汽液喷射器的结构参数对喷射性能的影响

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升压气液喷射器由于具有体积孝高效、节能、安全性高、可靠性高以及无需外界动力进行驱动的优点，在电力、制冷、化工等领域内得到了广泛的应用。意大利的G.Catadofi在蒸汽压力为 2.5-2.8 MPa的范围内，对喉部溢流进行调节，获得了高于进汽压力 l0%的出口压力[1。Tadashi Narabayashi在进汽压力3 MPa和进水压力 7 MPa的情况下，获得了12.5 MPa的输出压力12]。李文军在大量实验研究的基础上对气液升压进行了研究，实现了低进汽压力(0.2～0.6 Mpa)的升压过程嘲。为了揭示工作蒸汽干度对喷射性能影响的规律，本文利用直接接触凝结(DCC)理论建立的汽水喷射器升压理论得到含有蒸汽干度参数的性能方程，并利用该性能方程分析各主要结构参数对汽液喷射器的喷射性能的影响。

1 推导包含工作蒸汽干度参数的喷射性能方程由于目前的喷射性能方程未包含工作蒸汽干度这-参数，本文考虑利用实验结果并结合理论推导的方式延伸 G.Catadori等 提出的壁面力 (the walforce)模型，扩大该模型的适用范围来分析以湿蒸汽作为工作流体汽液喷射器的喷射性能变化规律。

水喷蟮 越管图 1 汽液喷射器结构示意图汽液喷射器的结构如图1所示。该喷射器的壁面力模型的动量方程式为：2(r， k f1)-(rn曹r )V3A ，41r 户 3 J PdA- A - n (1)，式中：为断面 1处速度损失系数；为工作蒸汽的质量流量，kg ；为断面 1处蒸汽的流速，m· ；赢为过冷水的质量流量，kg ；为断面 1处过冷水的流速，in·s ；为断面 3处混合流体的流速，m -；为断面 l处蒸汽的压力，Pa；为断面 1处过冷水的压力，Pa；尸3为断面3处混合流体的压力，Pa；为断面 1处蒸汽所占的面积，m2；A 为断面 1处过冷水所占的面积，m2；A 为断面 3处的面积 ，m2。

由于方程(1)具有通用性 ，不论工作流体是干蒸汽还湿蒸汽方程均成立，本文将以之为出发点，导出包含工作蒸汽干度参数的喷射性能方程。鉴于式(1)中的积分项与壁面力表达的含义-致 ，将式中的积分项改为用壁面力 表示 ，整理后的动量方程如下：2(% gImlVl1)-(mgm1)V3Pet 3 -户 A - 4f1 (2)将上式中的状态参量分为三部分：混合室内的收稿日期：2013-02-03基金项目：中央空调联合太阳能喷射制冷的关键技术研究(编号：桂科攻 11145O01-5)作者简介：李 刚(1972- )，男，吉林 白山人，教授 ，博士，研究方向：热能工程 ；许 李(1986-)，男 ，辅莆田人 ，硕士，研究方向：工业生产的建模与控制。

27Equipment Manufacturing Technology No.5，2013进出口压力 、P3和壁面力 ；流体流速 、l，n和V ；质量流量 和而。

1.1工作蒸汽质量流量干度的关系由于湿蒸汽的热力学特性偏离理想气体的热力学特性较大，其精确的热力学性质需借助蒸汽物性表，为了便于分析计算，-般将湿蒸汽的等熵指数统-采用 1.13这个值嘲。工作蒸汽质量流量的表达式为：，(3)其中， ： 。

当工作蒸汽干度0.3以上、压力小于 1 MPa时，Q>73.Q ，因此在本文研究的范围内可取 XP ，则式(3)可简化为：mgKgII A/ ㈩为验证上式的准确性，用其对本文实验中各工况下蒸汽质量流量进行计算，通过与测量值的比较发现式(4)在计算蒸汽喷嘴直段较短时需要进行修正，修正后的计算式如下：/ ㈦式中： 为修正系数，与蒸汽喷嘴的结构及工作蒸汽的干度有关，如表 1所示。

表 1 修正系数 与蒸汽喷嘴结构的关系名称 干度 X 修正系数自事 ～ - l l - 割 O.4 1O3 1爱 1 1十-- - 憾 O.4 1鍪 O-3 ll l-二。 O.4 I.26O.3 1.28l lF] 斗 -～- ---- O.4 t.22。 03 1.241.2流体流速 、 和 。与工作蒸汽干度的关系由于只有在汽液喷射器发生极限状态时，在混合室出口处混合流体呈汽液两相状态，除此以外混合室内的汽相完全凝结，在混合室出口处流体呈单相液体状态，因此在非极限状态的研究范围内混合室出口处流体密度不受工作蒸汽干度的影响；而水28喷嘴出口处的过冷水 尚未与蒸汽混合 ，兵衙度也与工作蒸汽无关。基于上述分析并根据质量流量的定义， 和 只与过冷水质量流量和总质量流量呈单值对应关系。

V 、/ (6)， · (7)，l ' n 综合以上分析的结果及相关假设，利用动量方程式(2)推出含有工作蒸汽干度参数的喷射性能方程如下所示。

盟 -( )'If12- - - ( )、 2A A。An J t I-- --J鲁(1 )Pt A tl (8)2 实验方案为研究工作蒸汽干度及结构参数对喷射性能的影响关系，将实验过程划分为 3个部分。

(1)改变汽液喷射器的截面比，研究截面比对喷射性能的影响关系，实验的主要参数如表2所示。

表2 截面比与喷射性能关系实验的主要参数名称 数值蒸汽喷嘴喉部直径d-/mm 12 l 16 1 2混合室喉部直径 /ram 33截面比m 7.56 l 4.25 I 2.25混合室锥形人口段长度 LJ/mm 2241-作蒸汽压力 /MPa 0.49作蒸汽干度 X 1，0.4，0.3过冷水压力 /IVlPa O.1(2)改变混合室锥形入口段的长度，研究混合室形状对喷射性能的影响关系，实验的主要参数如表 3所示 。

表3 混合室锥形入 口段长度与喷射性能关系实验的主要参数名称 数值蒸汽喷嘴喉部直径 /ram 12 f 16 f 22混合室喉部直径d，/mm 18 I 24 I 33截面比m 2.25混合室锥形入口段长度L，/mm 33 l 290 I 24工作蒸汽压力Ps/MPa 0.49工作蒸汽干度 x 1，0.4，0.3过冷水压力 Pa O.1(3)改变蒸汽喷嘴出口至混合室圆柱段前端的距离，研究喉嘴距对喷射性能的影响关系，实验的主要参数如表 4所示。

《装备制造技术2013年第 5期表 4 喉嘴距对喷射性能影响实验的主要参数名称 数值蒸汽喷嘴喉部直径 /mm 22混合室喉部直径如/mm 33截面比m 2.25混合室锥形入 口段长度厶/mm 224喉嘴距 厶/mm 250 230 J 205lT作蒸汽压力 /MPa 0.49丁作蒸汽干度 X 1，0.3过冷水压力 /MPa O.1由于工作蒸汽的压力和干度相互之间有关联 ，要反复调节才能达到指定工况，首先调节干饱和蒸汽压力调节阀，使之固定在某-个压力上，然后调节干饱和蒸汽流量阀和饱和水流量阀，-般以干饱和蒸汽流量阀为主动，饱和水流量控制阀为从动。

3 实验结果与分析3.1截面比与喷射性能的关系实验选取的汽液喷射器主要参数如表 2所示，相应的喷射性能实验结果及计算曲线如图2所示。

呗 耵 糸 瓤 -：奔譬盛：曼碧毒譬藿： ：鬈-： 羹巷：置羹；(c)X：0.3；厶：224mm图 2 不同截面比的喷射性能曲线由图2可知，增大截面比扩大了汽液喷射器的喷射系数范围，但输出压力较小；减胸面比使汽液喷射器的喷射系数范围变窄，但具有较高的输出压力。

3.2混合室锥形入口段长度与喷射性能的关系由于不同的混合室其喉部截面也不同，变换对f应的蒸汽喷嘴以固定截面比，实验选取的汽液喷射器主要参数如表 3所示 ，相应的喷射性能实验结果及根据式(8)计算出的喷射性能曲线如图 3所示。

3 10 17 24喷射系散：妻鐾 ； ---张徨( L：凹2 4mm·实验值(t.i233mm) -- 计算值(L：233 )(b)X：0.4：l'n：2.25：委鐾誊 瑟 j ：肄羹 ；实验值(L：233mm) -十-计算值(L：233mm)(c)x：0.3；m：2.25图 3 不同混合室锥形入 口段长度下的喷射性能曲线由图3可知，增大混合室锥形人口段长度使喷射性能下降；而改变工作蒸汽干度，喷射性能具有类似的变化规律。

3.3喉嘴距与喷射性能的关系文献7对选定的汽液喷射器进行喷射性能实验，在不同喉嘴距下实验结果如图 4所示。实验结果表明：在-定范围内缩短喉嘴距会使喷射器的有效喷射系数范围变窄，但对喷射系数与压力比的关系影响较校：妻鐾篷 ：妻鐾篷 i 实验值图4 各喉嘴距的喷射性能29Equipment Manufacturing Technology No.5，2013由于文献[7中喉嘴距选定的距离及变化的范围均较小，本文将进-步加大喉嘴距，并且选用锥形入口段较长的混合室，使喷射器不出现极限状态，扩大研究范围。实验选取的汽液喷射器主要参数如表4所示，相应的喷射性能实验结果及计算曲线如图 5所示 。

J璺I 5 不同喉嘴距 的顷射性能曲线对比图 4和图 5(a)可知：喉嘴距较小时，喷射器易出现极限状态而使工作范围变窄；而在喉嘴距较大时，汽液喷射器不易出现极限状态，但过度增大喉嘴距会使喷射性能下降。由图5(b)可知，工作蒸汽干度为0.3时喷射性能具有类似的变化规律。

4 结束语喷射器结构，推荐最胸面比不小于 2，为避免极限状态在小喷射系数时出现，可以适当加长混合室锥形入口段的长度，极端情况下整个混合室呈锥形结构，取消混合室的直管段；在要求喷射系数较大时，应采用截面比大的喷射器结构，推荐最大截面比不大于 l0。

(2)喉嘴距有最佳距离，可取 2-6倍的蒸汽喷嘴出口直径。

(3)实验结果和理论分析表明工作蒸汽干度在0.3以上，改变截面比或混合室锥形人口段长度时汽液喷射器具有相似的喷射性能变化规律。