制冷工况下蒸汽喷射器性能的数值模拟

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Numerical simulation of performance of steam ej ector underrefrigeration conditionsYan Zhongchen Song Lizhao Liu Shengchun(Tianjin Pipeline Engineering Group Co.，Ltd.，Preinsulated Pipe Factory)(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce)ABSTRACT The working principle of the steam ejector is introduced，the 3D numericalmodeI of steam ei ector is established based on the construction of the ei ector，and the ei ec-torS performances changing with working parameters，geometric parameters is analyzed。

The results show that entrainment ratio increases with the increasing of driving steampressure，decreases with the increasing of outlet pressure，and has an optimal workingsteam pressure(8 kPa).Besides，entrainment ratio decreases with the increasing of mixingzones length of the constant section for fixed working parameters and other geometric pa-ram eters。

KEY WORDS steam ejector；entrainment ratio；working parameters；geometric parameters蒸汽喷射器是-种利用高压蒸汽抽吸低压蒸汽的流体机械。该装置不直接消耗机械能，是-种节能设备。此外，它还具有结构简单、制造容易、运行可靠 、维修管理方便等优点 ，因此被广泛应用 于制冷、石油化工 、纺织 、热 电等工业 领域。

近年来 ，国内外研究人员对喷射器进行 了大量 的研究 ：王金锋 和 Szabolcs Varga等[1 采用二维轴对称喷射器模型研究了工作参数对喷射器性能的影响，二维模型能够较准确地预测喷射器的性能，但却忽略了引射气体从引射口到喷嘴出口过程中的流动阻力。张琦和 T.Sriveerakul等 研究了高温工况下喷射器性能的影响因素，但在制冷工况下却少有涉猎。工作参数 -定时.等截面混合段的长度严重影响着喷射器的性能 ，张博 通过大量数值模拟。指出等截面混合段长度在(6～10)d( 为等截面混合段直径)范围内时，喷射器性能可以稳定在较理想的水平 。汤小亮等 通过实验确定，小型喷射器存在-个最优的等截面混合段长度 L(L<6 )；华敏 则认为 ，L在(0～10)d范围内取值时，对喷射系数影响不大。

笔者采用三维蒸汽喷射器模型进行数值模拟计算，着重分析制冷工况下工作参数、结构参数等对蒸汽喷射器性能的影响，为喷射器的优化设计提供支持 。

1 蒸汽喷射器工作原理蒸汽喷射器是-种传递质量和能量 的装 置，收稿日期：2012 06-15作者简介：刘圣春，博士，副教授，主要从事制冷系统优化及节能、自然工质替代研究。

第 3期 严 忠辰 等 ：制冷工况下蒸汽喷射器性能的数值模拟主要由拉伐尔喷嘴、吸入室、混合室、扩压室等组成 ，如图 1所示 。其工作过程如下 ：具 有较高压力的工作蒸汽，通过拉伐尔喷嘴进行绝热膨胀，在喷嘴出口处达到很高 的速度 ，并在吸入 室造成很低的压力，因而 能将 蒸发器 的低压蒸 汽抽吸到喷射器 的吸入室，以维持蒸发器 内的低压 ，达到持续制冷。此后 ，高速工作蒸 汽与进入 吸入 室的低压冷蒸汽-起进入混合室，t昆合室内这两股气流进行能量交换，流速逐渐趋于-致。两股气流完全混合后仍属超音速气流，这股超音速气流至混合室等截面段 时速度 正好降至 当地音速 ，压力也相应升高至临界压力，如速度仍高于当地音速必将再次产生激波 ，压力 剧增 ，速 度则 由超 音速 降至音速 ，然后进入扩压室 。扩压室 内，随着流速的逐渐降低 ，气 流动能 转化 为压力 能 ，使得 压力 逐渐增大 ，在出口处达到冷凝压力 ，从 而实现 了对冷蒸汽的压缩过程 。

吸入室 拉伐尔喷嘴 混合室 扩压室工作蒸汽混合蒸汽图 1 喷 射 器 结构 简 圈2 数值模拟2.1 控制方程蒸汽喷射器 内蒸汽流动可看作可压缩黏性流动 ，流动过程 中产生的雷诺数-般大于 1×10 ，具有较高的湍流特性。因此，在求解整个计算域内的蒸汽流动时 ，控制方程应 满足质量守恒方程、动量守恒方程 、能量守恒方程 和湍流方程(蒸汽喷射器 内蒸汽的流动是-种湍 流流动 ，采用标准 e湍流方程)。

质量守恒方程为3t杀( ) (1)动量守恒方程为：( )杀(- 芒-击( )去 (等 )- 3，能量守恒方程为击(pujI)-户 -差 (4)其 中- K ∑ 豢 (5)湍流动能输运方程为P pu 老毒[( t 2)差] l0十 i- iI十J i l十(差-Oui)Ou- ㈦e湍流动能耗散率输运方程为P裳 麦 击[(/z )去]警盖(差差) P c7 I /lD式中：z 为各个坐标方向； 为对应方向上蒸汽的速度 ；P为流体静压力 ； 为湍流脉动动能； 为湍流黏性应 力张量 ； 为黏 性系数 ； 为质 量 内能；.， 为热 通量 和物 质扩 散 引起 的焓通 量 的总 和；h 为第 种组分 的比焓 ；IDD ∑ 为第 种(J-IJ组分 的扩散流导致 的焓扩散 ；Y p，n/p，为第 种组分的质 量 分数 ； pC (C 0.09)；c 1.44；c2 1.92； 1； 1.3。

2.2 物理模型利用 Fluent前处理软件 Gambit建立 的蒸汽喷射器的物理模 型如图 2所示 ，模 型包 括工作喷嘴、引射喷嘴、吸入室 、混合室和扩压室 。

图 2 喷射器物理模型表 I 蒸汽喷射器 主要结构尺寸蒸汽喷射器结构 尺寸/ram工作喷嘴人口截面直径工作喷嘴喉部直径工作喷嘴出口截面直径引射喷嘴人 口截面直径混合室人口截面直径混合室喉部直径扩压室出 口截面直径工作喷嘴渐缩段长度工作喷嘴喉部长度工作喷嘴渐扩段长度混合室渐缩段长度等截面混合段长度扩压室长度4 8 6 O 5 4 5 5 剖 潦 室 阗 第1 3卷2.3 网格划分计算 网格 的生成是 CFD的-个重要组 成部分 ，网格质量的好坏直接影响到计算精度 ～建立好 的物理模型在 Gambit中进行 网格划分 ，由于喷射器的结构不规则 ，因此采 用非结构化的 四面体网格，对整个喷射器进行网格划分，并对工作喷嘴进行适 当加密。喷射器局部网格划分结果如 图3所示 ，共有节点 44 925个 ，网格 220 820个 。

6E238E271E《2f)3E235E0276E(110E《)0图 4，L喷射器内速度(m/s)场分布云图从图 4可以看出喷射器内速度场的分布及变化 ：工作蒸汽在喷嘴等截 面段达到音速 ，在喷嘴渐扩段 ，速度 随着截 面积 的增 大而增 大；经过喷 嘴后，工作蒸汽提速至超音速，超音速气流在吸入室内通过剪切作用带动引射蒸汽流 向混合室 ；混合过程中，伴随着动量的交换，使得工作蒸汽流体逐渐减速 ，引射蒸汽加速 ；混合室等截面段 ，两股流体趋于-致，然后进入扩压 室，流速继续降低 ，最后以极低的速度进入冷凝器 。

工作蒸汽流量 72.99 mg/s，引射蒸汽流量 m。1.207 mg/s，则蒸汽喷射器的喷射系数为 0.16 54lllg I · 73.1 工作参数对蒸汽喷射器性能的影响3.1.1 工作蒸汽压力的影响保持引射蒸汽压力和蒸汽出 口压力 不变，模拟计算工作蒸汽压力从 7.1 kPa变 化到 8.3 kPa时的喷射器 的喷射系数。引射蒸 汽压力 为 1.25kPa，蒸汽出口压力为 1.65 kPa时 ，喷射系数随工作蒸汽压力的变化如图 5所示。

图 5 工作蒸汽压力对 喷射 系数的影 响从 图 5可 以看 出，当工作蒸汽压 力 P 7.1kPa时 ，喷射系数 0.002，是工作蒸汽压力变化范围内的最小值 ；如果继续降低工作蒸汽压力 ，喷射系数会趋于 ，导致喷射器不能正常工作。当工作蒸汽压力 P <8 kPa时，喷射系数随工作蒸汽压力的增大而增 大；当P 8 kPa时，喷射系数达到最大值，此时喷射系数 -).27 8；当工作蒸汽压力 P >8 kPa时，喷射系数随工作蒸汽压力的增大而缓慢减小 。因此，提高工作蒸汽 压力并不-定能改善喷射器的工作性能，工作蒸汽压力保持在 8kPa左右抽吸蒸汽，喷射器的性能可以达到最佳。

第 3期 严忠辰 等 ：制冷工况下蒸 汽喷射器性能 的数值模 拟3.1.2 引射蒸汽压力的影响保持 工作蒸汽压力和蒸汽 出 口压力 不变 ，模拟计算引射蒸汽压力从 1.25 kPa变化到1.60 kPa时的喷射器的喷射系数。工作蒸汽压力为 7.381kPa，蒸汽 出口压力为 1.65 kPa时 ，喷射系数随引射蒸汽压力的变化如图 6所示。

引射蒸汽压力/kPa图 6 引射蒸汽压力对喷射 系数的影响从图 6可以看 出，当引射蒸汽压力 P 1.25kPa时，喷射 系数 0.016 54；当 P <1.25 kPa时，喷射系数会急剧减小为 0，此时喷射器无法正常工作；当1.25 kPap <1.60 kPa时，喷射系数随引射蒸 汽压力 的增 大而增大 。因此 ，可 通过提高引射蒸 汽压力增大喷射 系数 ，但 由于受 到工作条件的限制 ，引射蒸 汽 压力 应保 持在 1.4～ 1.5kPa范围内。

3.1.3 蒸汽出口压力的影响保持工作蒸汽压力、引射蒸汽压力不变，模拟计算蒸 汽出 口压力从 1.30 kPa变化到 1.65 kPa时的喷射器的喷射系数 。工作蒸汽压力为 7.381kPa，引射蒸汽压力为 1.25 kPa时 ，喷射系数 随蒸汽出口压力的变化如图 7所示 。

蒸汽出口压力/kPa图 7 蒸汽 出口压力对喷射系数的影响从图 7可以看 出，当蒸汽出 口压力 P 1.3kPa时 ，喷射系数 0.068 37；当 1.3 kPap <1.45 kPa时，喷射 系数 随蒸汽 出 口压力 的增大而缓慢减小 ；当 1.45 kPap <1.65 kPa时，喷射系数随蒸汽 出 口压力 的增 大 而急剧 减 小；当 P 1.65 kPa时 ，喷射系数 0.)16 54，为此范围内的最小值 ；当 P 1.68 kPa时 ，喷射系数急剧减小为 ，喷射器无法正常工作 。

3.2 结构参数对蒸汽喷射器性能的影响喷射器的性能由喷射器的工作参数和喷射器的结构决定。当工作参数-定时，只能通过改变喷射器结构提高喷射器性能。

模拟计算工作参数-定 时，等截 面昆合段长度从 5 mm变化到 40 mm时的喷射器的喷射系数 。蒸汽的工作压力 、引射压力 和出 口压力分别为 7.381 kPa，1.6 kPa和 1.65 kPa时 ，喷射系数随混合室长度的变化如图8所示。

等截面混合室长度/mm图 8 等截 面混合段长度对喷射系数 的影响从图 8可以看出，等截面混合段长度 L5 mm时， 0.270 1；L40 mm时， 0.004。当 L<6( 5.6 mm)时，喷射系数 随等截面混合段长度的增大而减小 ，当 L>6 时，喷射系数急剧减小为 0，喷射器无法正常抽吸蒸汽。由此可知，等截面混合段长度越小，喷射器的性能越优；但为了防止因磨损而导致流通截面发生改变，宜取L5 1TI1TI。

4 结论通过建立可以精确模拟喷射器性能 的三维喷射器模型，并进行数值模拟，得到如下结论：1)对于确定几何参数的蒸汽喷射器：①引射蒸汽压力和蒸汽出口压力分别为 1.25kPa和 1.65 kPa时，喷射系数随工作蒸汽压力的增大先增大后逐渐减小，存在-个最佳工作蒸汽压力值 P 8 kPa，此时喷射系数 0.027 8。

剖 痔 室 调 第13卷②工作蒸汽压力和蒸 汽出 口压力不 变时，喷射系数随引射蒸汽压力的增大而增大 。

③工 作 蒸 汽 压 力 和 引 射 蒸 汽 压 力 分 别 为7.381 kPa和 1.25 kPa时 ，喷射 系数 随蒸汽出 口压力的增大而减小，当 P >1.45 kPa时，喷射系数急剧减小为 。

2)对于工作蒸汽压力、引射蒸汽压力和蒸汽出口压力分别为 7.381 kPa，1.6 kPa和 1.65 kPa的蒸汽喷射器，当等截面混合段长度 L<6d时，喷射系数随等截面混合段长度的增大而减小，考虑到磨损会导致流通截面发生变化 ，取 L5 mm，此时 0.270 1。