1)、蒸汽噴管(2)、三通(3)、短二通(4)、長(zhǎng)二通(6)和后變徑(7)，蒸汽噴管(2)同軸插入三通(3)內(nèi)，三通連接在變徑(1)和短二通(4)之間，長(zhǎng)二通(6)連接在短二通(4)和后變徑(7)之間，其特征在于還設(shè)置有前混合室(9)和后混合室(5)，前混合室(9)位于三通(3)與短二通(4)內(nèi)的連接部位之間用于調(diào)整進(jìn)水流量和調(diào)節(jié)混合室汽水混合比例；后混合室(5)設(shè)置在短二通(4)內(nèi)，其通過(guò)改變流通截面積，改善汽水混合物的流束和場(chǎng)態(tài)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特 征在于所述的后混合室(5)為多孔小口徑流道結(jié)構(gòu)，該多個(gè)小口 徑流通面積之和與單一口徑面積流通面積相同。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特 征在于所述的前混合室(9)具有錐形曲線部分和水平直線部分。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特 征在于所述的后混合室(5)的外徑與襯套(8)的內(nèi)徑配合連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特 征在于所述的襯套(8)的外徑與短二通(4)的內(nèi)徑配合連接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特 征在于所述的后混合室(5)與前混合室(9)連接的端面為錐形曲 線圓弧，該錐形曲線圓弧與汽水混合物速度分布曲線相同。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特征在于所述的擴(kuò)壓段(10)內(nèi)部的擴(kuò)散角在9'c irc范圍內(nèi)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑變聲速增壓熱交換裝置，其特 征在于所述的后混合室(5)通過(guò)襯套(8)固定在短二通(4)內(nèi) 的。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)的大口徑變聲速增壓熱交換裝置由前變徑(1)、蒸汽噴管(2)、三通(3)、短二通(4)、長(zhǎng)二通(6)、后變徑(7)，前混合室(9)和后混合室(5)構(gòu)成。蒸汽噴管同軸插入三通內(nèi)，三通連接在前變徑和短二通之間，長(zhǎng)二通連接在短二通和后變徑之間用于調(diào)整進(jìn)水流量和調(diào)節(jié)混合室汽水混合比例；后混合室設(shè)置在短二通內(nèi)，其通過(guò)改變流通截面積改善汽水混合物的流束和場(chǎng)態(tài)。本發(fā)明通過(guò)改進(jìn)混合室結(jié)構(gòu)可有效改善汽水混合物的流束和場(chǎng)態(tài)，使熱交換器內(nèi)汽水混合質(zhì)量比、壓力比始終處于最佳狀態(tài)。有效降低設(shè)備運(yùn)行噪音和運(yùn)行費(fèi)用，提高其換熱效率和運(yùn)行安全性。當(dāng)系統(tǒng)汽水參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴與混合室的位置實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)F28C3/00GK101435664SQ20071018994
公開(kāi)日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2007年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月12日
發(fā)明者輝 曹, 王龍江 申請(qǐng)人:洛陽(yáng)藍(lán)海實(shí)業(yè)有限公司