液—液引射器的研究与应用进展

鲁佳 李鹏飞 刘威 胡彧 田雅婧 黄伟

【摘 要】本文介绍了液-液引射器的工作原理、工作特点、基本理论研究进展以及其在喷射泵、化工过程、热能工程和岩土钻探工程等领域的应用研究进展。液-液引射器可直接利用各种有压能源， 无需增加过多辅助设备， 具有很好的综合效益，可广泛应用于工作液体与引射液体之间的传质、传热以及强化流动。

【关键词】液-液引射器；喷嘴；喷射泵；射流器

中图分类号： TH122 文献标识码： A 文章编号： 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点

液-液引射器主要是由喷嘴、引射室、混合室、喉管、扩散室等几个部分组成[1]，结构如图1所示。具有较高压力的工作液体流经喷嘴绝热膨胀，静压力降低，速度增大，在噴嘴出口处达到较高速度甚至亚音速或者超音速，从而形成一定负压区，将具有较低压力的引射液体夹带或者卷吸进入混合室。工作液体和引射液体与在混合室内发生宏观混合、介观混合和微观混合等混合过程[2]，实现两束液体间的质量、动量和能量交换并达到平衡。混合后的液体进入到扩散室后，压力继续增大，在扩散室出口，混合流体以高于引射液体的压力排出引射器。广泛地应用于工作液体与引射液体之间的传质、传热以及强化流动。

液-液引射器具备引射器所具有体积小、噪声低、成本低廉、使用方便和工作可靠等优点外，还具备可直接利用各种有压能源， 无需增加过多辅助设备， 节约能源，降低能耗特点，具备很好的综合效益。

2 基本理论研究进展

液-液引射器的性能与自身结构、工作流体、引射流体密切相关，其工作过程涉及到的流体力学、热力学等方面都比较复杂，目前尚无确切的计算方法。在设计中，设计者一般都是先根据工程经验公式进行初步设计，再进行基于CFD的优化设计。李应林[3]等以R134a为工质，计算结构参数对引射性能的影响，结果表明，引射系数随喷嘴出口直径、混合室长度的增大而不同程度的减小，引射系数随混合室直径、工作流体流量、喷嘴长度和扩散室长度的增大而不同程度的增大。刘传超[4]等研究发现不恰当的引射角度将导致引射流体在喷嘴外围环隙的速度和流量分配不均，进而导致流场偏移，并且在其研究参数下，最佳引射角度为60°。别海燕[1]等以水和乙醇分别作为工作流体和引射流体研究得到喷嘴出口形状为椭圆形的喷射器的混合性能优于圆形、三角形和方形的喷射器。沈银华[5]等研究喷嘴参数对射流性能的影响，研究表明，由于喷射器扩散室的影响，引射流没有等速核段，并且在喷嘴出口处速度会发生跃变。喷嘴出口后的射流轴心速度衰减同无圆柱段喷嘴射流基本段的轴心速度衰减相似， 断面上的速度分布具有自模性。毕荣山[6]建立了液-液喷射器的实验装置，并利用PLIF技术研究不同结构尺寸对引射器湍流混合性能的影响，研究结果表明，工作流体/引射流体流量比值越小，混合效果越好，完成混合需要的距离越短；在低工作流体流量下，混合室入口直径/喷嘴直径比值越大，混合效果就越好，混合效果与引射流体的压力损失成正比。

3 应用研究进展

3.1 喷射泵的应用研究进展

喷射泵在有限空间内形成射流， 使工作流体与被吸流体进入混合室内通过射流边界层的湍动扩散作用进行能量及质量的交换， 提高出口流体的压力和流量。邝绪澄[7]详细介绍了引射泵中喷嘴、混合室、扩散室等部件的结构型式和尺寸的设计，并给出了射流泵的最高效率、设计特性、制造注意事项和应用情况。杨雪龙[8]等采用两种方法设计喷射泵的扩散室，并对喷射泵的混合室长度、扩散角度和型线优化，研究结果表明，基于两种方法设计的扩散室均能均能获得较好的性能，并且获得最有混合室长度、扩散室型式和扩散角分别为6倍混合室直径、锥形和8°。郭新贵[9]等以N-S方程为基础，采用 Galerkin解法和 Baldwin- Lomax湍流模型，对大峡水电站顶盖排水射流泵内部轴对称流场进行数值模拟，得到了全流场的速度、压力分布，与现场实验结果基本一致。龙新平[10]等对射流泵内部流场和性能进行了数值模拟，经与实验结果相比，证实了数值模拟的可靠性，还计算出射流泵最优喉嘴距范围为0.5～1.5 倍喷嘴直径之间，1倍喉嘴距时效率最高。何培杰[11]等对沸水反应堆喷射泵内部流动进行了数值计算和流动分析，预测了壁面压强和轴心速度分布，计算值与试验值吻合很好，分析结果表明，对于给定混合室面积与喷嘴面积比的喷射泵，射流核长度以及是否出现回流只与引射流体与工作流体流量比有关。

3.2 化工过程方面的应用研究进展

液-液引射器具备对引射流体和工作流体间强烈的质量传递、热量传递以及动量传递的特点，广泛应用于喷射吸收、物料混合、强腐蚀介质输送等化工过程。毕荣山[12]等利用两环境矩直接积分模型对引射器内液液平行-竞争反应体系进行了研究，结果表面，随着引射流体流速的增加或随着工作流体流速的小，平行-竞争反应的选择性越来越高，副反应的转化率越来越低。何培杰[13]等研究认为液-液引射器可以较为理想地实现农药与水“在线”混合，建议选用面积比小的混药装置，并注意引射器进口压力较高时发生气蚀。赵红妹[14]研究在异氰酸酯生产中光气化反应中，光气与TDA和DEIP两股液体都与混合段轴线平行进料时混合效果最好。王明冲[15]介绍了设置有液-液引射器的混合装置用于塔里木油田原油脱硫中脱硫剂的添加，使用液-液引射器的混合装置较静态混合装置提高了混合效果， 药剂用量降低35 %以上， 具有良好的经济效益，该装置还具有生产连续、混合时间短、适用范围广等特点。李文国[16]等介绍了液-液引射器用于除盐装置凝结水回收系统的改造，改造后系统利用压力较高的凝液作为动力源，使压力较低的凝结水全部回收。项目实施后，系统运行稳定，可回收利用和减少排放大量冷凝水，减少资源浪费，提高经济效益。

3.3 热能工程方面的应用研究进展

在供热工程中，液-液引射器一般应用于换热站或建筑物入口处，利用管网“富余压头”产生供水资用压头抽引热网回水起到混水的作用[17]提高供热外网的水力稳定性， 增大供暖末端用户的资用压差。张琨[18]分析讨论了区域供热系统管网参数变化对液-液引射器几何尺寸的影响，工作流体温度对截面比影响较明显，而系统压力损失的改变对引射器扩散室部分的尺寸无影响。王平[17]等研究出4种适用于供热工程设计及运行的液-液引射器特性曲线，可根据特性曲线并结合供热网络的运行状况，对液-液引射器进行调节。任卫英[19]介绍液-液引射器在高低区直连系统，一、二次网直连系统以及二次管网上的应用供水压力中的应用，液-液引射器在这些应用中都可以有效的消耗掉富余压头或供水压力， 提高供热外网的水力稳定性， 提高供暖末端用户的资用压差。尹鹏[20]介绍液-液引射器在北方地区的供热工程的应用，与传统的供热系统相比，液-液引射器用于供热系统，有利于提高系统水力稳定性，缓解系统水力失调、冷热不均的现象，并且经实践表明，采用液-液引射器的供热系统能有效降低水泵运行功耗和采暖能耗。

3.4 岩体钻探方面的应用研究进展

液-液引射器在钻孔工程中的应用是以引射水射流直接切割或破碎煤岩或者刀具破碎煤岩为主，以引射水流冲蚀为辅。由于引射流压力大，在很小的范围内聚集很大的能量，对岩土层具有强大冲击破碎力。王学鹏[21]利用数值分析软件对不同工况下压裂施工管柱进行了受力和变形分析，还通过CFD计算对液液引射器单簇自由流場和环空流场数值仿真模拟，研究表明，液-液引射器中的喷嘴起到聚能加速作用，使携砂水流在出口迅速加速，并携砂水可能会对引射器造成冲蚀磨损。唐建新[22]等根据液-液引射器原理设计了应用于抽放钻孔中切割煤体的高压水射击流装置，对喷嘴和引射器进行了现场试验，试验优化得到最佳液-液引射器结构参数和切割速度，并且煤层采用高压液液引射器切割缝后，钻孔预抽瓦斯的抽放率提高了18.8%，抽放时间缩短90%以上。朱丽红[23]等借助CFD数值模拟确定二级引射装置结构参数对钻头引射系数的影响，优化得到引射孔直径为11mm、中心孔直径为44mm、引射孔角度为30°和引射孔距反循环钻头底面距离为180mm时，引射结果最佳，还利用反循环孔底流场实验台证明模拟结果与实验结果基本吻合，证明了二级引射装置能够有效提高贯通式潜孔锤钻进技术的反循环效果。

4 总结

液-液引射器具备引射器具备的结构简单、体积小、噪声低、成本低廉、使用方便和工作可靠等通用优点，还可直接利用各种有压能源， 无需增加过多辅助设备， 具有很好的综合效益，适用于工作液体与引射液体之间的传质、传热以及强化流动。

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