射水抽氣器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的試驗(yàn)研究

王升龍 索英杰 楊善讓 趙 波 李俊朋

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

射水抽氣器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的試驗(yàn)研究

王升龍*索英杰 楊善讓 趙 波 李俊朋

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

利用試驗(yàn)臺(tái)對(duì)射水抽氣器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)。給出了試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)表的表頭設(shè)計(jì)方法。以正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法分析了噴嘴壓力、喉嘴間距和面積比3個(gè)因素對(duì)引射系數(shù)的影響，并得到了最優(yōu)方案。模擬結(jié)果表明：3個(gè)因素對(duì)引射系數(shù)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(shù)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(shù) 面積比 噴嘴入口壓力 喉嘴間距

空冷機(jī)組壓縮制冷循環(huán)壓縮機(jī)功耗大、造價(jià)高、運(yùn)維費(fèi)用大，且北方地區(qū)夏季時(shí)間短，使其利用率較低，導(dǎo)致壓縮制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性不高，造成整個(gè)壓縮式復(fù)合制冷循環(huán)間冷系統(tǒng)回收周期加長(zhǎng)。對(duì)此，本課題組研究了吸收式和混合升壓式制冷循環(huán)來取代壓縮式制冷循環(huán)，其中混合升壓式制冷循環(huán)可完全克服壓縮式的諸多缺點(diǎn)，且大型化的可行性較大，因此小規(guī)模工業(yè)試驗(yàn)可采用混合升壓式制冷作為復(fù)合循環(huán)間冷系統(tǒng)的制冷循環(huán)，如此，造價(jià)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(huán)研究領(lǐng)域中，氣液噴射器的基本理論在16世紀(jì)就被提出。19世紀(jì)60年代，德國(guó)學(xué)者Zeume G根據(jù)動(dòng)量守恒原理提出了噴射器的基本理論[1]。到了20世紀(jì)四五十年代，Keenan J H和Neumann E P在空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒定律首先建立了空氣的一維等面積混合流動(dòng)模型[2]。隨后，Keenan J H又引入了等壓混合概念對(duì)模型進(jìn)行修正[3]。文獻(xiàn)[4]在動(dòng)量守恒定律的基礎(chǔ)上，借助氣體動(dòng)力函數(shù)和自由流束理論推導(dǎo)出了計(jì)算噴射系數(shù)的方法。Eames I W等改進(jìn)了Keenan J H的模型，在噴嘴、混合室和擴(kuò)散室中引入不可逆損失，同時(shí)用試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證[5]。沈勝?gòu)?qiáng)等對(duì)噴射器工作性能與工質(zhì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系進(jìn)行了綜合研究，并在此基礎(chǔ)上提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[6～12]。

另外，真空不僅影響汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，真空值的降低還可能造成汽輪機(jī)被迫停機(jī)。李勇等通過對(duì)汽輪機(jī)真空系統(tǒng)嚴(yán)密性進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真，分析了凝汽器各運(yùn)行參數(shù)，指出依據(jù)真空下降速度很難準(zhǔn)確評(píng)價(jià)真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正[13]。張炳文和陳躍對(duì)300MW機(jī)組應(yīng)用雙壓凝汽器低真空供熱方案進(jìn)行改進(jìn)，提出了結(jié)合尖峰加熱器的雙壓凝汽器低真空供熱方案，發(fā)現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)[14]。

射水抽氣器作為一種非旋轉(zhuǎn)式可獲得真空的流體器械，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無相對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)構(gòu)件、工作穩(wěn)定性高、設(shè)備維修量小，現(xiàn)已在石油、化工、冶金及電力等產(chǎn)生廢熱的工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。為了使射水抽氣器提高效率而對(duì)它進(jìn)行性能方面的研究有著重大的科學(xué)意義。為此，筆者利用試驗(yàn)臺(tái)對(duì)混合升壓式制冷復(fù)合循環(huán)間接空氣冷卻系統(tǒng)中的射水抽氣器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)，研究噴嘴入口壓力、喉嘴間距和面積比對(duì)引射系數(shù)的影響，從而得出最優(yōu)方案指導(dǎo)射水抽氣器的性能結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

1.1試驗(yàn)設(shè)備

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

a. 試驗(yàn)系統(tǒng)

b. 射水抽氣器

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)中，水箱中的水被水泵帶動(dòng)，經(jīng)過渦街流量?jī)x、球形閥、噴嘴和喉管最終回到水箱，形成往復(fù)閉式循環(huán)。

循環(huán)水經(jīng)過噴嘴后，在接收室形成真空，產(chǎn)生負(fù)壓，使喇叭口附近的空氣被吸入?？諝饨?jīng)管道進(jìn)入接收室，與循環(huán)水混合，共同進(jìn)入喉管，經(jīng)過水箱。最終，空氣從水箱上面的排氣孔回到環(huán)境中。此過程為開式循環(huán)。

在噴嘴中循環(huán)水大部分從動(dòng)力孔射出，另一小部分從捕氣孔射出?？諝獗粍?dòng)力孔周圍產(chǎn)生的負(fù)壓吸入，從噴嘴附近經(jīng)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(dòng)力孔面積與捕氣孔面積的總和之比稱為面積比。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)利用渦街流量?jī)x測(cè)量循環(huán)水體積流量，測(cè)量范圍為1.5～15.0m3/h；利用皮托管測(cè)風(fēng)儀測(cè)量空氣體積流量。用被抽吸空氣的體積流量除以循環(huán)水的體積流量，即得到混合升壓式射水抽氣器的引射系數(shù)u0：

式中vair——空氣的體積流量，m3/h；

vwater——循環(huán)水的體積流量，m3/h。

2 試驗(yàn)過程

2.1因素和水平安排

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

表1 因素水平表

2.2表頭設(shè)計(jì)

因?yàn)樵囼?yàn)不考慮交互作用，所以可以任意設(shè)計(jì)表頭。當(dāng)試驗(yàn)開始時(shí)由于不考慮交互作用而選取較大的正交表導(dǎo)致空白列較多時(shí)，最好的處理方法是仍跟有交互作用時(shí)一樣，按照規(guī)定對(duì)表頭進(jìn)行設(shè)計(jì)。區(qū)別是先將有交互作用的列視為空白列，等試驗(yàn)操作結(jié)束后再進(jìn)行判斷。

2.3組織填表

三因素五水平的試驗(yàn)可選擇L25(56)正交表。因素根據(jù)表頭設(shè)計(jì)的格式，水平按照對(duì)號(hào)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(yàn)方案，具體見表2。

表2 試驗(yàn)方案

表內(nèi)每一橫行的水平組合即做一次試驗(yàn)，25個(gè)橫行代表做25次試驗(yàn)。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(yàn)方案一經(jīng)確定，必須嚴(yán)格按照各號(hào)試驗(yàn)的水平組合進(jìn)行，不能隨意更改。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1利用正交表做整體分析

通過正交試驗(yàn)，得到25組引射系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，具體見表3。

表3 引射系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

(續(xù)表3)

正交試驗(yàn)計(jì)算步驟如下：

通過正交試驗(yàn)可知，A5為A的最優(yōu)水平，B2為B的最優(yōu)水平，C2為C的最優(yōu)水平，A5B2C2為試驗(yàn)最優(yōu)方案。

另外，R3>R1>R2，由此可知，3個(gè)試驗(yàn)因素中面積比對(duì)試驗(yàn)結(jié)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(dú)分析

分別以3個(gè)因素為橫坐標(biāo)，引射系數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制因素與引射系數(shù)的關(guān)系曲線如圖3～5所示。

圖3 噴嘴入口壓力與引射系數(shù)的關(guān)系

圖4 喉嘴間距與引射系數(shù)的關(guān)系

圖5 面積比與引射系數(shù)的關(guān)系

由圖3～5可以看出，隨著噴嘴入口壓力的增加，引射系數(shù)持續(xù)增加；隨著喉嘴間距和面積比的增加，引射系數(shù)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(shí)引射系數(shù)取最大值。

試驗(yàn)最優(yōu)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(yàn)得到引射系數(shù)為2.660。

4 結(jié)論

4.13個(gè)因素對(duì)引射系數(shù)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(shù)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(shí)，引射系數(shù)達(dá)到最大，其值為2.660。

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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)