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国内甘蔗糖厂的冷凝系统大量使用水喷射器。它的结构比较简单,但其性能却和多种因素有关。需要有良好的设计、制造和应用才能取得较好的效果。目前国内不少糖厂的水喷射器存在各种不同的问题,用大量的水和电,但真空度不高。这方面改进的潜力相当大,需要进行深入的研究。 水喷射器的性能表现在它的抽气量和工作效率。抽气量即每小时(或每分钟)排除气体的重量或体积(以干空气计)。例如,国内糖厂较多应用的tdp系列喷射冷凝器,由广东江门机械厂制造的几种产品的主要性能参数如下表。
注:测定时尾管长度10m,水室压力0.1mpa,气温25℃。 国内糖厂所用的水喷射器常置于高位,尾管长约10m。水喷射器也可以用较短的尾管,设置在较低的位置上(国外常是如此)。上述喷射器是用多个水喷咀,也有用单个喷咀的。不过,它们的性能和效率相差很较。 喷射器的性能高低首先表现在抽气量对用水量的比例,这有按体积计算和按重量计算的两种表达方式: 1、按体积计算的比例,即(抽气体积/水的体积),在本文中称之为“抽气体积比”,以符号q代表。抽气体积是指在喷射器实际真空下的气体体积。水喷射器的q值一般为1~5,但性能较差者q<1。 2、按重量计算的比例,即(抽气重量/水的重量),在本文中称之为“抽吸系数”,以符号u代表。它的数值很低,通常为(0.1~1)×10-3,即每吨水抽气0.1~1kg。 水喷射器的这两个系数都很重要,它们之间有如下关系: q = u×v×1000 水喷射器每小时的排气重量或体积,即等于每小时用水重量或体积乘以u或q。水喷射器的u和q值都随水压、真空度以及设备型式与尺寸而变。 对水喷射器的深入研究,还需要计算它的工作效率。作为一个利用水的能量工作的设备,水喷射器的效率应当是它所作的功对它耗用的水的能量的百分比。水喷射器要将真空下的气体排出,必需将气体压缩,使它的静压力升高至外部的大气压力,即要对气体作压缩功。水喷射器中气体的压缩是在一定的温度(即排水温度)下进行,按热力学原理,此时将气体由压力p1压缩至压力p2所作的功为(功的国际单位为kj(千焦),1kj=102kgm): w = 0.0098 × rtln(p2/p1) (kj/kg) 式中ln为自然对数的符号(即2.3×log)。例如,水喷射器内真空度为86.5kpa(650mmhg),喷射器外为标准大气压即101.3kpa,温度为25℃即298ºk,对气体的压缩功为: w = 0.0098×29.27×298×2.3× log(101.3/(101.3-86.5)) = 165.3 (kj/kg) 以ga代表每小时排除的空气量(kg),则每小时对气体作压缩功为gaw(kj/h)。 以pw代表进水的表压力(在水喷射器出口的同一水平处测量,kpa),水的密度按1000kg/m3计算,则水所具有的位能为pw/1000(kj/kg),以gw代表每小时用水量(kg),则利用水的位能为(gw×pw/1000)(kj/h)。故水喷射器的效率为: η = gawa/(gwpw/1000)×100% = u×(wa/pw)×105 % 例如,上表列出的tdp6喷射冷凝器在上述真空和温度下,当水室表压为0.1mpa、相当于pw为270kpa(压力表高于尾管出水口17m)时,用水量为242.5t/h,抽气量为1.65kg/min ,则 u = 1.65×60 / 242500 = 0.408 ×10-3 η = 0.408×10-3 ×(165.3/270)×105 = 25%
水喷射器的性能与效率是变动较大的,它既和设备的结构型式、尺寸和制造质量有关,也和工作条件有很大关系。需要深入研究和掌握有关的规律,才能实现高效率的运行。 我们对20多个各类水喷射器的实际运行数据进行复算,它们的η值变动范围很大,较高者为20%~40%,但也有不少低至10%甚至以下。通常,具有较长尾管的高位多喷咀喷射器的效率较高,而短尾管(置于低位)的单喷咀喷射器的效率低很多。 例如,一个喷射器装有9个喷咀,出口φ18mm,喉部φ100mm,尾管φ122mm,长9m。在pw为267~290kpa(水室压力0.15~0.17mpa)及室温下运行、抽吸空气时,在不同真空度下测出的各种参数如下表。 |
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可见,在水压基本稳定时,它的抽气重量随真空度升高而迅速减少,按重量计算的抽吸系数u也是这样。但抽气的体积在一般的真空度(<90kpa)下,随真空升高而降低的幅度较小,抽气体积比q在低真空下约为4,真空较高时在2~3之间。但在很高真空 (>90kpa)下,u和q都降至很低。 喷射器的效率和真空度的关系是倒u形的曲线,在中间的某一真空度范围内效率最高,约40%。这一真空度为40~75kpa(300~560mmhg)。在真空更高时迅速下降,因为此时抽吸气体量迅速下降。在糖厂常用的真空度下,它的效率约16%~22%。 喷射器效率呈现的倒u形曲线,对流体力学机械是共通性的。离心式水泵和鼓风机的效率和工作压力差的关系,都是倒u形的曲线,不过它们的效率的变化幅度不很大。但各种喷射器在不同条件下的效率变化要大得多,这是它们的重要特点。每种流体力学机械都有其工作特性曲线,喷射器也可以画出这种特性曲线,将它的u、和η对真空度作图,就反映出它的特性。图1是表2所示的高位多喷咀水喷射器的运行特性曲线。图2是一个小型单喷咀低位喷射器(喷咀φ11、喉部φ26mm)在水压300kpa运行时的特性曲线;它们的三条曲线的形态和图2的相似,但u、q和η值都低很多。 |
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图1 多喷咀水喷射器的特性曲线 图2 单喷咀水喷射器的特性曲线 我们收集了国内外20多个水喷射器的实际数据进行计算分析,都表现了上述规律,说明它们是水喷射器的共通特性。高位多喷咀喷射器的效率通常较高,而低位单喷咀喷射器的性能都较低。 广东糖业界初期也曾试验用低位单喷咀的水喷射器,但效果不好,不能在生产上使用。以后转向研究高位多喷咀喷射器,才取得成功。国内多个糖厂的高位多喷咀水喷射器,它们的性能的实测数据都明显优于低位单喷咀者。 |
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我们综合分析了大量的实际研究资料,在此基础上归纳得出水喷射器的性能与效率和有关工作条件的关系,主要如下: 1、在一定的水压下,随真空度升高,抽吸系数u迅速下降。这是因为真空高即压力差大时,将空气压缩需要较大的能量,一定的能量只能压缩和带走较少量的空气。而在一定的真空度下,u值随水压升高即水流能量增大而升高。 2、在真空度很高时,抽吸气体量急剧下降。当真空度达到某一极限值时,u值下降至零(有时空气会倒流发生“反冲现象”)。这是喷射器的极限工作点,它随水压升高而提高。 3、当水压一定时,抽气体积比q随真空度升高而下降,但下降的速度低于u值的下降。水压升高时u值亦增大。 4、在一定的水压下,水喷射器的效率η与真空度的关系为倒u形曲线,在中间的真空度下效率较高。效率最高的真空度通常是在53~66kpa(400~500mmhg);真空更高时效率明显下降(在极限真空度下效率降至零)。真空度的影响实质上是喷射器工作压力差(背压-吸入压)的影响;如果固定真空度而改变背压,也表现同样的变化规律。 5、在一定的真空度下,η值与所用水压的关系通常亦表现为倒u形曲线,在某一水压下效率最高;这一水压则随喷射器结构和工作条件而变。对于设计和制造较好的水喷射器,效率最高的工作水压(以尾管出口同一高度处计量) 通常为200~300kpa ;但设计制造较差者这一水压较高。对于喷射冷凝器,其适宜水压还与要求的真空度、排汽量及排气量等工艺因素有关。在糖厂实际使用的条件下,这一水压稍低。 性能良好的高位多喷咀喷射器,在较高真空下的u值可以达到(0.2~0.5)×103,能适应前节计算的糖厂真空系统的排气量要求。不过,它的真空度随u值增大而迅速降低,故必须尽量减少设备的漏气量,才能保持足够高的真空度。 应当指出,高位多喷咀水喷射器虽然效率高与单喷咀设备,但在糖厂常用的较高的真空度下(如84~89kpa即630~670mmhg),它的效率还是明显降低,大多数测定数据只为10%~20%。因此,在高真空下用水喷射器抽真空要耗用较大的功率。据实际测定,在真空度88kpa即660mmhg时,每排除1m3真空下的气体要耗功率1.95~2.68kw,而活塞式真空泵只用1.14kw,前者比后者大71%~135%,平均增大约一倍。只是由于水喷射器兼有冷凝和抽气两种功能,系统总用动力的差别不很大。不过,现在不少糖厂的真空系统配置不合理,特别是使用的水喷射器的实际性能低于正常范围,系统总用动力就大很多。 水喷射器是喷射器中的一种。喷射器的种类很多,工作方式与用途很广泛,而且近年还有较大的发展。它们的工作原理是类似的,都有结构简单、制造容易、管理操作方便等优点,但各种喷射器都有共通的缺点,就是设备效率较低:各种型式的喷射器的效率极少达到40%,而其它流体力学机械如水泵或鼓风机的效率通常在60%以上。只是由于喷射器的特殊工作方式,在一些实际的应用条件下有其突出的优点,才有应用价值。喷射器效率低的共通性原因是高速流体与低速流体混合时有较大的冲击损失,而水喷射器在高真空下的效率降低有其特殊性,这些都与喷射器的内部工作过程和结构有密切的关系。
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