可调节蒸汽喷射泵研究进展

2021-04-06任建波胥建美谢春刚

盐科学与化工 2021年3期

任建波，苗超，胥建美，李强，谢春刚

(自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

蒸汽喷射泵作为多效蒸馏海水淡化系统的核心部件，可以提高动力蒸汽的循环利用效率，充分对低品位热源进行再利用并降低系统能耗，直接提升海水淡化系统的造水能力。蒸汽喷射泵在拥有诸多优点的同时，也存在一定的不足之处。由于通常采用固定的结构设计，蒸汽压力、流量可调节范围很小，必须在一定的范围内才能正常工作，否则工作效率将会极大的降低，甚至不能工作。然而，工业生产中由于受到诸多不可控因素的影响，不可避免地引起工作蒸汽压力的波动，从而导致蒸汽喷射泵性能严重恶化。

可调节式蒸汽喷射泵对于改善喷射泵性能、保持高效稳定运行具有重要的现实意义。文章首先介绍了蒸汽喷射泵的基本工作原理和研究进展，随后重点介绍了可调节蒸汽喷射泵的研究进展情况，以期为蒸汽喷射泵的发展提供新的思路。

1 蒸汽喷射泵基本工作原理

典型蒸汽喷射泵结构如图1所示。主要包括喷嘴、吸入室、混合室和扩散室。高温高压的工作蒸汽在喷嘴内部发生绝热膨胀，速度不断增大、压力不断减小，在喷嘴出口处达到超音速，形成一个相对低压区。由于喷嘴出口处该低压区域的剪切作用，引射蒸汽进入吸入室，与工作蒸汽在混合室内进行混合。在经过等压以及等面积混合室的复杂混合后，混合蒸汽的速度在扩散室内不断减小，压力不断升高，在喷射泵出口处完成对引射蒸汽的增压。

图1 蒸汽喷射泵结构示意图Fig.1 Schematic diagram of steam ejector

根据喷射泵运行时引射系数和出口压力之间的关系，可将喷射泵的工作模式可分为三种：临界模式、次临界模式和回流模式。当出口压力低于临界背压时，喷射泵在临界模式下工作，引射系数保持在一个恒定的最大值。当出口压力略高于临界背压时，喷射泵处于亚临界状态，引射系数会迅速下降。当出口压力继续升高，蒸汽发生倒流现象，进入回流模式，蒸汽喷射泵无法正常工作。因此，喷射泵应设计过程中应保证其在临界模式下工作，以保持最佳的引射性能。

2 蒸汽喷射泵研究进展

蒸汽喷射泵虽然结构简单，但内部流体相互作用情况却十分复杂，如激波的形成条件、相变的发生及对喷射性能的影响、边界层分离等物理现象的存在[1]。

蒸汽喷射泵内部结构参数微小的变化对其性能有着极大影响，为了提高蒸汽喷射泵的性能，国内外研究者在喷射泵结构设计、结构优化等方面开展了大量的研究工作。沈胜强等[2]基于气体动力学原理，提出了蒸汽喷射泵结构设计方法，并建立了蒸汽喷射泵性能分析、结构设计理论和实用方法。余志宏[3]研究了喷射泵进出口直径、混合室长度等结构参数，进出口压力等操作参数对喷射泵引射系数的影响。Rusly等[4]通过研究发现，喷嘴在蒸汽喷射泵内部的位置对其性能的影响很大，并且位于激波发生前的位置时可以使喷射泵的引射系数达到最佳。Ruangtrakoon等[5]研究了喷嘴尺寸对固定结构喷射泵性能的影响，发现蒸汽混合时产生的激波位置和喷嘴的扩张角度对喷射泵性能具有重要影响。严嘉等[6]研究发现面积比与喷嘴出口位置对于喷射泵的性能影响最大，并且优化了喷射泵的尺寸，为喷射泵的工程应用提供了设计指南。此外，喷射泵的混合室截面尺寸、扩散室结构尺寸、恒定面积截面尺寸等也被认为是影响喷射器性能的重要因素[7]。然而，上述研究仅针对固定结构的蒸汽喷射泵开展的研究。

3 可调节蒸汽喷射泵研究进展

固定结构的蒸汽喷射泵在设计工况下，通常具有较好的引射性能。然而，随着工作蒸汽参数的变化，偏离设计条件将不可避免地导致引射性能的恶化。一些特殊结构的蒸汽喷射泵，在一定程度上可以满足非设计条件的要求，但其工作范围仍然很窄，难以适应蒸汽参数波动较大的情况。因此，开发可调节蒸汽喷射泵已成为近年来的研究热点。总结相关文献，可以将可调节蒸汽喷射泵分为喷嘴出口位置可调的蒸汽喷射泵和面积比可调的蒸汽喷射泵两种类型。

3.1 喷嘴位置可调的蒸汽喷射泵

喷嘴出口位置被定义为喷嘴出口与等压混合室入口之间的距离。喷嘴出口位置决定了工作流体与引射流体混合所在位置，当工况变化时，调整喷嘴位置能够有效提升蒸汽喷射泵性能。

张铭[8]提出了喷嘴位置可调的蒸汽喷射泵，根据工作蒸汽的压力、温度、流量等的变化，手动调节喷嘴位置，以保证喷射泵在最佳点工作，实现系统在变工况下的稳定运行。邢桂菊等[9]通过大量实验和计算研究，分析了改变喷嘴在吸入管的位置来提高喷射泵引射效率的可行性，研究发现该方法可以使喷射泵效率最多提高10%以上。Wang等[10]提出了自适应喷嘴出口位置喷射器的概念，并开展了试验测试。实验结果表明，该方法可以提高MED-TVC海水淡化系统的蒸汽喷射泵的性能。

3.2 面积比可调的蒸汽喷射泵

面积比被定义为蒸汽喷射泵喉部与喷嘴喉部之间的面积比。面积比是设计蒸汽喷射泵的核心参数，对于喷射泵内部超音速流体的马赫数分布具有重要影响。为实现蒸汽喷射泵的可调节性，可通过调节针在喷嘴内的线性运动来改变喷嘴喉部的当量直径，从而改变面积比，实现对喷射器性能的调节。典型面积比可调蒸汽喷射泵如图2所示。

图2 典型面积比可调蒸汽喷射泵Fig.2 Schematic diagram of steam ejector

沈胜强等[11-12]并提出了在喷嘴内轴向加入调节锥的可调式蒸汽喷射泵，并开展了理论和试验研究，通过研究表明带有喷针装置的可调式蒸汽喷射泵在非额定工况下，仍具有较高的喷射系数，可以使得喷射系数提高57%。通过喷针的调节，可以减小出口流量的波动，抵消入口参数对出口参数以至整个系统的影响。谢江维[1]开展了可调式蒸汽喷射泵的数值模拟研究，给出了类似的结论，可调节式蒸汽喷射泵可以降低进出口参数对喷射泵性能的影响，使喷射系数和出口流量都维持在相对稳定的范围内。然而，上述研究中并未指出喷针的具体调节方法。针对面积比可调节的蒸汽喷射泵的调节方法，张志平[13]提出了通过手工操作旋转手轮或电磁阀自动控制，轴向移动锥形轴移入或移出喷嘴以控制动力蒸汽的流量的方法。虽然能够实现蒸汽喷射泵的调节，但需要手动进行调节，或通过蒸汽测试仪表获取流量、温度信号将其传递给控制机构进行调节。任建波[14]等提出了一种动态自调节蒸汽喷射泵，通过在喷嘴内部设置弹簧和调节活塞，达到了自动调节蒸汽喷射泵面积比的效果，从而实现喷射泵在工作蒸汽压力波动的条件下稳定工作的目的。Wang等[15-16]在传统蒸汽喷射泵的喷嘴内添加一根喷针，与波纹管执行机构相连，通过波纹管感知动力蒸汽压力的波动，推动喷针进行轴向位移，改变喷针对于喷嘴喉部的堵塞面积，从而实现自适应动力蒸汽的压力。研究发现当动力蒸汽在800 kPa～2 000 kPa范围内波动，临界背压20 kPa的工况下，自调控面积比蒸汽喷射泵的平均引射系数为1.39，传统固定结构蒸汽喷射泵的引射系数仅为0.69。