蒸汽喷射泵设计计算程序设计.pdf

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1、1 8 C HE MI C A L E NG I N E E R I NG DE S I G N 化工设计 2 0 0 9，1 9(1)蒸汽喷射泵设计计算程序设计 张军 肖国俊杨鹏 中冶赛迪工程技术股份有限公司重庆4 0 0 0 1 3 摘要 在对蒸汽喷射泵的工作过程具体描述和分析的基础上，建立蒸汽喷射泵设计的简化计算数学 模型，并通过编程迭代计算的方法，获得蒸汽喷射泵设计中所需要的一些重要尺寸参数，从而为设计提供 一种便捷的计算方法。关键词 蒸汽喷射泵工作过程数学模型 设计计算程序设计 蒸汽喷射泵一般在实际应用中起到密封设备 抽真空、低 品位蒸汽 回收及低 压气 体压缩 的作 用，由于具有结

2、构简单、运行可靠及投资小的优 点，现已广泛应用于钢铁冶金、能源 电力和石油 化工等领域】。蒸 汽喷射泵 的运行状态 除 了与 运行条件和操作水平有关 以外，蒸汽喷射泵的设 计也是一个重要的影响因素。因此依据蒸汽喷射 泵实际运行条件进行设计，会得到工作性能相对 优 良的蒸汽喷射泵。用传统的计算方法设计蒸汽喷射泵时，多数 采用试算的方法，因此需进行多次烦琐的计算和 手工查阅相关图表才能得出最后计算结果，且结 果也只能是近似值l 2 J。若将传统的计算方法和 现代计算机相结合，开发出计算程序，省去人工 计算时查阅图表和大量烦琐的计算，则会使蒸汽 喷射泵的设计计算得到简化，同时可提高计算结 果的精确性

3、 J。1 工作过 程与分析 1 1 结构 蒸汽喷射泵主要 由工作喷嘴、混合室及扩压 管三部分组成，其基本结构见 图 l。在结构 上，工作喷嘴采用 了缩放喷嘴的结构形式，这种结构 可以在其出口获得超音速气流。在混合室与扩压 管之间还设有一段等截面的喉管，其作用是使工 作蒸汽和被抽吸气体充分混合，以减少突然压缩 损失和余速动能的损失。为突出蒸汽喷射泵工作过程 中的主要特点，除把抽气器内流动的工质当作理想气体处理外，还假设工质在抽气器内的流动是一维稳态绝热流 动。蒸汽喷射泵结构及工质压力、速度变化曲线 见 图 1。_ I，、一 p 一 3 4 5 c _ 一-I r；5 ：j 被抽暖；P _ 1 _

4、 。曲 线 P：P-P P4 i w V。l 1 一 速 度 一 声 速 变化 曲线 抽 气器 内 位置 图 1 蒸汽喷射泵结构及工质压 力、速度 变化 曲线 1 2 工作过程 在上述假设的前提下，蒸汽喷射泵的整个工 作过程可分为三个阶段。1 2 1 膨胀增速阶段 P点截面 2点截面为工作蒸汽在工作喷嘴 内的膨胀增速阶段。较高压力的工作蒸汽在工作喷嘴人lS l P 点处 以低于声速的气流速度进入蒸汽喷射泵 的工作喷 嘴。在工作喷嘴的渐缩段流动时，其压力不断减 小，速度不断增加。在工作喷嘴的喉部(最小 张军：工程师。1 9 9 3 年毕业于哈尔滨 电工学院热能工程专业。从事钢铁行业热力设施设计工

5、作。联系电话：(0 2 3)6 3 5 4 8 2 3 6。张军等 蒸汽喷射泵设计计算程序设计 1 9 截面处，1点)，气流速 度达到音速，即马赫数 等于 1。工作蒸 汽在进入工 作喷 嘴的渐 扩段后，压力进一步下降，气流速度进一步增加，达到超 音速状态，在工作喷嘴出口截面处，工作蒸汽的 气流速度可达 9 0 01 2 0 0 m s l-4 J。1 2 2 混合阶段 2点截面 3点截面为工作蒸汽与被抽吸气 体的混合阶段。工作蒸汽在工作喷嘴出 口截面处所形成 的高 速气流会在工作喷嘴出口附近形成低压区域，压 力相对较 高的被 抽吸气体 就会在 压力差 的作用 下，被吸入到混合室。被抽吸气体在

6、e 点被吸入 抽气器，从 e点流动到 3点 的过程中，速度不断 增加，压力在 e点一2点段不断下降到工作蒸汽 在工作喷嘴出 口截面处(2点)的压力。此后在 混合室段和喉管前 段(2 4)混合物 的压力就 一直保持恒定值，即 P 2=P。=P。=P 。在混合室 的前段(2 一s)，工作蒸汽与被抽吸气 体开始混 合。在高速工作蒸汽流的携带作用下，被抽吸气 体的速度不断增加并达到超音速状态(在 s 点截 面处达到音速)。而 工作 蒸 汽 因此 速度 不断 下 降，在混合室的后段(s 一3)的某一截面处工 作蒸汽与被抽吸气体的流动速度达到相等，之后 保持恒定。在混合室 的后段(s 一3)，工作蒸汽 与

7、被抽吸气体充分混合，混合物的压力在其进入 喉管时已保持恒定。这里需要特别说 明的是 S 点 截面的位置并不是固定 的，而是随着抽气器运行 条件的变化而变化的。1 2 3 压缩阶段 3 点截面一c 点截面为工作蒸汽与被抽吸气 体的混合物的压缩阶段。混合物在喉管内流动的过程中，会在喉管内 的某一截面(4点)产生激波 的现象，激波会导 致混合物压力的突升(从 P 升高到 P )和气流 速度的突降(从超音速 v 降到亚音速v )。当混 合物从喉管流人到扩压管内后，其部分动能转化 为压能，从而使其流速进一步降低，压力进一步 上升至需达到的压力值 P 。2 数学模型 简化计算数学模型前，做以下假设：(1)

8、将蒸汽喷射泵 内流动的工质当作理 想 气体处理。(2)工质在蒸汽喷射泵 内的流动是一维稳 态绝热流动，工作蒸汽在工作喷嘴内的流动是一 个等熵膨胀过程，工作蒸汽与被抽吸气体的混合 物在扩压管内的流动是一个等熵压缩过程。(3)工作蒸汽与被抽吸气体在混合 室 内开 始混合。(4)工作 蒸汽与被抽吸气体具有相 同的 比 重和热 比容。(5)工作 蒸汽和被 抽吸气体都处于饱 和状 态，且它们在进入蒸汽喷射泵时的速度可忽略不 计，混合物从扩压管排出时的速度可忽略不计。2 2 建立数学模型 在上述假设前提下，建立蒸汽喷射泵设计的 简化计算数学模型】引。蒸汽喷射泵内的质量平衡方程：7,=m (1)被抽吸气体与

9、工作蒸汽的质量流量比：=m,m e (2)为了便于分析和计算，可用 马赫数来描述工 质的流动过程。工作蒸汽在工作喷嘴出口截面处(2 点)所达到的马赫数：=丽(3)工作喷嘴效 率 与工作 喷嘴 的流道形状、表面粗糙度和前后压力等因素有关，其值可通过 查询实验获得的线算图获得，一般取值范围为 0 7 50 9 。被抽吸气体在工作 喷嘴出 13截 面处(2点)所达到的马赫数：=丽(4)由于抽气器内的混合过程定义为一维稳态绝 热过程，所以此过程满足动量和能量 守恒定律。通过动量和能量守恒方程的联立，即可获得：帆 =1 W 1 (+)(+加。)、2 1 基本假设 其 中上标为 的参数 M 称为速度系数，

10、它 为研究 问题方便，在建立蒸汽喷射泵设计 的 是流体 速 度与临界速度(或临界 声速)之 比。2 0 C HE MI C A L E NG I N E E RI NG D E S I G N 化工设计 2 0 0 9，1 9(1)它与马赫数之间关系式为：M (6)M 一1)+2 、及 都是通过式(6)计算 得 到的。喉管内激波前后马赫数之问的关系式：+1 M5 ,M 。-(Y一-1)(7)激波前后压力 比可通过动量守恒方程导 出，其关系式为：鲁：鉴(8)Ps 1+M、通过上述对蒸汽喷射泵 内工作过程的具 体描 述和分析，可知 P 2=P 3=P 。式(8)就是在这 个前提下得到的。同样下面所

11、得到的其它关系式 也是以此为前提的。扩压管 内的压力升高 比为：=+1 青 扩压管效率 1 1 同样也与扩压管的流道形状、表面粗糙度和前后压力等因素有关，其值可通过 查询实验获得的线算图获得，一般其取值范围为 0 7 0。9。工作喷嘴喉部(1点)截面面积为：A l=孝 ()岩(10)工作喷嘴喉部(1点)与喉管(3点)截面 面积 比为：d P()了(一(鲁)A。，1，(寿)叫 (+)(焉)(1 1)工作喷嘴出口(2点)与工作喷嘴喉部(1 点)截面面积比为：A2 Al =丽(12)3 程序设计 在给定相关初始压力、质量流量、质量流量 比及其它已知 的原始数据和初始参数的前提下，根据上述所建立的数学

12、模型，利用计算机采用迭 代计算的方法，即可获得抽气器设计的一些重要 尺寸参数。蒸汽喷射泵设计计算的程序设计框 图 见 图 2。图 2 蒸汽喷射泵设计计算程序设计框 图 在计算过程中，还需根据已知条件从有关线 算图中查 出工作喷嘴效率 1 1 和扩压管效率 的 值。由于手动查找数据太慢，设计程序利用曲线 分段拟合 的方法将相关线算 图的曲线转化为一系 列的经验公式，并做成调用程序存放到计算机，可随时供设计程序调用。因此在程序 计算 过程 中，只要输入工作 喷嘴或扩压管 的流道形 状 因 子、表面粗糙度及其它相关影响参数，就可以查 出工作喷嘴效率 和扩压管效率 1 1 的值，进而 完成后续计算程序

13、。从设计计算程序设计框图可以看出，计算过 程要求迭代计算。因此在计算完工作蒸汽和被抽 吸气体的质量流率后，需给定一个 P 的估计值，然后进行下一步计算，求解式(3)(9)并 计算出一些相关参数，其中包括 P 。将 P。的计 算值与第一步给定的设计值进行比较，如果其误 差在允许范围内，则可继续进行下一步计算；否 张军等蒸汽喷射泵设计计算程序设计 2 1 则，回到第五步重 新 给定一个 新 的 P 估计值，反复第五到第七步，直到误差 8在允许范围内为 止。最后计算得 出的结果 即为蒸汽喷射泵设计的 一些重要尺寸参数，其中包括工作喷嘴喉部截面 积 A，、工作喷嘴 喉部与喉管 截面面 积 比 A A，

14、和工作喷嘴出口与工作喷嘴喉部截面面积比 A：A 等。4实例计算 4 1 原始 数据 原始数据见表 1。表 1 原始数据 数据名称 参数 工作蒸汽压力 P。，k P a 工作蒸汽温度 T。，K 被抽吸气体压力 P。，k P a 被抽吸气体温度 T ，K 出 口压力 P ，k P a 工作蒸 汽质量流量 m ，k g s 质量流量 比 W 通用气体常数 R，k J k g K 绝热指数 4 2 计算结果 输人原始数据，经程序计算后，具体计算结 果见表 2。表 2 计算 结果 通 过 结果 对 比可 以看 到，计 算 值 与 经验 值 之间的误差很小。按该经验值设计的蒸汽 喷射泵 已用于工业实 际且

15、取得 了较好 的应用效 果，因此可认 为 建立 的数 学模 型是 合 理 的，设计计算程序设计是基本正确的。5 结语(1)描述和分析蒸 汽喷射泵 内工质 的流动 过程，并在此基础上建立了蒸汽喷射泵设计计算 数学模型。(2)利用计算机编程 的手段，开发 出计算 程序来解算所建立的数学模型，通过计算程序获 得蒸汽喷 射泵设 计 中所 需要 的一些 重要尺 寸参 数，从而为蒸汽喷射泵的设计提供一种更为便捷 和精确的计算方法，同时也可为设计人员对蒸汽 喷射泵的设计选型提供一种参考。符号说明 m质量流量，k g s 质量流量比 y绝热指数 效率 A截面面积，m 肘马赫数 速度系数 P压 力，k P a

16、通 用气体 常数，k J (k g K)温 度，K 下标说明：e 蒸 汽喷射泵出 13 d扩压管 e被抽吸气体 n工作喷嘴 P工作蒸汽 参考文献 1 张卓澄大型电站凝汽器 M 北京：机械工业 出版 社1 9 9 3 2 E H 索科洛夫，H M 津格尔喷射器 M 北京：科学出版社1 9 7 7 3 S u n D W E a me s W Re c e n t d e v e l o p me n t s i n t h e d e s i g n t h e o r i e s a n d a p p l i c a t io n s o f e j e c t o r s-a r e v

17、i e w I n s t E n e r g y，1 9 9 5，6 8(4 7 5)：6 57 9 4 L e v y A，J e l i n e k M。B o r d e I Nu me r i c a l s tud y o n t h e d e s i g n p a r a m e t e r s o f a j e t e j e c t o r f o r a b s o r p t i o n s y s t e m s A p p l i e d E n e r gy，2 0 0 2，7 2(2)：4 6 7-4 7 8 5 张兆顺，崔桂香流体力学 M 北京：清华大学出

18、 版社 1 9 9 8 6 沈 维 道、郑 佩 芝、蒋 淡 安 工 程 热 力 学(第 3版)M 北京：高等教育出版社2 0 0 1 6 7 Hi s h a m E l De s s o u k y，Hi s h a m E t t o u n e y E v a l u a t i o n o f s t e a m j e t e j e c t o r s C h e m i c a l E n g i n e e r i n g a n d P r o c e s s i n g，2 0 0 2，4 1(6)：5 5 1 5 6 1 (收稿 日期 2 0 0 8 0 7 0 4)抛 4 L 3 3 n L