液—液引射器的研究與應(yīng)用進展

魯佳 李鵬飛 劉威 胡彧 田雅婧 黃偉

【摘 要】本文介紹了液-液引射器的工作原理、工作特點、基本理論研究進展以及其在噴射泵、化工過程、熱能工程和巖土鉆探工程等領(lǐng)域的應(yīng)用研究進展。液-液引射器可直接利用各種有壓能源， 無需增加過多輔助設(shè)備， 具有很好的綜合效益，可廣泛應(yīng)用于工作液體與引射液體之間的傳質(zhì)、傳熱以及強化流動。

【關(guān)鍵詞】液-液引射器；噴嘴；噴射泵；射流器

中圖分類號： TH122 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）01-0154-002

【Abstract】This paper introduces the working principle，working characteristics and basic theory research progress of liquid-liquid ejector as well as its application and research progress in such fields as jet pump，chemical process， thermal engineering and geotechnical drilling engineering.Liquid - liquid ejector can directly use a variety of pressure energy， without adding too much ancillary equipment，has a very good comprehensive benefits， can be widely used in the working fluid and the induced liquid mass transfer，heat transfer and enhanced flow.

【Key words】Liquid-liquid ejector；Nozzle；Jet pump；Jet

1 液-液引射器基本工作原理及其特點

液-液引射器主要是由噴嘴、引射室、混合室、喉管、擴散室等幾個部分組成[1]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。具有較高壓力的工作液體流經(jīng)噴嘴絕熱膨脹，靜壓力降低，速度增大，在噴嘴出口處達到較高速度甚至亞音速或者超音速，從而形成一定負壓區(qū)，將具有較低壓力的引射液體夾帶或者卷吸進入混合室。工作液體和引射液體與在混合室內(nèi)發(fā)生宏觀混合、介觀混合和微觀混合等混合過程[2]，實現(xiàn)兩束液體間的質(zhì)量、動量和能量交換并達到平衡。混合后的液體進入到擴散室后，壓力繼續(xù)增大，在擴散室出口，混合流體以高于引射液體的壓力排出引射器。廣泛地應(yīng)用于工作液體與引射液體之間的傳質(zhì)、傳熱以及強化流動。

液-液引射器具備引射器所具有體積小、噪聲低、成本低廉、使用方便和工作可靠等優(yōu)點外，還具備可直接利用各種有壓能源， 無需增加過多輔助設(shè)備， 節(jié)約能源，降低能耗特點，具備很好的綜合效益。

2 基本理論研究進展

液-液引射器的性能與自身結(jié)構(gòu)、工作流體、引射流體密切相關(guān)，其工作過程涉及到的流體力學(xué)、熱力學(xué)等方面都比較復(fù)雜，目前尚無確切的計算方法。在設(shè)計中，設(shè)計者一般都是先根據(jù)工程經(jīng)驗公式進行初步設(shè)計，再進行基于CFD的優(yōu)化設(shè)計。李應(yīng)林[3]等以R134a為工質(zhì)，計算結(jié)構(gòu)參數(shù)對引射性能的影響，結(jié)果表明，引射系數(shù)隨噴嘴出口直徑、混合室長度的增大而不同程度的減小，引射系數(shù)隨混合室直徑、工作流體流量、噴嘴長度和擴散室長度的增大而不同程度的增大。劉傳超[4]等研究發(fā)現(xiàn)不恰當(dāng)?shù)囊浣嵌葘?dǎo)致引射流體在噴嘴外圍環(huán)隙的速度和流量分配不均，進而導(dǎo)致流場偏移，并且在其研究參數(shù)下，最佳引射角度為60°。別海燕[1]等以水和乙醇分別作為工作流體和引射流體研究得到噴嘴出口形狀為橢圓形的噴射器的混合性能優(yōu)于圓形、三角形和方形的噴射器。沈銀華[5]等研究噴嘴參數(shù)對射流性能的影響，研究表明，由于噴射器擴散室的影響，引射流沒有等速核段，并且在噴嘴出口處速度會發(fā)生躍變。噴嘴出口后的射流軸心速度衰減同無圓柱段噴嘴射流基本段的軸心速度衰減相似， 斷面上的速度分布具有自模性。畢榮山[6]建立了液-液噴射器的實驗裝置，并利用PLIF技術(shù)研究不同結(jié)構(gòu)尺寸對引射器湍流混合性能的影響，研究結(jié)果表明，工作流體/引射流體流量比值越小，混合效果越好，完成混合需要的距離越短；在低工作流體流量下，混合室入口直徑/噴嘴直徑比值越大，混合效果就越好，混合效果與引射流體的壓力損失成正比。

3 應(yīng)用研究進展

3.1 噴射泵的應(yīng)用研究進展

噴射泵在有限空間內(nèi)形成射流， 使工作流體與被吸流體進入混合室內(nèi)通過射流邊界層的湍動擴散作用進行能量及質(zhì)量的交換， 提高出口流體的壓力和流量。鄺緒澄[7]詳細介紹了引射泵中噴嘴、混合室、擴散室等部件的結(jié)構(gòu)型式和尺寸的設(shè)計，并給出了射流泵的最高效率、設(shè)計特性、制造注意事項和應(yīng)用情況。楊雪龍[8]等采用兩種方法設(shè)計噴射泵的擴散室，并對噴射泵的混合室長度、擴散角度和型線優(yōu)化，研究結(jié)果表明，基于兩種方法設(shè)計的擴散室均能均能獲得較好的性能，并且獲得最有混合室長度、擴散室型式和擴散角分別為6倍混合室直徑、錐形和8°。郭新貴[9]等以N-S方程為基礎(chǔ)，采用 Galerkin解法和 Baldwin- Lomax湍流模型，對大峽水電站頂蓋排水射流泵內(nèi)部軸對稱流場進行數(shù)值模擬，得到了全流場的速度、壓力分布，與現(xiàn)場實驗結(jié)果基本一致。龍新平[10]等對射流泵內(nèi)部流場和性能進行了數(shù)值模擬，經(jīng)與實驗結(jié)果相比，證實了數(shù)值模擬的可靠性，還計算出射流泵最優(yōu)喉嘴距范圍為0.5～1.5 倍噴嘴直徑之間，1倍喉嘴距時效率最高。何培杰[11]等對沸水反應(yīng)堆噴射泵內(nèi)部流動進行了數(shù)值計算和流動分析，預(yù)測了壁面壓強和軸心速度分布，計算值與試驗值吻合很好，分析結(jié)果表明，對于給定混合室面積與噴嘴面積比的噴射泵，射流核長度以及是否出現(xiàn)回流只與引射流體與工作流體流量比有關(guān)。

3.2 化工過程方面的應(yīng)用研究進展

液-液引射器具備對引射流體和工作流體間強烈的質(zhì)量傳遞、熱量傳遞以及動量傳遞的特點，廣泛應(yīng)用于噴射吸收、物料混合、強腐蝕介質(zhì)輸送等化工過程。畢榮山[12]等利用兩環(huán)境矩直接積分模型對引射器內(nèi)液液平行-競爭反應(yīng)體系進行了研究，結(jié)果表面，隨著引射流體流速的增加或隨著工作流體流速的小，平行-競爭反應(yīng)的選擇性越來越高，副反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率越來越低。何培杰[13]等研究認為液-液引射器可以較為理想地實現(xiàn)農(nóng)藥與水“在線”混合，建議選用面積比小的混藥裝置，并注意引射器進口壓力較高時發(fā)生氣蝕。趙紅妹[14]研究在異氰酸酯生產(chǎn)中光氣化反應(yīng)中，光氣與TDA和DEIP兩股液體都與混合段軸線平行進料時混合效果最好。王明沖[15]介紹了設(shè)置有液-液引射器的混合裝置用于塔里木油田原油脫硫中脫硫劑的添加，使用液-液引射器的混合裝置較靜態(tài)混合裝置提高了混合效果， 藥劑用量降低35 %以上， 具有良好的經(jīng)濟效益，該裝置還具有生產(chǎn)連續(xù)、混合時間短、適用范圍廣等特點。李文國[16]等介紹了液-液引射器用于除鹽裝置凝結(jié)水回收系統(tǒng)的改造，改造后系統(tǒng)利用壓力較高的凝液作為動力源，使壓力較低的凝結(jié)水全部回收。項目實施后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可回收利用和減少排放大量冷凝水，減少資源浪費，提高經(jīng)濟效益。

3.3 熱能工程方面的應(yīng)用研究進展

在供熱工程中，液-液引射器一般應(yīng)用于換熱站或建筑物入口處，利用管網(wǎng)“富余壓頭”產(chǎn)生供水資用壓頭抽引熱網(wǎng)回水起到混水的作用[17]提高供熱外網(wǎng)的水力穩(wěn)定性， 增大供暖末端用戶的資用壓差。張琨[18]分析討論了區(qū)域供熱系統(tǒng)管網(wǎng)參數(shù)變化對液-液引射器幾何尺寸的影響，工作流體溫度對截面比影響較明顯，而系統(tǒng)壓力損失的改變對引射器擴散室部分的尺寸無影響。王平[17]等研究出4種適用于供熱工程設(shè)計及運行的液-液引射器特性曲線，可根據(jù)特性曲線并結(jié)合供熱網(wǎng)絡(luò)的運行狀況，對液-液引射器進行調(diào)節(jié)。任衛(wèi)英[19]介紹液-液引射器在高低區(qū)直連系統(tǒng)，一、二次網(wǎng)直連系統(tǒng)以及二次管網(wǎng)上的應(yīng)用供水壓力中的應(yīng)用，液-液引射器在這些應(yīng)用中都可以有效的消耗掉富余壓頭或供水壓力， 提高供熱外網(wǎng)的水力穩(wěn)定性， 提高供暖末端用戶的資用壓差。尹鵬[20]介紹液-液引射器在北方地區(qū)的供熱工程的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)相比，液-液引射器用于供熱系統(tǒng)，有利于提高系統(tǒng)水力穩(wěn)定性，緩解系統(tǒng)水力失調(diào)、冷熱不均的現(xiàn)象，并且經(jīng)實踐表明，采用液-液引射器的供熱系統(tǒng)能有效降低水泵運行功耗和采暖能耗。

3.4 巖體鉆探方面的應(yīng)用研究進展

液-液引射器在鉆孔工程中的應(yīng)用是以引射水射流直接切割或破碎煤巖或者刀具破碎煤巖為主，以引射水流沖蝕為輔。由于引射流壓力大，在很小的范圍內(nèi)聚集很大的能量，對巖土層具有強大沖擊破碎力。王學(xué)鵬[21]利用數(shù)值分析軟件對不同工況下壓裂施工管柱進行了受力和變形分析，還通過CFD計算對液液引射器單簇自由流場和環(huán)空流場數(shù)值仿真模擬，研究表明，液-液引射器中的噴嘴起到聚能加速作用，使攜砂水流在出口迅速加速，并攜砂水可能會對引射器造成沖蝕磨損。唐建新[22]等根據(jù)液-液引射器原理設(shè)計了應(yīng)用于抽放鉆孔中切割煤體的高壓水射擊流裝置，對噴嘴和引射器進行了現(xiàn)場試驗，試驗優(yōu)化得到最佳液-液引射器結(jié)構(gòu)參數(shù)和切割速度，并且煤層采用高壓液液引射器切割縫后，鉆孔預(yù)抽瓦斯的抽放率提高了18.8%，抽放時間縮短90%以上。朱麗紅[23]等借助CFD數(shù)值模擬確定二級引射裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對鉆頭引射系數(shù)的影響，優(yōu)化得到引射孔直徑為11mm、中心孔直徑為44mm、引射孔角度為30°和引射孔距反循環(huán)鉆頭底面距離為180mm時，引射結(jié)果最佳，還利用反循環(huán)孔底流場實驗臺證明模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合，證明了二級引射裝置能夠有效提高貫通式潛孔錘鉆進技術(shù)的反循環(huán)效果。

4 總結(jié)

液-液引射器具備引射器具備的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲低、成本低廉、使用方便和工作可靠等通用優(yōu)點，還可直接利用各種有壓能源， 無需增加過多輔助設(shè)備， 具有很好的綜合效益，適用于工作液體與引射液體之間的傳質(zhì)、傳熱以及強化流動。

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