可調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵研究進展

任建波，苗 超，胥建美，李 強，謝春剛

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

蒸汽噴射泵作為多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)的核心部件，可以提高動力蒸汽的循環(huán)利用效率，充分對低品位熱源進行再利用并降低系統(tǒng)能耗，直接提升海水淡化系統(tǒng)的造水能力。蒸汽噴射泵在擁有諸多優(yōu)點的同時，也存在一定的不足之處。由于通常采用固定的結(jié)構(gòu)設(shè)計，蒸汽壓力、流量可調(diào)節(jié)范圍很小，必須在一定的范圍內(nèi)才能正常工作，否則工作效率將會極大的降低，甚至不能工作。然而，工業(yè)生產(chǎn)中由于受到諸多不可控因素的影響，不可避免地引起工作蒸汽壓力的波動，從而導致蒸汽噴射泵性能嚴重惡化。

可調(diào)節(jié)式蒸汽噴射泵對于改善噴射泵性能、保持高效穩(wěn)定運行具有重要的現(xiàn)實意義。文章首先介紹了蒸汽噴射泵的基本工作原理和研究進展，隨后重點介紹了可調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵的研究進展情況，以期為蒸汽噴射泵的發(fā)展提供新的思路。

1 蒸汽噴射泵基本工作原理

典型蒸汽噴射泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括噴嘴、吸入室、混合室和擴散室。高溫高壓的工作蒸汽在噴嘴內(nèi)部發(fā)生絕熱膨脹，速度不斷增大、壓力不斷減小，在噴嘴出口處達到超音速，形成一個相對低壓區(qū)。由于噴嘴出口處該低壓區(qū)域的剪切作用，引射蒸汽進入吸入室，與工作蒸汽在混合室內(nèi)進行混合。在經(jīng)過等壓以及等面積混合室的復雜混合后，混合蒸汽的速度在擴散室內(nèi)不斷減小，壓力不斷升高，在噴射泵出口處完成對引射蒸汽的增壓。

圖1 蒸汽噴射泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of steam ejector

根據(jù)噴射泵運行時引射系數(shù)和出口壓力之間的關(guān)系，可將噴射泵的工作模式可分為三種：臨界模式、次臨界模式和回流模式。當出口壓力低于臨界背壓時，噴射泵在臨界模式下工作，引射系數(shù)保持在一個恒定的最大值。當出口壓力略高于臨界背壓時，噴射泵處于亞臨界狀態(tài)，引射系數(shù)會迅速下降。當出口壓力繼續(xù)升高，蒸汽發(fā)生倒流現(xiàn)象，進入回流模式，蒸汽噴射泵無法正常工作。因此，噴射泵應(yīng)設(shè)計過程中應(yīng)保證其在臨界模式下工作，以保持最佳的引射性能。

2 蒸汽噴射泵研究進展

蒸汽噴射泵雖然結(jié)構(gòu)簡單，但內(nèi)部流體相互作用情況卻十分復雜，如激波的形成條件、相變的發(fā)生及對噴射性能的影響、邊界層分離等物理現(xiàn)象的存在[1]。

蒸汽噴射泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)微小的變化對其性能有著極大影響，為了提高蒸汽噴射泵的性能，國內(nèi)外研究者在噴射泵結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面開展了大量的研究工作。沈勝強等[2]基于氣體動力學原理，提出了蒸汽噴射泵結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，并建立了蒸汽噴射泵性能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和實用方法。余志宏[3]研究了噴射泵進出口直徑、混合室長度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，進出口壓力等操作參數(shù)對噴射泵引射系數(shù)的影響。Rusly等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)，噴嘴在蒸汽噴射泵內(nèi)部的位置對其性能的影響很大，并且位于激波發(fā)生前的位置時可以使噴射泵的引射系數(shù)達到最佳。Ruangtrakoon等[5]研究了噴嘴尺寸對固定結(jié)構(gòu)噴射泵性能的影響，發(fā)現(xiàn)蒸汽混合時產(chǎn)生的激波位置和噴嘴的擴張角度對噴射泵性能具有重要影響。嚴嘉等[6]研究發(fā)現(xiàn)面積比與噴嘴出口位置對于噴射泵的性能影響最大，并且優(yōu)化了噴射泵的尺寸，為噴射泵的工程應(yīng)用提供了設(shè)計指南。此外，噴射泵的混合室截面尺寸、擴散室結(jié)構(gòu)尺寸、恒定面積截面尺寸等也被認為是影響噴射器性能的重要因素[7]。然而，上述研究僅針對固定結(jié)構(gòu)的蒸汽噴射泵開展的研究。

3 可調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵研究進展

固定結(jié)構(gòu)的蒸汽噴射泵在設(shè)計工況下，通常具有較好的引射性能。然而，隨著工作蒸汽參數(shù)的變化，偏離設(shè)計條件將不可避免地導致引射性能的惡化。一些特殊結(jié)構(gòu)的蒸汽噴射泵，在一定程度上可以滿足非設(shè)計條件的要求，但其工作范圍仍然很窄，難以適應(yīng)蒸汽參數(shù)波動較大的情況。因此，開發(fā)可調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵已成為近年來的研究熱點?？偨Y(jié)相關(guān)文獻，可以將可調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵分為噴嘴出口位置可調(diào)的蒸汽噴射泵和面積比可調(diào)的蒸汽噴射泵兩種類型。

3.1 噴嘴位置可調(diào)的蒸汽噴射泵

噴嘴出口位置被定義為噴嘴出口與等壓混合室入口之間的距離。噴嘴出口位置決定了工作流體與引射流體混合所在位置，當工況變化時，調(diào)整噴嘴位置能夠有效提升蒸汽噴射泵性能。

張銘[8]提出了噴嘴位置可調(diào)的蒸汽噴射泵，根據(jù)工作蒸汽的壓力、溫度、流量等的變化，手動調(diào)節(jié)噴嘴位置，以保證噴射泵在最佳點工作，實現(xiàn)系統(tǒng)在變工況下的穩(wěn)定運行。邢桂菊等[9]通過大量實驗和計算研究，分析了改變噴嘴在吸入管的位置來提高噴射泵引射效率的可行性，研究發(fā)現(xiàn)該方法可以使噴射泵效率最多提高10%以上。Wang等[10]提出了自適應(yīng)噴嘴出口位置噴射器的概念，并開展了試驗測試。實驗結(jié)果表明，該方法可以提高MED-TVC海水淡化系統(tǒng)的蒸汽噴射泵的性能。

3.2 面積比可調(diào)的蒸汽噴射泵

面積比被定義為蒸汽噴射泵喉部與噴嘴喉部之間的面積比。面積比是設(shè)計蒸汽噴射泵的核心參數(shù)，對于噴射泵內(nèi)部超音速流體的馬赫數(shù)分布具有重要影響。為實現(xiàn)蒸汽噴射泵的可調(diào)節(jié)性，可通過調(diào)節(jié)針在噴嘴內(nèi)的線性運動來改變噴嘴喉部的當量直徑，從而改變面積比，實現(xiàn)對噴射器性能的調(diào)節(jié)。典型面積比可調(diào)蒸汽噴射泵如圖2所示。

圖2 典型面積比可調(diào)蒸汽噴射泵Fig.2 Schematic diagram of steam ejector

沈勝強等[11-12]并提出了在噴嘴內(nèi)軸向加入調(diào)節(jié)錐的可調(diào)式蒸汽噴射泵，并開展了理論和試驗研究，通過研究表明帶有噴針裝置的可調(diào)式蒸汽噴射泵在非額定工況下，仍具有較高的噴射系數(shù)，可以使得噴射系數(shù)提高57%。通過噴針的調(diào)節(jié)，可以減小出口流量的波動，抵消入口參數(shù)對出口參數(shù)以至整個系統(tǒng)的影響。謝江維[1]開展了可調(diào)式蒸汽噴射泵的數(shù)值模擬研究，給出了類似的結(jié)論，可調(diào)節(jié)式蒸汽噴射泵可以降低進出口參數(shù)對噴射泵性能的影響，使噴射系數(shù)和出口流量都維持在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。然而，上述研究中并未指出噴針的具體調(diào)節(jié)方法。針對面積比可調(diào)節(jié)的蒸汽噴射泵的調(diào)節(jié)方法，張志平[13]提出了通過手工操作旋轉(zhuǎn)手輪或電磁閥自動控制，軸向移動錐形軸移入或移出噴嘴以控制動力蒸汽的流量的方法。雖然能夠?qū)崿F(xiàn)蒸汽噴射泵的調(diào)節(jié)，但需要手動進行調(diào)節(jié)，或通過蒸汽測試儀表獲取流量、溫度信號將其傳遞給控制機構(gòu)進行調(diào)節(jié)。任建波[14]等提出了一種動態(tài)自調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵，通過在噴嘴內(nèi)部設(shè)置彈簧和調(diào)節(jié)活塞，達到了自動調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵面積比的效果，從而實現(xiàn)噴射泵在工作蒸汽壓力波動的條件下穩(wěn)定工作的目的。Wang等[15-16]在傳統(tǒng)蒸汽噴射泵的噴嘴內(nèi)添加一根噴針，與波紋管執(zhí)行機構(gòu)相連，通過波紋管感知動力蒸汽壓力的波動，推動噴針進行軸向位移，改變噴針對于噴嘴喉部的堵塞面積，從而實現(xiàn)自適應(yīng)動力蒸汽的壓力。研究發(fā)現(xiàn)當動力蒸汽在800 kPa～2 000 kPa范圍內(nèi)波動，臨界背壓20 kPa的工況下，自調(diào)控面積比蒸汽噴射泵的平均引射系數(shù)為1.39，傳統(tǒng)固定結(jié)構(gòu)蒸汽噴射泵的引射系數(shù)僅為0.69。

4 結(jié)語和展望

1)大量的理論和試驗研究證明可調(diào)節(jié)蒸汽噴射泵的可行性，但由于工作蒸汽波動的影響因素較多，存在瞬時性和不穩(wěn)定性，采用手動調(diào)節(jié)或通過流量、溫度、壓力等信號傳遞給控制機構(gòu)進行調(diào)節(jié)，均會存在一定的延遲，不能很好地針對工作蒸汽參數(shù)波動情況進行調(diào)節(jié)。

2)自調(diào)節(jié)類型的蒸汽噴射泵還需要進行深入研究，如彈簧或波紋管的彈性模量、剛度系數(shù)等參數(shù)，針對蒸餾海水淡化工程實際情況開發(fā)工程樣機，推動其在蒸餾海水淡化系統(tǒng)中的應(yīng)用。