辽宁飞鸿达蒸汽节能设备有限公司 王汝武
摘要：本文介绍了各种形式的气体动态混合设备，并给了各种混合器的设计概念。提出直接和间接混合方式的比较，对压力匹配器而言，间接混合比直接混合可以提高效率。
关键词：气体混合、压力匹配器、温度匹配器、质量匹配器、直接混合、间接混合、不可逆损失。
一．引言
在工业生产中，经常需要两种不同参数气体进行混合，特别是热电厂在供热中经常需要两种不同参数的蒸汽进行混合后供热。由于没有利用适合的设备进行混合，造成了能量的损失和贬值。
两种气体动态混合要遵守运动方程（动量守恒）、能量守恒方程、质量守恒方程。对于一元流动而言，流体在一种状态下有三个参数，一般为质量M，压力P，温度T，或为其导出参数莫尔数N，比容V，焓H等。对于两种流体混合，有三种状态下的流体——两种混合流体及一种输出流体。这三种流体有九个参数，它们的流动过程有三个控制方程，只能解出三个未知数。三个方程式如下：
动量方程 （GpWp+GhWh）-（Gp+Gh）Wc=（Pc-Ph）f3 （1）
能量守恒方程 GpHp +GhHh=（Gp+Gh）Hc （2）
质量守恒 Gp+Gh= Gc （3）
式中Gp、Gh 、Gc分别为驱动流体、吸入流体、输出流体的流量。
Hp 、Hh 、Hc分别为工作流体、吸入流体、输出流体的焓值。
Wp、Wh Wc分别为工作流体、吸入流体、输出流体的速度。
因此两种流体的混合过程要有确定的状态，要给出三种流体的六个参数，这六个参数有已知的，也有规定的。根据不同的混合要求，有不同的规定参数。例如，有的规定混合后的压力，有的规定混合后的温度，有的规定混合后两种流体的混合比例。除了已知的，规定的参数外的其余参数是根据方 程计算出来的。【1】
本文中按规定压力混合的设备称为压力匹配器，按规定温度混合的称为温度匹配器，按规定配比混合的称为质量匹配器。
不同的匹配器有不同的特点：压力匹配器一般已知驱动气体的压力pp，温度tp，吸入气体的压力ph，温度th，出口压力pc，流量Gc等6个参数，计算驱动气体的流量Gp，吸入蒸汽的流量Gh及输出温度tc等三个参数。
温度匹配器一般已知高温蒸汽的压力ph，温度th，低温蒸汽的压力pl，温度tl，混合后的温度tc，输出流量Gc，计算出高温蒸汽的流量Gh，低温蒸汽的流量Gl及混合后的压力，一般温度匹配器，高低温蒸汽的压力都高于出口要求的压力。
二．冷热介质混合特点：
两种温差较大、压差不大的汽体进行混合，混合的目的是获得一定温度的混合汽。
一般是通过节流来达到需要的压力，对于要求出口温度一定的，温度匹配器也可以通过不同的混合方式来达到。在蒸汽不同压力，不同温度的混合过程中，存在传热、传质（扩散）过程，传热、传质问题存在不可逆损失，这些不可逆损失，产生熵增（熵产）ΔS，不可逆熵增带来了可用能的损失，其中包括压力的降低。在传热、传质过程中发生的熵产表达式如下【2】：
从（4）式看出，冷热介质间的温差Δt=（T1-T2）愈大，产生的不可逆损失愈大。
从（5）式看出，在扩散（传质）过程中，即冷热介质从容积V1及V2扩散到容积V的过程中，压力P的变化方式V=f(p)直接影响熵产ΔSm的大小。在温度匹配器中冷热介质混合改变压力的方式有多种，描述如下：
1.温度匹配器冷热介质混合方式
温度匹配器冷热介质的混合方式有三种（如图1）：
一种是在冷热介质的进口都安装调节阀，由这两个调节阀控制两种流体的混合比例。两个调节阀接受输出管道上的温度和压力讯号。
第二种混合方式相当于低压蒸汽在容量中，高压蒸汽流入容器高压流体进口，装有调节阀，调节容器中的温度，在容器出口管道上装有调节阀，控制出口压力。和第一种控制方式的区别是混合室中的压力，第一种是出口压力，第二种是低压蒸汽的压力。第二种控制方式缺点是在高压蒸汽的流量大时（≥75﹪），可以堵塞低压蒸汽的进口，使低压蒸汽进不来。一般在高压蒸汽的流量小于总流量的10﹪时可使用。
第三种混合方式，在原理上是最完善的，但结构复杂。系统图如图1c所示。冷热介质都进入一个三通阀，一个是冷介质进口，一个是热介质进口，一个出口。通过调节三通阀的开关调整冷热介质的流量。在混合室的出口装有压力调节阀，保持出口压力稳定。冷热介质通过三通阀进入混合 室也存在传热、传质的不可逆过程，存在着不可逆损失。
三种方式相比较，第一种混合方式优于其他两种。一是运行稳定，二是可以得到高于低压汽的混合压力。
2.温度匹配器的结构特点：
温度匹配器的主要功能是混合后保证一定的温度和压力，温度是根据热平衡决定两者的配比，由一个调节阀跟踪控制，一个调节阀跟踪流量变化，保持出口压力稳定。
由于冷热两种介质的流量，不是由动量方程控制的，因此不受流道面积的影响，因此不要求喷咀和混合管最佳面积比。因此不需要专门的混合管、扩压管。
两种气体直接混合，具有极高的换热系数，在很短的距离内，即可达到温度均匀。因此不需要再用喷水设备减温。
二．压力匹配器高低蒸汽的混合特点
1.压力匹配器高低压蒸汽（气体）的混合原理：
压力匹配器的作用是将高压蒸汽和低压蒸汽混合，而获取中间压力的蒸汽。目的是利用高低压蒸汽的差压，提高低压蒸汽的压力，提高能源利用率。高压蒸汽通过喷射降压和低压蒸汽混合，再通过混合管和扩压管达到用户需要的中间压力。
压力匹配器高低压蒸汽的混合配比是由动量方程决定的，根据给出的高压蒸汽的压力pp,温度tp，低压蒸汽的压力ph，温度th,出口要求pc，计算出高低蒸汽的配比。根据高低压蒸汽的配比，利用能量守恒方程，计算出输出蒸汽的温度。如果温度高于用户需要的温度，要喷水减温，喷水量由减温水调节阀来控制，压力匹配器的出口压力和温度，是由三种介质、高低蒸汽及减温水的配比决定的。和温度匹配器相比，多了一种介质-减温水，因此多了一个调节阀。而低压蒸汽的流量是被引射的，不需要调节阀控制流量。对于混合器出口而言，一是要控制要求的目标值（压力或温度），二是要跟踪流量变化，满足流量要求。在管道流动中，满足流量要求的指标，就是压力。实测压力低于设定压力说明流量小了，要开大进气阀。实测压力高于设定压力说明流量大了，要关小进气阀。在压力匹配器中，出口压力既是要求目标，又是流量指标。在温度匹配器、压力匹配器都是两种介质混合的情况下，温度匹配器多了一个调节阀。
2.压力匹配器的结构
压力匹配器是使两种高低压气体混合，输出一种中间压力的混合气体。因此压力匹配器的结构应能保证高低压气体混合的比例是最佳的，也就是在一定输出压力下，低压气体占有的比例愈大愈好。为了满足这一要求，喷咀喉部和混合管面积需要有一个最佳比，因为流动中要求速度变成压力还需要扩压管。
为了追求最佳混合比，需要压力匹配器制成多喷咀结构，对于高低气体参数变化较大的情况，还需要有工况调节器，使喷咀喉部和混合管面积保持最佳，压力匹配器还有一个特殊运行工况要求，就是在低压气体压力过低时，低压气体在混合气体中的配比为零。这时压力匹配器就是高压蒸气的减压器，喷咀变成了节流孔板。
三．质量匹配器
质量匹配器是要使一定配比混合的两种气体的混合装置。这种装置多用于化学制剂，气体燃料的混合。例如钢铁工厂中的高炉煤气和焦炉煤气的混合。一般高炉煤气和焦炉煤气热值不同，压力也不同。在常规的混合方式中，是把高压气体的压力，降到低压气体的压力，再进行混合，这种混合方式，牺牲了两种混合气体的压差，这对于混合气体需要远距离输送的场合，损失了经济效益。利用质量匹配器，可以利用两种气体的压差，提高输出混合器的压力。质量匹配器既有压力匹配器的功能，又能保持两种介质固定的混合比例。两种气体的进口都装有调节阀，一个控制配比，一个控制出口压力，这个出口压力的设定，应选取运行工况中能达到的最低压力，即是该压力在变工况运行中都是能达的。
质量匹配器的结构和压力匹配器相似，只是多了一个调节阀。
四．间接混合方式：
以上分析了两种气体直接混合方式的特点及性能。指出了直接混合产生的不可逆损失。为了减少直接混合的不可逆损失，压力匹配器也可以用间接混合的方式实现低压气体升压的目的。最简单的方法是利用活塞机构，高压气体通过活塞膨胀机带动活塞压缩机将低压气体升压，高压气体膨胀到要求的中间压力，低压气体升压到要求的中间压力，然后两种气体混合。
不同混合方式性能分析：
1.混合比例：混合比例是混合器的一个重要性能指标。两种气体混合的理想过程，表示在图2对间接混合的两种流体，根据能量方程，单位高品位流量能和U个单位低品位流体混合。
由上述可见，间接混合的效率大于直接混合。这是因为间接混合消除了直接混合产生的传热、传质的不可逆损失。
五．不同混合方式的适用范围：
对于压力匹配器而言，间接混合比直接混合可以提高效率。但间接混合设备复杂，需要膨胀机和压缩机。在同样流量下，间接混合设备的投资大于直接混合设备的投资。
直接混合的压力匹配器适用于小压差、大流量的情况下。间接混合的压力匹配器适用于大压差、小流量的情况下。
对于温度匹配器和质量匹配器，一般都可使用直接混合方式。
参考文献：
【1】索科洛夫.喷射器（P20-33）.科学出版社 .1977年
【2】宋立平、王旋 .节能原理（P66-71） .水利电力出版社.1985年