射流泵的研究与进展

射流泵的研究与应用发展

1、射流泵在制冷技术中的应用

随着我国经济的快速发展，对能源的需求量日益剧增，目前我国能源消费总量已经位居世界第一，因此节约能源已经成为制冷暖通空调行业研究的重要课

题之一。纵观国内外的研究成果，可以看出，制冷节能的研究主要集中在制冷

循环系统的设计、压缩机技术的改进、冷凝器和蒸发器换热性能的提高、新型制冷剂的研究，而对节流环节的研究相对较少。

为了减少节流损失，国内外学者进行了很多改进方案的研究，喷射制冷

循环就是最具研究价值和应用前景的方案之一。因为射流泵( 又名喷射器、引射器) 具有结构简单、无运动部件、成本低廉、运行可靠、安装维护方便

等优点，适用于包括两相流在内的任何流型，而且将其应用于制冷循环，既

能提高系统性能，又不会增加系统复杂程度。自十九世纪六十年代德国学者G． Zeumen 根据动量守恒定理，提出了射流泵设计的基本理论以来，许多研

究者都对此展开了相关研究

2 射流泵的研究现状

射流泵是依靠一定压力的工作流体通过喷嘴高速喷出带走被输送流体的泵。

工作流体Qo从喷嘴高速喷出时，在喉管入口处因周围的空气被射流卷走而形成真空，被输送的流体QS即被吸入。两股流体在喉管中混合并进行动量交换，使被输送流体的动能增加，最后通过扩散管将大部分动能转换为压力能。1852年，英国的D.汤普森首先使用射流泵作为实验仪器来抽除水和空气。20世纪30年

代起，射流泵开始迅速发展。按照工作流体的种类射流泵可以分为液体射流泵

和气体射流泵，其中以水射流泵和蒸汽射流泵最为常用。射流泵主要用于输送

液体、气体和固体物。它还能与离心泵组成供水用的深井射流泵装置，由设置

在地面上的离心泵供给沉在井下的射流泵以工作流体来抽吸井水。射流泥浆泵

用于河道疏浚、水下开挖和井下排泥。射流泵没有运动的工作元件，结构简单，工作可靠，无泄漏，也不需要专门人员看管，因此很适合在水下和危险的特殊

场合使用。此外，它还能利用带压的废水、废汽（气）作为工作流体，从而节

约能源。射流泵虽然效率较低，一般不超过30％，但新发展的多股射流泵、多

级射流泵和脉冲射流泵等传递能量的效率已有所提高。

射流泵主要结构如图 1 所示，

一般由工作喷嘴、引射室、混合室、扩散室四部分组成。工作流体经过工作喷嘴降压加速，在引射室内形成低压区，使引射流体进入引射室，并在工作流体的卷吸作用下进入混合室，两股流体逐渐混合形成均匀混合流体，再

经扩压管减速增压到一定的压力［ 4］。因此，喷射器在工业上的应用主要集中在两个方面:一是抽吸功能，即在引射流体进口产生低压、低

温区域，例如用作真空泵;二是增压功能，即在扩压室出口制造高压、高温环境，例如作为喷射增压器。

2． 1 代替制冷循环中的压缩机

蒸汽喷射式制冷系统利用较低品位能源制冷的原理图及其相应的压焓图如

图 2 所示。

射流泵作为喷射制冷系统的核心部件，在制冷系统中起着至关重要的作用。Maurice Leblanc于 1910 年成功研制出了第一台蒸汽喷射制冷系统，该制冷

系统在二十年代曾被广泛的应用于大型建筑的空调系统，但随后被体积紧凑、

效率更高的机械压缩式制冷系统取代，对蒸汽喷射制冷系统的研究和发展也停滞不前。20 世纪末期，随着低品位余热( 低温废热) 和可再生能源的合理利

用开始得到中外学者的广泛重视。在制冷行业中，喷射制冷的用能特点正符合这一要求，因此，中外学者展开了大量的理论与实验研究以实现喷射制冷系统性能的提高。

3 射流泵的 CFD 模拟研究

射流泵结构虽然比较简单，但是射流泵内部流动过程却比较复杂，而且试验的实际投入过大，往往得到的试验结果也不尽如人意，故目前多以计算机的数值模拟仿真计算替代了试验验证，借助于 CFD 软件可以得到射流泵内部流

场的细节，并可以指导实验及理论设计。这样一方面节省了成本，另一方面可

以更方便的得到制冷系统更多不同结构参数和状态参数下的运行结果。从而拓

宽了研究参数的变化范围，也使得研究进度在之前的基础上有了极大的提升，许多学者对射流泵的研究深度和广度均发生质的飞跃。当工作参数一定时，只有合理优化射流泵结构，才能提高喷射系数。通过对射流泵主要结构(喷嘴、

混合室以及扩散室) 进行 CFD 模拟，分析结果可以得出主要结构对射流泵性

能的影响规律，从而为得到最优的射流泵结构提供支持。

3． 1 喷嘴结构的影响

(1)喷嘴面积比对射流泵性能的影响

在射流泵中，最关键的部件是喷嘴。由于喷嘴出口面积与喷嘴喉口面积之比Ae /At 决定喷嘴出口马赫数，因此，Ae /At 是喷嘴设计的关键。根据文献［ 14］模拟结果可知，在能保证正常工作背压的同时，如果喷嘴出口面积减小，可以使得出口流速更高、压力更低、带动低速流体的工作范围也更大。

因此，喷嘴出口和喉部面积比对于整个喷嘴的工作性能有很大的影响。不过在设计的时候，不能仅仅通过改变喷嘴出口和喉部面积比来改善喷嘴性能，需

要整体考虑喷嘴实际工作情况，确定最佳的喷嘴结构尺寸。

此外，喷嘴入口与喷嘴喉口的面积比 Ao /At是喷嘴设计的另一个参数。

喷嘴入口面积可以通过喷嘴直段入口的壁厚加以改变，这样可以保持射流泵的其它结构完全不变，保证射流泵性能只受到喷嘴入口面积变化的影响。当喷嘴入口速度在某一范围时，射流泵的最大喷射系数保持不变，即 Ao /At 的变化

不影响射流泵的最大喷射系数值。然而，喷嘴入口面积对射流泵性能的影响是

不能忽视的，调整好喷嘴入口流体的速度可以有效地提高射流泵的临界压缩比，可以提高射流泵的出口压力，降低对出口压力的要求，这对低温热源的利用是

非常有意义的。

(2)喷嘴轴向尺寸对射流泵性能的影响喷嘴的轴向尺寸对喷嘴也有较大影响，其中包括喷嘴收缩段长度 l1，喉口处直段长度 lt 以及喷嘴扩张段的长度 l2。当 l1 可在 2—6dt 的范围内变化时，相应的最大喷射系数，及临界压缩比的

波动范围均小于 0．5% ，结果表明，收缩段长度对射流泵性能的影响很小，因此，设计时可根据射流泵在整个系统中的位置空间大小来调整。

当喷嘴喉口处直段长度 lt 取 0， 1， 2， 3，4mm 时，模拟结

果表明，喷嘴喉口处直段的存在是必要的，当直段长度为 0 时，射流泵的最

大喷射系数的值是最低值。但在 1 ～ 4mm 范围内，射流泵的最大喷射系数

值变化不大，相对变化量 2% 。因此，喷嘴喉口的直段存在是必要的，一方面可以增加喷射系数，另一方面可以克服无直段时喷嘴喉口处易受磨损而使直径

发生变化的缺点。设计时可根据加工精度的要求，在 1 ～4mm 范围内调整。

射流泵的最大喷射系数及临界压缩比随 l2的增加先增加后降低。在喉口

直径 dt = 5． 8mm，出口直径 de = 12． 5mm，入口直径 dm = 22． 4mm 情

况下，当 l2 为 6dt 时，最大喷射系数及临界压缩比为最佳值。小于此长度，最大喷射系数下降很快，当 l2 为 2dt 时，最大喷射系数下降了 0． 129，

降幅达 21% ;大于此长度时，最大喷射系数减少的幅度小，在 6 ～ 8 倍喷嘴喉口直径时，相对变化量在1% 以内。因此，设计时应找到喷嘴扩张段长度的

最佳值。

3． 2 混合室结构的影响

混合室的主要作用是使工作流体与引射流体充分混合，保证混合流体经扩

压室实现最大限度的压力恢复。所以对混合室长度的要求就是以较小的能量损失，保证混合室出口处的混合流体具有比较均匀的速度场。因此，如何确定

比较合适的混合室长度和直径，也是影响射流泵性能的关键因素

4 总结与展望

数值分析和实验研究的结果均表明，将两相射流泵作为节流装置，可以

提高蒸汽压缩式制冷系统的 COP。从热力学分析的角度出发，制冷系统 COP

的提高超过 20% ，但是没有一个实验的结果能提升 10% 以上的。这是由于射

流泵的几何尺寸和位置都会影响到射流泵的性能，进而影响整个系统的性能。因此，对动力喷嘴的喉部、吸气室、恒定混合区域、扩散室等的改进和研究是十分有前景的课题。

射流泵的设计理论已初具规模，但是由于两相流的理论还不够完善，具体

的实际运行工况与设计情况有所不同，工质的物性等参数对射流泵的尺寸计算又有着很大的影响，故射流泵的设计理论依然是处于半经验半理论状态。国内外对进行射流泵的研究的学者有很多，然而在对射流泵的研究大多是在数值模拟的阶段，实验研究相对较少。数值模拟的结果需要实验的验证，因而，在实验研究方面应该是许多学者需要加强的方面。迄今为止，国内外曾有许多学者

在高效射流泵设计方面做过大量细致的研究工作，目前国内外采用的多级喷射等新型结构，在提高传能效率方面取得了一定进展。

随着我国经济模式由粗犷型向集约型的转变，节能已经成为一个全民族的

话题。鉴于喷射式制冷系统的优点，在今后必定会得到较大的发展空间。射流