水力喷射器的流动特性计算及其设计

1、水力喷射器的流动特性计算及其设计黄世安湖南红莓高新化工装备研发所（湖南岳阳 ）摘要：本文在工程应用与设计层面对水力喷射器的下水能力、抵抗外压（背压）能力等流动特性运用流体能量方程和动量方程提出新颖的计算方法，建立新型水力喷射器的基本设计方程，并对其真空蒸发能力进行计算，制成超低位安装的高真空水力喷射器并应用于生产实践，取得良好应用效果。关键词：水力喷射器 流动特性计算 超低位高真空水力喷射器水力喷射器是具有抽真空、冷凝、排水为一体的重要有效能转换的装置，是真空浓缩系统中重要的设备。它是利用一定压力的水流通过对称均布成一定倾斜度的喷嘴喷出，聚合在混合室喉部的焦点上，由于喷射水流速度很高，于是在其

2、周围形成负压， 使喷射器内产生真空并抽吸空气与二次蒸汽。由于二次蒸汽与喷射水流直接接触，进行热交换，绝大部分的蒸汽凝结成水，极少量未被冷凝的蒸汽与不凝结的气体与高速喷射的水流互相摩擦、混合与挤压，通过扩散管被排除，使喷射器内形成更高的真空。多喷嘴水力聚焦喉部的集束度是其抵抗外压与封水能力，进而保证较高负压的关键。目前喷射器厂家的产品性能和实际应用，均要求该设备安装高度4.5米以上，且排水尾管长3米以上，如果直连上冷却塔装置，安装高度达7.5 米以上，这对单层建筑使用极为不便，独立安装则需搭建较高铁架，安装及维修均很不利。就其原因是喷射器的多喷嘴水力抵抗外大气压的能力较低，必须借助安装的高位差，

3、使下水管产生一定的抽水效应，帮助喷射器能在较高的真空状态（0.085MPa 0.092MPa）下正常工作，否则将会倒进水而使真空破坏。以下就喷射器的普遍水力特性进行计算，并提出能安装高度1.5米左右，若不用循环水泵，直连冷却塔装置而安装高度只需不到4 米的解决方案。1 喷射器排水尾管的下水能力排水尾管下水能力是指混合室喉管直径确定后，多喷嘴打出的水通过喉部的顺畅程度，即通过流量Q所需要的最小喉管直径d。喉径过小则下水能力不足，过大则喷射器水力抵抗外大气压的能力大为下降。喷射器射流集束度即聚焦好坏与喉径密切相关，对一台制成的喷射器，其抵抗外压的能力是确定的。1.1 喷射器下水过程高速喷射的水流形

4、成的负压会抽吸周围大量的空气，从而使射流夹带空气冲向集水混合室的“喇叭”入口端，形成大量的白水泡泡和剧烈的水流旋滚区，这是水力机械能损失最大的地方，如果水流不能及时下行，旋滚区高度h会上升，此时能量损失更大。旋滚区水流借助重力和喷射水压挤向集水混合室的喉部，再从扩散管排出。喷射水流股由于水力特性，都会有一个圆心张角，即使设计加工时喷嘴的水力焦点完全重合，也会因此形成喷射束环D0比设计时大不少，D0值与喷嘴内部加工精度和流线性能密切相关.图（11）喷射器水力特性分析示意图1.2 喷射器水力损失能喷射器水流在高速射向喉部混合室时，由于吸入大量空气形成一定高度h的剧烈旋滚区，这是水力能损失最大的地方

5、。该旋滚区水流特性类似于管道流动突然扩大时的旋滚区，借助这种水力相似原则确定喷射器水力损失能可表示如下： 式中，d 喉管直径；D0 喷射束环直径；v 喷射水抵达旋滚区前的流速对实际应用的喷射器在器内与外大气压相通时，打水测得的数据如下：喷嘴直径dp = 0.01m，共7个，总截面积Ap=5.510-4m2,喉管直径d=0.051m；泵水流量Q = 50m3/h = 0.0139m3/s ,测得喷射束环D0=0.12m 。求得喷嘴流速v =Q/Ap =25.27m/s， 抵达旋滚区前的流速=0.9825.27=24.76m/s,总水力能m,损失能 ，喉部水流动能。1.3 混合室喉部过水能力喷射器

6、下水能力在器内压力与外大气压相通时，即，此时形成的剧烈旋滚区最大和能量损失最大，对应的喉部直径过水能力最低，计算时以此时满足过水流量Q所需要的最小喉管直径d为准。如图（1-1）示，考虑有排水管长L情况下的计算：在断面1-1（旋滚区面）与5-5（出口端）间，列出水力伯努利能量方程： (1-3-1)式中，P1=P5=0，Z5 =0,Z1= H =h+l+L ,v1 （1-1面直径相比较大，动能项可忽略）， ,。阻力项 由连续性方程，得 由于喉管很短， ,将以上各式代入方程（1-3-1），整理得 (1-3-2) 方程（1-3-2）为喷射器泵水开始工作时喉部管径下水所需满足的方程，对管径d是四次方，根

7、据实际测量情况进行试差计算：Q=0.0139m3/s ,ld=0.10m ,L = 1.0m,旋滚区高度h = 0.22m,v2=Q/0.785d2 ，总水力压头H =1.0+0.22 +0.1 =1.32m。表1 喷射器的喉部直径与其下水总水力损失的关系 d(m) v2(m/s) v22/2g（m） hf（m） 0.046 8.37 3.57 1.93 0.050 7.08 2.56 1.40 0.051 6.80 2.36 1.30 0.055 5.85 1.75 0.99从以上计算可知，总水力压头H=1.32m ,水力损失hf =1.30m 的喉部直径d=0.051m能满足下水要求。多次

8、实践改进和测试的结果，实际喷射器的喉部直径正是0.051m。 2 喷射器抵抗外压（背压）的能力喷射器的水力抵抗外压（背压）能力是其性能优劣的重要因素之一，是它能安装最低高度的决定性因素。单一喷嘴的喷射器由于水力集束度好，较容易通过喉管并具有较好的抵抗外压的能力，但其喷射抽吸二次蒸汽的能力较低，一般均采用多喷嘴结构。多喷嘴水力集中于喉管的对焦能力是其抵抗外压的重要因素，因为水力射流至混合室集水“漏斗”处时，其喷射束的环径越大（对焦不好），则水射流至“漏斗”底部（即喉管入口处）会因水流相撞而引起旋滚区，这时会有较多能量损失，其抵抗外压能力就降低。在高度真空状况下，由于空气稀少，此时旋滚区的剧烈程度

9、大大降低，同时高度减少，对一般射流冲击喉部的水力冲击力分析如下：假设多喷嘴出口速度v0，总流量Q，由于喷嘴加工精度和射流圆心张角，会使射流股直径稍大，同时速度稍小，加上对焦原因而引起的射流环径D0的变大，喷射流股抵达混合室喉部的有效冲击速度为（依对焦冲击程度取）。对喷射流量Q，速度的水力冲击喉管上口径时，取喉管的渐流断面1-1和2-2及喉管表面围成的控制面上，由于喉管很短，重力和摩擦阻力可不计。在高度真空下，喷射器内绝对压力为Pb(1-1面）,喉管背压Pc(2-2面)。运用流体的动量方程，取竖直向下为正方向： （2-1） 即 （2-2）在不考虑排水管阻力损失情况下，背压Pc，代入 ，得 （2-

10、3）方程（2-3）即是喷射器在高度真空状态下，抵抗外压必须满足的关系式。它包含水力喷射器的流量、喷射对焦水力冲击速度系数、喷嘴总面积、喉部面积、喷射器绝对压力及下水排管长度等诸多因素，缺一不可，可作为喷射器设计的基本方程。依方程（2-3），计算在流量Q=0.0139m3/s,密度（由于通过喉管的水为高度真空的，其中含有极少量的不凝气体在高度真空下迅速膨胀，因而水密度降低）。喷射对焦及水力冲击速度系数，7个喷嘴总截面Ap=5.510-4m2,大气压Pc=0.1MPa,喷射器内绝压Pb=0.008MPa(负压-0.092MPa)情况下，所需要的喉管直径d与排水管长度L的关系。 表2 喷射器在高真空

11、下的喉部直径与下水管长度的关系 d(m) Ad(10-3m2) L(m) 0.046 1.661 0.15 0.050 1.962 0.88 0.051 2.042 1.07 0.055 2.375 1.90 0.060 2.826 2.85 0.063 3.116 3.43 从以上计算结果和前述下水能力的计算，在该工作水流量和压力条件下，要求即能下水又能保证很高真空情况下正常工作，选择最小喉部管径d=0.051m和最短排水长度L=1.10m,这样就能实现最低安装高度1.5m的解决方案。实践多次的结果，最后选择的尺寸正是如此。水力喷射对焦冲击速度系数很重要，能提升一点即对排水管长度有显著影响，

12、是喷射器性能优劣的关键因素。3 喷射器的真空蒸发能力3.1 真空蒸发能力水力喷射器的工作意图就是真空下的水分蒸发能力，即其生产能力，这是喷射器性能最重要的指标。确定真空状态下蒸发水份的能力在技术上容易做到：在进水流量Q及水温t1可知情况下，测定出水温度t2,查出蒸汽在蒸发温度下的凝结焓i(kJ/kg)，按下式计算即可得到蒸发量D（kg/h）： (kg/h) （C水的比热容，4.18kJ/kg.） （3-1）3.2 水力射流吸收蒸汽能力工作喷嘴的射流特性会影响蒸发能力。在要求的真空度下，同样流量Q，单一喷嘴射流作用吸收的二次蒸汽比较有限，原因是蒸汽与射流水柱的接触表面积少，动量交换不充分；当射流

13、分几股喷射时，大大加强射流水柱与二次蒸汽的相互作用，从而提高射流吸收蒸汽的能力。以下建立喷射器射流吸收蒸汽的模型，为喷射器高度的尺寸设计奠定基础。工作水温下水力射流吸收蒸汽的过程是气液双膜吸收过程，由于气液界面接触是剧烈湍流状态，液相（喷射水）吸收蒸汽瞬间完成，类似水吸收氨气一样，气液吸收过程的阻力最主要来自气相，即为气膜扩散控制的吸收过程。这种传质过程依据气膜扩散的菲克定律描述，在一定温度下，以气膜压差为动力的吸收速率方程如下： （mol/s） （3-2）式中，dn/dt 单位时间扩散过气膜的蒸汽摩尔数 （mol/s） Kp,T 以压差（MPa）为动力的传质系数，p为气相主体的压强，p*为一

14、定温度下液相平衡分气压，可查表。在一定传质条件下，该传质系数为常数。 A 气液接触的液相总吸收面积（m2）.对喷射水柱的液相吸收面积A0，由于喷射水的圆心张角的影响，可近似认为其是喷射水圆台柱的侧面积的倍，即 （m2）式中，面积系数1.52.0，r0喷嘴半径（m)；Lh喷射水柱长（m）； =0.30.5，tan0.00520.0087,对N个喷嘴形成水流柱的吸收面积可计算如下：喷嘴流速，流速系数=0.96，有Ap= ,得 （m） 于是，液相总吸收面积 （3-3）(m2)最后，喷射水可吸收的最大蒸汽量为：= （mol/s） （3-4）公式（3-4）的意义是在喷射器工作条件确定情况下，由已知的蒸发

15、量求取传质系数Kp,T,进而在其它喷射器设计时根据情况，确定喷射器水柱长度Lh,即喷射器的高度尺寸。如对一个确定的喷射器和工作条件，蒸发量dn/dt =1200kg/h=18.5mol/s,Q=0.0139m3/s,N=7,Lh=0.8m,v=Q/NAP =0.0139/(5.510-4)=25.3m/s,p-p* =0.008-0.0035MPa（27水饱和蒸汽压）=0.0045MPa,可求得传质系数Kp,T=8.32103(mol/m2MPas)4 喷射器两个真空现象的解释4.1 进料好后开蒸汽时真空下降，过后迅速提升的现象进完料后真空通常达到-0.08MPa以上，但开蒸汽时真空会较快下降达-0.06MPa左右，此后会慢慢回升，待浓缩器内料液即将沸腾时迅速提升。这种现象是喷射器射流吸收气体的性质决定，当开蒸汽时，逐渐产生的蒸气驱赶浓缩器内的空气等不凝性气体，此时喷射器内的真空度仍然很高，但空气等不凝性气体难被喷射水流吸收、夹带，这时气体扩散为液膜控制