换热器

　　　　　　　　　　　　浅谈激波与汽动加热器

　　近来，市场上出现一种所谓激波换热器，其实许多人并不知道什么是激波，激波有什么性质。这其中也包括了推销“激波换热器”的人。

   　激波现象发生在气体的超声速运动过程中。当汽体从某个方向上受到强压缩时，在它的前方就会产生以当地声速运动的压力波，多重压力波重叠的断面上就形成了激波。简单地说，激波现象是一种共振现象，它和激光形成的机理有类同之处。激波的厚度很小，大约为 2.5 × 10 -4 mm ，但气体经过激波时，瞬间发生极大变化，变化过程不能用一般的热力学平衡理论进行描述，但它是一个不可逆的绝热过程，由于熵值的剧增，导致了做功能力的大量损失，并伴随着强烈的噪声产生。

   　由此可见，激波产生并不能提升气体的做功能力，相反是一种消耗。有的人认为激波很神密，它的产生导致了汽水喷射器出现升压功能，号称发明了“激波换热器”，这是概念上的错误。如果他们了解了激波的常识，就不会这样命名，反而叫“避激波换热器”更有道理。也就是说，在设计这类产品的时候应尽量避免激波带来的危害，充分施展蒸汽的做功能力，因此我们的产品称作汽动加热器。

    　一般情况汽动加热器蒸汽喷嘴的出口出现超临界状态，或者说超声速（每秒几百米到一千多米）的流动状态，形成第一激波源；而汽水混合物的声速骤降现象（每秒十几米到几十米）形成了第二激波源，这两个激波源的相互作用产生出多次谐波，再加内部的多重折射与反射，使得内部工况极为复杂，从而产生噪声。近十年来，我们在解决噪声方面做了大量艰苦的工作，主要从结构可调和凝结流程优化入手解决，目前已经取得了令人满意的效果。

   　关于汽水混合物的声速骤降现象，是本人在 82 年毕业设计时研究喷射器时首先发现的，并依据连续性假设推导出了声速计算公式（请参阅我的其它撰文）。

    　国内外许多单位都极力追求出水压力高于进汽压力的效果，其实不必要的。运用我们的计算软件，很容易找到达到以上效果的条件，这其中主要参数是进出水温升，温升越高，出水压力越高，到一定程度，一般超过 25 ℃时再配合其他压力环境就出现所谓升压现象。要解释这种现象其实并不难，设想一个环形水循环圈，某处流道极细，按照伯努里方程，流动过程中此处的压力极低，若在此处给入蒸汽，这时循环圈较粗处的压力完全可以超过给汽压力。这么一件简单的事情不必要花那么大的气力去做。可是人们为了取得这样的效果，就不得不把进出水温差提高，一般都在 40 ℃以上。这样的温差不能与采暖水循环系统相适应。由于水量小了约一倍，又不得不并联一个水泵协助，水泵扬程对喷射器的流量起到不良的抑制作用，有时导致死机（即系统性死机）。谈到死机，有两种情况，一种叫结构性死机，是由于喷嘴面积远大于两相流室出口面积造成的，大温差产品水量小，流速高，极易出现这种死机，我们在汽动加热器中采取内部“多循环”策略，解决了此问题；另一种死机是上面谈到的系统性死机，一般是外系统阻力过大或不通所致，此不祥述。

    　死机问题我们几年前就找到原因，并从根本上解决了。而噪音问题我们的第四代产品开始，到目前推广的第五代产品，都有了较为理想地解决效果。

    　汽动加热器在技术已经基本完善，下一步的工作是系列化生产和推广工作，我们会把它当成一项重要的事业来完成。这十年来，我们历尽艰辛，消耗了大量的人力和物力，积累了大量的资料和经验。若有热心的专业人员想从头开始研发，我认为是不必要的。现在的问题是如何加速普及，推动产品的更新换代，让这个大幅节能的高科技产品，为子孙造福。