应用于船舶动力循环的两级汽液混合增压加热系统及方法

本发明涉及船舶动力系统，具体涉及一种应用于船舶动力循环的两级汽液混合增压加热系统及方法。

背景技术：

1、船舶动力系统性能优劣直接影响到船舶的快速性、续航力、稳定性等相关性能指标，提升船舶动力系统的性能和紧凑度对发展现代船舶具有重要意义。

2、汽液两相混合凝结升压加热技术是利用高压流体高速射流引射低压流体，高速汽液两相流体在变截面通道内发生汽液直接接触掺混和凝结换热，并完成蒸汽潜热向压力能的转化，在凝结激波作用下形成出口压力高于进口压力的一种汽液混合升压加热技术。该技术无需额外输入机械能或电能，无旋转或运动部件，并具有体积小、安全可靠、启动快等优点，在核反应堆非能动紧急给水系统、热力发电低温乏汽余热利用系统、热力发电系统回热加热系统、水下动力排汽增压系统、射水抽气器、喷射式制冷系统等方面有较好的应用前景。

3、基于上述分析，结合汽液两相混合喷射升压装置的运行特点和优势，如何将汽液两相两级混合升压装置有效的耦合在新一代船舶动力系统中，提升系统的紧凑性以及进一步提高系统的整体性能，是该技术应用的关键。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种应用于船舶动力循环的两级汽液混合增压加热系统及方法，利用汽液两相两级混合喷射升压装置替代传统船舶动力系统中的凝结水泵和射水抽气器，能够有效减小船舶动力系统体积，提升动力系统性能。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、应用于船舶动力循环的两级汽液混合增压加热系统，包括锅炉1、主汽门5、含抽汽口的汽轮机6、冷凝器8、汽液两级喷射升压装置4、除氧器3、给水泵2和汽汽混合器7；锅炉1出口与主汽门5入口相连；主汽门5出口与汽轮机6入口相连；汽轮机6出口与冷凝器8入口相连；汽轮机6存在多级抽汽口以供除氧器3用汽，以及供给汽液两级喷射升压装置4用汽，此外，船舶动力系统中附加高能蒸汽也能与汽轮机抽汽在汽汽混合器7中进行混合，以供汽液两级喷射升压装置4用汽；冷凝器8冷凝水出口与汽液两级喷射升压装置4的凝结水入口4-7相连；冷凝器8的抽气口与汽液两级喷射升压装置4的不凝结气体入口4-6相连；汽液两级喷射升压装置4的出口与除氧器3入口相连；除氧器3出口与给水泵2入口相连；给水泵2入口与锅炉1给水入口相连；其中冷凝器8中的不凝结气体通过汽液两级喷射升压装置4进行引射抽气，抽出的气汽混合物进入汽液两级喷射升压装置4的下一级对冷凝水进行引射和增压；同时增压后的凝结水进入除氧器3中进行除氧，除氧后的给水经过给水泵2输送进入锅炉1；

4、引入汽液两级喷射升压装置4代替船舶动力系统中原有的庞杂的凝结水泵、射汽抽气器、蒸汽冷却器的冷凝器真空集成系统；汽液两级喷射升压装置4包括壳体4-10、汽气引射段、汽气混合段和汽液两相混合升压段，所述汽气引射段包括高温蒸汽入口4-8、蒸汽喷嘴4-1、不凝结气体入口4-6、不凝结气体喷嘴4-4；其中蒸汽喷嘴4-1与高温蒸汽入口4-8连接，不凝结气体入口4-6设置在壳体4-10侧面，不凝结气体入口4-6的出口处与蒸汽喷嘴4-1外壁面围成区域构成不凝结气体喷嘴4-4；所述汽气混合段包括混合气入口、汽气混合喷嘴4-2、混合气出口，其中混合气入口截面与汽气引射段蒸汽出口、不凝结气体出口截面重合，混合气出口截面与汽液两相混合升压段冷凝水入口截面重合，汽气混合喷嘴4-2位于蒸汽喷嘴4-1后方；所述汽液两相混合升压段包括凝结水入口4-7，水喷嘴4-5，汽液混合喷嘴4-3，高压流体出口4-9，其中凝结水入口4-7设置在壳体4-10侧面并位于汽气混合喷嘴4-2后部，凝结水入口4-7的出口处与汽气混合喷嘴4-2外壁面围成区域构成水喷嘴4-5，汽液混合喷嘴4-3位于汽气混合喷嘴4-2后方，高压流体出口4-9与汽液混合喷嘴4-3连接并位于汽液混合喷嘴4-3后方。

5、冷凝器8的抽气采用高压蒸汽或船舶动力系统废弃的高能附加蒸汽进行抽气，抽气后的气汽混合物无需进行蒸汽冷却，直接将其通入汽液两级喷射升压装置4中。

6、所述汽液两级喷射升压装置4引射气体为含少量不凝结气体的高压蒸汽、被引射工质为来自冷凝器8中的冷凝水。

7、第一级的蒸汽喷嘴4-1设计为拉法尔喷嘴，其收缩角不大于20°，扩张角不大于25°，喉部与入口截面的比值小于1：5；汽气混合喷嘴4-2设计为收缩喷嘴，且收缩角小于10°，保证汽气的充分混合之后加速，作为第二级的入口动力源；第二级的汽液混合喷嘴4-3设计为缩放喷嘴，且收缩段角度小于扩散段角度，目的在于促进冷凝水射流破碎，增大与混合气接触面积，使得冷凝更加充分，提高升压能力，从而适应含不凝结气体的汽液两相混合升压加热。

8、汽液两级喷射升压装置4和除氧器3采用的蒸汽来源于汽轮机6抽汽或废弃的附加高能蒸汽，高压蒸汽与附加高能蒸汽采用可调式汽汽混合器7进行混合与压力调控，以满足不同品味的蒸汽用汽需求。

9、船舶动力系统中增设除氧器3，一方面对冷凝水进行深度除氧，另一方面与汽液两级喷射升压装置4一起对给水进行加热，大幅度提升船舶动力系统的循环效率和输出功率。

10、除氧器3采用无除氧头的热力除氧器，减小整体系统的体积。

11、所述的应用于船舶动力循环的两级汽液混合增压加热系统的工作方法，汽轮机6抽汽或附加高能蒸汽通过汽汽混合器7，与汽轮机6抽汽混合进入汽液两级喷射升压装置4的高温蒸汽入口4-8，高温蒸汽在蒸汽喷嘴4-1内等熵膨胀，在蒸汽喷嘴出口处形成真空环境，在压差作用下，冷凝器8中的不凝结气体被引射进入汽液两级喷射升压装置4的不凝结气体入口4-6，在不凝结气体喷嘴4-4内加速并形成高速低压的蒸汽与不凝结气体混合气体；混合气体在汽气混合喷嘴4-2出口形成真空环境，由于引射效应，冷凝器8中的冷凝水被引射进汽液两级喷射升压装置4的凝结水入口4-7，在汽液两相混合升压段内高能混合气与过冷水直接接触，发生剧烈的质量和能量的交换过程，同时伴随凝结激波的产生，混合流体中的蒸汽经过凝结激波后全部转变为水，压力产生一个骤升的过程；经过汽液混合喷嘴4-3的扩压段后，混合流体进一步减速升压，得到满足原船舶动力系统中凝水泵的出口压力要求的循环水；循环水到达除氧器3中，通过汽轮机6抽汽或高能附加蒸汽对该循环水进行二次加热至饱和状态，除去水中的含氧。

12、与现有技术相比较，本发明具备如下优点：

13、(1)本发明利用结构紧凑的汽液两级喷射升压装置替代了船舶动力系统的凝水泵，其装置体积远小于传统冷凝器真空集成系统体积，可有效地减小船舰动力系统冷端和抽汽系统设备体积，提升了船舶动力系统的可利用空间。

14、(2)该装置运行不依赖外界动力，也无运动部件，装置运行安全可靠；

15、(3)引射蒸汽来源于高能附加蒸汽，高能附加蒸汽潜热直接转化为作功，凝水升压加热性能优良，且大幅降低了冷凝器负荷，冷凝器体积也可大幅减小。

16、(4)高能附加蒸汽的能量被重新用于动力循环系统，jc动力系统的循环效率可提升4％左右，有效提升了系统性能。

17、(5)在冷凝系统噪声防护与控制方面，新型两级汽液两相凝结升压装置无旋转和运动部件，装置振动和噪声明显减弱；且升压和抽气的集成设计也有利于噪声的集中防护与控制。