蒸汽噴射器設(shè)計及其計算

張永生 張永興 趙成綱 席浩君

（甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

蒸汽噴射器設(shè)計及其計算

張永生 張永興 趙成綱 席浩君

（甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

文章簡約介紹了蒸汽噴射器的設(shè)計計算方法，并討論了壓力變化對噴射器工作效率的影響，對蒸汽噴射器設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

蒸汽噴射器；壓力；蒸汽

隨著現(xiàn)代工業(yè)的急速發(fā)展，當(dāng)今世界環(huán)保及節(jié)能意識的日益增強，人們越發(fā)意識到，在保護(hù)環(huán)境的同時也可以節(jié)約額外的運行成本。其中的一個例子就是在蒸汽產(chǎn)生裝置，一部分廢汽直接排向大氣，如果能夠減少廢汽的排放，在生產(chǎn)蒸汽的源頭就可以減少蒸汽生產(chǎn)量，從而保護(hù)環(huán)境，節(jié)約成本。

蒸汽噴射器在這些應(yīng)用中就具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。蒸汽噴射器是一種節(jié)能設(shè)備，將低壓蒸汽（通常是廢蒸汽）壓縮成可利用的高壓蒸汽，再次應(yīng)用于生產(chǎn)中，從而保護(hù)環(huán)境，節(jié)約能源，而且，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，噴射器設(shè)計結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，技術(shù)優(yōu)化，會得到更加廣泛的應(yīng)用。

（一）蒸汽噴射器原理及其技術(shù)

蒸汽噴射器是完成能量轉(zhuǎn)換的一種裝置，它是由一定能量（壓力和流量）的工作流體，將靜壓能轉(zhuǎn)換為動能，經(jīng)過噴嘴射出形成高速射流。由于射流和空氣之間產(chǎn)生卷吸作用和紊動擴(kuò)散作用，把吸入室的氣體帶走，使該處產(chǎn)生局部真空狀態(tài)，在外界大氣壓力的作用下，使被吸流體進(jìn)入泵室，隨同高壓高速流體被帶入喉管，與之混合，并進(jìn)行能量交換，在喉管內(nèi)，由于氣體分子的紊動作用，工作流體將一部分動能及熱能傳給被吸流體，使被吸流體的動能和熱能得以加強，工作流體的速度隨之減緩，而被吸流體速度逐步加快，在喉管末端，兩股流體速度逐漸趨于一致，混合進(jìn)入擴(kuò)散室，然后流速逐步降低，壓力上升，完成中等品質(zhì)的蒸汽以利于一下步應(yīng)用。

提高引射流體的壓力而不直接消耗機(jī)械能，這是噴射器最重要的最根本的性質(zhì)。由于具有這種性質(zhì)，在很多技術(shù)中，采用噴射器比采用機(jī)械增壓設(shè)備（壓縮機(jī)、泵、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)）有可能得到更為可靠的技術(shù)解決辦法。

蒸汽噴射器原理圖如下，噴射器的主要部件有：工作噴嘴，接受室，混合室，擴(kuò)散器。

圖1 噴射器簡圖

（二）氣體噴射泵的設(shè)計

對于所有噴射器，均遵循如下三個定律，所有有關(guān)噴射器的設(shè)計及計算，均源自于以下三個定律。

1) 能量守恒定律

2) 質(zhì)量守恒定律

3) 動量定律

抽氣性能：

氣體噴射泵的抽氣性能可由引射系數(shù)和壓縮比來描述，引射系數(shù) 定義為被抽氣體質(zhì)量流量GH與工作蒸汽質(zhì)量流量Gp之比。

引射系數(shù)反映了泵的抽氣能力和效率，是噴射器工作的主要指標(biāo)之一。壓縮比Y定義為

泵出口壓力PC與入口壓力PP之比

壓縮比反映了泵的排氣能力以及可以獲得的工作真空度。另外，泵的抽氣性能與工作介質(zhì)的壓力、溫度、流量有關(guān)，與被抽氣體的種類、壓力、溫度、流量等因素有關(guān)。

在入口截面上工作流體的速度：

在入口截面上引射流體的速度：

混合流體在混合室出口截面的速度：

在混合室出口截面上，截面積為：

綜合(2)(6)(7)(8)(9)，作相應(yīng)變換，導(dǎo)出氣體噴射壓縮器噴射系數(shù)如下方程：

噴嘴尺寸的計算：

喉部截面積：

對于飽和蒸汽，b=199,對于過熱蒸汽，b=209,實踐證明，對于飽和蒸汽，b=203時比較接近于實際。

噴嘴出口截面積：

對于飽和蒸汽，C=0.61×2.52lgB，對于過熱蒸汽，C=0.67×2.77lgB

噴嘴入口截面積：

喉部長度：

擴(kuò)壓器尺寸的計算：

擴(kuò)壓器喉部直徑：

入口直徑：

出口直徑：喉部長度：

漸縮段錐度：

（三）氣體噴射泵變工情況分析

氣體噴射壓縮器不可能始終在設(shè)計工況下運行，對于給定幾何尺寸的氣體噴射壓縮器，其噴射系數(shù)或生產(chǎn)率(如引射氣體流量、混合氣體流量)隨其它運行參數(shù)變化而變化的關(guān)系特性，稱為氣體噴射壓縮器變工況特性。

噴射泵工作壓力、吸入壓力、排出壓力三者關(guān)系見下圖。

圖2 噴射泵變工狀態(tài)分析圖

PL表示穩(wěn)定運行條件下的極限排放壓力

如上圖所示，對于一定結(jié)構(gòu)的蒸汽噴射壓縮器，在其它運行參數(shù)不變的條件下，逐漸提高引射蒸汽壓力時，不論是否處于極限狀態(tài)都將會導(dǎo)致噴射系數(shù)、混合蒸汽質(zhì)量流量的增大，但是在達(dá)到極限狀態(tài)之后，進(jìn)一步提高引射壓力時，噴射系數(shù)、混合蒸汽質(zhì)量流量的增大幅度較小。而吸入口壓力的增大，則可使噴射泵穩(wěn)定工作區(qū)域變大。排出口壓力的變化，將直接影響氣體噴射泵的運行效率，如需提高噴射泵的運行效率，則需降低排出口的壓力。

氣體噴射壓縮器工作溫度、引射溫度對運行特性的影響很小，而工作壓力、引射壓力以及背壓對運行性能影響較大，因此，應(yīng)當(dāng)主要利用壓力變化特性來調(diào)整運行工況。

（四）結(jié)語

近年來，氣體噴射器的設(shè)計方法及結(jié)構(gòu)形狀隨著加工工藝及技術(shù)革新有所改進(jìn)，但仍無法滿足生產(chǎn)發(fā)展的需求，如低噪聲、低壓蒸汽噴射泵的設(shè)計使用等，仍需大量的研究及生產(chǎn)實踐。

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TQ022.11

B

1008-1151(2011)05-0118-02

2011-02-23

張永生（1975－），男，甘肅臨澤人，甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司換熱裝備研究部工程師，工學(xué)碩士，從事蒸發(fā)換熱設(shè)備設(shè)計及研制開發(fā)工作；張永興（1974－），男，甘肅莊浪人，甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司換熱裝備研究部工程師，從事設(shè)備自動化設(shè)計及研制工作。