（流体机械及工程专业论文）低压蒸汽喷射制冷系统设计理论及设计方法的研究.pdf

j 坐壁堕生墼墨 低压蒸汽喷射制冷系统设计理论5 乏发汁方法的研究 摘要 利用蒸汽喷射器抽取真空，在工业生产中应用极为广泛。首先可以用来制取2 2 i ) o c 的工业用低温水。在一定条件下比其它制冷方法经济合理。此外，还可以遗 行真宁蒸馏、真空脱臭、真空蒸发、真空结晶、真空干燥等。2 0 世纪5 0 年代以来， 国内利用蒸汽喷射器制取工艺生产或空气调节用低温水的制冷设备曰渐增多，实践 证明，采用蒸汽喷射制冷和真空技术，具有广泛的应用前景。特别是冶金、化工和 石油等工业生产中产生大量的废热和废汽，设法利用这些废热作为蒸汽喷射器的能 源，对j ：自源利用具有重要意义。 术文结合现有的喷射器研究成果，对喷射器设计方法进行定的摸索，主要得 到了串联级数的确定方法，压缩比不均匀分配的实用原则等。 从热力学状态参数变化的角度出发，分别利用热力学定律分析了蒸汽在喷射器 的喷嘴、扩压器的混合段及扩散段内的 二作过程 建立了计算蒸汽喷射器引射系数 的理论模型。 由于制冷系统中的工作蒸汽压力较低，喷射泵的设计计算与钢液真空脱气用的 蒸汽喷射泵的设计有些许差别，本文通过采用合理的参数、系数，运用半理论、半 经验的简化公式对低压蒸汽喷射式制冷系统进行了结构分析和计算。实践证明，本 设计简便、可靠，而且合理地减少了工作蒸汽消耗量和冷却水量，：棒约了能源。 利用v i s u a lb a s i c 可视化程序设计语言对低压蒸汽喷射制冷系统参数进行了性 能分析计算，经过m a t l a b 软件处理后得出了低压蒸汽喷射制冷系统的性能曲线。 关键词：蒸汽喷射泵制冷引射系数 l l 查! 蔓查芏竺兰! ! 丝墨 r e s e a r c ho ht h e o r ya n dt e c h n i c so fl o w - p r e s s u r ev a p o r j e tp u m pf o rr e f r i g e r a t i o n a b s t r a c t i ti sw i d l yu s e dt om a k e v a c u u mw i t h v a p o rj e tp u m p i n d u s lr y p r o d u c t i o n i nt h ef i r s t ，i tm a y m a k el o wt e m p e r a t u r ew a t e rt h a tt h et e m p e r a t u r e i s2 - 2 0o c o nac e r t a i nc o n d i t i o n s ，t h i sw a yi sm o r ee c o n o m yt h a no t h e r r e f r i g e r a t i o nm e t h o d ，f u r t h e r m o r e ，i tc a nm a k ev a c u l t l md i s t i l l a t i o n 、v a c u u i n c r y s t a l 、v a c u m md r y i n gv a c u m me v a p o r a t i o n 、v a c u m md e g a s s i n ga n dv a e u h l n l s t e e l m a k i n g a f t e rl i b e r a t i o n ，t h e r ea r em o r ea n dm o r ev a p o re j e c t i n gp u m st o m a k el o wt e m p e r a t u r ew a t e rf o rt e c h n i c sp r o d u c t i o no ra i rc o n d i t i o n w i t hl h e p r a c t i c e ，i ti sp r o v e dt h a tt h et e c h n i co fv a p o rj e tp u m pi sr a p i d l yp r o g r e s s i ti s av e r ys i g n i f i c a n c ew o r kt om a k eu s eo ft h ew a s t eh o ta n dg a so fi n d u s lr y p r o d u c t i o no fm e t a l l u r g y 、c h e m i c a la n dr o c ko i l i nt h i s p a p e r ，t h e s e r i e s c j e c t o r s w e r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y i n f u n d a m e n t a lt h e o r y ，d e s i g n ，i n s t a l l a t i o n ，a d j u s t i n g ，p r o p e r t yp a r a m e t e r se t c w es u mu pt h er e l a t i o nb e t w e e nc o m p r e s s i o nr a t i oa n de n t r a i n m e n tc o e f f i c i e n t t h ed e s i g nt h e o r yo ft h es e r i e se j e c t o r sw a se s t a b l i s h e d ，s u c ha st h ed e c i s i o n o fs e r i e s ，d i s t r i b u t i o no ft h et o t a lc o m p r e s s i o nr a t i o ，a n dt h ec h o i c eo ft h e e j e c t o r s t y p e ，e t c ，w e r es e t t l e d t h eo p t i m a lp o s i t i o no ft h ec o n v e r g i n gn o z z l e a n dc o n v e r g i n g d i v e r g i n gn o z z l ei nt h ee j e c t o r sw a sd i s c u s s e d t h ea n a l y s i s o ft h el i m i ts t a t e sw a sm a d ef o rt h es e r i e se j e c t o r s t h r e et h e r m o d y n a m i cm o d e l sf o rc a l c u l a t i n ge n t r a i n m e n tc o e f f i c i e n te l s t e a m - j e te j e c t o r ，t h ei d e a lm o d e l rt h em o m e n t u mc o n s e r v a t i o nm o d e la n d k i n e t i ce n e r g yc o n s e r v a t i o nm o d e lw e r ed e d u c e da c c o r d i n gt ot h e r m o d y n a m i c s t a t ec h a n g e w ea n a l y s et h es t e a mp r o p e r t i e sa n dt h ee f f e c t so ft h en o z z l e ， m i x i n ga n dd i f f u s e re f f i c i e n c i e so nt h ee j e c t o rp e r f o r m a n c ew e r e ss t u d i e d i nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mt h ep r e s s u r eo fw o r k i n gv a p o ri ss ol o wt h a tt h e d e s i g nc a l c u l a t i o ni sd i f f e rf r o mw h a ti su s ei nv a c u u ms t e e ld e g a s s i n g i nt h i s p a p e r ，w ea d o p tp a r a m e t e ra n dc o e f f i c i e n ti nr e a s o n ，a n a l y s et h ec o n f i g u r a t i o n o fl h ev a p o re j e c t i n gp u m pf o rr e f r i g e r a t i o nb yh a l ft h e o r ya n dh a l fe x p e r i e n c e t h i sd e s i g ni ss i m p l e ，n i c e t ya n dc r e d i b i l i t y ，l i m i tw o r k i n gv a p o ra n dc o o l i n g w a l e r 奎兰查兰翌兰! 兰笙墨 f hr o u g ht h ep r o g r a mw r o t e nw i t hv i s u a lb a s i c6 0 ，w cc a nc a l c u l a t c 计l c p a r a n l c t c r so tt h ev a p o rj c tp u m pf o rr c f r i g e l al i o n w i t hm a l l a b ，i h cc u f v co f l h t ；p a r a m e t e r sc a nb ed r a w n k e yw o r d s ：v a p o ri e fp u m p ， r e f r i g e r a t i o n ， e n t r a i n m e n tc o c f f i c i cj 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在学帅的指导下完成的。沦文- t 得的研究成果除加以标注和致访j 的地力外，不包含其他人已经发表或擐 。j 过的研究成果，也不包括木人为获得其他学位而使用过的材料。与我 _ | 司工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位沦? 定作者签名：汤罄 i i期：7 1 0 驴f7 1 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复i - 1 j f t 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 第一章绪论 1 1 低压喷射式制冷发展状况 蒸汽喷射式制冷系统早在2 0 眦纪初就已经出现并且得到了定的应用i ”。位t 1 于其自身效率比较低、水蒸汽比窬较大所造成的冷凝器体积过大等原因，尤其。 结 构紧凑、效率高的压缩式制冷机的出现，使蒸汽喷射式制冷系统在不久就退出r 应 用领域。然而，随着人们对环境和能源问题的重视，以及喷射器自身的个断发挺。 蒸汽喷射器的效率和部件设计都有很人的改进，近年来在国内外对丁刹用低品侮热 能的喷射式制冷系统的研究又重新活跃起来1 2 。在一些工业比较发达的国家，低 压蒸汽也可以用来作为蒸汽喷射制冷机的能源压力低至0 3 m p a 的蒸汽都可以膨 用。这就说明：j ：业生产中的低能废热也可以用于制冷。 尽管蒸汽喷射制冷具有很多优点，血i3 可靠性高，维护费用低，只用水作为制冷 刺，高低压蒸汽均可采用，但是蒸汽和冷却水消耗量都比较大。因此，在某j ! 情况 下仍不如透平制冷机或溴化锂制冷机运转费用低。显然，要想扩大蒸汽喷射制冷的 使用范围，降低蒸汽耗量和冷圭j j 水用量足很重要的一环。 降低喷射器的压缩比，是提高喷射器效率的有效措施。为此，可行的办法或者 是提高蒸发温度，或者是降低冷凝温度。在蒸发温度定的情况下，降低冷凝温度， 喷射器的蒸汽耗量就可以大大减少。5 0 年代后期，蒸发式冷凝器剜书剑蒸汽喷射制 冷系统代替水冷凝器成功后，就使蒸汽耗量大约降低1 4 ，冷却水耗量人约降低2 3 。 7 0 年代，这种蒸发式冷凝器已在美、日等国的工业生产中4 泛应用。 自1 9 5 3 年以来，我国各工业部j ，如化工、纺织、轻工、石油和冶金、机械 部门，都相继制造厂一些为自己生产使用的蒸汽喷射制冷机。特别是1 9 5 8 年以来， 各工业部门都开始自己设计、制造了一些大中型的蒸汽喷射制冷机。随着哉田r 业 生产的飞跃发展，喷射器越来越、泛地被应用于许多工业生产过程中。通过工业，卜 产实践证明，在某些情况卜，利用喷射器来代替氨、氟利昂制冷压缩机、机械真空 泵以及输送气体、液体的压缩机、杂类等，不论在操作上，或技术经济对比上，都 是比较方便适用、经济实惠的，凼此，喷射器的广泛应用，对我圆 l 会 i 义建设， 具有定的现实意义和经济意义。 在机械制造、轻丁：、化工、纺织等工业生产中，采用蒸汽喷射制冷装置供j 世j 房空气调节或生产过程中工艺所需要的5 0 c 以上的低温水，在许多情况f 比崩氩、 氟利昂制冷压缩机，都具有很多优越性。蒸汽喷射制冷装置，足以无毒臁价的水为 t 北大学硕士学位论文 第一辛 ，媒，结构简单，造价低廉，操作、使剧、维护- 酃比较简便：另外，蕉汽喷射制冷 ? 娃置彳：需要易损备4 t ，运转可靠，可以长j f | 连续运转，使用寿命k 。特别4 “疑些。l j 妒尘，一中，往往产生人量的废热、废汽，如能合理地考虑综合利用，采川这批废汽 傲为蒸汽喷射器的能源，这将具有更丈的经济意义。 蕉汽喷射制冷装置是以水为制冷剂，所以其最低蒸发温度般不低于+ 2 ”c ， 加之喷射器效率较低，冷却水的消耗量较人，这就限制了它的使用范围。迈f ：米， 盹着喷射器、冷凝器设计结构的改进，各j 页消耗指标的不断降低，特别是利川f 匝凝 吲点的制冷工质( 如氨、氟利昂等) 工作的喷射器的出现，这就使喷射器制冷机j 以制取更低的温度。例如用氨或氟利昂喷射器代替双级压缩式制冷系统中的低压级 ! f 缩机，可以获得较低的蒸发温度。又如存币级氮、水吸收式制冷机中在蒸发器和 啵收器之间，增设氨喷剁器，用以降低蒸发压力，提高吸收器的吸收压力，从i n jn 以在蒸发器内获得6 8 0 c 的蒸发温度。 此外，在化学工、1 k 中的真空蒸馏、真空脱臭、真空蒸发、真空结晶以圾真窀 燥等设备上，采用蒸汽喷射器抽取真空，代替了结构复杂、体积庞火的机械真审 泉；在电力、食品工业中，剧蒸汽喷射器提高低压废汽的压力，从而i v 以使低压乏 汽得到重复利用。因此随着：【：业生产的不断发展，喷射器设计结构的不断改进，喷 刖器将会得到更加厂泛的应用。 在1 9 5 8 年，我国从原民主德国引进蒸汽制冷机，蒸汽压力为o 6 m p a ( 绝压) 。 川年代后我国先后设计了蒸汽压力为0 7 、0 9m p a 的蒸汽压力制冷机，：许投入运 付：进入8 0 年代我国先后引进多套溴化锂制冷机，并能在蒸汽压力0 3m p a 以下 川冷，而蒸汽耗量在3 吨小时以下，这对蒸汽制冷机来说是个挑战。 蒸汽喷射制冷机若想发展下去，唧f f j ；这两个难题：一、把蒸汽压力降到( ) 3 m p a 以f ：二、把蒸汽耗量降到3n 屯d , 时以下能制j 议百万大卡d , 时冷量。1 9 9 1 年执顺 “汕应用了两台蒸汽喷射制冷机，试车运行，已经获得了成功。如蒸汽挑力消 托蕈均在2 4 3 0 吨z 亡右可获得1 0 0 万大# ，j 、时的冷量，蒸汽压力均在0 2 ，( ) 3 m p a ，而且做到了节水、节电、熄灭了火炬，保护了，环境。这种简易低压蒸汽制冷 装置均以水做为工作介质，是以物理变化实现能量转换的目的，使用起来安全、j 孬、操作也十分方便。因此，这种低压蒸汽制冷装置在石化、纺织、冶会等部门得 刊广泛的应用。现在正逐步向民用方而发展，其前途是非常广阔的。 1 2 工作介质一一水蒸气的物理性质 1 2 1 汽化、蒸发、沸腾和汽化潜热、凝结 水常温下为无色、无味、透明的液体，分子式h ，0 分予量为1 8 。分子恫j 奇 定内聚力，它们之间相互吸引绵台在一起，当个别的或犬量的水分予运动克服内蹬 力跳出水面( 克服水表面的张j ) 就成为气态。物质从液态转变为汽态的过秤称为 汽化。汽化有两种形式：蒸发和沸腾。， 在液体表面， = 进行的汽化过程称为蒸发。在任何温度下，蒸发都可以进行。它 是i 土 于液体表面总有一些能量较高的分子，克服了邻近分子的引力而脱离液体，邂 入液体外的牵问_ 而引起的。温度越高，能量较大的分子就越多，蕉发也越强烈。亿 这过程中，由于能量较大的分子逸出液面，液体内分子的平均动能减少而使液体 温度降低。 在液体内部和表面同时进行的剧烈的汽化现象称为沸腾。沸腾时，存液体内部 产生大嚣的汽泡，汽泡上升到液面，破裂而放出大量的蒸汽。沸腾的温度il i 沸l i ， 沸点在一定压力下是恒定的，沸腾所需要的热量也是恒定的，用字母y 来表刁沸腾 时所需的热量，该热量被称为汽化潜热。汽化潜热y 值与汽化的压力及温度向关。 公斤水存一个绝对大气压力下由l o o ”c 水变成同温度下的水蒸气所需要的热餐 叫做水的汽化潜热。凝结是汽化的相反过程，即水蒸气失去热量，叉变为水，为放 热过程，也是在一定的温度和压力下才能发生。汽化热和凝结热在数值上是相等的、 1 2 2 湿蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽 湿蒸汽由饱和蒸汽和饱和液体两部分组成。不含有饱和液体的饱和蒸汽从称为 为干饱和蒸汽。 在汽化过程中，水分予克服水表面张力进入了空间变成了水蒸气。i 刊日、j ，有些 水蒸气分子碰到水丽又回到了水罩变成了水。当脱离的和返回的水分子达到r 个 平衡状态时的蒸汽叫饱和蒸汽。对应的温度叫饱和温度，对应的压力叫饱和蒸汽m j 3 。 在一定的压力。卜，相刈应的温度高于饱和温度的蒸汽，叫过热蒸汽。 使1 公斤的水蒸气丹高lo c 所需的热量叫比热。水蒸气的比热与濡度、压力 比容有关。 一公盯水蒸7e 所r h - 有的体积叫比奔，比容与压力、温度有关。 1 3 蒸汽制冷机f l g t 作原理 水的沸腾濡度。，当地大气月i 力有家切的关系。在s f 原地区水在1 0 0 “c 沸腾，i 女 叫久气三力为0 1m p a ，存高l l 地区有叫8 0o c 水就沸腾了，这浣明当地大讪ij l 小j 二0 1m p a 。大气压力为( ) 0 0 0 8 9 1m p a 时，水确：5 。c 沸腾，大7 i 压力为o 0 0 1 2 5 1 3 m p a 时沸腾温度为1 0 0 c ，大气压力越低，沸腾温度l 旦就越低。凼此能够造成个 外力越低的密闭空问，水就越易沸腾蒸及。水蒸发过程是个吸热过程，m 水的汽化 潜热为5 3 9 5 火卡公斤，比液氨蒸发的汽化潜热3 1 2 大卡公斤将近人倍。但水蒸 发时饱和蒸汽比容很大，1 5o c 时饱和蒸汽比容接近1 8 立方米公厅，每小刚抽出 2 吨水蒸气，对应容积为1 5 6 0 0 0 立方米t 相当。3 ：1 1 9 4 万大卡4 , 时的冷量) ，抽娃j 这么大的抽气量是机械真空泵和水喷划泵不能完成的，即使能够达到这么火的捕2 i 是也需要庞人的机械设备、巨大的投资、很高的电耗。用低压蒸汽经过个喷嘴造 成高速气流，靠分子之闷摩擦力引射作用把已经蒸发的水分带走，使水不断汽化夫 去热量，水的温度急剧降低，即可达到制冷的r j 的。这种低压蒸汽流速为1 2 5 0 1 5 0 0 米，秒，抽气量之大，流速之快，是其它真空泵难以达到的，它是靠蒸汽的压力能转 变勾速度能( 动能) 来完成做功的。例如：1 0o c 的水降到5 。c 蒸发的水蒸7i 就从 c 水不断地取得热量，把水降到5o c 的冷水为止。蒸发量很少，剩下的5o 水 是犬最的，送出去大量低温冷水就是我们所要求的冷量。被引射出的冷蒸，i 和1 i 作 的燕汽在扩压器混合，排入冷凝器被冷却水冷凝从下水管一道排出。 图1 1 蒸汽喷射泵的：作原理图 f i g 1 lw o r kt h e o r ys 1 m c l u r ef i go fv a p o rj e tp u m p 东北犬学硕士学位论更 第一i5 # 蒸汽喷射制冷机卡要足以水为制冷剂+ 水和其它制冷。r 质一样，在某状态、 其压力越低，相应的沸点温度亦越低。蒸汽喷射制冷就是利用水的这特。降，酾川 主喷射器使蒸发器内造成 定的真空，需要冷却的水被送入蒸发器后，祚此其中祭 件下，部分水即沸腾蒸发，吸收人量的蒸发潜热，从而使另一部分未被蒸发的水 失热而被冷却到与蒸发器内真空瓜j 相对应的沸点温度。 杠- 蒸汽喷射制冷机中，没有主喷射器和辅助喷身 j 器两利，。 主喷射器在蒸汽喷射制冷循环中，起着压缩机的作用。从蒸发器内蒸发的冷雠 蒸汽，经主喷射器的压缩刀j i i 提高到冷凝压力后，排入主冷凝器中冷凝。从f 口存燕 发器内达到制冷效果。 辅助喷射器的作用就是碰续不断地从制冷装置中排除空气，以维持各设备内趴 需要的真空度。另外，制冷装置的启动抽真空，也是由辅助喷射器来完成的。如裂 辅助喷射器的工作不能达到预期的效果，各设备内的真空度就彳i 能保证，从而帮下、 制冷工作循环就要受到破坏。内此，主喷射器和辅助喷射器都是蒸汽喷射制冷机的 主要装置。蒸汽喷射器设计的好与坏，将直接影响全套制冷设备的制冷效果及经济 消耗指标。所以正确的计算、选择喷射器是非常重要的。 喷射器计算内容主要包括：工作蒸汽消耗量计算；喷嘴及喷射器各部结构，o j 计算。 喷射器的结构虽然比较简单，但在设计过程中，如若采用理论公式计算，却傲 复杂，特别是在计算过程中，要采用的参数、系数很多，如果采用不当，就达不到 预期的效果。因此，在工程设计巾，一般都是采用半理论、半经验的简化公式汁算。 实践证明，采用简化公式或线解罔进行蒸汽喷射器计算，既迅速、简便，又比较t j 靠。 1 4 课题研究的内容、方法及意义 1 4 1 课题研究内容 本课题的研究内容概括为下列几个疗面： ( 1 ) 蒸汽喷射器的理论研究 探讨喷射器的设计理论，重点解决串联级数的确定方法，压缩比的分配原则， 影响蒸汽喷射器工作特性的凼素等具体问题。 ( 2 ) 蒸汽喷射器的热力学模型 从热力学状态参数变化的角度出发，分别利用热力学定律分杌j - 蒸汽存喷嘴、 、北大学硕士学位论文 第一节绪玲 “t 1 合段及扩散段内的上作过程。建立蒸一i 喷射器引射系数计算的理论揆4 i ， ( 3 ) ，低t 蒸汽喷射式制冷系统驶i fi 算 采用合理的参数、系数运用半埋论、半经验的简化公式时低压蒸汽唢刑制冷系 统进行详尽的结构分析和设计计算，以保证：j 作稳定可靠。 1 4 2 课题研究方法 建立了实用有效的蒸汽喷射器的热力学模型，推导出其设计公式存i t 气体喷 射器性能计算和结构设计方法进行分析和改进的基础卜，对低j k 蒸汽咳剁，制冷系 统进行了详细的设计计算。参考建立的模型，利用v i s u a lb a s i c 可视化柙r 设训浯 ；对低压蒸汽喷射制冷系统参数进行了性能分析计算，通过m a l l a b 软件得出了低 压蒸汽喷射制冷系统的性能曲线。 1 4 3 课题研究意义 对蒸汽喷射器的。l ：作机理进行深入研究，从而为操作条件及结构参数的优化设 i r 提供理论依据，实现引射系数、压缩比、膨胀比、投资费用的最佳e 酣，具乍l - 定的理论及工程意义。 东北欠学硕士学位论文 第二章蒸汽喷射嚣的浪i 弘 第二章蒸汽喷射器的设计理论 2 1 喷射器的工作原理和结构分析 使用蒸汽做为工质的蒸汽喷射器是法国人雷布朗斯于1 9 4 0 年制成的。初期乞 t 要使用丁1 汽轮机凝汽器的抽7i 器一f 0 随着工业的迅速发展，喷射器的的优越，f ， 受 到人们的广泛重视。目前已在真空发生装置、热力压缩过程等方面大量采用喷别豁， 2 3 图2 1 蒸汽喷射泵的结构图 f i g 2 1s t r u c t u r ef 堙o fv a p o r j e tp u m p 1 一工作蒸汽进入室：2 气体吸入室；3 一混合室； 4 一扩压器；5 一拉瓦尔喷嘴； 喷射器由工作蒸汽进入室、气体吸入室、拉瓦尔喷嘴和扩压器等四部分组成。 其r p ，喷嘴是缩放型的，混和室的形状是圆通型的，并在抽引段处接一j - 一段圆锥管 最后的扩压器也做成圆锥型。 1 一 * 、儿大学硕士学位沧乏第= 章蒸汽喷射嚣的设计理蠢 舶嗡事 扩i k 枯 i i 目 疆嗤薜 f 垣在 一一一一一 射w 射 l卜，_ h 一 、广 产一，、一 巴f - l 1 j 。上 ：证譬勘 激渡，一一 啮 人岁 生一一巳 、 澈渡 常拙 一一一太 w 蟒 气 圈2 2 喷射器内压力与气流速度变化过程 f i g 2 2 c h a n g e p r o c e s s o f p r e s s u r ea n da i rs p e e d i nv a p o r j c tp u m p 工作蒸汽经过拉瓦尔喷嘴变成超占速气流而喷射到混合室内，由于蒸汽流处j 高速而压力降低，同时降温，使吸入室内形成负压区。此时，被抽气体吸边混合室。 丁作蒸汽和被抽7 气体两股气流在混合宅内相互混和并进行动量和能量交换，把 一作蒸汽由压力能转变来的动能传给被抽气体，从而使工作蒸汽速度逐渐降低，被 抽气体速度逐渐增高，两者速度逐步接近。最后在扩压器喉部某处两者速度达到 致，并产生正激波。使得混合气流速度下降，从激波前的超音速下降到激波后的弧 音速，同时压力f 二升。 由喷嘴喷出的超音速气流进入缩放型扩五器后其速度不断降低，挑力不断升 高。到喉部时流速降为音速，然后继续卜降到亚音速。从理论上来说，这种超音速 气流的扩压器的设训计算方法应与超学速喷嘴完仝一样但实际上，超音速扩压器的 计算要复杂得多，因为实际上当气流由超音速转变为亚音速时，总要广生激波，绍 果其效率要比喷嘴的低的多。除此之外，当工况变动时，激波的位置也要发生变化。 只有当激波产生于喉部时，能量损失才最小。因此，在设计扩压器时其喉部应具有 一定的长度，以确保激波产生于喉部。 2 2 蒸汽喷射器的主要参数 、e 作蒸汽的压力 东北大学硕士学位论王第= 章蒸汽喷射器的谈j 殍r e 蒸汽喷射器常用的i ：f 1 蕉汽压力为0 3 1 5 m p a ，一般而苦，随着 1 ：蕉氐” 力的提高，所需蒸汽及冷却水耗昔相应减少，泵的设计指标办趋于经济，返。r t 列 单级和双级喷射泵显得尤为u 月显。但在低压蒸汽喷射制冷装管中工作蒸汽j 1 、，川j f i 于0 3 m p a 。 对丁常1 i = j 的固定抽气帚的喷射器，提高蒸汽压力并不会增加引射流体的流飘 这是因为在扩压过程中增加了额外的蒸汽量，反而会减少喷射器的抽气最。：。1 j 一竹 蒸汽引射流体及混合流体的压力一定时，工作蒸汽耗量与被抽气体量成卜【l 。 工作蒸汽一般应选择于饱和或过热度为1 0 一2 0 的蒸汽。采用 过热高度的蒸汽或湿蒸汽都没有好处，这是因为对高度过热蒸汽来说，蒸汽r 可 用能量的增加被蒸汽密度的降低所抵消，而采用湿蒸汽日寸又会使蒸汽有效热能变 小，并且还会因水滴的存存而造成喷嘴的侵蚀和堵塞，致使系统的真空度产生波动。 为防j 卜供气系统中可能出现的凝水现象，在供气系统中要安装疏水器。除此之外， 为防止各种蒸汽带入机械杂质堵塞喷嘴，还应采用旋风分离器或其它过滤装置。 2 、引射压力 被抽气体入口处的压力称为引射压力。一般，蒸汽喷射条的引射压力m 象的级 数来确定。但在低压蒸汽喷射制冷系统中，引射压力可由蒸发器中冷冻水蒸发温度 时的饱和蒸汽压来确定。当抽气量为零时，泵在稳定状态下达到的最低吸入j h 力称 之为极限压力， 随着抽气量的增加，泵的吸入压力亦随之提高。 3 、混合流体压力( 排出压力) 喷射器的排出压力依真空系统的布局的变化而变化。对于向大气排放的情况。， 其排气压强随大气压力而变化，一般为1 0 5 1 。i x l 0 5 p a ，对于向菜封闭系统搏 c 的喷射泵，其排气压力要依系统的操作压力而定。当排气压力达到菜一极限值时， 喷射器便不能向外排放气体，此时刈成的排气压力称为喷射器的极限反压，肖 气 压力达到极限反压时，引射压力也在瞬剐急剧上升。极限反压是喷射器的重要参数 之，它与喷射器的工作稳定性卣接有关。 4 、抽7t 量和抽气速率 喷射器的抽气量是引射流体的流量，包括其中的可凝性及不可凝性i 体。捕气 速率是指该入口处状态下单位时问内所抽吸的引射流体的体积流量。蒸汽喷射器的 抽气速率随引射压力而变，存工作区间有一最大峰值。在一定的引射压力、排出压 力和【作蒸汽压力的情况下，随着排气量的增加蒸汽耗量也随之增加。 5 、冷却水量及冷却水温度 为保证足够的抽气量，减少下级喷射器的抽气负荷，降低工f 1 ；蒸汽的耗黾及 缩小泵休尺寸，多数蒸汽喷射器都没胃冷凝装置，用以冷凝上作蒸汽和被抽气体l f j 立! ! 查兰堡主堂堡! 坚 的可凝性气体。 苎三! 墨塞：i ! 型堡! 坐! 垒 冷口水的消耗量与喷射泵的排气量及冷却水的温度成比例。冷却水温度决定f i 爪的米源及气温条件，降低冷却水的温度，增大冷却水量对喷刺器的性能影响是相 似的，一一般应尽量选用低温水源。 2 。3 蒸汽喷射器的级数 蒸汽喷射器的排出压力只和吸xj t 力只的比值y 称为雉缩比h ，即 ，：冬 ( 2 i ， p 只第一级喷射器的入口压力； 只末级喷射器的出口压力。 在多级串联喷射器系统中，每一前级的混合流体即是其后一级的引射流体。如 粜前级的混台流体正好是其后级的全部引自0 流体，则就称这两级旺1 i 是匹配的。 然，匹配是保证多级串联喷射器高效工作的必各条件，是设计时必须充分考虑的 题。 在给定条件下，通过多级喷射器串联，可以实现较高的压缩比，串联系统中的 每一级喷射器均可实现全压缩比的一部分。串联的级数，就可直接山伞压缩比丰 1 分 门i 缩比这两个数据决定。通常各级的分压缩比是不相同的，如果取其平均值，则有： 级数= l g ( 全压缩比) i g ( 每级平均压缩比) 在低压蒸汽喷射制冷系统中，全压缩比可通过冷冻水蒸发温度的饱平蒸汽n ： 力来确定。根据全压缩比和主喷射器的入口压力即冷冻水蒸发温度的饱利蒸汽爪 力，可得出，本制冷系统一般需要三级蒸汽喷射器。 2 4 压缩比的分配原则 在设计多级串联喷射器时，当确定了串联的级数以后，紧接着需要确定的，就 是每一级喷射器的压缩比。那么，多级串联喷射器系统的全压缩比在各级之沁l f 1 分 配，应该遵循什么样的原则? 这一问题也是必须要解决好的。 2 4 1 压缩比的均匀分配原则 多级串联喷射器的全j 1 ：缩比在各级喷射器之间进行均匀地分配。 东北大学硕士学位论文第一二章蒸汽喷嘲嚣的设汁理。； 每一级平均压缩比f ： = y 2 2 当仝压缩比均匀分自甜j ，喷射器吸走同样多的引射气体，所消耗的j 一作7l 伶毓 最少。多级串联喷射器的令压缩比在各级之间均匀分配时，将具有最高的乍，一亿 j f 因为这样做具有最高的生产率，决定了均匀分配原则，是全压缩比分配的理想腺 则。 在上面之所以把均匀分配的原则叫做理想原则，这是冈为均匀分配具体。史现，蜒 来难度很- 人，是彳i 实用的。 首先，多级串联喷射器的每后级的引射气体就是其前一级的混合气体，闪咖 越往后各级的引射量越大，胁在人引射量的情况卜，就必须要保证喷射器具自较大 的引射系数：同时，喷射器的引射系数具有随着压缩比的增大而减小的特性，如求 全压缩比在各级之间均匀分配，则后面各级喷射器的压缩比相对也较高。可w ，均 匀分配时，后面各级既要保证较大的引射系数，又要保证较大的压缩比，实践i 【 = i 】月， 这样的喷射器是很难实现的。 其次，就具体的工程应用来晚，保证各级喷射器的工作流体采用相同的& 力， 这是一个不盯忽视的很实际的要求。喷射器理论告诉我们，要满足这一要求，伞爪 缩比就不能再在各级之间进行均匀分配。因为如果均匀分配，各级喷射器工作流体 的压力就势必不能保持相问，而须足越往后各级的压力越高，具体高多少还得随 况的变化而变化，显然这将会给使用管理带来很大的麻烦。因此，从工程运崩角度 柬看，均匀分配也是难以被推广的。 2 4 2 不均匀分配原则 i ：述分析表明，多级串联喷劓器为了设计制造时能够顺利实现，也为了便1 。e 在程应用中的使用管理，其全压缩比在各级之问的分配小应该是均匀的，而应j 幺 是不均匀的，并且各级的堆缩比由前往后应该依次缩小。 当然，如果后级的一i ? 作流体压力能够相应地按比例增高，则还足均匀分配为好。 但必须注意到的是，不均匀分配时虽然生产率不如均匀分配时高，实现起来却要容 易得多，具有很好的实用价值。 伞压缩比在各级喷射器之间进行不均匀分配，既有利于实现，又有利r 使用管 理，其分配原则为f 3 l ： 1 从笫1 级剑术级的压缩比一般应逐渐减少最大压缩比k 。= 1 0 1 2 ，最小i = = 缩 比y m 。= 3 4 。压缩比太人a 小都会影响泵的性能稳定。 2 进入第级冷凝器的混合物中的蒸汽分压力对应的饱和温度要比冷却水入f 温 第二章蒸汽喷射嚣的设，理沦 度高8 1 2 ”c 。 3 几力蟊替度取1 0 ，即拥邻两级唢刺器的l 衙砸缴的极限反压力应比j f j 线的吸 入肚力岛1 0 。 4 冷凝器的阻力( 压力降) 约为6 7 0 1 3 3 0 p a 。位于高真空处的冷凝器的目i 力取小 值，位于低真空处的冷凝器的阻力瞅、值。 在蒸汽喷射制冷系统中，第级的艇缩比川以由蒸发器中冷冻水蒸发温度的饱 利羲汽j k 和主冷凝器中冷却水冷凝温度的饱和蒸汽压的比值来表示。第：辅助蕉汽 喷时器的排出压力应高于一个大气压力。第一级主喷射器的排气压力，根掂卜冷凝 器的冷凝温度确定。第一辅助喷射器的 j | 出月、力只1 可按下式计算f 4 2 j ： 乞= 扛可1 0 。1m p a ( 2 - 3 ) - 中 e 第一辅助喷射器的吸入压力，可取为与主冷凝器的冷凝胝力相等； 只兀第：辅助喷射器的排出压力，选取稍高于一个大气压力。 第二级和第三级的压缩比也就可以根据各级的吸入和排出压力来求h j 。 2 。5 影响蒸汽喷射泵工作特性的因素 影响蒸汽喷射器：f 作特性的因素很多，具体的蜕，对于单级水蒸汽喷刺器，主 餐是结构因素，也就是几何尺寸与形状对喷射器工作特性的影响；对于多级水蒸汽 喷对器，主要是泵与泵间的压强衔接以及工作条件、操作方法对喷射器：j ：作特性的 影响。 末级泵的吸入压强与前缴泵的排气压强两者之筹，垃l 即重叠系数过高、过忆 刈j ：蒸汽喷射器抽真空系统都是不利的。 重叠系数大，喷射器的【：作稳定性很好，但工作性能的充分发挥却受到嘣 也就是说，不经济。按理两级喷射的压缩比应比饿喷射的压缩比大，且抽速快， 侗m 十重叠系数的影响，抽至两级喷射应达到的真空度时间要长。极限情况，若重 碧系数为1 ，则两个泵变成并联型式。重叠系数小，则喷射器的工作稳定性不好。 级泉排出的气体中可冷凝。i 体很好地被冷却水冷凝下来。两泵之间压强不能合理 的衔接，造成了抽气时问的加长。当末级泵的吸入j l i 强低于前级泵的反压强时，m 流休的性能参数变化导致的扰动穿不透喉部正激波；当米级泵的吸入压强高_ j 前级 疑”0 反压强时，扰动通过边界层逆流上传。归根到底，这是因为泵的极限反强 的 ：强慢。 一1 7 东北大学硕士学位论文第二章蒸汽喷射器的设1 t j t _ 沦 在喉部存在超音速区域的情况刚，f 游的影响不可能穿过喉部传递剑 游去， l 刖此即使改变反压强值，吸入压强并不变化。但若逐渐增大反压强值州，冲击波剃 扩j k 器喉部向前移动。当反压强超过临界反压强时，冲击波终于移动到扩j i - 器渐缩 部。如果在扩压器渐缩部产生冲击波，则渐缔都会产生流体分层现象，靠近扩压器 鼙的一层( 边界层) 的流体，处于亚音速状态。因此，下游的影响就能够逆边界瑶流 体的方向传到上游去。也就是说，当反压强高于临界反压强时，吸入压强随反压强 变化而变化。压强上升的起点随着反压强的增加而向上游部分移动，当其反压强超 过临界反压强时，压强上升的起点向扩压器渐缩部方向移动。压强上升的点就是与 冲南波的产生有关的点。其次当反压强低于临界反压强时，渐缩部入口的压强j b - y - 相等。这个现象证实：在扩压器渐缩部：l = 作气体与被抽气体进行等压混合的假定是台 理的。 喷嘴与扩压器的相对位置，是喷射器二l ：作特性的一个重要影响因素。除此之外 还有以下几个影响冈素： f _ 一) 使用环境、操作方法、工艺措施等的影响 1 工作蒸汽压强： 随着工作蒸汽压强的增加，喷射器极限反压强提高，工作特性曲线工作段长度 自所加长，泵的工作更趋稳定，工作特性曲线有平行一卜移趋势，各抽气量卜的真空 度有所下降，蒸汽耗量提高，冷凝器负荷加大，在冷却水量不变情况下出气温度 升高。喷射器有一个最小工作蒸汽压强，低于此值泵不能正常启动，工作过程中低 于此值将会使泵发生倒流现象，破坏真空。 2 工作蒸汽温度和含水量： 蒸汽的过热度过高，由于其比容过分增大，蒸汽高速流动出现不稳定，参与 ： 作的能量降低，导致极限反压强下降而引起泵的 。作不稳定，蒸汽温度降低时的情 况t j 蒸汽压力提高的影响相似。低于饱和温度，蒸汽中含有水份也造成泵工作不稳 定含水越多波动越大、甚至完全不能工作。 3 冷却水量： 进入冷凝器的冷却水量如逐渐减少，将使其排汽温度逐步上升，从而使未冷凝 的蒸汽量逐渐增多，亦即使其下一级喷射器被抽的混台物量增加，导致二乓吸入压强 f 一升。如果这个压强升高尚未超过前级泵的极限反压强时泵尚能工作，一但这个升 高的压强超过其前级喷射器的极限反应强，将引起前级喷射器的过载，从而导致整 个泉的过载，使已经建立起来的真空系统破坏。冷凝器的冷却水有一设计合理值， 过分增加水量，非但无益，而且有害，一方面增加了冷却水的放气量，更重要的足 导致冷凝器阻力增加，降低喷射器抽气特性，甚至使前级喷射器过载。冷凝器的玎： 常阻力一般为6 7 9 1 3 5 9 p a 。 ；j 北k ：硕士擘位论文 第= 苹棼汽喷射器的设计坶z f ) l i ( - - 结构因素的影响 ，i 填嘴与扩压器的临界截面比： f i j 其它l 况，喷嘴与扩瓜器的l 临界截面比与喷射器的极限反压强成“! 比例x - 甍。 、，峨嘴与扩压器轴线不同轴度： 这个不同轴度较小时对泵的设计性能没有严重影响，过大的不同轴度则显著 瞳真，卜恶化。当不同轴度逐渐加大时，不良影响是由l 作特性曲线的低真空段( 抽 l 量转入的一段) 丌始，逐渐向高真空段蔓延；4 b 溢流边鹾( 米) 。 将上述已知常数代入上式： 彬= 6 4 0 0 b , h 3 米3 小j 2 筛板式分配盘 筛板的宽度，丰要应保证冷却水从一一块筛板溢流到另一快筛板上，而儿在帽同 的 | 0 间内，通过蒸汽的截面人致相等。j 二i 此，筛扳的宽度一般取冷凝器外壳筒休 二 径加5 0 毫米，即： 6 。拿+ 5 0 毫米 r3 5 0 ) 筛板式分水盘，边缘询：有定高度。发计时要考虑大部分冷却水通过极卜l 挣靖 孔，其余部分的水则可通过筛板边缘，从块筛板溢流到另一块筛板。 3 4 3 3 冷凝器高度与外壳厚度 冷凝器的高度应根据筛板的块数和板间距离确定。而筛板的块数又根捌冷却水 需受加热的温度确定，一般为6 7 块。筛板1 日j 距不等，越到上部间距愈小。 3 4 4 冷却水的加热 蒸汽热量自表面渗入水巾的深度卵如f 所示： 叩。i 薪毫米 s 一) 式中：z 冷却水加热的时间( 秒) 。 弘，丝( 2 ) g 一 式中：h 冷却水下落高度( 米) ； r 重力加速度9 8 ( 米秒2 ) 。 冷却水的加热与下薄时间成正比：冷却水与蒸汽开始接触时的温升最大，以后 的温升逐渐减小。 冷却水通过每一一层分配盘成水膜状时，温升按下式计算： f ，2 r 6o 2 1 5 血( 。c ) r3 删 式中 r l 热量自表面渗入水中的深度； 东北走学硕士学位论文第三章喷射制冷系统役叫方爿 6 水膜的厚度( 毫米) ； f - 一冷却水和蒸汽问的温差。 要将冷却水加热夺接近蒸汽温度时，如果冷却水从冷凝器顶部直接藩到底酃， 中间无筛板，则冷凝器的直释和高度都需要很大，而月冷却水需要喷洒成细小的水 滴，蒸汽上升速度必须很慢。但是，在同样高度的混合式冷凝器巾加上几块筛板 使冷却水与蒸汽的接触表i f ；| f 不断改变，则冷却水的温j t 就会很大。 3 5 辅助冷凝器 辅助冷凝器把不凝气体排 _ h 系统，使制冷机l f ! 常运行。同时，把没有全部冷凝 的蒸汽再次冷凝，保证前段真空完成制冷和降温的过程。较小的蒸汽制冷机矩托不 设辅助冷凝器，直接把喷射器串联上即可。为了防止大量的冷却水沿器壁下流与燕 汽接触不良，在筒体的中部设圆环，使沿壁下流的冷去水通过圆环形成水膜，i 、j 增加刷蒸汽的接