蒸汽喷射压缩器的变工况特性模拟与分析

采用改进热力学,建立了蒸汽喷射压缩器变工况特性数值计算模型。结合水蒸气物性程序,对热压缩海水淡化系统中的蒸汽喷射压缩器的变工况性能进行了计算,分析了工作蒸汽压力、引射压力、混合蒸汽压力的变化对引射系数的影响。计算结果表明,当压缩蒸汽的压力高于设计值时,引射系数随压缩压力的增大而减小,而当压缩低于设计值时,引射系数保持不变;提高引射蒸汽压力会引起引射系数的增大;主动蒸汽压力偏离设计值时,主动蒸汽压力的降低（低于设计值）或提高均会引起喷射器性能的降低。     

亚临界气体喷射器的设计计算

计算气体压缩喷射器可达到喷射系数的研究已很成熟,但对亚临界气体喷射器可达到喷射系数,大多采用气体喷射压缩器的方法进行计算。针对亚临界气体喷射器的特性,给出了3种计算方法:气体喷射压缩器计算方法;喷射泵计算方法;气体喷射器计算方法。研究表明:对膨胀比和压缩比都小于临界压力比的亚临界气体喷射器,膨胀比较大时,工作介质的弹性影响不能忽略;压缩比较小时,引射介质的弹性影响应该忽略;进而得出在膨胀比和压缩比都接近临界压力比时,适宜采用把工作介质视为弹性,引射介质视为非弹性的气体喷射器计算方法;而在膨胀比和压缩比都非常小且接近于1时,应该采用把工作介质和引射介质都视为非弹性的喷射泵计算方法。     

蒸汽喷射压缩器的操作状态

采用有限体积法离散控制方程,标准k-ε湍流模型,近壁面处使用壁面函数修正的方法对蒸汽喷射压缩器的超音速混合过程进行数值模拟。计算并分析了工作蒸汽压力和温度、引射流体压力及混合流体压力等热力参数对喷射器操作性能的影响,并根据喷射器内的物理现象及喷射系数的变化规律将蒸汽喷射压缩器的操作状态分为临界状态、亚临界状态和回流状态3类,同时指出临界点为最佳工作点。     

可调式空气喷射器的数值模拟

针对喷射器变工况调节的需求,对四喷嘴及带有喷嘴位置调节功能的可调式空气喷射器进行了数值模拟研究。分析了同时工作喷嘴个数和喷嘴出口距离对喷射器喷射系数的影响规律。结果表明,采用多喷嘴设计及调节喷嘴出口距离可实现喷射器变工况调节;同时工作喷嘴数目越多,喷嘴出口距离越大,喷射系数越高;工作喷嘴数目过少时,会出现引射能力不足,喷射系数接近于0,喷嘴出口距离过小时会出现气体倒流,喷射系数为负的情况。可调式空气喷射器需通过合理设计结构并测试得出性能曲线,按照性能曲线实现变工况调节。     

机械加压蒸汽喷射器的性能分析

针对蒸汽喷射器在一定工作蒸汽压力下存在引射极限的问题,提出了在传统蒸汽喷射器的引射蒸汽吸入段设置风机用以提高喷射器的引射推动力。通过对机械加压和传统蒸汽喷射器性能的比较,研究了截面积比、工作蒸汽压力和蒸发温度对机械加压喷射器性能的影响,同时对机械加压喷射器的经济性进行了评价。结果表明,吸入段机械加压使喷射器的引射系数和有效能利用率都得到了提高,当截面积比为9.0,蒸发温度为98℃时,与传统喷射器相比,机械加压喷射器引射系数平均增加2.3%,有效能利用率平均提高1.1%。随着截面积比、工作蒸汽压力以及蒸发温度的升高,机械加压喷射器的引射系数均有所增加。经济评价得,机械加压后喷射器系统节省的蒸汽费用是风机运行消耗电费(即产出/投入)的4.5倍。     

压缩/喷射制冷循环中两相喷射器性能

考虑引射流体的壅塞现象和混合室内的凝结激波现象,对混合室采用恒面积混合模型,应用质量守恒、动量守恒和能量守恒对两相喷射器建立了热力学模型。以R141b为工质,研究了在不同混合压力条件下喷射器内的压力变化趋势,分析了混合压力对系统性能、喷射器喷射系数和出口压力的影响,探讨了喷射器最优引射室压降、系统最优性能系数及相应的性能提高率随冷凝温度和蒸发温度的变化情况。结果表明:在本文计算工况范围内,两相喷射器混合室内无凝结激波的发生;对混合室采用恒面积混合模型相比等压混合模型更合理;恰当选择混合压力对优化系统的性能非常重要,其最佳值略低于引射流体压力,而远高于引射流体的临界压力,且其对应于喷射器取得最高的喷射系数。     

不同几何尺寸蒸汽喷射器的三维模拟研究

蒸汽喷射器是利用高压流体(称工作流体)抽吸低压流体(称引射流体)以提高引射流体压力的设备。采用FLUENT数值模拟来分析蒸汽喷射器内部流场变化,在其他结构条件喷嘴不变化的情况下,分别对结构参数(喷嘴直径比和渐缩段长度)对蒸汽喷射器性能的影响进行了数值模拟。研究表明:当喷嘴直径比(喷嘴出口直径与喷嘴喉部直径之比)为2时、渐缩段长度为30 mm时,喷射器的引射系数达到最大。     

应用于有机朗肯循环的喷射器理论与实验研究

将喷射器应用于有机朗肯循环（ORC）,构成喷射式有机朗肯循环（EORC）。EORC中喷射器引射膨胀机的出口排气,以降低膨胀机排气压力,增大膨胀机的工作压差,来提高循环的做功能力。为分析喷射器性能对EORC循环性能的影响,以经典喷射器理论为基础,选用R600为工质,在MATLAB平台,编制喷射器引射系数与引射压力的优化程序,对喷射器的最大引射系数与最小引射压力进行优化研究。结果表明,混合压力和引射系数一定时,工作流体的引射能力随工作压力的增大不断提高,能够引射更低压力的引射流体;最大引射系数和喷射效率随工作压力增大逐渐增大。并据此设计喷射器和构建EORC实验系统,初步实验表明：相比于ORC,EORC的做功能力明显提高,但系统热效率有所降低。     

喉嘴距、面积比和引射压力对喷射器性能影响的研究

采用流体动力学计算软件FLUENT对大气喷射真空泵的超音速混合过程进行数值模拟,分析了喉嘴距、面积比和引射压力等参数对工作性能的影响。结果表明,操作参数与几何参数对喷射器的波系结构影响很大,在一定的设计工况下,存在一个最优面积比和最优喉嘴距,对应于最大引射流量。     

结构参数对蒸汽喷射压缩器性能的影响

采用有限体积法离散控制方程,标准k ε湍流模型,近壁面处使用壁面函数修正的方法对蒸汽喷射压缩器的超音速混合过程进行数值模拟。计算并分析了第二喉管与工作蒸汽喷嘴喉管面积比、喷嘴出口截面与混合段入口截面间的距离等几何参数对喷射器操作性能的影响。数值结果表明,喉管面积比及喷嘴位置的改变极大地影响着波系结构,在一定的设计工况下,总存在一个最佳的面积比及一个最佳的距离对应于最大的喷射系数,并给出了最佳几何参数下的主要物理特征。     

主喷嘴直径对蒸汽喷射器性能的影响

利用FLUENT软件对蒸汽喷射器复杂的内部流场进行数值模拟计算,并对喷射器内部流体流动过程中压力、速度等参数的变化规律进行分析研究,重点讨论了混合蒸汽压力和主喷嘴出口直径的变化对蒸汽喷射器引射性能的影响。结果表明：蒸汽喷射器存在一个临界出口压力,主喷嘴出口直径存在一个最优范围,此时喷射器的引射性能达到最佳,而且激波的耗散损失较小。     

蒸汽喷射器用双喷嘴结构性能的数值研究

运用CFD数值模拟的方法研究了第二喷嘴进出口截面大小对喷射效率的影响,并对比研究了不同工作流体压力下普通喷嘴结构和双喷嘴结构对蒸汽喷射器操作性能的影响。计算结果表明,在相同的操作条件下,双喷嘴结构能有效地提高喷射器的喷射系数。同时,第二喷嘴进出口截面以及第二喷嘴出口长度存在一最佳值,对应于最大喷射系数。并且这种喷嘴结构能有效改善由于工作流体压力降低而造成的设备操作性能恶化,提高蒸汽喷射器运行的稳定性。     

Effect of ejector configuration on hydrodynamic characteristics of gas-liquid ejectors

Ejectors are gas-liquid contactors that are reported to provide higher mass transfer rates than conventional contactors. Detailed experiments were performed and computational fluid dynamics (CFD) modeling studies were undertaken to understand the hydrodynamic characteristics of the ejector geometry. The CFD model provides a basis for quantifying the effects of operating conditions on the ejector performance. CFD studies shows that there is an optimum ratio of nozzle area to throat area (area ratio), at which the liquid entrainment rate is the highest. This can lead to substantial economic benefit in the industrial practice. The liquid entrainment rate correlates with pressure difference between the water surface in the suction chamber and the throat exit for a wide variety of ejector geometries and operating conditions.     

一种新型多喷嘴汽-液喷射器的性能

目前汽-液喷射技术中关于湿蒸汽的研究较少,然而在实际工业中,相当一部分低压蒸汽是具有一定干度的湿蒸汽。为此,设计了以湿蒸汽为工作蒸汽的实验台,并采用一种多喷嘴结构的汽-液喷射器作为实验元件,分析了蒸汽压力、蒸汽干度及喷射器背压对其性能的影响。实验结果表明：蒸汽干度使蒸汽质量流量随蒸汽压力变化的曲线平移。喷射系数随蒸汽干度的增大而增大。蒸汽压力较低时,喷射系数和过冷水流量随蒸汽压力的升高而增大,随着蒸汽压力的升高,当汽羽的长度大于喷射器的喉嘴距时,过冷水发生壅塞,喷射系数开始减小,而过冷水流量的减小延迟。总体上,喷射系数随背压的升高而减小,在背压不同的范围内,喷射系数下降的速度有所不同。     

内部不可逆损失对喷射器性能影响理论分析

喷射器作为喷射式制冷系统的关键部件,其性能对系统性能有着重要影响。建立了采用实际气体性质且考虑喷射器内两相存在的喷射器性能预测模型,并定义了喷射器内部各部分不可逆损失,利用理论模型对喷射器内部各部分不可逆损失程度对喷射器性能的影响进行理论分析,讨论了喷射器内部各部分不可逆损失程度对喷射系数、喷射器效率和喷射器出口背压的影响。结果表明,工作流体在喷嘴中的不可逆损失以及引射流体在吸入室的不可逆损失对喷射系数影响较大,扩散段不可逆损失和混合段不可逆损失对喷射系数几乎没有影响;随着喷射器内部各部分不可逆损失的减小,喷射器效率增大,同时可以使喷射器出口背压提高。     

不同制冷剂喷射制冷性能计算分析

引入制冷剂的实际物性,建立了喷射器热力学模型;比较了沸点相近工质在喷射器内的压力和速度变化趋势及喷射系数,探讨了引起喷射器性能差异的主要物性因素;比较了几组具有相近沸点制冷剂的喷射制冷性能。结果表明:对沸点相近的工质来说,一般工作蒸气的比焓值越高,喷射系数越高;沸点相近的工质对中,R717的性能优于R290,R152a优于R134a,R141b优于R123,R142b优于R600a;在研究的所有制冷剂中,R717的制冷性能最好,R152a次之,两者的COP(性能系数)值差随发生温度的升高而增大。     

蒸汽喷射器混合室两相流动的数值模拟

应用适用于跨声速流动的湿蒸汽两相流模型对蒸汽喷射器内流体的流动进行了数值模拟研究。重点研究了蒸汽喷射器混合室内流体的流动过程,并比较了采用湿蒸汽模型和理想气体模型计算结果差异。研究结果表明,湿蒸汽模型中,蒸汽喷射器引射系数略高于理想气体模型的,混合室内喷嘴出口和引射蒸汽入口附近激波产生的局部高压明显小于理想气体模型的,工作蒸汽速度、温度的降低也要比理想气体模型的小。     

Thermal analysis of ME—TVC+MEE desalination systems

Thermal analysis of three different configurations of a multi-effect thermal vapor compression desalting system is presented: conventional ME—TVC,ME—TVC with regenerative feed heaters (ME—TVC,FH) and ME—TVC coupled with a conventional MEE system (ME—TVC+MEE). The analysis is based on the First and Second Law of Thermodynamics. A parametric study was carried out to investigate the impact of motive steam pressure, temperature difference per effect, top brine temperature, feed seawater temperature and motive steam flow rate on the system's performance for each configuration. The exergy analysis showed that irreversibilities in the steam ejector and evaporators are the main sources of exergy destruction in the three configurations. When steam is supplied directly from the boiler to all configurations, results showed that the first effect was responsible for about 50% of the total effect exergy destruction. The study also showed that the decrease in exergy destruction is more pronounced than the decrease in the gain ratio at lower values of motive steam pressure. Lowering the temperature difference across the effects, by increasing the surface area, decreases the specific heat consumption. On the other hand, exergy losses are small at low temperature differences and low top brine temperature. The analysis showed that the third configuration (ME—TVC+MEE) has two main features compared to ME—TVC and ME—TVC, FH. First it has a lower compression ratio, which makes the motive steam capable of compressing larger amounts of the entrained vapor; as a result, the amount of motive steam is reduced. Second, the configuration can be used for large-scale production.