浅析喷射技术与蒸汽锤节能

摘要：本文分析了蒸汽的热能分布及蒸汽锤排放废蒸汽的剩余热能，介绍了喷射器的工作原理，从理论上分析了废蒸汽热态增压予以重新利用的途径及经济价值。

关键词：蒸汽锤，蒸汽，喷射器，节能

蒸汽锤是一种耗能极高的，古老的锻压设备。由于它尚有一些其它锻压设备难以替代的特点：（无下死点，结构简单，打击能量易调节等）因而现阶段在我国的大多数中小型企业里仍在广泛应用。但是，无法回避的一个事实是：蒸汽锤最多只能将蒸汽所携带的5的热能转换为有用功，而如何利用那剩余的95的热能？显然这是一个十分有趣而又棘手的课题。目前有的部门将此废气通过冷却管交换热能于温水中（水温可达80°C）使之用于职工福利。本文所要探讨的则是利用喷射技术将此废气简单增压后，再予利用的另一种途径。一，蒸汽的热能分布锅炉设备中，水的受热沸腾与蒸发过程都是在定压下进行的。在不同的压力下，水的沸点温度不同；而在不同的压力下，蒸汽（饱和蒸汽）所携带的热能（含汽化热和比热两部分）也是不同的。兹列表如下加以比较。饱和蒸汽性质表一绝对压力Kg/cm2沸点（饱和温度）°C汽化热千卡/公斤水含热能千卡/公斤蒸气总热能千卡/公斤2119.62526.4119.94646.34142．92510.2143.7653.98169．61489.9171.461.210179．04482.1181.3663.320211．38452.6215.9668.525222．90440.7228.6669.3有上表可以看出，将水加热成不同压力的饱和蒸汽，大部分热能（4/5~2/3）被用于水的汽化。而且，绝对压力为3kg/cm2的蒸汽与25kg/cm2的蒸汽所携带的能量相差并不多。由表一可知，此差值为20千卡/公斤。但是，若将水由0°C加热成3kg/cm2(绝对大气压)的蒸汽，则需要消耗651千卡/公斤的热能。由此可以推知，将蒸汽锤排出的废汽（约2~3kg/cm2）直接排入空中，将是多么严重的浪费！当然，仅从表一分析是不全面的。因为蒸汽锤的进汽是饱和蒸汽，而排出则为湿饱和蒸汽；即废汽中含有一定量的水份，但是理论和实验证明：误差（湿度）不超过3。二，蒸汽锤的排汽压力及温度由前所述，循环使用蒸汽，将蒸汽锤排出之废汽回收再用，能大幅度提高热能利用率。问题在于，此废汽的压力究竟有多大？此压力值与哪些因素有关？增压回用此蒸汽后，蒸汽锤的作功是否受到损失或损失有多大？得失想当否？为此，必须进行理论上的计算和实际测量。根据有关标准，兹以一吨和三吨蒸汽锤为例加以分析。（1）一吨蒸汽锤：当锻件高度为δHm=0.0053G 4=9.3cm(G的单位为公斤），落下部分重量G=1000公斤，蒸汽锤应具有不少于3530kg2050(kgm)。（2）三吨锤：当锻件高度为δHm=0.0054G 4=20cm落下部分重量G=3000kg，则应具有不少于15220kg2.25×3915(kgm)。取一吨锤的完全单次打击能L=3530kgm，三吨锤为15220kgm作为计算根据，可以满足上述两种蒸汽锤的设计技术指标，即可认为不损害蒸汽锤的正常工作。经计算列表如下：P进与P01的关系。（表二）GKgP进kg/cm2P1kg/cm2P013kg/cm2Tk1000792.855.251.93.51181383000792.44.51.63112133注：G---落下部分重量；P进----上部气缸进汽压力；P1-----下部气缸排汽压力；P01----排汽管压力（取P1P0=1.5）；Tk---排汽管温度。由表二可以看出，在满足一定打击能量的前提下，排汽管废汽压力P01与蒸汽锤进汽压力P进成正比。一般认为P01在绝对大气压以下，故不易利用。若将进汽压力P进适当提高（如达9绝对大气压），则P01可达3~4大气压。但P进不宜提高过多（以不超过12大气压为宜），以免因密封性能不佳而引起泄漏。改善气缸与排汽管间的连接方式，减小弯头及排汽管的压降损失，也可以适当提高P01。此外，也许损害一部分打击功也可提高P01。此法影响了蒸汽锤的正常工作，不宜提倡。需要指出的是，蒸汽锤在气缸内作功的过程是相当复杂的，他虽然近似的复合绝热过程，但还与其它一些因素相关。一般来说，蒸汽作功后，蒸汽湿度将降低，其排汽管温度基本上符合表二，性质上接近饱和蒸汽。三，P01的喷射增压近年来，喷射压缩器（亦有称热增压器）已逐渐被许多部门采用，取得了良好的技术经济效益。此一技术也使得蒸汽锤废汽的增压回用有了良好的发展前景。有关喷射技术的报道已有很多，这里仅将与本文有关的动作原理作一简单说明。在喷射压缩器里（简称喷射器，以下同）。首先，工作流体（高压蒸汽，见图一）的势能（压力能）或热能转变为动能，此动能的一部分传给引射流体（低压蒸汽）。在沿喷射器流动的过程中，温合流体的速度渐趋均匀，然后进入扩散器，动能再变为势能或热能（即低压蒸汽P01被增压）。图一：喷射器工作原理图注：A---工作喷嘴；B---接受室；C---混合室；D---扩散器；前述，蒸汽锤排出的废汽P1或P01约3~4大气压。现取引射流体P01为3大气压，工作流体P0为30大气压，则喷射系数（指引射流体与工作流体的流量比）U与输出流体（压缩流体）Pc的关系如表三。U与Pc的关系（表三）U0.20.50.71.0Pckg/cm27.96.055.44.7上述数据源于较保守的计算方法，实际情况Pc会高出以上数值。若取喷射系数U为0.5（常量）。引射流体P01为3大气压，则工作流体的压力Pp与输出流体压力Pc的关系如表四。Pp与Pc的关系（表四）Ppkg/cm2202530Pckg/cm25．76．026．1总之，提高喷射器的输出流体Pc的压力，不外乎采用三种可能的途径：一是提高引射流体压力P01（效果较明显）。二是提高工作流体压力P0（效果较差），三是减小喷射系数。如果采取某种技术措施使蒸汽锤排汽管废汽P01提高到4个大气压（这个是可以办到的）。适量减小喷射系数或采用多级增压，则喷射器的输出压力Pc将完全能达到9~10个大气压。此压力即蒸汽锤的进汽压力。这样，蒸汽锤排出的废汽即可循环使用，从而大大节省能源。具体设计框图如下。图二蒸汽锤废汽增压回收工作原理注：SH---喷射压缩器；F---蒸汽锤S---稳压储汽罐；UV---其它用汽设备当锻锤工作时，开启阀1阀2，喷射器进入工作状态。调节阀2可同时改变工作蒸汽的压力和流量。调节阀1，可改变P01的压力和流量，从而可保证输出流体Pc为9~10大气压。若锻锤停止工作，则P01流量为零。闭合阀1，工作蒸汽（30大气压）可直接经喷射器降压后送往其它用汽设备。此时喷射器可作减压阀使用之，但伴随有少量能量损失。为消除这一降压损失，可关闭阀1及2，改工作流体压力Pp与9~10大气压经阀3送往其它用汽设备。四、经济效益及其前景利用喷射技术增压，几乎没有热能损失（喷射器内）。与其它增压方式（如机械的）相比，投资大大节省。喷射器的结构极为简单，一般有机加工能力的 工厂均可自行制造。具体投资额主要取决于所需管道的数量，即取决于蒸汽锅炉及蒸汽锤与其它用汽设备间的输送距离。一般来说，一年内收回投资是可能的。P01经喷射增压后循环使用，能大大提高能源利用率、降低生产成本。一台三吨蒸汽锤每小时可排废汽约20__公斤，一昼夜约50吨。则将一台工作任务饱满的三吨蒸汽锤每年排出的废汽完全收集加以重新利用，可达到约六十余万元的经济利益，节省标准煤可达数千吨之巨。其社会效益更是不可低估的。此法也并非所有拥有蒸汽锤的工厂都能采用，只有那些大量使用中低压蒸汽（9~10大气压），且其需求量为蒸汽锤所排废汽的三倍以上的工厂方可使用。从这一方面看，前景是令人乐观的。参考文献：1.EH-95-1AvertingWaterHammersandOtherSteam/CondensateSystemIncidents,AssistantSecretaryofEnergy,U.S.DepartmentofEnergy,WashingtonD.C.,19952.Gasflowinapermeablemedium,L.M.DESOCIOandL.MARINO,JournalofFluidMechanics,Volume557,June20__