气体喷射压缩器变工况特性的理论研究

　　摘 要: 利用气体喷射压缩器几何结构参数、混合室动量方程、流动连续性方程、质量守恒方程以及气体动力函数等, 补充推导出了工作压力变化对喷射系数、温度比变化对喷射系数的影响关系式, 并以某一蒸汽喷射压缩器为实例, 通过计算补充提供了工作压力、引射压力、工作温度、引射温度单因素变化时的变工况特性曲线, 对于进一步掌握这些因素变化对气体喷射压缩器运行性能的影响规律以及对气体喷射压缩器的合理运行与调整很有意义。

　　关键词: 喷射器;变工况特性;研究

     引言：气体喷射压缩器也称为气体喷射式热泵, 其工作原理是高压的工作气体以很快的速度(一般是超音速)从喷嘴中流出进入接受室, 在高速射流的卷吸作用下把其周围的低压气气体喷射压缩器不可能始终在设计工况下运行, 对于给定几何尺寸的气体喷射压缩器, 其喷射系数或生产率(如引射气体流量 、混合气体流量) 随其它运行参数变化而变化的关系特性, 称为气体喷射压缩器变工况特性。

　　对于工作气体 、引射气体为同种气体的气体喷射压缩器, 利用几何结构参数 、混合室动量方程、流动连续性方程 、质量守恒方程以及气体动力函数等,   经理论推导可以得出气体喷射压缩器变工况特性基本方程如下:体吸走, 被吸的低压气体一般称为引射气体, 工作引射气体的压力, 从而实现了将引射气体的压力提升用于压力较高的场所。与通常采用高压气体节流减压供应中压气体相比, 气体喷射压缩器减气体喷射压缩器变工况特性方程对于给定结构参数的气体喷射压缩器, 利用可以在已知工作压力 pp 、温度 Tp , 引射压力ph 、温度 Th 的情况下, 计算出给定喷射系数 u 对应的背压pc , 即 pc -u 关系特性 ;与之相似 , 由可以得出 ph -u 关系特性, 由可以得出 pp -u 关系特性,可以得出 θ-u 关系特性。

　　引射气体在混合室入口截面上刚好达到临界 状态时称为第一极限状态。第一极限状态时的喷射系数 ulim 为:流量将逐渐增大, 当喷射系数增大到极限状态后的垂直线段，上方水平直线段), 进一步降低背压时, 喷射系数和混合蒸汽质量流量将保持极限状态下的数值不变。

　　(a)背压与喷射系数的关系曲线引射气体在混合室内某截面 s -s 上达到临界状态时称为第二极限状态。第二极限状态的喷射系数 ulim 为:混合气体在混合室出口截面上刚好达到临界状态时称为第三极限状态。第三极限状态的喷射系数 ulim 为:背压与蒸汽流量的关系曲线不同引射压力下的背压变化特性曲线通常气体喷射压缩器的喷嘴处于超临界状态, 因此存在下列关系(假设在前述截面 s -s 上工作气体与引射气体压力相等):由于 Π＊总是小于 1 , 故 Πp 总是小于 Πp  , 由s1气体动力函数曲线可知, qp 总是小于 qp , 根据式s1(9)、(10)可以得出 ulim  总是大于 ulim  。所以, 在变工况运行时不会出现第一极限状态, 而只可能出现第二或第三极限状态。

　　4蒸汽喷射压缩器变工况特性曲线根据上述数学模型, 以某一蒸汽喷射压缩器为例(工作蒸汽 、引射蒸汽均为过热蒸汽), 计算、绘制出的蒸汽喷射压缩器变工况特性曲线如图 2～ 8 所示。

　　4.1背压变化特性曲线对于一定结构的蒸汽喷射压缩器, 在其它运行参数不变的条件下, 逐渐降低背压时, 蒸汽喷射压缩器的喷射系数 、混合蒸汽质量

     4.2引射压力变化特性曲线(a)引射压力与喷射系数的关系曲线当 pp =2MPa 时, 未出现极限状态;当 pp =2 .5MPa 、pp =3MPa 时, 最后几点出现了极限状态, 其为第三极限状态;pp = 3 .5MPa 、pp =4MPa 时, 先出现第二极限状态, 最后几点出的为第三极限状态, 两种极限状态的直线斜率略有不同, 第三极限状态直线斜率较陡。

　　对于一定结构的蒸汽喷射压缩器, 在其它运行参数不变的条件下, 逐渐提高引射蒸汽压力时, 不论是否处于极限状态都将会导致喷射系数、混合蒸汽质量流量的增大 , 但是在达到极限状态之后, 进一步提高引射压力时, 喷射系数、混合蒸汽质量流量的增大幅度较小 。

　　4.3工作压力变化特性曲线计算范围内 , 在 pc =0 .5 ～ 0 .6MPa的条件下, 当增大 pp 时先出现第三极限状态, 进一步增大 pp 时又会出现第二极限状态;在 pc = 0 .7 ～ 0 .9MPa 条件下, 当增大 pp  时只出现了第二极限状态。

　　(b) 引射压力与蒸汽流量的关系曲线图 4 不同背压下的引射压力变化特性曲线(pp =3MPa , th =180 ℃, tp =400 ℃, dp ＊=25mm ,fp  / f p＊ =2.02 , f 3/ f p＊ =8 .0)

　　(a)引射压力与喷射系数的关系曲线(b)引射压力与蒸汽流量的关系曲线(a)工作压力与喷射系数的关系曲线(b)工作压力与蒸汽流量的关系曲线图 6 不同背压下的工作压力变化特性曲线(ph =0 .4MPa , t h =180 ℃, tp =400℃, dp ＊=25mm ,fp  / f p＊ =2.02 , f 3/ f p＊ =8 .0)

　　 在 ph =0 .2 ～ 0 .4MPa的条件下, 当增大 pp 时只出现了第二极限状态; 在 ph =0 .5MPa 的条件下, 当增大 pp  时先出现第三极限状态, 当进一步增大 pp 时又会出现第二极限状态 ;在 ph =0 .6MPa 的条件下, 当增大 pp 时只出现第三极限状态, 再进一步增大 pp , 可望与 ph=0 .5MPa 时的情况相同, 会进入第二极限状态。

　　对于一定结构的蒸汽喷射压缩器, 在其它运行参数不变的条件下, 逐渐提高工作蒸汽压力时, 在达到极限状态之前, 都会导致喷射系数、混合蒸汽流量的增大 , 但是在达到极限状态之后, 进一步提高工作压力时, 将会减小喷射系数, 而由于工作蒸汽质量流量的增大, 最终混合蒸汽的流量仍将继续小幅度地增大。

　　(a)工作压力与喷射系数的关系曲线(b)工作压力与蒸汽流量的关系曲线不同引射压力下的工作压力变化特性曲线(pc =0 .7MPa , t h =180 ℃, t p=400 ℃, dp＊ =25mm fp  / f p＊ =2.02 , f 3/ f p＊ =8 .0)

　　温度变化特性曲线由蒸汽喷射压缩器变工况特性基本方程式(1)～ (5)以及各个极限状态喷射系数计算公式 (9)～ (11)可以看出, 不论是否达到极限状态, 只要结构参数 、工作压力、引射压力和背压一定,uθ1/2为一定值, 因此, θ对喷射系数的影响 :1/ 2(a)温度与喷射系数的关系曲线(b)温度与蒸汽流量的关系曲线图 8 工作、引射温度变化特性曲线5结语气体喷射压缩器工作温度、引射温度对运行特性的影响很小, 而工作压力 、引射压力以及背压对运行性能影响较大, 因此, 应当主要利用压力变化特性来调整运行工况。

　　对于一定结构的蒸汽喷射压缩器, 在其它运行参数不变的条件下, 改变工作蒸汽温度不会影响引射蒸汽流量, 随着工作蒸汽温度的提高, 工作蒸汽、混合蒸汽的质量流量将等幅度地降低, 而喷射系数在逐渐增大;而在其它运行参数不变的条件下, 改变引射蒸汽温度不会影响工作蒸汽质量流量, 随着引射蒸汽温度的提高, 引射蒸汽 、混合蒸汽的质量流量将等幅度地降低, 而喷射系数将逐渐减小。

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