低温多效海水淡化用蒸汽喷射器的优化设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)神华国华( 北京) 电力研究院有限公司 作者:李岸然

  提高蒸汽喷射器性能,能够降低低温多效海水淡化系统能耗,采用理论推导和数值模拟相结合的方法对喷射器性能进行研究。在喷射器索科洛夫设计方法的基础上,修正了喷射器最大可达喷射系数的计算模型。利用改进的喷射器设计模型对某低温多效海水淡化用蒸汽喷射器进行优化设计,喷射系数达到1.35,优于原方法计算结果0.96。并对喷射器几何模型进行CFD 数值模拟验证,结果表明喷射器的可达喷射系数及结构尺寸处于最优值,验证了改进的喷射器设计模型的可靠性。

  低温多效海水淡化系统中,蒸汽喷射器利用高品位工作蒸汽在Laval 喷嘴出口形成的超音速低压蒸汽流引射海水淡化装置后效低品位蒸汽再利用,可以有效减少冷源损失,降低系统热耗,提高造水比。因此蒸汽喷射器的工作性能直接影响到海水淡化系统的经济性。由于喷射器内部两流体的湍流混合特性、激波面上流体的相互作用、边界层剪切应力的复杂性以及流体超音速相变等问题,使得很难对喷射器内部流场的具体情况进行计算,只能采取某些假设或简化的方法来进行相关设计计算。

  目前蒸汽喷射器的设计方法主要有气体动力学方法、热力学方法以及图表法,其中以一维气体动力学为基础的索科洛夫法和奥·芳夫法最具代表性。索科洛夫法迭代计算中混合段面积比β 取经验定值、入口压力取值不合理及未考虑激波影响等问题使得最终得到的喷射系数较低。而奥·芳夫法假定整个混合过程等压进行,依靠喉口形成的正激波来使超音速气流变为亚音速气流,偏离了实际物理过程。本文通过对索科洛夫法进行改进,在迭代计算中引入混合段面积比β 的关联式取代原方法的经验定值,并对混合段进行分段设计,使可达喷射系数较大提高。运用改进的设计模型对某海水淡化系统喷射器进行性能计算和结构设计,并通过CFD 进行流场模拟,验证结果的可靠性。

  1、索科洛夫喷射器设计方法

  该法以一维气体动力学的动量守恒为基础建立模型,假设工作蒸汽和引射蒸汽为理想气体,在混合室之前两者不相混合,混合段压力呈线性增加,整个热力过程为绝热过程,忽略喷射器进出口速度,未考虑喷射过程中的激波效应和相变。利用气体动力学方程及动量守恒方程求解最大喷射系数u。

低温多效海水淡化用蒸汽喷射器的优化设计

  式中,q 为折算等熵质量流速;λ 为折算等熵速度;a为折算等熵速度,m/s;k 为免热指数;脚标p 为工作流体,脚标h 为引射流体,脚标c 为混合流体;脚标* 表示临界状态,脚标2,3 分别别表示混合段入口和出口。

低温多效海水淡化用蒸汽喷射器的优化设计

  式中:φ1为工作喷嘴的速度系数,取0.95;φ2为喷嘴出口截面引射流体的速度系数,取0.975;φ3为扩压段的速度系数,取0.9;φ4为混合段入口段速度系数,取0.925;β 为混合段始端与末端面积比,取2 ~3;μ 为第二临界状态截面面积与喉口面积之比,取1.35 ~1.5;α 为混合段与喉口处流体的压力升幅比值,一般取0.5;Π 为相对压力。主要计算过程:假定喷射器喉口截面处λc3≤1的范围内给出一系列λc3值,利用气体动力学公式(1) 求出折算质量速度qc3,按式(4) 确定(uIIP)2;假定喷射系数u = ( uIIP)2,根据式(3) 求得qh2;确定系数K3、K4值,由式(2) 求得喷射系数u 值。根据式(3) 用到的预先给定的u 值与按式(2) 求得的u 值吻合,迭代计算结束,选择一个在最佳λc3下得到的最大u 值。

  5、结论

  (1) 蒸汽喷射器的索科洛夫改进设计方法通过对混合段面积比β 的修正,建立了喷射系数u 与β的关系,避免了迭代计算过程中使用同一β值造成的误差;修正了第二极限喷射系数( uIIP)2的计算公式;喷射器混合段采用两段式设计,使混合段入口2处形成最佳引射压力,增大了引射流体的压差,提高了引射能力。新的喷射器设计方法在喷射性能上比原索科洛夫设计方法有较大的提高。

  (2) 运用改进设计方法对某海水淡水系统蒸汽喷射器进行性能计算和结构设计,改进后的喷射器喷射系数计算值1.35 与模拟结果1.32 吻合,较原方法0.96 有较大提高。通过CFD 数值模拟方法对设计尺寸下的流场进行模拟分析,结果表明设计结构尺寸处于最优范围内,其中D3、L2存在一定的“迟钝区”,计算值正好处于“迟钝区”的边界,具体案例可根据蒸汽的工作范围进一步选择确定。

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