一种基于压力调控的蒸汽喷射器的制作方法

本发明涉及流体机械技术领域，尤其涉及一种基于压力调控的蒸汽喷射器。

背景技术：

能源作为人类生存和社会发展的基本保证，已成为每个国家可持续发展的关键。然而为了满足工业发展要求而过度消耗能源和不合理地使用能源造成了严重的能源危机和环境污染，尤其是工业工程中大量的低品位能源不加以合理地转换利用而直接排入室外环境。为有效地控制能源危机和环境污染问题进一步恶化，节能环保成为社会可持续发展的必经之路。蒸汽喷射器是一种节能的流体机械。其借助部分高压工作蒸汽抽吸低压引射蒸汽，可以在不消耗额外机械功的前提下提高流体压力，将低品质的热能提升为高品质热能从而再利用。在一些特定的场合，引射器的应用有助于热量的充分利用和节能环保，因此在许多工业过程中都有着广泛的应用。

传统的蒸汽喷射器采用固定主喷嘴和混合室渐缩部、混合室喉部、扩压室一体化结构，虽然经过大量的工作参数和结构参数优化后，其引射性能在一定程度上得到改善。但这种结构只有在工作参数固定的设计条件下才能达到最佳工况。然而，实际工业生产中经常会出现外部蒸汽工作参数变化的情况，尤其是引射器背压不稳定运行过程中。当实际工况与设计值有所变化时，蒸汽喷射器工作性能就会出现很大的恶化状况，导致整个系统运行不稳定，效率下降，这是因为不同背压下都应该对应一个最佳的蒸汽喷射器设计尺寸，若背压过低，就会出现余压余速、激波恶化和壅塞现象，压力过高则会出现引射量锐减甚至回流，从而导致引射系数降低，严重影响蒸汽喷射器的工作效率。即使在标准工况下，喉部也存在大量的余压余速，混合室也存在剧烈激波区，尤其是混合室末端激波形成的高压区严重影响引射蒸汽的有效卷吸。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是现有的喷射器在设计工况和变背压工况环境下内部流场分布不完善及流体壅塞而导致引射性能恶化的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于压力调控的蒸汽喷射器，包括喷射器主体，所述喷射器主体包括沿轴线依次密封连接的主喷嘴、接收室、混合室渐缩部、混合室喉部和扩压室，所述喷嘴设有工作蒸汽入口，所述扩压室的后端设有混合蒸汽出口，所述混合蒸汽出口连接混合蒸汽管道，所述喷射器主体上设有调控入口，所述调控入口包括设于混合室渐缩部的卷吸压力调控入口和高压区调控入口、设于混合室喉部的第一低压区调控入口、设于扩压室的第二低压区调控入口；所述蒸汽喷射器还包括压力调控系统，所述压力调控系统包括压力调控管道和电磁阀，所述卷吸压力调控入口和第二低压区调控入口分别与所述压力调控管道的两端连接，所述压力调控管道的侧壁向外伸出第一管道和第二管道，所述第一管道和所述第二管道分别与所述高压区调控入口和所述第一低压区调控入口连接，所述电磁阀的数量为多个，多个所述电磁阀分别设于所述压力调控管道的两端、第一管道和第二管道上。

其中，所述压力调控系统还包括压力检测单元和控制单元，所述压力检测单元设于所述混合蒸汽管道上，所述控制单元与所述压力检测单元和电磁阀连接，用于根据所述压力检测单元检测到的压力值控制所述电磁阀的开闭。

其中，所述电磁阀包括设于所述压力调控管道与卷吸压力调控入口连接端的第一电磁阀、设于第一管道上的第二电磁阀、设于第二管道上的第三电磁阀、设于压力调控管道与第二低压区调控入口连接端的第四电磁阀。

其中，所述压力检测单元为压力变送器，所述控制单元为可编程逻辑控制器。

其中，所述压力检测单元检测到的压力为P，当P>P₁时，所述控制单元控制所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀关闭；当P₂<P≤P₁时，所述控制单元控制所述第二电磁阀和第三电磁阀开启、第一电磁阀和第四电磁阀关闭；当P₃<P≤P₂时，所述控制单元控制所述第二电磁阀和第四电磁阀开启，第一电磁阀和第三电磁阀关闭；当P≤P₃时，所述控制单元控制所述第一电磁阀、第二电磁阀和第四电磁阀开启，第三电磁阀关闭；其中，P₁、P₂和P₃为所述控制单元预设压力值，且P₁>P₂>P₃，P₁为标准设计工况下背压对应的压力参数。

其中，所述卷吸压力调控入口设于所述混合室渐缩部的前端的压力最高位置处，所述高压调控入口设于所述混合室渐缩部的后端压力最高位置处，所述第一低压调控入口设于混合室喉部压力最低位置处，所述第二低压调控入口设于扩压室起始端两侧压力最低位置处。

其中，所述调控入口的数量为多组。

其中，所述调控入口的数量为两组，两组所述调控入口对称设置。

其中，所述混合蒸汽管道、所述压力调控管道的两端、第一管道及第二管道与所述喷射器主体分别通过法兰连接，且各个连接处均设有高温密封圈。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的一种基于压力调控的蒸汽喷射器，喷射器主体上设有调控入口，调控入口包括混合室渐缩部的卷吸压力调控入口和高压区调控入口、设于混合室喉部的第一低压区调控入口、设于扩压室的第二低压区调控入口，蒸汽喷射器还包括压力调控系统，压力调控系统包括压力调控管道和电磁阀，卷吸压力调控入口和第二低压区调控入口分别与压力调控管道的两端连接，压力调控管道的侧壁向外伸出第一管道和第二管道，第一管道和第二管道分别与高压区调控入口和第一低压区调控入口连接，压力调控管道的两端、第一管道和第二管道上均设有电磁阀。其在工业运行过程中，当运行背压处于或脱离设计工况时，通过控制电磁阀的开闭来优化内部流场以破除壅塞状态，从而提高蒸汽喷射器引射性能，减少过程中的能量损耗。进而能够适应多工况的要求。同时，自动化程度高，方便操作，整体稳定性和气密性良好。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于压力调控的蒸汽喷射器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的蒸汽喷射器主体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的压力调控系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的蒸汽喷射器不同压力调控阶段内部流场对比图；

图5是本发明实施例提供的蒸汽喷射器引射系数提升率随背压变化关系图。

图中：1：主喷嘴；2：接收室；3：混合室渐缩部；4：混合室喉部；5：扩压室；6：工作蒸汽入口；7：引射蒸汽入口；8：混合蒸汽管道；9：卷吸压力调控入口；10：高压区调控入口；11：第一低压区调控入口；12：第二低压区调控入口；13-19：法兰；20：压力检测单元；21：第一电磁阀；22：第二电磁阀；23：第三电磁阀；24：第四电磁阀；25：压力调控管道；26：第一管道；27：第二管道；28：控制单元；29：信号发出端；30：信号接收端。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的一种基于压力调控的蒸汽喷射器，包括喷射器主体，喷射器主体包括沿轴线依次密封连接的主喷嘴1、接收室2、混合室渐缩部3、混合室喉部4和扩压室5，主喷嘴1设有工作蒸汽入口6，接收室2设有引射蒸汽入口7，工作蒸汽入口6通过法兰13与工作蒸汽管道连接，引射蒸汽入口7通过法兰14连接引射蒸汽管道；扩压室5出口通过法兰15与混合蒸汽管道8连接，混合蒸汽出口连接混合蒸汽管道8，喷射器主体上设有调控入口，调控入口包括设于混合室渐缩部3的卷吸压力调控入口9和高压区调控入口10、设于混合室喉部4的第一低压区调控入口11、设于扩压室5的第二低压区调控入口12；蒸汽喷射器还包括压力调控系统，压力调控系统包括压力调控管道25和电磁阀，卷吸压力调控入口9和第二低压区调控入口12分别与压力调控管道25的两端连接，压力调控管道25的侧壁向外伸出第一管道26和第二管道27，第一管道26和第二管道27分别与高压区调控入口10和第一低压区调控入口11连接，电磁阀的数量为多个，多个电磁阀分别设于所述压力调控管道25的两端、第一管道26和第二管道上27。高温高压的工作蒸汽流经主喷嘴1进行绝热膨胀，并在主喷嘴1的出口处形成超音速流和真空区，引射蒸汽从引射蒸汽入口7进入接收室2，在卷吸压差和高速工作流体的作用下被卷吸和携带入混合室3，两股流体在混合室渐缩部3入口段形成一股以超音速工作流体为中心外围包裹低速引射流体的混合流体。在激波和紊动扩散作用下，两股流体相互碰撞、摩擦和掺和，从而进行质量、能量和动量的交换，使得工作流体的速度不断减小，引射流体的速度不断增大。混合流体进入扩压室5后，压力升高流速降低，达到排出蒸汽所需参数后排出。而实际混合过程中蒸汽喷射器内部流场分布存在很大的缺陷，使得能量损耗严重，引射性能恶化，主要包括混合室由于激波现象在卷吸压力入口9处形成一个压缩波，使得局部压力升高引射蒸汽卷吸受阻，混合室高压区调控入口10处形成一个横截面高压区使得混合蒸汽壅塞，而喉部4又有大面积可利用的低压区。加之实际工况中背压往往会偏离设计工况，背压的降低会使得上述流场缺陷更加明显，且当背压较小时，还会在扩压室5起始端形成一个更大的低压区。本发明实施例利用蒸汽喷射器内部的低压区去降低高压区压力和提高卷吸压差，削弱激波强度优化流场增加引射蒸汽质量流量，从而改善蒸汽喷射器引射性能。其在工业运行过程中，当背压处于设计工况或背压脱离设计工况时，都可以通过控制电磁阀的开闭去调节内部高压区以优化内部流场，降低混合室压力，减弱激波强度，破除壅塞状态，从而提高蒸汽喷射器引射性能，减少过程中的能量损耗。

进一步地，压力调控系统还包括压力检测单元20和控制单元28，压力检测单元20设于混合蒸汽管道8上，用于检测从扩压室5出来的混合蒸汽的压力，控制单元28与压力检测单元20和电磁阀连接，用于根据压力检测单元20检测到的压力值控制电磁阀的开闭。其中，电磁阀包括设于压力调控管道25与卷吸压力调控入口9连接端的第一电磁阀21、设于第一管道26上的第二电磁阀22、设于第二管道27上的第三电磁阀23、设于压力调控管道25与第二低压区调控入口12连接端的第四电磁阀24，压力检测单元为压力变送器，控制单元28为可编程逻辑控制器。且压力变送器与可编程逻辑控制器的信号接收端29连接，第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23和第四电磁阀24分别与编程控制器的信号发出端30连接。压力变送器检测蒸汽喷射器背压，并将检测的压力信号传递给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器根接收到的压力信号和内部对应程序对第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23和第四电磁阀24进行相应控制。在本实施例中，控制单元28分别与压力检测单元20和电磁阀(第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23和第四电磁阀24)连接，各调控入口通过管道(压力调控管道25、第一管道26、第二管道27)相互连通，一起构成压力调控系统。

进一步地，蒸汽喷射器各结构尺寸符合标准工作参数下的最佳工况设计要求，压力检测单元20检测到的压力为P，当P>P₁时，可编辑逻辑控制器控制第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23和第四电磁阀24关闭；当P₂<P≤P₁时，可编辑逻辑控制器控制第二电磁阀22和第三电磁阀23开启、第一电磁阀21和第四电磁阀24关闭；当P₃<P≤P₂时，可编辑逻辑控制器控制第二电磁阀22和第四电磁阀24开启，第一电磁阀21和第三电磁阀23关闭；当P≤P₃时，可编辑逻辑控制器控制第一电磁阀21、第二电磁阀22和第四电磁阀24开启，第三电磁阀23关闭；其中，P₁、P₂和P₃为可编辑逻辑控制器的背压预设压力值，且P₁>P₂>P₃，P₁为标准设计工况下背压对应的压力参数。

使用时，首先将背压预设值P与各压力调控入口的关系输入可编程逻辑控制器，搭建对应的压力调控系统。初始状态时，压力调控管道25两端的电磁阀和第一管道26、第二管道27上所有电磁阀都处于关闭状态，当背压P处于P₁至P₂间，混合室3末端出现大面积高压区域导致蒸汽喷射器壅塞，同时喉部4出现明显低压区，此时自动打开第二电磁阀22和第三电磁阀23，利用喉部4低压自第二管道27、压力调控管道25和第一管道26去降低混合室3末端的高压区。当背压继续降低到处于P₂至P₃间，混合室喉部4低压区余压强度有所减小，扩压室5低压区强度越居主要地位，此时自动关闭第三电磁阀23，打开第四电磁阀24，利用扩压室5低压区自压力调控管道25和第一管道26去降低混合室末端的高压区。当背压进一步减小且低于P₃时，余压强度进一步增大，在调节混合室3末端高压区后仍存在较低的压力，此时在打开第二电磁阀22和第四电磁阀24条件下，再自动打开第一电磁阀21以降低引射蒸汽出口压力，增大卷吸压差，从而增大引射蒸汽质量流量。

进一步地，卷吸压力调控入口9设于混合室渐缩部3的前端的压力最高位置处，高压调控入口10设于混合室渐缩部3的后端压力最高位置处，第一低压调控入口11设于混合室喉部4压力最低位置处，第二低压调控入口12设于扩压室5起始端两侧压力最低位置处。

进一步地，调控入口的数量为多组。在本实施例中，调控入口的数量为两组，两组调控入口对称设置。即两个卷吸压力调控入口9对称设于所述混合室3起始端两侧压力最高位置处，两个高压调控入口10对称设于所述混合室3末端两侧压力最高位置处，两个第一低压调控入口11对称设于喉部4两侧压力最低位置处，两个第二低压调控入口12对称设于扩压室5起始端两侧压力最低位置处，使用时，两组调控入口同时起到调节压力的作用。

进一步地，混合蒸汽管道8、压力调控管道25的两端、第一管道26及第二管道27与喷射器主体分别通过法兰连接，且各个连接处均设有高温密封圈。具体地，卷吸压力调控入口9、高压区调控入口10、第一低压区调控入口11和第二低压区调控入口12分别通过法兰16、法兰17、法兰18和法兰19与压力调控管道25联通，各个法兰间添设高压密封圈，保证各个整个系统密封性。利用蒸汽喷射器内部的低压区去降低高压区压力以削弱激波强度和提高引射蒸汽卷吸压差以增加引射蒸汽质量流量，从而改善蒸汽喷射器引射性能。

如图4所示，图4给出了蒸汽喷射器三个调控阶段的内部流场对比图，从图中可以清晰的看出激波强度减弱，混合室压力明显降低，优化效果较好。本发明提供的一种基于压力调控的蒸汽喷射器，在优化内部流场的同时可以明显降低引射蒸汽出口处的压力，增大卷吸压差从而增大引射蒸汽质量流量，提高引射系数μ。图5给出了实验方案中蒸汽喷射器引射系数提升率随背压变化关系，可以看出蒸汽喷射器引射性能得到了较大的提升，在给定背压变化范围了，引射系数最高可达28.68％，即使在设计工况下也可以提升5.15％。

综上所述，本发明提供的一种基于压力调控的蒸汽喷射器对传统喷射器结构进行合理改变，同时引入压力调控系统。充分利用不同背压下蒸汽喷射器内部低压区去调节混合室末端高压区和引射蒸汽出口压力，削弱激波强度，减少过程能耗，很大程度上提升了蒸汽喷射器引射性能。解决了现有蒸汽喷射器在设计工况和变背压工况环境下内部流场分布不完善及流体壅塞而导致引射性能恶化的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。