射水抽气器结构优化的试验研究

王升龙 索英杰 杨善让 赵 波 李俊朋

(东北电力大学能源与动力工程学院)

射水抽气器结构优化的试验研究

王升龙*索英杰 杨善让 赵 波 李俊朋

(东北电力大学能源与动力工程学院)

利用试验台对射水抽气器进行了结构优化试验。给出了试验设备、试验方法和试验表的表头设计方法。以正交试验设计方法分析了喷嘴压力、喉嘴间距和面积比3个因素对引射系数的影响，并得到了最优方案。模拟结果表明：3个因素对引射系数的影响程度依次是面积比>喷嘴入口压力>喉嘴间距；引射系数随喷嘴入口压力的增大而增大，随喉嘴间距和面积比的增大先增大后减小。

射水抽气器 引射系数 面积比 喷嘴入口压力 喉嘴间距

空冷机组压缩制冷循环压缩机功耗大、造价高、运维费用大，且北方地区夏季时间短，使其利用率较低，导致压缩制冷循环的经济性不高，造成整个压缩式复合制冷循环间冷系统回收周期加长。对此，本课题组研究了吸收式和混合升压式制冷循环来取代压缩式制冷循环，其中混合升压式制冷循环可完全克服压缩式的诸多缺点，且大型化的可行性较大，因此小规模工业试验可采用混合升压式制冷作为复合循环间冷系统的制冷循环，如此，造价和大型化的可行性都将得到显著改善。

在混合升压式制冷循环研究领域中，气液喷射器的基本理论在16世纪就被提出。19世纪60年代，德国学者Zeume G根据动量守恒原理提出了喷射器的基本理论[1]。到了20世纪四五十年代，Keenan J H和Neumann E P在空气动力学的基础上结合质量、动量、能量守恒定律首先建立了空气的一维等面积混合流动模型[2]。随后，Keenan J H又引入了等压混合概念对模型进行修正[3]。文献[4]在动量守恒定律的基础上，借助气体动力函数和自由流束理论推导出了计算喷射系数的方法。Eames I W等改进了Keenan J H的模型，在喷嘴、混合室和扩散室中引入不可逆损失，同时用试验进行了验证[5]。沈胜强等对喷射器工作性能与工质参数、结构尺寸的关系进行了综合研究，并在此基础上提出了结构优化设计方法[6～12]。

另外，真空不仅影响汽轮机的经济性，真空值的降低还可能造成汽轮机被迫停机。李勇等通过对汽轮机真空系统严密性进行动态数值仿真，分析了凝汽器各运行参数，指出依据真空下降速度很难准确评价真空系统的严密性，应对试验结果进行修正[13]。张炳文和陈跃对300MW机组应用双压凝汽器低真空供热方案进行改进，提出了结合尖峰加热器的双压凝汽器低真空供热方案，发现双压凝汽器低真空供热具有供热面积大、能源利用率高等优点[14]。

射水抽气器作为一种非旋转式可获得真空的流体器械，由于其结构简单、无相对高速运转构件、工作稳定性高、设备维修量小，现已在石油、化工、冶金及电力等产生废热的工业领域中得到了广泛应用。为了使射水抽气器提高效率而对它进行性能方面的研究有着重大的科学意义。为此，笔者利用试验台对混合升压式制冷复合循环间接空气冷却系统中的射水抽气器进行结构优化试验，研究喷嘴入口压力、喉嘴间距和面积比对引射系数的影响，从而得出最优方案指导射水抽气器的性能结构参数设计。

1 试验系统介绍

1.1试验设备

试验系统(图1)由水循环系统和空气循环系统两部分组成。水箱、循环水泵、球形阀、压力表、喉管、喷嘴(图2)和管道组成水循环系统；喇叭口和管道组成空气循环系统。

a. 试验系统

b. 射水抽气器

图2 喷嘴结构示意图

试验中，水箱中的水被水泵带动，经过涡街流量仪、球形阀、喷嘴和喉管最终回到水箱，形成往复闭式循环。

循环水经过喷嘴后，在接收室形成真空，产生负压，使喇叭口附近的空气被吸入。空气经管道进入接收室，与循环水混合，共同进入喉管，经过水箱。最终，空气从水箱上面的排气孔回到环境中。此过程为开式循环。

在喷嘴中循环水大部分从动力孔射出，另一小部分从捕气孔射出。空气被动力孔周围产生的负压吸入，从喷嘴附近经过，与捕气孔射出的水流混合，这样既减少了捕气流碰撞管壁而造成的能量损失，又可使空气和水在喉管中混合得更加均匀。

动力孔面积与捕气孔面积的总和之比称为面积比。

1.2试验方法

试验利用涡街流量仪测量循环水体积流量，测量范围为1.5～15.0m3/h；利用皮托管测风仪测量空气体积流量。用被抽吸空气的体积流量除以循环水的体积流量，即得到混合升压式射水抽气器的引射系数u0：

式中vair——空气的体积流量，m3/h；

vwater——循环水的体积流量，m3/h。

2 试验过程

2.1因素和水平安排

试验主要分析喷嘴压力(A)、喉嘴间距(B)和面积比(C)3个因素对引射系数的影响，每个因素分5个水平，具体情况见表1。

表1 因素水平表

2.2表头设计

因为试验不考虑交互作用，所以可以任意设计表头。当试验开始时由于不考虑交互作用而选取较大的正交表导致空白列较多时，最好的处理方法是仍跟有交互作用时一样，按照规定对表头进行设计。区别是先将有交互作用的列视为空白列，等试验操作结束后再进行判断。

2.3组织填表

三因素五水平的试验可选择L25(56)正交表。因素根据表头设计的格式，水平按照对号入座的原则，将均衡、正交的水平组合填到选用的正交表上，并列出试验方案，具体见表2。

表2 试验方案

表内每一横行的水平组合即做一次试验，25个横行代表做25次试验。如，第一横行的水平组合：A1B1C1表示喷嘴入口压力为0.12MPa，喉嘴间距为241.0mm，面积比为5.69。试验方案一经确定，必须严格按照各号试验的水平组合进行，不能随意更改。

3 试验结果分析

3.1利用正交表做整体分析

通过正交试验，得到25组引射系数的试验结果，具体见表3。

表3 引射系数试验结果

(续表3)

正交试验计算步骤如下：

通过正交试验可知，A5为A的最优水平，B2为B的最优水平，C2为C的最优水平，A5B2C2为试验最优方案。

另外，R3>R1>R2，由此可知，3个试验因素中面积比对试验结果的影响最大，喷嘴入口压力次之，喉嘴间距影响最小。

3.2每一因素的单独分析

分别以3个因素为横坐标，引射系数为纵坐标，绘制因素与引射系数的关系曲线如图3～5所示。

图3 喷嘴入口压力与引射系数的关系

图4 喉嘴间距与引射系数的关系

图5 面积比与引射系数的关系

由图3～5可以看出，随着喷嘴入口压力的增加，引射系数持续增加；随着喉嘴间距和面积比的增加，引射系数都是先增大后减小。其中，喉嘴间距和面积比分别在244.5mm和6.42时引射系数取最大值。

试验最优方案为A5B2C2，即喷嘴入口压力为0.16MPa，喉嘴间距为244.5mm，面积比为6.42。以此组合重新做试验得到引射系数为2.660。

4 结论

4.13个因素对引射系数的影响程度依次是面积比>喷嘴入口压力>喉嘴间距。

4.2引射系数随喷嘴入口压力的增加而增加，随喉嘴间距和面积比的增加先增大后减小。

4.3在喷嘴入口压力为0.16MPa，喉嘴间距为244.5mm，面积比为6.42时，引射系数达到最大，其值为2.660。

[1] 薛凤娟.气液两相喷射器的实验研究[D].大连:大连理工大学,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,津格尔 H M,著,黄秋云,译.喷射器[M].北京:科学出版社,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] 沈胜强,李素芬.喷射式热泵的设计计算与性能分析[J].大连理工大学学报,1998,38(5):558～561.

[7] 沈胜强,李素芬.纸机干燥部多段通汽系统中喷射式热泵的性能分析[J].中国造纸,2000,19(2):36～40.

[8] 刘志强,沈胜强,李素芬.蒸汽喷射式热泵性能实验研究[J].大连理工大学学报,2001,41(3):310～313.

[9] 刘志强,沈胜强,李素芬.喷射器一维设计理论的研究进展[J].热能动力工程,2001,16(3):229～232.

[10] 李素芬,沈胜强,刘岚,等.蒸汽喷射器超音速喷射流场的数值分析[J].中国造纸,2001,20(6):33～36.

[11] 张博,沈胜强,李海军,等.二维流动模型的喷射器性能分析研究[J].热科学与技术,2003,2(2):149～153.

[12] 张博,沈胜强,李海军.二维流动模型用于喷射器关键结构设计分析[J].大连理工大学学报,2004,44(3):388～391.

[13] 李勇,张欣刚,王海荣.汽轮机真空系统严密性试验过程的动态数值仿真[J].化工机械,2001,28(6):317～320.

[14] 张炳文,陈跃.双压凝汽器低真空供热方案分析[J].化工机械,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

*王升龙，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)