船用海水淡化装置的喷射器设计范文

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《水处理技术杂志》2015年第十二期

摘要：

喷射器是船用海水淡化装置的关键部件，需要实现空气与海水共引。采用可拓学菱形思维方法对喷射器方案进行设计，根据“一征多值”进行方案的发散，建立了4种供选择的喷射器方案，利用优度评价对方案进行优选，得到了两级并列液气共引的喷射器结构方案。对喷射器的关键结构尺寸进行了计算分析，当工作流体流速为2m/s时，喷射器入口直径为40mm，浓海水引管的管径为32mm，蒸汽引管的管径为27mm。最后进行了实验验证，实验结果显示液气的引射压力满足工作要求。

关键词：

喷射器；液气共引；可拓学；菱形思维方法；优度评价

船舶在海上作业和远洋航行需要大量淡水来维持正常的生活。为了解决船上用水困难，需要考虑海水淡化问题。蒸馏法是一种高效的海水淡化方法，而低温单效/多效蒸发技术又是蒸馏法的一种，可以利用较低温度的热源来对海水进行蒸发，例如船舶发电机的冷却水，是深受关注的节能高效的海水淡化技术[1-2]。其中关键部件—喷射器对保持基于低温单效/多效蒸发技术的淡化主机内较高真空度具有重要意义，这样才能降低密封容器内海水的沸点，利用较低温度的热水来蒸发海水，达到节能高效淡化海水目标。喷射器最早的研究始于19世纪60年代，德国科学家Zeuner根据动量守恒定律建立了最早的喷射器的设计理论，随后很多学者进行了研究。Lustwork研究了带有扩压室的喷射器，同时对喷射器的研究进行了假设和简化。Keenan等人首次提出了等截面区的等面积混合模型和等压混合理论模型。Riffat等对喷射冷却装置进行创新研究[3]。我国的童永春、陆宏折等人通过液体喷射器的研究，对于喷射器内部流场的不均匀性进行了修正，得到了液体喷射器的一般设计设计方法。浙江大学的韩慧琳对索科洛夫的计算方法进行了改进，修正了速度修正系数，将喷射器结构对其性能的影响考虑了进去，改善了喷射器的设计方法。江帆等对射流曝气器内部两相流动进行数值分析[4]。随着海水淡化产业的发展，海水淡化系统的喷射器面临着新问题，即需要同时引射蒸汽和浓海水，以便能极大地维持淡化主机内高真空度，因此喷射器的创新设计势在必行。喷射器创新设计方法很多，本文采用我国原创的创新方法—可拓学拓展喷射器结构方案，并优选出较优的方案进行实验验证，将为喷射器结构方案设计提供参考。

1基于可拓学的船用海水淡化用喷射器的方案设计

1.1两相喷射器结构原理由图1可知，根据功能要求，船用海水淡化用喷射器需要2个引入口，其中一个抽走主机内空气，形成真空以降低海水沸点，另外一个抽取主机内多余的浓海水。抽取空气的引入口要实现7kPa的真空条件。

1.2基于菱形思维方法的喷射器方案设计流程可拓学的菱形思维方法能够有效地协助设计人员进行思维的扩散与收敛[5-6]，这里用来对喷射器的结构方案进行发散思维。基于菱形思维方法的双级两相喷射器设计思路为：先建立喷射器物元，而后根据物元的可拓性，对物元进行发散得到新的物元，即新的结构方案，然后利用合适的评价方法对其进行筛选，从而收敛成目标物元，即得到最终的设计方案。

1.3喷射器物元构建及其发散物元模型是可拓菱形思维的基本工具。物元是用来描述事物的基本元素，由3个变量组成，可以表示为R=(N,c,v)。其中N代表事物的名称，c代表事物特征的名称，v=c(N)表示事物N关于特征c所取的量值。船用海水淡化用喷射器的结构特征有：引射入口、结构形式、安装性、引射效果等。引射入口必须是2个；结构形式可分2种：单喷嘴和多喷嘴，或称为单级和两级；安装性要考虑到安装空间的狭小问题，及其连接件复杂的程度，总体结构有也有一定的要求；同时引射效果需达到设计要求。根据这些喷射器的特征及其量值，这样将喷射器用物元模型表示，如式（1）所示。

1.4喷射器方案的优度评价发散后的方案需要利用可拓优度评价方法对喷射器物元R1,R2,R3,R4R进行收敛。这里采用物元的引射效果c1、安装简便性c2及结构复杂性c3作为评价指标。1）确定权重首先利用层次分析法（AHP）确定各评价指标的权重。根据评价指标对目标方案的影响，建立目标方案的判断矩阵如式（3）所示。其中，引射效果、安装简便性、结构复杂性分别用c1、c2、c3代替。判断矩阵中的值是通过调查问卷得到的，调查的对象主要是在校机械专业教师。比较4个方案，从引射效果的角度来看，方案一的2个引射入口是由一个分开来的，在操作上存在一些问题，可能导致只抽浓海水或者只抽气体，如果通过加阀门来控制的话又会增加其复杂程度。方案二的2个引射入口分布在两侧，形成均等的抽吸能力，对气液的抽吸能力均较强。对于方案三，由于引射入口的位置关系，肯定会导致2个引射入口的引射能力不一样，要使其达到设计要求，存在一定的困难。方案四2个引射入口的抽吸能力与相应的截面比有关，因而对气液的引射效果控制性较好。4种方案的引射效果数值模拟如图3所示。从安装方便性来看，喷射器被安装在淡化主机底座的狭小空间内，而气体引射管道和浓海水引射管道都是从上面接下来的，所以在安装方面，方案二处于劣势。其他方案的引射入口都是朝上，拆装都相对方便一些。

2喷射器关键尺寸设计

本喷射器进口工作流体流量为12.2m3/h，可以抽取的气体量为VH=2.44m3/h，抽气压力pH1=7kPa。根据水-空气喷射器在不同容积生产率下的特性曲线[3]可知，要想达到预期的压力，喷嘴出口流速vp要达到15m/s。根据公式V=fp×vp，得到喷嘴面积fp1=226mm2，进而计算出喷嘴直径dp1=16.9mm，这里取一级喷嘴直径为17mm。根据海水淡化装置的数学模型分析得到喷射器的工作流体的质量流量为12.6m3/h，浓海水流量为1.22m3/h。通过采用公式（6）来确定喷射器工作入口直径以及浓海水的入口直径。式中，d为管道直径，w是管内流体的质量流量，v是管内介质的平均流速，ρ为管内流体在工作条件下的密度。根据给定的压力条件设定海水管道内的流速为0.5m/s，工作流体流速为2m/s。通过计算得到的结果，喷射器入口直径为40mm，浓海水引管的内径32mm。饱和蒸汽的常用流速为15～30m/s，取气体引射流速为15m/s，计算得到的蒸汽引管的管径为33mm。

实际上喷射器在工作过程中，气体引射入口的压力发生了变化，气体的流速会下降的很快，但为了缩短喷射器的引射时间，采用较小的管径还是比较好的，及综合考虑标准管道的内径参数，决定将气体引射入口内径设定为27mm。喷嘴喉长不能小于喷嘴的直径，所以取一级喷嘴喉长L1=25mm。喷嘴入口段长L2=6～8dp1，取L2=120mm。接收室的直径d2=90mm。两级接收室用法兰连接，且直径相同。二级喷嘴作为单独零部件被固定在法兰之间，由于安装需要，将二级喷嘴部件设计为直径50mm的圆管，然后收缩为喷嘴直径。收缩抽水管道采用DN32管连接，二级接收室长度为180mm，扩压管的角度选择2°，长度取280mm，所以出口直径取58mm。部件部分尺寸如图4所示。

3实验验证

根据设计参数，制作了喷射器实物，搭建如图5所示的实验系统，包括储水箱、阀门、泵、过滤器、冷却塔、流量计、压力表等。实验测得空气引射口的压力为20kPa，水引射口的压力为25kPa，满足设计要求。

4结论

1）采用可拓学的菱形思维方法对船用海水淡化装置的喷射器进行了方案设计，即利用一征多值方法发散出4种待选的喷射器结构方案，而后用优度评价方法优选，得到了较优的两级液气共引的喷射器结构方案。2）在方案设计的基础上，对关键结构尺寸进行了计算，当工作流体流速为2m/s时，喷射器入口直径为40mm，浓海水引管的管径为32mm，蒸汽引管的管径为27mm，一级喷嘴喉长25mm。喷嘴入口段长120mm，接收室的直径90mm，二级喷嘴外部直径50mm，二级接收室长度为180mm，扩压管长度为280mm，出口直径为58mm。最后进行了实验研究，证实设计结果能够满足船用海水淡化装置用喷射器功能要求。

参考文献：

[1]夏永强,胡钰,张磊,等.船用海水淡化装置[J].机电设备,2014,5:29-32.

[2]凌程祥.船用海水淡化装置的喷射器设计[D].广州:广州大学,2015,6.

[3]SBRiffat,AHolt.Anovelheatpipe/ejectorcooler[J].AppliedThermalEngineering,1998,18(3-4):31-101.

[4]江帆,陈维平,李元元,等.基于射流与两相流的射流曝气器研究[J].流体机械,2005,33(6):18-21.

[5]FJiang,JJOu,YJWang,etal.EmitterdesignandnumericalsimulationbasedontheExtenicstheory[J].AdvanceJournalofFoodScienceandTechnology,2014,6(5):568-573.

[6]江帆,杨鹏海.TRIZ理论与可拓学的融合方法研究[J].广州大学学报,2014,13(6):59-64

作者：江帆 凌程祥 单位：广州大学机械与电气工程学院