蒸汽喷射器的应用

一、目前用热系统状况及存在的问题

1. 目前用热系统状况

目前，在工业生产中，普遍采用阀门进行节流减压，将高压（高品位）蒸汽节流减压至生产所需压力（低品位）后，供工业生产中的用热设备使用。

换热设备换热后的蒸汽凝结水通过疏水系统排水，蒸汽凝结水系统产生的二次蒸发气及疏水系统产生的泄漏蒸汽对空排放或进行简单的热回收。

2. 常规热力系统存在的问题

（1）蒸汽通过阀门节流减压后使用造成了能量的无效贬值，使高品位（压力）的蒸汽在没有对外做功的情况下转化为低品位（压力）的蒸汽，这属于用能在质量上的浪费。加热系统产生的二次蒸发气（或副产蒸汽）以及疏水系统产生的泄漏蒸汽，通常直接对空排放，或者没有进行合理的回收利用，这属于用能数量上的浪费。

蒸汽通过阀门节流减压供热用户使用从能效质量和能效数量上，都存在着不合理和不能综合利用的问题。同时在工业生产中，凝结水的排放主要是依靠蒸汽冷凝后造成的压力差为排放动力，由于排水压差通常不大，经常造成换热设备积存凝结水，凝结水积存使得换热器由气-液换热转变为液-液，结果直接导致换热设备热效率下降，也影响设备的生产能力。

二、蒸汽喷射器在热回收中的利用

蒸汽喷射器回收余热资源，利用热平衡、熵平衡和能级平衡理论，主要应用在工业生产中，利用新型的蒸汽喷射器供热系统替代常规的阀门节流减压供热系统，使蒸汽中的能量在品位和数量上都能够得到充分合理的使用。

利用蒸汽喷射器对高品位蒸汽进行引射式减压替代传统的阀门节流减压，向用热系统提供所需要品位和数量的蒸汽，即可以实现蒸汽无损耗减压，又可以利用高品位蒸汽减压前后的压力差为动力，回收工业余热，使低压蒸汽（或凝结水系统产生的闪蒸气）再次回用到工业生产，从而实现热力系统用汽数量上和质量上的平衡。达到优化工业生产用热网络，实现能源梯级利用、实现废热资源化，提高能源利用率、降低单位产品能耗、节约能源的目的。

蒸汽喷射器是一种没有运转部件和不需要额外能量输入的热力压缩机，是提高低压蒸汽压力的专用设备。其原理是借助高压蒸汽（工作蒸汽）喷射产生的超音速气流将低压蒸汽压力和温度提高，从而使低压蒸汽的压力和温度提高到生产工艺要求的指标，达到节能目的。

三、能量的品位及节流减压过程中的能量损失

1. 能量的品位

能量是物质的基本特性参数，它表示物质所具有的做功能力，热力学第一定律指出不同形式的能量可以相互转换，在转换的过程中数量守恒。热力学第二定律指出能量除了有数量上的多少外，还有品位的高低，不同品位的能量转变为功的能力不同。物质的总能量中，可用能所占的比例代表了能量的品质，能量中可转变为技术功的部分称为㶲（Exergic）。㶲表示热力系中的物质在任意状态下，相对于环境零态（dead state）所具有的最大做功能力。㶲是衡量蒸汽品位和蒸汽对外作功能力的重要参数，对于开口系统而言，物质所具有的比㶲为：

e = h – h₀ –T₀（s – s₀）

㶲即可以表示能量的数量，又可以表示能量的品位及能量的可利用程度，㶲的单位与焓的单位相同。

2. 节流减压过程中的能量损失

蒸汽截流减压通常是利用阀门的阻力特性，控制阀后蒸汽压力，达到蒸汽减压的目的。这种减压方式，是对外界不作功的等焓熵增过程，是典型的不可逆过程。蒸汽在截流减压过程中，由于摩擦、涡流等，使大量有规则热运动的分子转变为无序运动，产生耗散功，导致在没有对外作功的情况下产生熵的增加，降低了蒸汽对外作功的能力，致使蒸汽产生了无形的能量损失。假定蒸汽在绝热状态下进行截流减压，则流入系统1kg流体稳定流动的能量方程为：

q = h₂–h₁+（C₂²–C₁²）/2 + g（Z₂–Z₁）+ Wsh

由于是绝热截流减压过程，所以热流q= 0 ；截流前后适当距离处的截面流速基本不变，并且蒸汽动能与焓值相比甚小，所以速度方差可忽略，即（C₂²-C₁²）= 0；高度没有显著变化，所以（Z₂–Z₁）= 0。由此得出蒸汽截流减压前后的焓值相等，即蒸汽截流减压过程的能量方程式：

h₂ = h₁

蒸汽节流减压前后的焓值相等，从热力学第一定律来看，反映不出能量的损失。但是，熵的增加反映了在孤立系统中，能量产生了质变，可以转变为可用功的能力减少了，即产生了㶲损失，无疑这是能量的无效贬值和浪费。蒸汽节流减压前后的㶲损失可以表示为：

           ex1 – ex2 = T₀（S₂ – S₁）

以下面实例1，将P₁ = 0.80MPa，t₁ = 210℃ 的蒸汽节流减压到P₂ = 0.20MPa，来说明蒸汽节流减压过程中的㶲损失。

通过计算P₁= 0.80MPa，t₁ = 210℃ 的蒸汽的㶲值为864.57KJ/Kg，P₂= 0.20MPa，t₂= 196℃ 的蒸汽的㶲值为721.53KJ/Kg，蒸汽的㶲损失为143.04 KJ/Kg，占减压前蒸汽总可用能的16.55%。可见节流减压这种减压方式，在无形中造成了比较大的能量损失。

3. 替代减压回收节流减压能量损失的方法

常规的蒸汽减压方式有三种，阀门节流减压、回转式减压、引射式减压。其中阀门节流减压是典型的不可逆过程，属于能量损失最大的减压方式。回转式减压，是采用汽轮机拖动发电机组，实现热电联产或者拖动工艺生产中的旋转设备，来对外作功实现蒸汽减压的方式。高参数的蒸汽进入汽轮机，由于蒸汽拖动发电机组对外作功产生电能，或者拖动工艺设备转化为机械功，形成蒸汽减压，减压后的蒸汽进入热力管网供给热用户使用。这种减压方式将减压的压力损失转化为电能或机械能输出，避免了节流减压的节流损失。但由于工业汽轮机不能普遍的应用于热力系统中，它受到流量、压力等级匹配等具体条件的限制，致使这种减压方式不能广泛的应用于工业企业生产过程中。另外，更为重要的是采用回转式减压方式，无法对产生的低品废热蒸汽进行回收利用。

引射式减压，是利用蒸汽喷射器组成引射式减压系统，将蒸汽喷射器作为引射减压设备，利用蒸汽减压前后的能量差为动力，提升低品位蒸汽的㶲值，将高品位蒸汽和低品位蒸汽在蒸汽喷射器内部进行速度均衡和能量均衡，扩压后进入热力管网供热用户使用。采用蒸汽喷射器引射式减压系统，可以避免蒸汽节流减压过程中产生的㶲值损失，同时利用蒸汽减压前后的能量差作为动力，提升低品位蒸汽的压力等级，在避免蒸汽减压损失的同时，实现对低品位蒸汽的回收利用，实现对能量从数量和质量上都进行充分和合理的使用。