（制冷及低温工程专业论文）应用于有机朗肯循环喷射器的热力学分析.pdf

摘要 对于中低温热源( 定义2 0 0 以下) 的发电利用，由于中低温热源的温度与 环境之间的温差较小，使得中低温热源的发电能力低下。因此，如何提高中低温 热源发电能力与效率是中低温热源发电研究与应用的关键。 喷射式有机朗肯循环( e o r c ) ，通过采用喷射器来降低有机朗肯循环( o r c ) 的膨胀背压，提高膨胀机的做功能力，以提高中低温热源的发电能力。喷射器作 为喷射式有机朗肯循环( e o r c ) 的关键部件，提高喷射器的引射系数、降低引 射压力，以及喷射器的合理设计，和喷射器热力学性能的优化成为e o r c 的重 点研究内容。 以经典喷射器理论为基础，在m a t l a b 平台上，分别编制了喷射器的引射 系数优化计算程序与引射压力的优化计算程序，以及对确定尺寸喷射器的引射系 数及引射压力的计算程序。基于喷射式有机朗肯循环( e o r c ) ，以r 6 0 0 为工质， 研究适用于e o r c 循环的喷射器结构及其设计。针对一定运行工况，对喷射器 的最大引射系数与最小引射压力进行优化；和对确定尺寸喷射器在不同工况下的 引射系数与引射压力的计算。同时以引射系数、引射压力、喷射效率三个参数作 为性能评价指标对喷射器的性能进行分析。 在喷射式有机朗肯循环( e o r c ) 实验中，对喷射器的有关性能进行了一定 的实验研究。 关键词：喷射器，引射系数，引射压力，喷射式有机朗肯循环( e o r c ) a b s t r a ct d u et ot h el o w e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h el o w - t e m p e r a t u r eh e a t s o u r c et e m p e r a t u r e ( a sd e f i n e db e l o w2 0 0 1a n dt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r e ，t h e p o w e rg e n e r a t i o nc a p a c i t y o f l o w - t e m p e r a t u r eh e a t s o u r c ei sl o w t h e r e f o r e ，t o i m p r o v e t h e c a p a c i t y a n d e f f i c i e n c y o fp o w e rg e n e r a t i o nb yu t i l i z i n g t h e l o w t e m p e r a t u r eh e a ts o u r c ei st h ec r u c i a lp r o b l e mi nt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f l o wt e m p e r a t u r eh e a ts o u r c ef o rp o w e rg e n e r a t i o n i nt h eo r g a n i cr a n k i n ec y c l ew i t he j e c t o r ( e o r c ) ，a ne j e c t o rw a sa d d e dt ot h e o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ( o r c ) t or e d u c et h ee x p a n d e rb a c kp r e s s u r e ，i m p r o v et h e e x p a n d e ro u t p u tc a p a c i t y , a n di m p r o v et h eg e n e r a t i o nc a p a c i t y o fl o wt e m p e r a t u r e h e a ts o u r c e a st h ek e yc o m p o n e n ti ne o r c ，t h ee m p h a s i so fe j e c t o rw a s t oi m p r o v e t h ee n t r a i n m e n tr a t i o ，r e d u c et h es e c o n d a r yf l u i d sp r e s s u r e ，d e s i g ne j e c t o rr a t i o n a l l y , a n dm a k et h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no fe j e c t o r b a s e do nt h ec l a s s i c a lt h e o r yo fe j e c t o r , t h eo p t i m i z a t i o np r o c e d u r e so ft h e e n t r a i n m e n tr a t i oa n dt h es e c o n d a r yf l u i d sp r e s s u r ew e r ed e v e l o p e do nt h em a t l a b p l a t f o r m ，a n da l s ot h ec a l c u l a t i o np r o c e d u r e s o ft h ee n t r a i n m e n tr a t i oa n dt h e s e c o n d a r yf l u i d sp r e s s u r eo fe j e c t o rw h i c hg e o m e t r i c a ld i m e n s i o n sw e r eg i v e n t h e s t r u c t u r ea n dd e s i g no fe j e c t o rw e r ei n v o l v e d ，w h i c hw a su s e di ne o r cw i t hr 6 0 0a s w o r k i n gf l u i d f o rc e r t a i no p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h eo p t i m i z a t i o n so f t h em a x i m u mo f e n _ t r a i n m e n tc o e f f i c i e n ta n dt h em i n i m u mo ft h es e c o n d a r yf l u i d sp r e s s u r ew e r ed o n e ； a n da l s ot h ec a l c u l a t i o n so ft h ee n t r a i n m e n tr a t i oa n dt h es e c o n d a r yf l u i d sp r e s s u r eo f e j e c t o rw h i c hg e o m e t r i c a ld i m e n s i o n sw e r eg i v e n t h ee j e c t o r sp e r f o r m a n c ew a s a n a l y z e dv i at h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d e x e s ：e n t r a i n m e n tr a t i o ，t h es e c o n d a r y f l u i d sp r e s s u r e ，a n di n j e c t i o ne f f i c i e n c y t h ee x p e r i m e n t so fe j e c t o r sp e r f o r m a n c ew e r ec a r r i e do u ti nt h ee o r c j s e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：e j e c t o r ；t h ee n t r a i n m e n tr a t i o ；t h es e c o n d a r yf l u i d sp r e s s u r e ； t h eo r g a n i cr a n k i n ec y c l ew i t he j e c t o r ( e o r c ) 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 第1 章绪论 我国是一个能源生产大国，同时又是一个能源消耗大国，占世界能源消耗的 1 1 0 ，仅次于美国，居世界第二位【1j 。并且能源利用率低，一些发达国家能源利 用率都在5 0 以上，美国的能源利用率已超过6 0 ，而我国只有3 0 左右 2 】o 我国能源利用率低的一个重要原因是中低温热能没有得到充分利用。 中低温热能是指品位相对较低的热能，一般温度低于2 0 0 。c ，这些能源种类 繁多，包括各种余( 废) 热、太阳能、地热能等可再生能源。从我国能源消耗结 构看，工业能耗占能源消耗总量的7 0 左右 3 1 ，而工业能耗的6 0 6 5 都转化 为载体不同、温度不同的余热。其中，低温余热的数量极其庞大，在钢铁、水泥、 石油化工等行业生产过程中产生的大量低温余热，包括热水、低品位烟气和蒸汽 等，这些热量数量大、品位低，基本不能被生产过程再利用。利用和回收这部分 能源，既有助于解决能源问题，又能减少生产过程中的环境污染。 在中低温余热发电方面，国外已有较长的研究历史，并已有不少工程应用。 7 0 年代初，由于国际能源危机，苏、日、美等在中低温地热发电发面取得了令 人满意的结果。由以色列o r m a t 公司开发出的有机朗肯循环发电机组，已在日 本、荷兰、美国、加拿大、德国的水泥、造纸、石化、炼油、余热回收、太阳能 等众多领域得到了应用【4 j 。自1 9 9 1 年以来在全球1 9 个国家安装了2 6 0 套发电装 置，共积累发电1 3 亿多k w h ；法国也已经出现8 0 的余热发电技术，其试验 机组的发电能力达到5 0 k w 。 2 0 世纪8 0 年代初，我国严家脎、王补宣等【5 。l 就从理论和推导方面对低温 余热动力回收进行了研究，提出了很多有价值的计算公式，为低温热能发电方案 的热力计算提供了很大的方便。之后，国内学者也对o r c 系统做了大量的理论 和实验研究。清华大学的李艳等【8 j 进行了有机朗肯循环系统及其透平设计研究。 采用r 11 ，r 1 2 3 ，r 2 4 5 c a ，r 6 0 0 和r 6 0 0 a 为工质，设计有机朗肯系统回收某一 工业余热，并以r 1 2 3 为工质进行有机工质透平的气动设计、造型设计和c f d 模拟计算研究，并对透平进行造型优化。研究表明，以r 1 2 3 为工质的有机朗肯 循环系统能有效可靠利用该工业余热，所设计的有机工质透平基本达到设计要 求，透平造型的优化设计能有效改善透平叶轮内部流动；中科院的吴治坚等【9 对余热发电单级能量转换系统进行了研究。通过建立热力计算数学模型，对电站 第1 章绪论 的功率和效率进行了计算与分析。计算结果表明，对于双工质循环方式采用过热 系统是不可取的。天津大学的赵力等 1 0 1 3 针对太阳能驱动的o r c 系统，开展一 系列理论和实验研究，并对带回热器的o r c 系统性能进行了考察；研究工质包 括纯工质r 2 4 5 f a 和非共沸混合工质r 1 5 2 a r 2 4 5 f a 。天津大学的王怀信等【1 4 j 基于 8 0 1 2 0 的地热源，对比了c 0 2 跨临界朗肯循环与基于h f c 2 4 5 f a 的o r c 系统 性能，考察指标为热效率、输出净功率、汽轮机进口工质体积流量、膨胀比以及 u a ；并进一步为低温地热( 8 0 1 2 0 。c ) 驱动的跨临界o r c 循环筛选优良工质， 考察指标包括单位质量地热流体的系统净功率输出以及换热器面积，研究表明 r 1 2 5 具有较好的系统性能i l 川。上海交通大学的顾伟【1 6 以r 6 0 0 为工质，建立了 利用8 0 1 0 0 低温热源，以与自来水温度相近的冷却介质为低温热源的o r c 发 电系统，最大发电功率为1 1 k w 。 1 2 气体喷射器研究现状与进展 气体喷射器是以高压流体作为工作介质，来抽吸和压送低压流体的流体输送 机械和混合反应器。 根据流体的相态，喷射器可以分为旧： 1 ) 喷射器的工作流体和引射流体是同相态； 2 ) 喷射器的工作流体和引射流体是不同相态； 1 2 1 国外研究现状 喷射技术的理论研究与应用已有很长的历史，1 6 世纪就己发现射流的混合 现象。在1 9 世纪6 0 年代，德国学者gz e u n e r 建立了射流泵的设计理论基础， 并于18 7 0 年与r u n k i n 进一步完善与发展了这个理论，为之后的喷射器研究奠定 了基础。但是，这个理论不可能完全解决喷射器的结构尺寸等计算问题。 19 2 2 年，k h o f e r 进行了液气射流泵对冷凝器抽真空实验，首先提出液一气 射流泵的理论。2 0 世纪3 0 年代，空气动力学和流体力学的发展推动了喷射技术 的研究和发展。 1 9 3 3 1 9 3 4 年j e g o s l i n e 和m p o b r i n e 在美国加利福尼亚对液体射流泵进 行了系统的实验研究工作，建立了基本性能方程，并应用于油井抽油。 1 9 3 l 1 9 4 0 年期间，在前苏联中央流体力学研究所，全苏热工研究所以及在 莫动力热网管理局，提出了蒸汽喷射器的计算方法和变工况下蒸汽喷射器的性能 方程。1 9 3 9 年德国的f l u g e l 制造出了世界上第一台公认的喷射器以来。 第l 章绪论 1 9 4 4 - 1 9 4 8 年期间，中央流体力学研究所和苏联学院，在c a 赫里斯基阿诺 维奇的领导下对喷射器的计算方法进行了研究。他们考虑了在混合室的入口截面 上工作流体和引射流体存在不同静压力的情况下，工作流体为超临界膨胀的喷射 器的工作特点，推导出计算这类喷射器的第二极限状态方程。 1 9 5 0 年j 1 h 卡勉涅夫、1 9 6 0 年e 见索科洛夫及b h 弗里德曼、1 9 8 8 年b 拉马耶夫等出版了四部射流泵及喷射器专著。 鉴于一维模型的局限性，无法更为形象地描述喷射器内部流动特点。近年来， 随着计算流体力学得发展，许多学者开始建立二维模型和三维模型，试图更为准 确地描述喷射器里的流动特别是在混合阶段的流动，并通过数值模拟研究的方法 ( c f d ) 对喷射器内部流场进行研究。 d e b e m en 掣博j 针对蒸汽喷射器提出了一种简单的g l o b l em o d e l ，这种只需 要一个封闭的经验方程的模型可以用来评价分析不同的几何参数和不同的物理 参数( 温度t 、压力p 等) 对喷射器性能的影响，精确度在1 5 左右。 r o g d a k i se d 等刿运用了一种改进的喷射器理论来研究氨水氨水混合物通 过喷射器时的热力变化过程，这种喷射器可以工作在以氨水二元混合物为工质的 联合喷射吸收式循环中。k o u r e m e n o s 等证明这种联合喷射一吸收式系统的热利用 率比常规的吸收式系统高0 8 3 7 7 。当工作压力、引射压力、背压为常数时， 在激波产生前存在一个点使得流体的引射系数和循环( 制冷或热泵循环) 性能取 得最大值，并对喷射器进行优化设计。 y a p i c ir 等【2 0 j 基于喷射器的定常面积流动模型对喷射式制冷系统进行理论 分析，比针对工质r 1 2 3 进行了优化。得出结论，冷凝温度的变化和蒸发温度的 变化对制冷系统最佳c o p 值的影响远远大于发生器温度( 喷射器工作流体在发 生器中的换热温度) 对最佳c o p 值的影响。同时还将定常面积模型和定压模型 进行对比，结果表明，定压模型中制冷系统的c o p 值要高于定常面积模型中的 制冷系统的c o p 值。 c a t a n i aa n d r e ae 等1 2 l j 针对共轭喷射系统的动力学数值模拟开发了一种比较 完善的数学模型，并运用该数学模型进行试验、布局、控制设计及性能优化。同 时利用一维流动方程来对包括喷射器喷嘴进料管在内的高压连接管中的压力波 传播现象进行了模拟。 h es 等1 2 2 j 对关于喷射器内的水动力和热力学性质的各种数学模型研究做了 一项调查，介绍了喷射器的基本原则、流动和混合机理、以及建模方法，并对这 些数学模型进行了分类，主要包括稳态的热力学模型和动态模型两大类，研究表 明：动态模型相较于稳态的热力学模型具有更高的预测精度。该项调查有助于了 解喷射器数学模型的演变过程及当前状态，突出了诸如混合机制、冲击波的捕捉 第1 章绪论 等主要方面模型的改进。 h e m i d ia m e l 等【2 3 2 4 对超音速喷射器做了c f d 模型和实验的对比研究，通 过两个湍流模型得到一个大范围运行工况的最佳引射系数并以一定是该范围内 局部流体流动的最佳引射系数。针对这一问题，h e m i d i a m e l 等基于声波先的位 置对确定几波截面进行了分析，给出了关于整体性能良好与邪恶和局部流动参数 的显著差异之间的差别的解释，建立了一个新的c f d 一实验一体化的测试装置。 k h a l i l a 等1 2 5 j 开发了一种以r 1 3 4 a 为工质的喷射器的数学模型，可以在一个 比较大的研究参数范围内来对蒸汽喷射式制冷进行性能评价。模拟研究发现，系 统蒸发温度在8 5 时的喷射器效率是蒸发温度6 5 时的喷射效率的2 倍。 s u nf a n g t i a n 等1 2 6 - 2 7 分析了跨临界c 0 2 制冷循环分别加喷射器和节流阀时 的引射系数、排气压力、冷却器出口温度、蒸发温度对制冷c o p 值与( 火用) 损失的影响。结果表明，用喷射器代替节流阀可减少( 火用) 损失7 0 ，提高系 统c o p 值3 6 ，并且在给定的运行条件下，只存在一个最佳引射系数和一个最 佳排气压力。 v a r g as z a b o l c s 等1 2 驯对5 k w 容量的具有可变尺寸工作喷嘴的蒸汽喷射器进行 了实验和c f d 模拟对比研究，研究基于一个太阳能空调系统开展。研究结果表 明，c f d 模拟与实验研究具有很好的吻合度，平均误差在7 7 左右。 1 2 2 国内研究现状 在我国，对喷射技术最初的理论研究工作是鉴于索科洛夫的喷射器进行 的。1 9 6 2 年童咏春、陆宏圻【2 9 j 首次提出了准二维分析方法，导出了液体喷射器 的基本方程。1 9 7 0 年，陆宏圻【3 0 对液气喷射器的两相流态进行了分析，提出了 它的基本理论方程组和边界条件方程组，并导出双级和单级液气喷射器的基本性 能方程，极限状态方程和最优参数方程。1 9 9 0 年，陆宏圻、龙新平等导出了脉 冲射流泵的性能方程。 1 9 8 1 年中山大学的郭金基1 3 l j 针对亚音速气体喷射器模型试验研究，利用数 理统计找出速度幂函数曲线，得出近似的速度分布模型，以及自由射流束长度和 混合室的压力值。 1 9 8 7 年，陆宏沂【3 u j 运用有限容积分析法对喷射器内部的流场及温度进行数 值计算，并用弱可压缩流理论及湍流涡模拟模型对喷射器二维平面流场进行数值 分析。 天津大学的张于峰【3 2 j 基于喷射式制冷系统建立喷射器的数学、物理模型， 提出一种新的计算引射系数的方法，并通过试验将算法与经典热力学法、气体动 力学函数法进行对比，证明了性的算法具有一定的可行性与优越性。 4 天津大学孙洲阳【3 3 基于三种不同的复合喷射( 压缩一喷射，吸收一喷射和 吸附一喷射) 制冷循环对喷射器几何结构进行设计，并对其性能进行了分析，肯 定了喷射式制冷的应用前景。 上海交通大学季建刚等 3 4 】综合经典热力学法和气体动力学函数法的优势， 通过建立模型，提出喷射器引射系数及混合压力的算法。同时分析了相互作用流 体参数( 工作压力、引射压力、压缩比等) 对最大引射系数的影响以及个参数之 间的关系特性。 南京工业大学刘中常等【3 5 1 针对亚临界喷射器的特性，分析了三种喷射系数 的计算方法，得出针对不同膨胀比和压缩比的喷射器应采用的最佳的喷射系数计 算方泫。 西安交通大学祝银海等【3 6 3 8 j 根据喷射器内的湍流流动特征，引入临界圆的 概念，利用喷射器的进出口能量平衡方程，建立了一种新的计算过程简单，不需 要迭代计算的喷射器模型。 东华大学郭建等【3 9 】给出了一种新的喷射器设计方法一等马赫数梯度法，并 对其设计方法进行了详细地介绍。在相同的面积比，相同的工作条件下同传统的 一维设计方法设计的喷射器的性能进行对比得出：采用等马赫数梯度设计的喷射 器，可有效消除在扩压室入口处产生的激波，减少由于激波所产生的不可逆损失， 使喷射器的性能得到了大幅度地提高。 华北电力大学郭锦鹏【4 0 】基于前人理论成果，对中央进汽环周进水的蒸汽喷 射器进行了理论研究，建立蒸汽喷射器的一维升压模型和热力学模型，分析了各 性能参数之间的变化关系，以及蒸汽喷射器换热能力的影响因素。 大连理工大学张琨【4 l 】针对可调式喷射器，基于喷射器经典理论，建立设计 计算模型，为可调式喷射器的结构设计奠定了一定的理论基础。通过在喷射器喷 嘴内插入喷针来调节喷射器工作参数，以达到提高喷射器非额定工况时的喷射系 数的目的，同时分析了喷嘴截面积变化对喷射器性能参数的影响。 沈志勇【4 2 基于太阳能喷射式制冷系统，对应用于该系统的喷射器进行了结 构设计。在简化物理模型的基础上，通过数值模拟的方法研究喷射器内部流场， 分析喷射器结构参数与运行工况对其性能的影响，形成了小型喷射器优化结构设 计方法。 范晓伟等【4 3 】提出了蓄冷型太阳能喷射一压缩复合制冷系统，并基于该系统 建立了热力学分析计算模型，对系统性能做了分析研究。 z h e n gb 等一】在喷射制冷循环的基础上又介绍了一种联合喷射式制冷循环 和有机朗肯循环的新系统，并对其进行了研究发现，新系统主要的( 火用) 损失 发生在喷射器中。 第1 章绪论 王权、向雄彪1 4 5 j 基于索科洛夫提出的喷射器理论，提出了一种计算引射系 数的简化计算方法，并且同时编制了简化的计算程序与索科洛夫算法的计算程 序，通过对比得出简化的计算方法的计算结果与索科洛夫算法的计算结果一致。 刘爱萍1 4 6 j 针对变工况喷射器，分析了工况变化即：工作压力、引射压力及 混合压力的变化对喷射器引射系数的影响，并运用数学方法推导各变工况参数与 引射系数之间的特性方程。 张少维等【47 j 对蒸汽喷射器的结构参数进行优化设计，开发出一种新型整流 喷嘴，通过c f d 数值研究法将其与普通喷嘴进行对比研究，分别分析了喷嘴和 整流管长度对喷射器引射系数的影响。结果表明，提出新型喷嘴能够有确保蒸汽 喷射器运行稳定。 龙新平掣4 9 】运用有限元分析法对射流泵内部流场进行数值模拟研究，全 面考察了射流泵的几何结构( 如喉管入口段、喉管段、扩散段、出口段) 对其性 能的影响，并总结出一套实验论证了的实用的数值模拟研究方法。 综上所述，国内外对喷射器的研究主要着眼于两方面：一是喷射器的结构设 计计算；二是运用c f d 方法对喷射器内部流动进行模拟，研究其内部流动特性。 1 2 3 喷射器的应用 提高引射流体的压力而不直接消耗机械能，这是喷射器最主要、根本的目的。 由于喷射器本身结构简单、与各种设备的连接也很简单、制造不复杂等特点，使 得喷射器在动力工程和近似动力工程的技术领域得到了广泛的应用。 在发电应用中：燃料燃烧设备( 气体喷燃器) ；蒸汽锅炉的给水系统( 抗汽 蚀水喷射泵) ；汽轮机的调节系统( 油引射器) ；为了提高汽轮机的抽汽压力( 蒸 汽喷射压缩器) ；为了把空气从冷凝器中抽走( 蒸汽引射器或水引射器) ；交流加 热系统( 喷射加热器) ；为了输送灰渣( 水力除灰器) ；发电机的空气冷却系统( 引 射冷却装置) 。 基于o r c 与喷射器的研究与应用，从文献检索，尚未发现有关将喷射器应 用于常规o r c 系统中来提高系统做功能力这一方面的报道。因此，本文将基于 喷射式有机朗肯循环( e o r c ) 系统【5 0 5 3 j 对气体喷射器开展理论与实验研究。 1 3 本文主要研究内容 喷射式有机朗肯循环( e o r c ) ，通过采用喷射器来降低膨胀机背压，提高 膨胀机的做功能力，以提高中低温热源的发电能力。e o r c 系统循环原理如图 6 第1 章绪论 1 - 1 、图1 - 2 所示。工质在冷凝器放热后，一部分经工质泵加压，进入一级蒸发 器吸热变成过热蒸汽，然后进入透平机膨胀做功，透平机出来的工质作为喷射器 的引射流体；另一部分经工质泵加压进k - - 级蒸发器升温后作为喷射器的工作流 体。工作流体与引射流体在喷射器中形成混合流体，实现增压，然后混合流体进 入冷凝器冷却，进行下一循环。 t 1 s 图1 - 1 喷射式有机朗肯循环系统图1 - 2 喷射式有机朗肯循环系统t - s 图 喷射器作为喷射式有机朗肯循环( e o r c ) 的关键部件，本文对喷射器开展 如下几方面的研究： 1 、以经典喷射器理论为基础，在m a t l a b 平台上，分别编制喷射器的引 射系数优化计算与引射压力优化计算的程序，和对确定尺寸喷射器的引射系数及 引射压力的计算程序。 2 、基于喷射式有机朗肯循环( e o r c ) ，以r 6 0 0 为工质，进行适用于e o r c 系统的喷射器结构设计。 3 、选用工质r 6 0 0 ，对喷射器的最大引射系数与最小引射压力进行优化计算， 并对确定尺寸喷射器在不同工况下的引射系数与引射压力进行计算。同时，以引 射系数、引射压力、喷射效率三个参数作为性能评价指标对喷射器性能进行分析。 1 ) 在喷射器的工作流体参数( p p 、t p ) 和引射流体参数( p h 、t h ) 确定， 以及混合压力p c 确定的情况下，确定喷射器可达到的引射系数u 。 2 ) 在喷射器工作流体参数和混合流体参数以及引射系数u 确定的情况下， 确定喷射器可达到的引射压力p h 。 4 、进行喷射器有关性能的实验研究。 第2 章喷射器的基本理论 第2 章喷射器的基本理论 2 1 喷射器结构与工作原理 喷射器是一种利用高压流体抽吸低压流体，不直接消耗机械能而引射流体升 压目的的装置。喷射器的主要结构包括：工作喷嘴、接受室、混合室及扩散器， 如图2 1 所示。 p p l ，w p l ，f p lw 2 ，f 2p 3 f 3 ，w 3p c ，w c ，f c p p p h 图2 1喷射器的结构图 a 一工作喷嘴，b 一接受室，c 一混合室，d 一扩散器 p 4 喷射器的工作原理：一定压力的流体通过喷嘴绝热膨胀，以一定的速度射出， 在射流的紊流扩散作用下，引射低压流体；两股不同压力的流体在混合室中产生 能量和质量交换，工作流体速度及压力降低，引射流体速度增加，在混合室的出 口两股流体的速度逐渐趋于均匀；混合流体经扩散段扩压，部分动能转换为压能， 实现对引射流体的升压，最后由扩散出口排出。 利用高压流体引射低压流体以使低压流体升压而不直接消耗机械能，这是喷 第2 章喷射器的基本理论 射器最主要、最根本的目的。由于喷射器的这种性质，在工业生产方面，采用喷 射器比采用机械的增压设备更加简单、节省投资。 2 2 喷射器的主要性能指标 ( 1 ) 引射系数p 对于喷射器，引射系数是评价其性能的一个重要参数。引射系数指的是在一 定工况下，单位质量工作流体通过喷射器所能抽吸的引射流体流量，数值上它等 于引射流体的质量流量与工作流体的质量流量之比，即： u = 粤 ( 2 - 1 ) 1 - j ， 式中，g h 一引射流体的质量流量； g ，一工作流体的质量流量。 ( 2 ) 喷射效率1 1 。 t 1 。2 q c e h ) ( 2 2 ) e p g c 式中，e p 、e h 、p r 工作、引射、压缩流体的单位工作能力。 ( 3 ) 引射压力p h 在喷射式有机朗肯循环( e o r c ) 中，喷射器作为e o r c 的关键部件，其主 要作用是用来降低膨胀背压，提高膨胀机的做功能力，以提高中低温热源的发电 能力。因此，将喷射器应用于e o r c ，喷射器的引射压力p h 是除了引射系数u 与喷射效率t 1 。以外另一评价喷射器性能的重要指标。 2 3 喷射器主要损失 在同一喷射器中，工作流体和引射流体以不同初速度进入混合室进行混合， 在混合过程中，通常会因为两股流体发生撞击而引起能量损失，而这种损失是喷 射器做功能力的主要损失。 工作流体和引射流体在混合室中的混合过程不仅有速度场均衡，同时还伴随 着压力场的均衡，是一个十分复杂的混合过程。 喷射器中的定压混合过程遵守动量守恒定律，即混合室出口混合流体的动量 第2 章喷射器的基本理论 等于混合室入口工作流体和引射流体的动量之和： ( g p + g h 如3 = g p p l + g h 9 0 h 1 由此得： 国：g ! 竺! gh 竺旦! “ g p + gh 在混合之前，流体的动能等于： 工作流体： e p l - 晕国高 引射流体： e h l ：_ g h 国p 2 1 混合后流体的动能： 耻丁g p + g n 咖圭譬掣 混合室的撞击损失等于流体混合前后的动能之差： a e = e p l + e m - e 3 - 丢器( ( d p l - - ( ) h i ) 2 工作流体单位流量的撞击损失： 征：一a e ：! 告c o p l - ) ： g p 21 + “ “ 引射流体单位流量的撞击损失： d e = ：a e g h2 ( 1 + u ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 由式( 2 8 ) ，流体混合造成的撞击损失与混合室入口工作流体和引射流体的 速度之差的平方成正比，故这种撞击损失可以通过提高引射流体进入混合室时的 速度来降低。 喷射效率是评价喷射器的完善性的性能指标，它在数值上等于引射流体所获 得的做功能力与工作流体所丧失的做功能力之比，见公式( 2 - 2 ) 。 在工作流体与周围介质相互作用为可逆的情况下，也就是在工作流体的滞止 参数可逆的变化到周围介质的参数的情况下，1 个单位质量的做功流体( 如l k g 第2 章喷射器的基本理论 气体或l k g 蒸汽) 所可能做的功叫做单位做功能力。 单位工作能力用以下公式确定： 一 、 p - - 1 0 - - l o c 一1 0 c s o s o c j ( 2 11 ) 式中，i o ，s o _ 等熵滞止状态下工作流体的比焓和比熵； i o 。，s o 。一与周围介质处于平衡状态下工作流体的比焓和比熵； 乃。一周围介质的温度，通常取t o 。= 2 9 3 1 5 k 。 根据公式( 2 1 1 ) ，喷射器的效率公式由可表示为如下形式： ”糖l c 剿0 ct s p 2 p 一 一 一s c ， ( 2 1 2 ) 式中，i p ，i n ，i r 在滞止状态下工作流体、引射流体和混合流体的比焓： 5 p ，s h ，j r 在滞止状态下工作流体、 在工作流体和引射流体的初始参数不 变( p p ，e p ，p h ，e h 均为不变量) 及混合压 力不变( p c 为不变量) 的情况下，我们来 比较一下理想气体喷射器和实际气体喷射 器的工作效率。 如i - s 图2 2 所示，是喷射器工作中相 互作用的流体的参数。 p 点为工作流体进入喷射器之前的状 态：熵为s p ，焓为i p ，压力为p p 。 h 点为引射流体进入喷射器之前的状 态：熵为s h ，焓为i h ，压力为p h 。 当理想喷射器的引射系数为时，根 据能量守恒定律，在喷射器出口混合流体 的焓i j 表示为： 引射流体和混合流体的比熵。 八 立 i ! 心影 ! l 彬f h r 7 ua s 0 s s p s cs hs c 图2 2i - s 图上喷射器相互作用流体参数 t ：! 旦埠( 2 1 3 ) ，、一 1 j 。 1 + u 在没有损失的理想喷射器中，系统的熵不改变，因此混合流体的熵为： s j ：学( 2 - 1 4 ) 。 1 + u 在i - s 图上，工作流体和引射流体的初始状态点p 点和h 点的连线上的c 点， 满足公式( 1 3 ) 和( 1 4 ) 。在实际喷射器中，引射过程伴随着做功能力损失，在 第2 章喷射器的基本理论 这种情况下，系统的熵会增加。所以，对于实际喷射器，其混合流体状态由c 点 等压线上某一c 点确定，c 点的熵值s ，、大于理想喷射器中混合流体状态点c 的 熵值s ( ，。在混合压力p c 相同时，实际喷射器中混合流体的焓i ( 、大于理想喷射器 中混合流体的焓值f r 。 实际喷射器中的混合流体焓值可表示如下： 砝：掣盟 ( 2 _ 1 3 a ) ，、一i 一l aj 。 1 + u 因为& i l l ，有混合流体焓值i c i 所以u e ( 。可见： ( 2 1 2 a ) ( 2 1 5 ) 1 1 。 _ _ r - ( 2 1 6 ) 由不等式( 2 1 6 ) 可得出，在工作压力p p 、引射压力p h 及混合压力p c 相同 的情况下，实际喷射器的喷射效率1 1 。大于实际喷射器的引射系数与理想喷射器 的引射系数的比值。 2 4 喷射器的设计方法 由于喷射器内部流场复杂，流动过程的分析与计算方面的理论还不够完善， 所以喷射器的设计方法都比较复杂。喷射器设计方面，目前主要有三种方法：经 验系数法、经典热力学法和气体动力学函数法。其中，使用较多的是后两种方法。 第2 章喷射器的基本理论 经典热力学法采用的热力学法建模，物理意义明确，比较直观且计算简便。 但其主要缺陷在于对混合过程进行了大大的简化。 气体动力函数法由苏联学者索科洛夫教授等人提出的，它是在气体动力学理 论基础上，依据质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律，引进等熵速度、折算 速度、相对温度、相对压力、相对密度等动力函数，通过理论推导及适当的经验 修正建立起来的，把气体或蒸汽的折算等熵速度与热力学参数相联系，并借助自 由流束理论推导出了计算引射系数的一种比较实用的计算方法。 本文将以气体动力函数法为理论基础，对喷射器进行设计计算和性能分析。 ( 1 ) 相对温度 相对温度t 指的是在给定截面上等熵流动气体的绝对温度相对于滞止绝对 温度的大小，即为： r ：f t ：l 一鲁z 2 ( 2 - 1 7 ) k 矗 + 1 式中，卜相对温度； t - 一给定截面上等熵流动气体的绝对温度，k ； t 0 一等熵流动气体的滞止温度，k ； 扛绝热指数： 卜折算等熵速度，气体在等熵绝热流动时的速度与临界速度之比： 以2 ( 2 1 8 ) 式中，一等熵速度，m s ； a + 一临界速度，m s 。 气体的临界速度，是一种等于当地声速的实际速度，并用下式来确定： 旷厝瓜：鼯厮 ( 2 1 9 ) 式中，尸旷_ 滞止压力，即气体在绝热滞止状态下的压力，p a ； 一在滞止状态下气体的比容，m 3 k g ； r 一气体常数，j ( k g k ) ； ( 2 ) 相对压力 相对温度兀指的是在给定截面上等熵流动气体的静压力相对于滞止气体压 力的人小，即为： 第2 章喷射器的基本理论 兀= 卫_ ( 1 一兽五2 ) k z 2 1 一 ( 2 2 0 ) p o 、 k + 1 、z z u7 ( 3 ) 相对密度 相对密度指的是在给定截面上等熵流动气体的密度相对于滞止流体密度 的大小，即为： 占：卫：( 1 一鲁磐) 吉 ( 2 - 2 1 ) p o 、 k + 1 “ ( 4 ) 相对比容 相对比容p 在给定截面上等熵流动气体的密度相对于滞止流体比容的大小， 即为： 口：旦： d o 1 ( 2 2 2 ) ( 一等五2 西 ( 5 ) 折算质量速度 折算质量速度g 在给定截面上等熵流动流体的质量速度相对于临界截面上 这种流体的质量速度的大小，即为： c o p c opp od cm d4 9 2 瓦2 i i2 i2 r e a , 2 了(2-23)po 瓯肛 级 肛 以 一 式中，彳一流体的给定截面的面积，r n 2 ； 彳。一流体的临界截面的面积，m 2 。 对于临界界面处，a = 么，占= & ，力= 以= 1 ， q = 以= 1( 2 2 4 ) 折算质量速度与折算速度、相对压力、相对密度之间的关系为： 例m 狱去浮 q ：k 瓠三1 一占 - 12 a x 、l 一占。 & ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 上h 力 堕 一 ，、 上 坐2 力 = 第2 章喷射器的基本理论 九m a x 2 兄= 舣1 l 一兀。 七一l ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 由公式( 2 - 2 5 ) ( 2 2 7 ) 可看出，当九值等于0 和k a x 时，g 值变为零；当 k - - 1 时，g 值达到最大值q = l 。 当气体的等熵( 绝热) 速度等于其临界速度( 即：柠1 ) 时， 压力、相对密度、相对比容等气体动力学函数可表示为： n2 f = = k + 1 阽每= ( 斋k1 尸rl + j 相对温度、相对 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 一去= ( 南) 酉 协3 2 ， 肛= 告= ( 等) 西( 2 - 3 3 ， 式中，几，p ，毋，d + 一在等熵流动气体的速度达到临界速度时的绝对温度、静 压力、密度和比容。 2 5 本章小结 本章介绍了喷射器的工作原理、性能指标以及设计方法。 1 、以引射系数队引射压力p h 和喷射效率t 1 。三个参数作为喷射器的主要性 能评价指标进行分析。 2 、气体动力函数法是喷射器计算的一种较实用的计算方法。这种通过理论 推导得到极限引射系数计算方法，使得关于喷射器的计算结果具有一定的可实施 性，同时使喷射器的径向尺寸得计算脱离经验算法的局限性，对气体喷射的计算 结果也较经典热力学法精确。本文将以气体动力学函数法为基础，开展喷射器的 研究： 第3 章气体喷射器的热力学分析与设计 第3 章气体喷射器的热力学分析与设计 本文以喷射器的引射系数与引射压力为目标函数开展研究。 1 、在喷射器的工作流体参数( p p 、t p ) 和引射流体参数( p h 、t h ) 给定， 以及混合压力p c 给定的情况下，确定喷射器可达到的引射系数u 。 2 、在喷射器工作流体参数和混合流体参数以及引射系数u 给定的情况下， 确定喷射器可达到的引射压力p h 。 3 1 气体喷射器韵热力学分析 由于喷射器内流动比较复杂，为研究问题方便，和建立喷射器的数学模型， 做如下假设： ( 1 ) 假设喷射器内流动的工质是理想气体，流动为一维稳态流动，工作蒸 汽在工作喷嘴内的流动是一个等熵膨胀过程，工作蒸汽与被抽吸气体的混合物在 扩压管内的流动是一个等熵压缩过程； ( 2 ) 工作流体和引射流体具有相同的气体常数和绝热指数； ( 3 ) 工作流体和引射流体的进口速度以及混合流体的出口速度忽略不计； ( 4 ) 工作流体和引射流体在进入混合室之前到混合室入口截面这一段上不 相互混合； ( 5 ) 混合室中的混合过程为定压混合过程； ( 6 ) 引进速度系数、| ，2 修正混合室中因摩擦而引起的动量损失，同时引进速 度系数v 1 、i ，3 、| ，4 对喷嘴及扩散室中的膨胀和压缩过程进行修正。 本文设计的喷射器，其引射介质的压缩比在2 5 p c p h 1 2 范围内，属于中 等压缩比的喷射器，选择实际中应用广泛的带圆柱形混合室的喷射器进行设计。 如图2 ，1 ，根据假设条件，截面2 - 2 与截面3 3 之间的动量方程可以写成： ( 怖唧2 + ) 一+ m h 地= 慨一所2 珥2 + 慨一p m ) 缸 ( 3 1 ) 式中：埘p _ 工作流体的质量流量，k g s ； m h 一引射流体的质量流量，k g s ； w p ! 一在圆柱形混合室入口截面上工作流体的速度，m s ； w m 一在圆柱形混合室入口截面上引射流体的速度，m s ； w 3 一在圆柱形混合室出口截面上混合流体的速度，m s ； 第3 章气体喷射器的热力学分析与设计 p p 2 一在圆柱形混合室入1 ：3 截面上工作流体的静压力，n m 2 ； p h 2 一在圆柱形混合室入口截面上引射流体的静压方，n m 2 ； p 3 一在圆柱形混合室出i z l 截面上混合流体的静压力，n m 2 ； 彳p 2 一工作流体在圆柱形混合室入口截面上所占的面积，m 2 ； 彳h 2 一引射流体在圆柱形混合室入e l 截面上所占的面积，m 2 ； 忱一混合室中流体的速度系数。 p p z = p h 时， i p 2 = 等2 等_ n 由此得一：。 所以，在混合室入e l 截面上，工作流体的速度可表示为： w p 2 = y l 口p 。砷2 = 】口p + 砷h 在混合室入口截面上，引射流体的速度可表示为： w h 2 = i f ，4 口h + 钿2 在混合室出口截面上，混合流体的速度可表示为： w 3 ：坠k 2 i 玢 在公式( 3 -