蒸汽喷射泵的原理及在节能中的应用

【摘要】：介绍了蒸汽喷射泵原理以及有效利用高品位蒸汽的裕压，回收低压蒸汽，起到节能的作用。

【关键词】：蒸汽喷射泵；蒸汽压力匹配；低压蒸汽利用；节能

1 引言

蒸汽喷射泵是射流技术在传热领域的应用。该技术从20世纪80年代传入我国，近几年开始应用于工程。蒸汽喷射泵结构简单，投资小，运行可靠，能合理匹配蒸汽的压力等级，回收低品位蒸汽，提高蒸汽的利用效率，是节能的重要途径。

2 蒸汽喷射泵

2.1 结构

蒸汽喷射泵主要由喷嘴、接受室、混合室、扩压室等几部分组成，其结构见图1。

2.2 工作原理

蒸汽喷射泵的工作原理是高压蒸汽通过喷嘴时产生高速气流，在喷嘴出口处产生低压区，在此区域将低压蒸汽吸入，高压蒸汽在膨胀的同时压缩低压蒸汽，用高压蒸汽的裕压提高低压蒸汽的品位，然后通过混合室进行良好混合，混合后的蒸汽再通过扩压室恢复部分压力，达到要求的蒸汽压力后供给热用户使用。根据高、低压蒸汽的参数可以进行不同的结构设计，得到各种压力等级的蒸汽，满足不同热用户的要求。吸入的低压蒸汽既可以是放散的废蒸汽，也可以是凝结水产生的闪蒸蒸汽，使低焓热能得到充分利用，,达到节约能源的目的。蒸汽喷射泵的节能率可以达到35%左右，具有很好的实用性。

2.3 喷射泵的分类

根据流体的相位不同，通常可将喷射装置分为三种：

水—水喷射泵，工作流体和被引射流体均为水，又称水喷射器或混水器；汽—水喷射泵，工作流体为蒸汽，被引射流体为水；以上两种常用于采暖通风系统中。汽—汽喷射器，工作流体和被引射流体均为蒸汽，又称为蒸汽喷射泵。

蒸汽喷射泵和水喷射泵的原理是一样的，由于水喷射泵的工质为液态，仅需考虑其不可压缩这一特点，使设计计算更为简单，但就用途而论，蒸汽喷射更为广泛。

3 蒸汽喷射泵的设计计算

设计时必须遵循以下三个基本定律:

3.1 质量守恒定律

Gg=Gp+Gh(1)

或Gg=(1+u)Gp(2)

式中:

Gp—引射蒸汽的质量流量,kg/s;

Gh—被引射蒸汽的质量流量,kg/s;

Gg—混合蒸汽的质量流量,kg/s;

u----喷射系数，u=Gh/Gp.

3.2能量守恒定律

ip+uih=(1+u)ig(3)

式中:

ip—引射蒸汽的焓,kJ/kg;

ih—被引射蒸汽的焓,kJ/kg;

ig—混合蒸汽的焓,kJ/kg.

3.3 动量守恒定律

对于流体在圆筒形混合室中的工作过程的动量方程式:

（4）

式中：

φ2—混合室速度系数；

W2—引射流体在喷管出口处的实际速度，m/s；

W3—混合流体在混合室终点处的实际速度，m/s；

W4—被引射流体在混合室入口处的实际速度，m/s；

g—自由落体重力加速度,m/s2；

f3—混合室的截面积，m2；

P3—混合流体在混合室终点处的压力，Pa；

P4—混合流体在混合室入口处的压力，Pa。

4 蒸汽喷射泵的调节

当蒸汽喷射泵在非设计工况下运行时，其喷射系数要下降，效率降低。

在实际运行中最常见到的工况是混合蒸汽量Gg随用户需求而变化.当Gg减小时，如不进行调节，即引射蒸汽量Gp不变，此时喷射系数u下降。显然，当混合蒸汽量减少到引射蒸汽量时，Gg=Gp，此时u=0，喷射泵变成单纯的减压节流器，效率最低。

当所需的混合蒸汽量改变时，喷射泵的效率可以借助人工调节而大大提高，这种调节可以质调节或量调节。质调节是降低喷射泵前的引射蒸汽压力，这可以简单地用引射蒸汽入口的阀门节流来实现，而量调节是保持引射蒸汽的压力不变，借助于喷管中移动的阀针来改变喷管的截面积。从动力观点看，量调比质调好，量调节不降低引射蒸汽的有效能，而质调节增加了节流损失。在量调情况下，喷射泵在射蒸汽量最小而喷射系数变化时的工作范围最大。

当然，要想在混合蒸汽需要下降时仍保持喷射泵的设计喷射系数，只有同时改变混合室和工作喷管喉部尺寸，使它们截面积的比值保持不变，这在结构上是有困难的。

若需要喷射升压的余汽量很大，且需求量变化幅度也大时，可以安装几台并联工作的喷射泵，这样可基本保持量调节的优点，由于喷射泵设计制造容易，一般无需维修，多装几台是合算的，使用中可按负荷变化决定运行的台数。从调节观点出发,采用数台泵并联,可以做到在全部工作范围内均可使喷射泵在设计喷射系数附近运行，以提高效率。

5 蒸汽喷射泵的应用举例

5.1 某年产6000吨涂料的中型化工企业，某工艺需要蒸汽参数压力为0.1—0.15MPa，温度90—110℃。蒸汽在管间，管内是被加热、蒸发、浓缩的溶液。原来使用的蒸汽为0.8MPa，温度为170℃，经减压降温后供给此设备。现采用蒸汽喷射泵，用部分新蒸汽来引射该设备浓缩器出来的二次蒸汽和冷凝水的二次蒸汽，使二次蒸汽回收利用，每天回收废热水1000吨，不仅节省了新蒸汽，还可节省二台37kw水泵，日节电1700kWh。全年节约电费30万元左右，加上节省的新蒸汽，全年经济效益达50万元以上。

5.2 某年产5000吨酒精的酒厂，利用酒精蒸馏产生的蒸汽被新蒸汽引射，每日可节约新蒸汽30吨，使酒精的煤耗从每吨酒精1040kg标煤降至600kg标煤，全年可获直接经济效益43万多元。

蒸汽喷射泵除用作提高废汽压力以节约新蒸汽外，还广泛用于真空技术，可以代替真空泵进行真空蒸馏、真空干燥、真空脱气、真空结晶以及真空炼钢、制冷等方面。

6 结语

从节约能源的观点出发,既要考虑蒸汽量的匹配，也要考虑蒸汽质的匹配，按蒸汽的品位分级供热，同时尽可能回收余热，把热能损失降到最小,这是提高企业经济效益的重要途径。蒸汽喷射泵构造简单，工作性能可靠，价格低廉，能简便地解决提高废汽压力，是一种重要的节能和余热利用装置，也是回收二次蒸汽和高温凝结水的一种有效装置。蒸汽喷射泵具有很大的节能潜力，应该得到各方面的大力推广使用。

参考文献

[1]阎尔平.蒸汽喷射式热泵供热的研究及节能评价[J].制冷学报,1988,(3)9—13

[2]董树屏,李天铎.热能转换及利用[M].北京:机械工业出版社,1985

[3]杨乃恒.真空获得设备[M].北京:冶金工业出版社,1986.

[4]廖国进.水蒸汽喷射泵抽气理论及喷射泵系统设计方法的研究[D].东北大学,2002.

[5]李光祺等.水蒸汽喷射泵的优化设计[J].真空,1992,(3).

[6]魏仕英.湿蒸汽气动和热力参数计算[J].真空与低温,1988,(2).

[7]魏仕英,王建国.水蒸汽引射器尺寸的计算方法[J].真空与低温,1988,(4)

[8]泵的选用与管线设计.王洪铠编译.台北:徐氏基金会出版,1982.

[9]陆宏圻.射流泵技术的理论及应用北京:水利电力出版社,1989.

[10]张琪,彭顺龙,李兆敏.喷射泵用于斜直水平井举升稠油技术研究.1997—10

[11]陈之航,等.蒸汽蓄热器降压自蒸发试验研究[J].上海机械学院学报,1985,(2):17～28.

[12]程祖虞.蒸汽蓄热器的应用和设计[M].北京:机械工业出版社,1985.

[13]魏仕英.水蒸汽引射器一维疏的计算方法真空与低温,1988,7(1):25～36

[14]流体力学泵与风机中国建筑工业出版社