摘 要：本文介绍了蒸汽喷嘴加热器的构造和原理，设计了喷嘴加热器并应用于某船舶汽轮给水泵机组陆上试验测试水加热系统。试验运行结果表明该喷嘴加热器运行稳定、可靠，可满足试验要求。

关键词：蒸汽喷嘴加热器；陆上试验；应用

中图分类号：TS73 文献标识码：A

蒸汽喷嘴加热器是一种较为广泛的用于容器液体加热的设备，它已被应用于食品、采矿、化工、机械、造纸等各种行业中，成为一种节能、高效及提高经济性的重要加热设备。目前国内相关单位对蒸汽喷嘴加热器已开展过许多理论研究并生产了一些产品。但是，对于陆上试验中能够指导实际运行的模型很少。本文结合目前市场已有蒸汽喷嘴加热器的特点，经过理论分析计算及优化设计，研制出了一台用于船舶主给水泵试验台测试回路容器加热的高压蒸汽喷射混流加热器。

1 蒸汽喷嘴加热器加热机理

蒸汽喷嘴加热器由喷嘴和换流管组成。当具有一定压力的蒸汽通过喷嘴时形成高速喷射流，由于动压急剧增大而静压显著降低，致使喷嘴出口产生低于被加热液体压力的负压，从而带动换流管内的冷水一起向上流动并与高速喷射气体互相混合。这样蒸汽与冷水混合并进行动能与热能的交换，使冷水水温升高而形成高速水流，经水断面逐渐扩大而流速逐渐降低，即动能降低静压升高，从而将经被加热的冷水以一定的压力送入贮水灌中。这样冷水不断从换热管下部进入换热管，高温水从换热管上部排出，从而容器内部形成加热环流，蒸汽喷出喷嘴的流速需有一定要求：速度太快，蒸汽会冲出水面而不能与水混合；流速太慢就没有抽吸作用，不能形成混流。因此蒸气喷射须控制在一定的流速范围内，本文根据船舶大型给水泵测试回路加热要求设计的喷嘴加热器结构紧凑、体积小、振动噪声低、加热效率高且制作简单经济。

2 设计方案选择

试验用的加热蒸汽来自试验场地蒸汽母管，通过截止阀和节流阀减压后分别进入水泵测试回路系统需加热的除氧箱。

蒸汽引入管进入除氧箱后，沿除氧箱筒体长度或高度方向布置蒸汽分配总管，在总管下面沿筒体长度方向均匀布置2个蒸汽分配支管（见图1），在支管下面安装喷嘴和换流管。为了防止加热过程中的气流引起装置的振动和冲击，蒸汽分配管由型钢焊接固定在筒体上。蒸汽加热器设计方案有以下两种型式（见图2和图3）。

图2所示蒸汽加热器使用的喷嘴结构型式是在蒸汽分配支管的末端装有两只喷嘴盘，喷嘴盘分上下布置，每个喷嘴盘上装设喷嘴，喷嘴与喷嘴盘采用丝扣连接，换热管为一体流线形构造，根据以往试验实际使用情况，该型加热器加热效果好，效率高，其缺点是喷嘴与喷嘴盘易由于振动引起丝扣连接的松动，喷嘴在运行过程中易脱落，导致加热效果不良，存在试验装置安全隐患，且制造加工较为复杂且成本高。

图3所示蒸汽加热器的结构型式是喷头组件的外形采用双层宝塔式焊接结构，2个喷头组件焊接在蒸汽分配支管的末端，上下两层喷头组件的锥形斜面上错列布置了24个小喷嘴，喷嘴内部开孔采用缩放形孔，喷嘴与喷头组件的连接采用焊接方式。其换流管采用三段分节式焊接，即上下为喇叭口，中间位直管，经水流阻力分析这种型式与图2所示的换热管阻力相差很小，可以忽略，而且这种型式的喷嘴和换流管加工制造都较为简便经济，而且喷头组件的锥形斜面不易形成结垢且易清理，高温蒸汽的斜向射流更易加速水流的换热循环，提高了加热效率，加热均和程度好较图2所示较好，水泵试验频繁变换工况情况下，装置振动不容易引起喷嘴的脱落，因此我们在容器加热过程中选择该结构形式的设计方案。

3 设计计算

（1）设计条件

按照试验场地实际情况，加热蒸汽压力P1=1.4MPa，t1=300℃，经喷嘴后的蒸汽压力比大气压稍高，取P2=0.125MPa；最终热水量按最大量取m=20t。

水箱中的水经过夜间的不完全的自然冷却，第二日还会有一定的余温，同时可以采用电加热器提前预热到一定温度，因此，取冷水初始加热温度t=50℃；另外，在水温未达到104℃前（测试回路要求加热温度），给水泵机组运行机械功部分损失发热，可以使水温上升，本加热器取加热最终温度t0=100℃。

（2）冷水吸热负荷计算

热负荷可用以下公式进行计算

Q吸 =Q放 （1）

（m-qm·th）·cP·（t0-t）=qm·

th·（h1-h0） （2）

（20×103-qm×2）×4.18×（100-50）=qm×2×（3045-419.06）

qm=737kg/h

式中：th—蒸汽加热时间，取2h；h1—加热蒸汽焓值，查水蒸汽h-s图得3045kJ/kg；h0—100℃饱和水焓值，查表得419.06kJ/kg；qm—加热蒸汽流量，kg/h。

（3）喷嘴形式确定及喉部数量计算：

（3）

故喷嘴采用缩放形喷管。根据工程使用经验，通常喷嘴的喉部直径取dmin=10㎜。

加热蒸汽的比重为：

（4）

式中：R—过热蒸汽的气体常数，461.5J/（kg·K）；喷嘴的数量按式（4.34）进行计算：

（5）

式中：ε—喷嘴的收缩系数，取ε=0.5；V—喷口处蒸汽流速，m/s，一般取50m/s；f—喷口截面积，㎡；dmin—喷嘴喉部直径，m；n—喷嘴数量。

由以上公式计算可得n=20，考虑散热损失等因素，实际选用24个d=10㎜的喷嘴。

缩放形喷管出口截面积计算如下：

=174.54mm2 （6）

式中：k—过热蒸汽比热比，取1.30；Amin——喉部截面积，m2。

出口截面直径d按下式计算：

mm（7）

缩放形喷管渐放部分的长度应适当，过短时气流扩张不及而造成损失，过长时摩擦损失太大。一般渐放部分的锥角取为10°～12°，在此我们取12°。从最小截面到出口截面喷管的长度L：

mm（8）

根据以上计算结果，实际喷嘴的结构设计如图4所示。

结语

本文研究设计的蒸汽喷嘴加热器行稳定、可靠，且制造简单，投资费用低，具有较大的节能潜力。经过船舶大型给水泵测试回路加热检验，该蒸汽喷嘴加热器完全能满足试验的定参数及变参数等不同条件的加热要求，且具有进出口压力比高、加热效率高、水箱水温均和程度好及振动噪声低等特点。

参考文献

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