射水抽氣器結構優化的試驗研究

王升龍 索英杰 楊善讓 趙 波 李俊朋

(東北電力大學能源與動力工程學院)

射水抽氣器結構優化的試驗研究

王升龍*索英杰 楊善讓 趙 波 李俊朋

(東北電力大學能源與動力工程學院)

利用試驗臺對射水抽氣器進行了結構優化試驗。給出了試驗設備、試驗方法和試驗表的表頭設計方法。以正交試驗設計方法分析了噴嘴壓力、喉嘴間距和面積比3個因素對引射系數的影響，并得到了最優方案。模擬結果表明：3個因素對引射系數的影響程度依次是面積比>噴嘴入口壓力>喉嘴間距；引射系數隨噴嘴入口壓力的增大而增大，隨喉嘴間距和面積比的增大先增大后減小。

射水抽氣器 引射系數 面積比 噴嘴入口壓力 喉嘴間距

空冷機組壓縮制冷循環壓縮機功耗大、造價高、運維費用大，且北方地區夏季時間短，使其利用率較低，導致壓縮制冷循環的經濟性不高，造成整個壓縮式復合制冷循環間冷系統回收周期加長。對此，本課題組研究了吸收式和混合升壓式制冷循環來取代壓縮式制冷循環，其中混合升壓式制冷循環可完全克服壓縮式的諸多缺點，且大型化的可行性較大，因此小規模工業試驗可采用混合升壓式制冷作為復合循環間冷系統的制冷循環，如此，造價和大型化的可行性都將得到顯著改善。

在混合升壓式制冷循環研究領域中，氣液噴射器的基本理論在16世紀就被提出。19世紀60年代，德國學者Zeume G根據動量守恒原理提出了噴射器的基本理論[1]。到了20世紀四五十年代，Keenan J H和Neumann E P在空氣動力學的基礎上結合質量、動量、能量守恒定律首先建立了空氣的一維等面積混合流動模型[2]。隨后，Keenan J H又引入了等壓混合概念對模型進行修正[3]。文獻[4]在動量守恒定律的基礎上，借助氣體動力函數和自由流束理論推導出了計算噴射系數的方法。Eames I W等改進了Keenan J H的模型，在噴嘴、混合室和擴散室中引入不可逆損失，同時用試驗進行了驗證[5]。沈勝強等對噴射器工作性能與工質參數、結構尺寸的關系進行了綜合研究，并在此基礎上提出了結構優化設計方法[6～12]。

另外，真空不僅影響汽輪機的經濟性，真空值的降低還可能造成汽輪機被迫停機。李勇等通過對汽輪機真空系統嚴密性進行動態數值仿真，分析了凝汽器各運行參數，指出依據真空下降速度很難準確評價真空系統的嚴密性，應對試驗結果進行修正[13]。張炳文和陳躍對300MW機組應用雙壓凝汽器低真空供熱方案進行改進，提出了結合尖峰加熱器的雙壓凝汽器低真空供熱方案，發現雙壓凝汽器低真空供熱具有供熱面積大、能源利用率高等優點[14]。

射水抽氣器作為一種非旋轉式可獲得真空的流體器械，由于其結構簡單、無相對高速運轉構件、工作穩定性高、設備維修量小，現已在石油、化工、冶金及電力等產生廢熱的工業領域中得到了廣泛應用。為了使射水抽氣器提高效率而對它進行性能方面的研究有著重大的科學意義。為此，筆者利用試驗臺對混合升壓式制冷復合循環間接空氣冷卻系統中的射水抽氣器進行結構優化試驗，研究噴嘴入口壓力、喉嘴間距和面積比對引射系數的影響，從而得出最優方案指導射水抽氣器的性能結構參數設計。

1 試驗系統介紹

1.1試驗設備

試驗系統(圖1)由水循環系統和空氣循環系統兩部分組成。水箱、循環水泵、球形閥、壓力表、喉管、噴嘴(圖2)和管道組成水循環系統；喇叭口和管道組成空氣循環系統。

a. 試驗系統

b. 射水抽氣器

圖2 噴嘴結構示意圖

試驗中，水箱中的水被水泵帶動，經過渦街流量儀、球形閥、噴嘴和喉管最終回到水箱，形成往復閉式循環。

循環水經過噴嘴后，在接收室形成真空，產生負壓，使喇叭口附近的空氣被吸入。空氣經管道進入接收室，與循環水混合，共同進入喉管，經過水箱。最終，空氣從水箱上面的排氣孔回到環境中。此過程為開式循環。

在噴嘴中循環水大部分從動力孔射出，另一小部分從捕氣孔射出。空氣被動力孔周圍產生的負壓吸入，從噴嘴附近經過，與捕氣孔射出的水流混合，這樣既減少了捕氣流碰撞管壁而造成的能量損失，又可使空氣和水在喉管中混合得更加均勻。

動力孔面積與捕氣孔面積的總和之比稱為面積比。

1.2試驗方法

試驗利用渦街流量儀測量循環水體積流量，測量范圍為1.5～15.0m3/h；利用皮托管測風儀測量空氣體積流量。用被抽吸空氣的體積流量除以循環水的體積流量，即得到混合升壓式射水抽氣器的引射系數u0：

式中vair——空氣的體積流量，m3/h；

vwater——循環水的體積流量，m3/h。

2 試驗過程

2.1因素和水平安排

試驗主要分析噴嘴壓力(A)、喉嘴間距(B)和面積比(C)3個因素對引射系數的影響，每個因素分5個水平，具體情況見表1。

表1 因素水平表

2.2表頭設計

因為試驗不考慮交互作用，所以可以任意設計表頭。當試驗開始時由于不考慮交互作用而選取較大的正交表導致空白列較多時，最好的處理方法是仍跟有交互作用時一樣，按照規定對表頭進行設計。區別是先將有交互作用的列視為空白列，等試驗操作結束后再進行判斷。

2.3組織填表

三因素五水平的試驗可選擇L25(56)正交表。因素根據表頭設計的格式，水平按照對號入座的原則，將均衡、正交的水平組合填到選用的正交表上，并列出試驗方案，具體見表2。

表2 試驗方案

表內每一橫行的水平組合即做一次試驗，25個橫行代表做25次試驗。如，第一橫行的水平組合：A1B1C1表示噴嘴入口壓力為0.12MPa，喉嘴間距為241.0mm，面積比為5.69。試驗方案一經確定，必須嚴格按照各號試驗的水平組合進行，不能隨意更改。

3 試驗結果分析

3.1利用正交表做整體分析

通過正交試驗，得到25組引射系數的試驗結果，具體見表3。

表3 引射系數試驗結果

(續表3)

正交試驗計算步驟如下：

通過正交試驗可知，A5為A的最優水平，B2為B的最優水平，C2為C的最優水平，A5B2C2為試驗最優方案。

另外，R3>R1>R2，由此可知，3個試驗因素中面積比對試驗結果的影響最大，噴嘴入口壓力次之，喉嘴間距影響最小。

3.2每一因素的單獨分析

分別以3個因素為橫坐標，引射系數為縱坐標，繪制因素與引射系數的關系曲線如圖3～5所示。

圖3 噴嘴入口壓力與引射系數的關系

圖4 喉嘴間距與引射系數的關系

圖5 面積比與引射系數的關系

由圖3～5可以看出，隨著噴嘴入口壓力的增加，引射系數持續增加；隨著喉嘴間距和面積比的增加，引射系數都是先增大后減小。其中，喉嘴間距和面積比分別在244.5mm和6.42時引射系數取最大值。

試驗最優方案為A5B2C2，即噴嘴入口壓力為0.16MPa，喉嘴間距為244.5mm，面積比為6.42。以此組合重新做試驗得到引射系數為2.660。

4 結論

4.13個因素對引射系數的影響程度依次是面積比>噴嘴入口壓力>喉嘴間距。

4.2引射系數隨噴嘴入口壓力的增加而增加，隨喉嘴間距和面積比的增加先增大后減小。

4.3在噴嘴入口壓力為0.16MPa，喉嘴間距為244.5mm，面積比為6.42時，引射系數達到最大，其值為2.660。

[1] 薛鳳娟.氣液兩相噴射器的實驗研究[D].大連:大連理工大學,2008.

[2] Keenan J H,Neumann E P.A Simple Air Ejector[J].ASME Journal of Applied Mechanics,1942,64(9):75～81.

[3] Keenan J H.An Investigation of Ejector Design by Analysis and Experiment[J].Journal of Applied Mechanics,1950, 17(3):299～309.

[4] 索科洛夫,津格爾 H M,著,黃秋云,譯.噴射器[M].北京:科學出版社,1977.

[5] Eames I W,Aphornratana S,Haider H.A Theoretical and Experimental Study of a Small-Scale Steam Jet Refrigerator[J]. International Journal of Refrigeration,1995,18(6):378～386.

[6] 沈勝強,李素芬.噴射式熱泵的設計計算與性能分析[J].大連理工大學學報,1998,38(5):558～561.

[7] 沈勝強,李素芬.紙機干燥部多段通汽系統中噴射式熱泵的性能分析[J].中國造紙,2000,19(2):36～40.

[8] 劉志強,沈勝強,李素芬.蒸汽噴射式熱泵性能實驗研究[J].大連理工大學學報,2001,41(3):310～313.

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[11] 張博,沈勝強,李海軍,等.二維流動模型的噴射器性能分析研究[J].熱科學與技術,2003,2(2):149～153.

[12] 張博,沈勝強,李海軍.二維流動模型用于噴射器關鍵結構設計分析[J].大連理工大學學報,2004,44(3):388～391.

[13] 李勇,張欣剛,王海榮.汽輪機真空系統嚴密性試驗過程的動態數值仿真[J].化工機械,2001,28(6):317～320.

[14] 張炳文,陳躍.雙壓凝汽器低真空供熱方案分析[J].化工機械,2012,39(4):540～544.

ExperimentalResearchofOptimizingStructureofWaterJetAirEjector

WANG Sheng-long, SUO Ying-jie, YANG Shan-rang, ZHAO Bo,LI Jun-peng

(CollegeofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

The test stand was adopted for testing structure optimization of the water jet air ejector; and relevant test facility and procedure and test form’s header were presented; through making use of orthogonal experiment design method, the influence of nozzle pressure, throat mouth distance and area ratio on the ejector coefficient was analyzed to obtain an optimal scheme. The simulation results show that the area ratio affects the ejection coefficient much, then comes the nozzle inlet pressure and throat mouth distance in turn; and the ejection coefficient can rise with the increase of nozzle inlet pressure and then it turns from rise to decrease with the increase of throat mouth distance and area ratio.

water jet air ejector, ejection coefficient, area ratio, pressure at inlet, throat mouth distance

*王升龍，男，1971年11月生，副教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.4

A

0254-6094(2016)03-0287-06

2015-07-21，

2015-08-06)