超音速相变增焓—喷雾增压水蒸汽热泵的制作方法

二技术背景1.低压水蒸汽的利用是当今社会节能环保的热点、难点，同时也是新技术、新产业的生长点。解决这一难题可以带动众多产业的变革。现有热泵要实现低压水蒸汽的增压基本上是采用压缩的方式。水蒸汽压缩热力学指出，对饱和水蒸汽压缩的结果其终态必为过热状态，其中80％以上的能量消耗于水蒸汽的过热，不足20％的能量用于压缩。这就告诉我们,用压缩的方式无法提高水蒸汽热泵的效率，同时也告诉我们只有利用水蒸汽压缩过程产生的过热能量，才能提高水蒸汽热泵的热效率。2.过热水蒸汽喷雾增压的途径众所周知，向过热水蒸汽喷雾冷水可以得到减温、减压的饱和水蒸汽。反之向过热水蒸汽中喷雾过热水则可得到减温增压的饱和水蒸汽。计算指出，当水蒸汽的饱和温度为60℃，过热温度30℃，喷雾90℃的过热水即可获得饱和温度80℃、压力48KPa的饱和水蒸汽。因此，将低压水蒸汽转换为过热水蒸汽，然后实施喷雾可获得高效节能的水蒸汽热泵。3.水蒸汽及其汽流的热力性质水的汽化潜热约2500KJ/kg，是地球上汽化潜热最大的一种物质，水因蒸发而吸热，因冷凝而放热,因相变而做功。在大自然中，水蒸汽具有过热、饱和及含湿三种状态。湿蒸汽的特点是不能压缩，但易于吸热。湿蒸汽因吸热蒸发而干度x上升。加热量增加25KJ/kg，水蒸发1％。当汽流干度达到1.00以前，汽流的温度不变，压力也不变。饱和水蒸汽是干度为1.00、过热度为0的水蒸汽。其特点是温度、压力、热焓三者一一对应。不同压力水蒸汽的焓差小，且能因冷凝而释放汽化潜热。饱和水蒸汽因压缩而过热，故压汽能耗大。过热水蒸汽是干度为1.00，绝热指数为1.33，温度大于饱和蒸汽的水蒸汽。过热蒸汽可视作完全气体，其压汽能耗低于饱和蒸汽。表1是不同压力饱和水蒸汽的热力参数表1表1指出，不同压力水蒸汽之间的焓差是很小的，因此若能对饱和水蒸汽1增焓，我们就有可能获得节能的水蒸汽压汽机。气体动力学指出，膨胀至超音速状态的饱和水蒸汽为含湿汽流。为此定义汽流的速度系数λλ＝ω/a*其中ω——汽流速度a*——临界音速表2是汽流的速度系数λ与汽流干度x的关系表2λ0.200.400.600.801.001.201.401.601.802.00x1.000.9940.9930.9760.9660.9520.9350.9180.8900.850表2指出超音速汽流为湿蒸汽汽流，且速度越高,汽流干度x越小,含湿越大。这就告诉我们，可以通过气体动力学的方法，用拉瓦尔喷管获得超音速流。4.加热对气流参数的影响气体动力学指出，对于完全气体,无论是亚音速流或是超音速流，加热的作用是使气流的总温增加，总压下降，气流速度向音速靠近。当气速达到音速时出现加热壅塞。对超音速流加热使静压增加，静温提高，对亚音速流则是下降。对湿蒸汽流加热首先是使水蒸发吸热，其次是使汽速变化，然后使汽流过热。上述加热气流的这些特性是<喷射增焓相变增压水蒸汽热泵>的理论基础。5.中国发明专利“喷射增焓相变增压水蒸汽热泵”(ZL201110087683.5)提出了上述水蒸汽的喷射增焓相变增压原理，并通过实验证实和优化了这一原理，但在实践中发现,该发明采用的由扩容减压原理产生压差对流,但扩容减压技术难以保证设计工况的实现，同时容易出现增压汽的回流现象。其原因是产生超音速流需要在拉瓦尔喷管的出口建立的压强低于进口压强的0.5倍,这一低的压强可以由蒸汽喷射、水喷射以及机械真空泵产生。但蒸汽喷射消耗蒸汽，水喷射会使蒸汽冷凝，机械真空泵会带走低压水蒸汽，这些方法都行不通。三技术实现要素：本发明的超音速相变增焓—喷雾增压水蒸汽热泵，其目的是需要解决上述现有专利出现增压汽的回流现象,难以满足超音速拉瓦尔喷管的出口压强低于进口0.5倍的要求,难以保证设计工况实现的问题。使之提供一种更加高效节能的水蒸汽热泵，以实现低压水蒸汽的循环利用。技术方案:超音速相变增焓—喷雾增压水蒸汽热泵，包括轴向前端的进汽室1,其特征是:1)进汽室后端同轴且顺次连接增焓拉瓦尔喷管2，增焓超音速扩压器3，和喷雾增压室4。2)增焓拉瓦尔喷管中心为收敛－扩张的拉瓦尔喷管2.2,扩张段外固定有拉瓦尔加热翅片2.3,拉瓦尔加热翅片外周设密闭的圆筒外壳2.4A,在圆筒外壳2.4A与拉瓦尔喷管表面间形成拉瓦尔加热室2.4,外部加热水蒸汽从圆筒外壳上进汽管2.6通入。拉瓦尔加热室前、后两端分别密闭焊在拉瓦尔进汽法兰2.1和拉瓦尔出汽法兰2.5上；拉瓦尔出汽法兰2.5上设有与扩压器加热室3.6相通的排汽孔A。3)增焓超音速扩压器中心有由收敛管3.1，喉管3.2，扩张管3.3焊接而成的薄壁管；收敛管外表面固定有扩压器加热翅片3.5；扩压器加热翅片外周设密闭的圆筒外壳3.6A,在圆筒外壳3.6A与收敛管3.1间形成扩压器加热室3.6,由排汽孔A通入加热水蒸汽加热。扩压器加热室的前、后端分别密闭焊在扩压器进汽法兰3.4和环形盲板3.7上,环形盲板为全封闭的环形板,后端面开小孔与冷凝水排水管3.8连通,冷凝水排水管3.8的出口伸入喷雾增压室内，并焊接固定。4)喷雾增压室如下组成:在前盖板4.1和后盖板4.6之间有中心通道增压汽室4.2,增压汽室后端有连通的锥管4.7和排汽管4.8。增压汽室外周装通入热水的增压水室4.3；增压汽室内装有雾化喷头4.5,雾化喷头由增压水室提供进水。雾化喷头布置采用置于中轴线上的前端一支,或在后端增设周向对称布置的三支及以上。每支雾化喷头由与进水管4.56连通的球形旋流室4.51,球形旋流室上方装水喷嘴4.52,水喷嘴外套有引流套4.54,引流套上有进气口4.55,进水管4.56与增压水室连通。上述拉瓦尔加热室2.4和扩压器加热室3.6处，可设置光电加热装置替代蒸汽加热系统。所述光电加热装置可为太阳能加热器、电加热器或电加热发光体。本发明的有益效果：1)本发明根据气体动力学、热力学和射流技术的原理将水蒸汽的增压过程由传统的机械压缩改变为外加热增焓和喷雾，从而极大地节省了水蒸汽的压汽能耗，由此为蒸发节能、废水、废气、废热的利用开辟了新的节能环保途径。大量的实验证实了这一原理的正确性。2)本发明用新设计的喷雾过热水的喷雾增压室4替代了上述专利中的扩容减压管4,因而保证了设计工况的实现。实验得出，当被增压低压水蒸气饱和温度为60℃，压力为20KPa，流量为150kg/h时(进气室1进口参数)，增焓热量为180KJ/kg时(是指拉瓦尔喷管和扩压器两处增焓热量)；相变增焓热泵排汽温度为88℃，扩压器出口压力为15KPa；雾化喷头喷雾参数:喷雾温度为90℃，压力0.3MPa，水量为0.3T/h的过热水；最终得到80℃的饱和水蒸气，其压力为48KPa,压缩比大于2.4(这是喷雾增压室4出口水蒸汽参数)，其热效率大于0.8，大大高于现行机械式压汽机和蒸汽喷射热泵的热效率。从而为蒸发节能开辟了新的途径。此高效水蒸汽热泵可广泛用于蒸发浓缩、海水淡化、汚水处理及低压水蒸汽回用等系统中。3)本发明喷雾增压室4的水蒸汽的喷雾闪蒸原理在本发明中拉瓦尔喷管3和超音速扩压器4所需的工作背压采用喷雾闪蒸原理获得,即设置喷雾增压室获得。所谓闪蒸系指水在过冷条件下的突然蒸发现象。闪蒸的结果使水温降低，同时产生水蒸汽，且闪蒸水蒸汽的压力低于闪蒸水温所对应的饱和水蒸汽压强。这一现象被称为蒸发过程的沸点升值现象，闪蒸的蒸发比越大，闪蒸汽温越低。由于水的汽化潜热约2500KG/kg，因此水蒸发1％水温约降6℃。表3是100℃热水喷射时的热力参数闪蒸汽温低于闪蒸水温的沸点升值现象是影响蒸发器热效率的重要原因，在蒸发器的设计中需要避免沸点升值。然而这一现象为我们实现超音相变增焓提供了技术手段。四附图说明图1超音速相变增焓—喷雾增压水蒸汽热泵总体结构轴向剖视图。图2喷射增压室内的一支引射喷头4.5轴向剖视图。图3为图1A-A剖视图,即喷雾增压室4横截面图。展示引射喷头分布。五具体实施方式实施例1:1)见图1,超音速相变增焓—喷雾增压水蒸汽热泵，由同轴且顺次连接的进汽室1、增焓拉瓦尔喷管2、增焓超音速扩压器3和喷雾增压室4组成。见图1,进汽室1由顺次连接的固定进汽管1.1，封头1.2，圆筒型汽室1.3和进气室法兰1.4焊接而成。2)见图1,增焓拉瓦尔喷管2如下组成:中心设一支收敛－扩张的拉瓦尔喷管2.2,扩张段外固定有拉瓦尔加热翅片2.3,拉瓦尔加热翅片外周设密闭的圆筒外壳2.4A,在圆筒外壳2.4A与拉瓦尔喷管表面间形成拉瓦尔加热室2.4,拉瓦尔加热室外壁开孔,固定有水蒸汽进汽管及法兰2.6,水蒸汽由外部加热水蒸汽通入,提供的增焓水蒸汽W2。拉瓦尔出汽法兰2.5上设有与扩压器加热室3.6相通的排汽孔A。拉瓦尔加热室2.4前、后两端分别密闭焊在拉瓦尔进汽法兰2.1和拉瓦尔出汽法兰2.5上；拉瓦尔前端密闭焊缝为2M,拉瓦尔后端密闭焊缝为2N。可使拉瓦尔加热室蒸汽W2与拉瓦尔管内被压缩蒸汽隔离。3)见图1,增焓超音速扩压器3中心有由收敛管3.1，喉管3.2，扩张管3.3焊接而成的薄壁管。收敛管外表面固定有扩压器加热翅片3.5；扩压器加热翅片3.5外周设密闭的圆筒外壳2.4A,在圆筒外壳2.4A与收敛管3.1间形成扩压器加热室3.6,由排汽孔A通入加热水蒸汽加热。扩压器加热室3.6的前端密闭焊在扩压器进汽法兰3.4的端面上，后端密闭焊在环形盲板3.7上,环形盲板3.7为全封闭的环形板,后端面开小孔与冷凝水排水管3.8连通,冷凝水排水管3.8的出口伸入喷雾增压室内，并焊接固定。冷凝水W3排入喷雾增压室汽室4.2。扩压器加热室26前、后两端分别密闭焊在扩压器进汽法兰3.4和环形盲板3.7上；扩压器前端密闭焊缝为3M,扩压器后端密闭焊缝为3N。可使扩压器加热室蒸汽W2与扩压器内被压缩蒸汽隔离。4)见图1,喷雾增压室4如下组成:在前盖板4.1和后盖板4.6之间有中心通道增压汽室4.2,增压汽室后端有连通的锥管4.7和排汽管4.8。增压汽室外周装设通入热水的增压水室4.3。增压汽室内装有雾化喷头4.5,雾化喷头由增压水室提供进水。同时见图2,每支雾化喷头4.5由与进水管4.56连通的球形旋流室4.51,球形旋流室上方装水喷嘴4.52,水喷嘴外套有引流套4.54,引流套上有进气口4.55。工作时雾化喷头4.5将热水W4.5汽化,在汽室中喷雾,实现增压室增压。本实施例1雾化喷头设为一支置于喷雾增压室4前端的中轴线上,该雾化喷头为标记4.5a所在位置(见图1、图2)。上述增焓拉瓦尔喷管3和增焓超音速扩压器4的作用是使被增压水蒸汽增温为过热水蒸汽，喷雾增压室4的作用是为超音速流动提供工作背压，并通过汽水混合的方式将过热水蒸汽转变为增压的饱和水蒸汽。工作过程如下：见图11)首先增压水室4.3通入温水W4.5,启动雾化喷头4.5,将温水雾化,利用喷雾闪蒸原理获得得拉瓦尔喷管产生超音速流动所需的背压条件。2)超音速的流动是相变增焓的前提条件，压差产生对流,在前后端压力差的作用下，进气室的低压水蒸汽W1通过拉瓦尔喷管被加速为超音速湿蒸汽流,然后流经扩压器3转变为亚音速流。当流动稳定之后，通过加热蒸汽对超音速流实施相变增焓。相变增焓有三种效果，首先使汽流干度增加变成完全气体，其次使完全气体流的总温和静压增加，流速向音速靠近，再其次是使完全气体过热。三种效果的叠加使汽流获得大的增焓热量，最终以过热蒸汽的形式流出扩压器。3)当加热状态稳定之后，提高增压水室4.3通入温水W4.5的水温,即喷雾水温，由此获得增温增压的过饱和水蒸汽。过饱和水蒸汽再经汽水分离后变成干饱和水蒸汽,送至用户。实施例2,除以下特征外,其于与实施例1或完全相同。见图1和图3,雾化喷头4.5布置:在喷雾增压室4前端的中轴线上设一支雾化喷头(标记为4.5a的位置),在喷雾增压室4后端周向均布四支雾化喷头4.5。实施例3,除以下特征外,其于与实施例1或实施例2完全相同。上述拉瓦尔加热套2.4和扩压器加热套3.6处，取消蒸汽加热。装设光电加热装置:采用太阳能加热器、电加热器、或电加热发光体。当前第1页1 2 3