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引射器
1概述
引射器主要由喷嘴、接受室、混合室及扩压室组成,其工作原理见图1。
图1引射器结构简图
压力较高的流体为工作流体(又称为一次流体),以很高的速度从喷嘴流出,进入接受室,在射流的紊动扩散作用下,卷吸周围压力较低的流体。
被吸入的压力较低的流体为引射流体(又称为二次流体)。
工作流体与引射流体在混合室内混合,进行动量交换,在流动过程中速度插分布渐渐均匀,在此期间常常伴随压力的升高。
随后,混合流体进入扩压室,压力因流速的降低而升高。
在扩压室出口处,混合流体的压力高于进入接受室的引射流体的压力。
升高引射流体的压力而不直接消耗机械能是引射器最主要的特点。
而引射器的主要缺点是传能效率较低,这是由于两股流体混合时产生较大的能量损失。
另外,在运行中由于缺少运动部件也不易调节。
2引射器的研究进展
2.1引射器的分类及描述方程
目前,还投有—个通用的引射器分类方法,但人们常按引射器中相互作用的流体的状态将其分为3类:
①工作流体和引射流体的状态相同,如气体(蒸汽)引射器。
②工作流体和引射流体处于不同的状态,而且在混合过程中状态也不发生改变,如水—空气引射器。
③流体的状态发生改变的引射器。
工作流体和引射流体在混合前处于不同的相态,在混合后变成同一相态,即在混合过程中其中一种流体的相态发生改变,如汽-水混合式加热器。
虽然引射器种类繁多,但都可用如下3个基本定律来描述[1]:
①能量守恒定律
hP+μhs=(1+μ)hm
(1)
μ=qm,s/qm,p
(2)
式中 hP—工作流体的比焓,J/kg
μ—引射系数
hs—引射流体的比焓,J/kg
hm—混合流体的比焓,J/kg
qm,s—引射流体的质量流量,kg/s
qm,p—工作流体的质量流量,kg/s
由能量守恒方程可知,工作流体和引射流体以及混合流体的动能通常忽略不计。
②质量守恒定律
qm,m=qm,p+qm,s(3)
式中 qm,m—混合流体的质量流量,kg/s
③动量定理[2]
∑F=∑∫Adp=qm,p(1+μ)υm-qm,pυu,-qm,sυs(4)
式中 F—力,N
A—面积,m2
p—压力,Pa
υm—混合室出口截面上混合流体的速度,m/s
υP—混合室入口截面上工作流体的速度,m/s
υs—混合室入口截面上引射流体的速度,m/s
2.2引射器的研究历程及现状
在19世纪,为了维持蒸汽机冷凝器内的真空条件,人们发明了引射器,那时的超声速引射器的几何结构通常是根据经验设计出来的。
直到20世纪40年代,由于流体力学和空气动力学的发展,才有Keenan等人[2]提出了引射器的设计理论。
此理论韵关键是为引射过程中工作流体和引射流体的混合过程建立了动量方程(见式(4))。
考虑到流体具有可压缩性,对超声速引射器而言,求式(4)的分析解显得尤为困难。
因此,Keenan提出了两种解决方法。
第1种方法是假设流动区域戴面面积A为常数,第2种方法是假设静压为常数,即dp=0。
这两种方法经受住了广泛的实验验证。
两种方法的出发点相同,都是建设工作流体和引射流体具有相同的相对分子质量和比热容,工作流体和引射流体以及混合流体在任意截面上具有均匀的物性分布,在喷嘴和扩压段内的过程都是等熵过程,不计壁面摩擦,也不考虑热量损失,在理想气体的基础上,运用质量、动量及能量守恒方程计算工作过程,推导出具有最大喷射系数或最大压缩压力的引射器结构参数的计算公式。
然而实际上,特别是超声速混合过程很少会像假设的那样理想,激波、粘性干扰、分离涡及真实气体效应等物理现象的相互作用使得引射器内部流场极其复杂,因此一维的分析方法存在较大缺陷[3、4]。
过去人们主要是采用实验手段进行研究,在大量实验的基础上提出一些理论,通过修正系数对原有理论进行修正。
但影响引射器性能的因素很多,实验结果往往具有很强的局限性,应用推广起来相当困难。
因此当设计一个新的引射器时,通常要重新进行实验才能确定其性能。
随着计算机技术和计算流体力学的迅速发展,使得采用数值方法模拟求解超声速引射器流场成为可能。
数值模拟与实验相结合可以深入揭示引射器的流场结构,解释实验现象,为实验提供必要的指导[5]。
近年来国内外有一些学者尝试用N-S方程计算全流场以预测引射能力,但这种理论预测要求将内外流场耦合计算,而且在边界条件的处理上要求将外流场边界取得足够大,不便于工程应用和分析。
近些年来,为了改善引射器的性能,朋J尝试使用不同结构的引射器。
比如,引入了具有波瓣强化混合结构的工作喷嘴,作用是增大了两股流体的混合面积,增加了引射系数,提高了混合效率,缩短了混合距离。
此外,还有采用多喷嘴射流、脉冲射流及旋转射流等方法来提高引射器的效率。
多喷嘴射流和旋转射流增大了紊动扩散,使工作流体与引射流体在较短的喉管内得到更好的混合。
脉冲射流兼有紊动扩散和活塞的作用,能够在喉管内形成液柱来推动引射流体。
除了在固定的合理结构的基础上改善流动外,还可采用可调式引射器来满足工况有较大变化的需要,但是增加调节装置也必然增加流动阻力。
2.3引射器的应用
引射器比机械的增压设备(如泵、压缩机及鼓风机等)简单可靠,除了作为机械用于输送流体外,还可以作为传质和化学混合反应的设备。
引射器可以直接利用各种有压能源作为工作动力,不需要增加辅助设备,而且能够取得很好的综合效益。
因此,引射器在工程中被广泛应用[1、6],有以下4个方面。
①在发电厂中可应用在:
a.燃料燃烧设备(气体喷燃器);b.蒸汽锅炉的给水系统(抗汽蚀水引射泵);c.汽轮机的调节系统(油引射器);d.冷凝器中抽气装置(蒸汽引射器或水引射器);e.交流加热系统(喷射加热器);f.输送灰渣(水力除灰器);g.发电机的空气冷却系统(引射器冷却装置)。
②在制冷方面可以作为引射制冷装置的主要或辅助设备。
③在军事和航空方面的应用有:
a.垂直短距起飞着陆飞机的起飞增推,排气系统的尾焰红外辐射抑制及噪声降低等[3、7];b.火箭超声速环型引射器发动机高空试车台真空系统、高超声速吸气推进研究所需的地面试验系统、气动激光器和化学激光器压力恢复系统等[8]。
④输送散粒状物料和液体,以及作为燃气引射器用于混合气体[9、10]。
3引射循环
引射器属于压气机的一种[11],其最基本的用途是提高工质的压力。
在诸多的热力循环过程中,气体压缩设备必不可少,而且通常要直接消耗机械能。
从理论上讲,完全可以用一个正向的引射循环作出的循环功来代替直接消耗的机械能。
引射器及引射循环在工程中的应用
作者:
沈坚 胡国…文章来源:
上海交道大学机械与动力工程学院点击数:
705更新时间:
2009-12-2112:
35:
51
3.1引射制冷循环
在制冷过程中,引射循环已经得到了广泛的应用。
由图2、3[12]可知,该制冷装置利用部分工质进行正向循环1—2—3—4—5—6—7—1,以带动另一部分工质进行制冷循环5—6—7—8—9—5。
正向循环的循环功表现在工作气体经过喷嘴时成为高速气流所得到的动能(过程3—4),然后利用得到的动能特工作气伴连同制冷工质在扩压管内压缩(过程5—6)。
其中,进行正向循环的热源是太阳能转换来的。
引入的太阳能转换装置进一步扩大了这种装量的应用范围,而且不需要通常的压缩机,代之以结构筒单、体积很小的引射器,设备结构极为紧凑。
但与传境的制冷系统相比,引射制冷循环的效率相当低,而提高效率的关键在于引射器的优化设计。
图2太阳能引射制冷循环
图3太阳能引射制冷循环压-焓(P-h)图
3.2引射增压燃烧
目前,国际上正在开发研制一种体积非常小的微型涡轮发动机,其产生的能量是量好的化学电池的10-20倍[13]。
该微型涡轮机与传统的发动机相同,也包括3个主要部分—燃烧室、涡轮机叶轮和压气机叶轮。
它获得高功率的关键是边缘速率要高,因此叶轮要在约250×104/min的转速下工作,其边缘速率达300~600m/s,是传统涡轮机的2倍。
如此高的转速给微型发动机轴、轴承以及调速装置的设计带来很大的困难。
而引射循环在制冷装置中的成功应用启发我们将引射器微型化,并应用在微型发动机中,通过引射作用达到压缩空气、维持燃烧的作用。
微型化的引射器为研究微型涡轮发动机的整体设计提供了一种新的思路,并且对微型发动机的运行性能有很重要的影响,对其开发有着非常重要的意义。
图4为一个假想的带有引射循环回路的涡轮发动机系统。
主要设备有引射器、燃烧室、燃气轮机和再燃室。
工作烟气被引入喷管中作绝热膨胀,产生的高速气流将大气环境的空气引入混合室混合,混合气体在扩压室内绝热减速增压。
气体在燃烧室内燃烧后(定压加热4—5),一部分烟气进入燃气轮机绝热膨胀对外作功,然后排入大气(定压放热6—0);另一部分烟气进入再燃室,温度与压力进一步提高,以满足引射器正常运行所需的入口条件。
图4引射循环发动机系统简图
引射循环发动机系统分为两个回路(见图5)。
质量为μqm.p的工质作循环0—3—4—5—6—0对外作功,而质量为qm.p的工质作引射循环5—1—2—3—4—5—1压缩空气。
虽然燃气和空气的成分不同,但二者的热力性质报接近,而且一般情况下所用的燃气质量与空气质量相比很小,可被忽略,所以可假设整个循环过程中始终是一定量的某一种工质在工作。
喷管中的绝热膨胀过程在图5上以可逆过程1—2表示,实际上是不可逆的绝热过程。
3表示工作流体与引射流体在混合室中混合后的状态,可逆过程3—4表示混合后的气体在扩压室中的绝热压缩过程,实际过程伴有摩擦和激波,是不可逆的。
过程5—1被简化为定容加热过程。
由图5可知,当将整个循环看成一个整体时,单位质量工质总循环吸热量为Q1,由定容加热和定压加热两部分得到。
图5引射循环发动机系统温-熵(T-S)图
式中 Q1—单位质量总循环吸热量,J/kg
h—比焓,J/kg
cp—比定压热容,J/(kg·K)
T—热力学温度,K
cV—比定容热容,J/(kg·K)
单位质量工质总循环放热量Q2只由定压放热过程6—0排出整个系统。
Q2=h6-h0=cp,6-0(T6-T0)(6)
式中 Q2—单位质量总循环放热量,J/kg
W0=Q1-Q2(7)
式中 W0—单位质量工质的循环净热量或循环净功,J/kg
装置的循环热效率为
式中 k—等熵指数。
4结语
虽然引射器的发展无论从理论研究上还是工程应用上都经历了较长的时间,但由于其流动混合过程的复杂性,目前仍具有相当多的研究热点和广泛的应用前景。
带有引射循环回路的发动机系统的热力过程在理论上是可行的,然而由于引射过程的复杂性以及燃烧室、再燃室和引射器需要配合运行,要真正将其应用于工程实践还需要解决很多难题。
参考文献:
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更新时间:
2010-3-26
喷射式加热器结构设计计算与分析
一、喷射式加热器概述
喷射式加热器是近年发展起来的一种新的节能技术,喷射器是根据两相流理论,并结合具体工程实际设计的产品。
喷射式加热器通过汽液两相流体的直接混合加热制取水,加热热源可以采用低压放闪蒸汽或凝结水闪蒸汽,起到节能作用。
由于在使用性能和价格上,喷射式加热器与其他的换热器相比具有较大优势,所以在供热、电力、化工、石油、轻工、酿酒、制药等行业得到了广泛应用…
二、喷射式加热器分类
喷射式加热器的工作方式分为射汽式和射水式两种。
在加热蒸汽压力较高(大于0.2MPa)而且流量稳定,热负荷变化较小的情况下,可以采用射汽式喷射式加热器。
射汽式喷射式加热器的优点是充分利用了蒸汽的压力能,减小了水泵的耗电量。
在一般的情况下推荐使用射水式喷射式加热器,因为射水式喷射式加热器应用范围宽而且运行稳定性好,不受蒸汽压力的限制,蒸汽压力高于或低于水的压力均可正常工作。
因此本文应用一维索科洛夫分析法,研究了射水式加热器的主要结构参数的计算,以及分析其对喷射性能的影响。
三、喷射式加热器基本原理
提高流体的压力而不直接消耗机械能是喷射器的根本特点,所以采用喷射器比采用机械的增压设备(压缩机、泵、鼓风机和引风机等)简单而可靠此外,喷射器与其它设备相连接,其系统比较简单,同时制造也不复杂。
喷射器——不同压力的两股流体相互混合,并发生能量交换,以形成一股居中压力的混合体,混合流体的压力可以超过工作流体的压力。
混合流体有的是气(蒸汽)相,有的是液相,有的是气体(蒸汽)、液体和固体的混合物。
进入装置以前,压力较高的那种介质叫做工作介质。
工作介质流叫做工作流体。
工作流体以很高的流速从喷嘴出来,进入喷射器的接受室,并把在喷射器前的压力较低的介质吸走。
被吸走的流体叫做引射流体。
通常在喷射器里,最初是发生工作流体的势能或热能转变为动能。
工作流体的动能,一部分传给引射流体。
在沿喷射器流动过程中,混合流体的速度渐渐均衡,于是混合流体的动能相反地转变为势能或热能。
喷射器的原理图表示在图上,喷射器的主要部件有:
工作喷嘴,接受室,混合室,扩散器。
工作介质流体和引射介质流体进到混合室中,进行速度的均衡,通常还伴随压力的升高。
流体从混合室出来进入扩散器,压力将继续升高。
在扩散器出口处,混合流体的压力高于进入接受室时引射流体的压力。
提高引射流体的压力的压力而不直接消耗机械能,这是喷射器最主要的最根本的性质。
由于具有这种性质,在很多技术部门中,采用喷射器比采用机械的增压设备(压缩机、泵、鼓风机和引风机等),使有可能得到更为简单更为可靠的技术解决办法。
除了本身结构特别简单之外,喷射式加热器与各种设备连接的系统也很简单,制造也不复杂,这些,使有可能在工程上广泛技术领域中使用这些喷射器。
在目前,看来没有不采用喷射器的技术部门。
四、喷射式加热器的应用
在动力工程和近似于动力工程的技术领域中,可以举出如下应用喷射器的地方。
1)在发电厂:
燃料燃烧设备(气体喷燃器):
蒸汽锅炉的给水系统(抗汽蚀水喷射泵);汽轮机的调节系统(油引射器);为提高汽轮机的抽气压力(蒸汽喷射压缩器):
为了把空气从冷凝器中抽走(蒸汽引射器或水引射器);交流加热系统(喷射加热器):
为了输送灰渣(水力除灰器):
发电机的空气冷却系统(引射冷却装置)
2)在废气余热供暖装置方面:
作为采暖用户入口的混合器(水喷射混合器):
为了提高生产设备的废气压力(蒸汽喷射压缩器):
在回收凝结水的系统方面和为了排走地下热管线的地沟及检查井中的积水(蒸汽喷射器和水喷射器):
在修复地下热管线时,为了向地沟输送保温材料(气力输送喷射器)
3)在制冷技术方面:
作为引射制冷装置的主要和辅助设备。
4)在工业热工技术方面:
工业炉的燃料输送、空气供给和燃烧系统:
很多现代化机器的供油系统和试验发动机的试验台装置。
5)在通风装置方面:
用来形成通过风道和房间的一般不间断的空气流。
6)在自来水装置方面:
用来把水从深水井和钻井中提上来。
7)用来输送固体的散粒状物料和流体。
五、喷射器的器体结构尺寸计算
六、喷射器计算
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