低溫多效海水淡化用蒸汽噴射器的優(yōu)化設(shè)計

　　提高蒸汽噴射器性能，能夠降低低溫多效海水淡化系統(tǒng)能耗，采用理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對噴射器性能進行研究。在噴射器索科洛夫設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，修正了噴射器最大可達噴射系數(shù)的計算模型。利用改進的噴射器設(shè)計模型對某低溫多效海水淡化用蒸汽噴射器進行優(yōu)化設(shè)計，噴射系數(shù)達到1.35，優(yōu)于原方法計算結(jié)果0.96。并對噴射器幾何模型進行CFD 數(shù)值模擬驗證，結(jié)果表明噴射器的可達噴射系數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸處于最優(yōu)值，驗證了改進的噴射器設(shè)計模型的可靠性。

　　低溫多效海水淡化系統(tǒng)中，蒸汽噴射器利用高品位工作蒸汽在Laval 噴嘴出口形成的超音速低壓蒸汽流引射海水淡化裝置后效低品位蒸汽再利用，可以有效減少冷源損失，降低系統(tǒng)熱耗，提高造水比。因此蒸汽噴射器的工作性能直接影響到海水淡化系統(tǒng)的經(jīng)濟性。由于噴射器內(nèi)部兩流體的湍流混合特性、激波面上流體的相互作用、邊界層剪切應(yīng)力的復(fù)雜性以及流體超音速相變等問題，使得很難對噴射器內(nèi)部流場的具體情況進行計算，只能采取某些假設(shè)或簡化的方法來進行相關(guān)設(shè)計計算。

　　目前蒸汽噴射器的設(shè)計方法主要有氣體動力學(xué)方法、熱力學(xué)方法以及圖表法，其中以一維氣體動力學(xué)為基礎(chǔ)的索科洛夫法和奧·芳夫法最具代表性。索科洛夫法迭代計算中混合段面積比β 取經(jīng)驗定值、入口壓力取值不合理及未考慮激波影響等問題使得最終得到的噴射系數(shù)較低。而奧·芳夫法假定整個混合過程等壓進行，依靠喉口形成的正激波來使超音速氣流變?yōu)閬喴羲贇饬�，偏離了實際物理過程。本文通過對索科洛夫法進行改進，在迭代計算中引入混合段面積比β 的關(guān)聯(lián)式取代原方法的經(jīng)驗定值，并對混合段進行分段設(shè)計，使可達噴射系數(shù)較大提高。運用改進的設(shè)計模型對某海水淡化系統(tǒng)噴射器進行性能計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過CFD 進行流場模擬，驗證結(jié)果的可靠性。

　　1、索科洛夫噴射器設(shè)計方法

　　該法以一維氣體動力學(xué)的動量守恒為基礎(chǔ)建立模型，假設(shè)工作蒸汽和引射蒸汽為理想氣體，在混合室之前兩者不相混合，混合段壓力呈線性增加，整個熱力過程為絕熱過程，忽略噴射器進出口速度，未考慮噴射過程中的激波效應(yīng)和相變。利用氣體動力學(xué)方程及動量守恒方程求解最大噴射系數(shù)u。

　　式中，q 為折算等熵質(zhì)量流速；λ 為折算等熵速度；a為折算等熵速度，m/s；k 為免熱指數(shù)；腳標(biāo)p 為工作流體，腳標(biāo)h 為引射流體，腳標(biāo)c 為混合流體；腳標(biāo)* 表示臨界狀態(tài)，腳標(biāo)2，3 分別別表示混合段入口和出口。

　　式中：φ1為工作噴嘴的速度系數(shù)，取0.95；φ2為噴嘴出口截面引射流體的速度系數(shù)，取0.975；φ3為擴壓段的速度系數(shù)，取0.9；φ4為混合段入口段速度系數(shù)，取0.925；β 為混合段始端與末端面積比，取2 ～3；μ 為第二臨界狀態(tài)截面面積與喉口面積之比，取1.35 ～1.5；α 為混合段與喉口處流體的壓力升幅比值，一般取0.5；Π 為相對壓力。主要計算過程：假定噴射器喉口截面處λc3≤1的范圍內(nèi)給出一系列λc3值，利用氣體動力學(xué)公式(1) 求出折算質(zhì)量速度qc3，按式(4) 確定(uIIP)2；假定噴射系數(shù)u = ( uIIP)2，根據(jù)式(3) 求得qh2；確定系數(shù)K3、K4值，由式(2) 求得噴射系數(shù)u 值。根據(jù)式(3) 用到的預(yù)先給定的u 值與按式(2) 求得的u 值吻合，迭代計算結(jié)束，選擇一個在最佳λc3下得到的最大u 值。

　　5、結(jié)論

　　(1) 蒸汽噴射器的索科洛夫改進設(shè)計方法通過對混合段面積比β 的修正，建立了噴射系數(shù)u 與β的關(guān)系，避免了迭代計算過程中使用同一β值造成的誤差；修正了第二極限噴射系數(shù)( uIIP)2的計算公式；噴射器混合段采用兩段式設(shè)計，使混合段入口2處形成最佳引射壓力，增大了引射流體的壓差，提高了引射能力。新的噴射器設(shè)計方法在噴射性能上比原索科洛夫設(shè)計方法有較大的提高。

　　(2) 運用改進設(shè)計方法對某海水淡水系統(tǒng)蒸汽噴射器進行性能計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，改進后的噴射器噴射系數(shù)計算值1.35 與模擬結(jié)果1.32 吻合，較原方法0.96 有較大提高。通過CFD 數(shù)值模擬方法對設(shè)計尺寸下的流場進行模擬分析，結(jié)果表明設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸處于最優(yōu)范圍內(nèi)，其中D3、L2存在一定的“遲鈍區(qū)”，計算值正好處于“遲鈍區(qū)”的邊界，具體案例可根據(jù)蒸汽的工作范圍進一步選擇確定。