水力喷射器的流动特性计算及其设计

水力喷射器的流动特性计算及其设计

黄世安

湖南红莓高新化工装备研发所（湖南岳阳414100）

摘要：本文在工程应用与设计层面对水力喷射器的下水能力、抵抗外压（背压）能力等流动特性运用流体能量方程和动量方程提出新颖的计算方法，建立新型水力喷射器的基本设计方程，并对其真空蒸发能力进行计算，制成超低位安装的高真空水力喷射器并应用于生产实践，取得良好应用效果。

关键词：水力喷射器流动特性计算超低位高真空水力喷射器

水力喷射器是具有抽真空、冷凝、排水为一体的重要有效能转换的装置，是真空浓缩系统中重要的设备。它是利用一定压力的水流通过对称均布成一定倾斜度的喷嘴喷出，聚合在混合室喉部的焦点上，由于喷射水流速度很高，于是在其周围形成负压，使喷射器内产生真空并抽吸空气与二次蒸汽。由于二次蒸汽与喷射水流直接接触，进行热交换，绝大部分的蒸汽凝结成水，极少量未被冷凝的蒸汽与不凝结的气体与高速喷射的水流互相摩擦、混合与挤压，通过扩散管被排除，使喷射器内形成更高的真空。多喷嘴水力聚焦喉部的集束度是其抵抗外压与封水能力，进而保证较高负压的关键。

目前喷射器厂家的产品性能和实际应用，均要求该设备安装高度4.5米以上，且排水尾管长3米以上，如果直连上冷却塔装置，安装高度达7.5 米以上，这对单层建筑使用极为不便，独立安装则需搭建较高铁架，安装及维修均很不利。就其原因是喷射器的多喷嘴水力抵抗外大气压的能力较低，必须借助安装的高位差，使下水管产生一定的抽水效应，帮助喷射器能在较高的真空状态（－0.085MPa～－0.092MPa）下正常工作，否则将会倒进水而使真空破坏。

以下就喷射器的普遍水力特性进行计算，并提出能安装高度1.5米左右，若不用循环水泵，直连冷却塔装置而安装高度只需不到4 米的解决方案。

1喷射器排水尾管的下水能力

排水尾管下水能力是指混合室喉管直径确定后，多喷嘴打

出的水通过喉部的顺畅程度，即通过流量Q所需要的最小喉管

直径d。喉径过小则下水能力不足，过大则喷射器水力抵抗外大

气压的能力大为下降。喷射器射流集束度即聚焦好坏与喉径密

切相关，对一台制成的喷射器，其抵抗外压的能力是确定的。

1.1喷射器下水过程

高速喷射的水流形成的负压会抽吸周围大量的空气，从而

使射流夹带空气冲向集水混合室的“喇叭”入口端，形成大量

的白水泡泡和剧烈的水流旋滚区，这是水力机械能损失最大的

地方，如果水流不能及时下行，旋滚区高度h会上升，此时能

量损失更大。旋滚区水流借助重力和喷射水压挤向集水混合室

的喉部，再从扩散管排出。

喷射水流股由于水力特性，都会有一个圆心张角，即使设

计加工时喷嘴的水力焦点完全重合，也会因此形成喷射束环D0

比设计时大不少，D0值与喷嘴内部加工精度和流线性能密切相

关.

图（1－1）喷射器水力特性分析示意图

1.2 喷射器水力损失能

喷射器水流在高速射向喉部混合室时，由于吸入大量空气形成一定高度h 的剧烈旋滚区，这是水力能损失最大的地方。该旋滚区水流特性类似于管道流动突然扩大时的旋滚区，借助这种水力相似原则确定喷射器水力损失能可表示如下：

g

v D d g v A A h f 2])(1[2)1(2

220220-=-=

式中，d — 喉管直径；D 0 — 喷射束环直径；v — 喷射水抵达旋滚区前的流速

对实际应用的喷射器在器内与外大气压相通时，打水测得的数据如下：

喷嘴直径d p = 0.01m ，共7个，总截面积A p =5.5×10-4m 2,喉管直径d=0.051m ；

泵水流量Q = 50m 3/h = 0.0139m 3/s ,测得喷射束环D 0=0.12m 。求得喷嘴流速v` =Q/A p =25.27m/s ，

抵达旋滚区前的流速`v v ϕ==0.98×25.27=24.76m/s,总水力能3.318

.9276.2422

20=⨯==g v H m,损失能m h f 0.213.31])12.0051.0(1[22=⨯-= ，喉部水流动能m A Q g E d

d 36.2)(212==。 1.3 混合室喉部过水能力

喷射器下水能力在器内压力与外大气压相通时，即atm p p c b 1==，此时形成的剧烈旋滚区最大和能量损失最大，对应的喉部直径过水能力最低，计算时以此时满足过水流量Q 所需要的最小喉管直径d 为准。

如图（1-1）示，考虑有排水管长L 情况下的计算：在断面1-1（旋滚区面）与5-5（出口端）间，列出水力伯努利能量方程：

∑→+++=++515525112122f h z p g v z p g v γ

γ (1-3-1) 式中，P 1=P 5=0，Z 5 =0,Z 1= H =h+l+L ,v 1 0≈（1-1面直径相比较大，动能项可忽略）， 2324d Q

v v π

== ,2

544D Q

v v π

==。 阻力项 g

v g v h f 236.02(222221==-ξ渐缩） g

v d l h f 2)(2

232λ=-喉管 g v v g v v h f 2)(2.02)()(2

4224243-=-=-ξ渐大 g v D L g v D L h f 202.02)(2

52554==-λ排直管

由连续性方程，得225252)v ,)(v D

d d D v v （即== 由于喉管很短，032≈-f h ,将以上各式代入方程（1-3-1），整理得 g

v D d D L D d l h L d 2]))(02.01())(1(2.036.0[22422++-+=++ (1-3-2) 方程（1-3-2）为喷射器泵水开始工作时喉部管径下水所需满足的方程，对管径d 是四次方，

根据实际测量情况进行试差计算：Q=0.0139m 3/s ,l d =0.10m ,L = 1.0m,旋滚区高度h =

0.22m,v 2=Q/0.785d 2 ，总水力压头H =1.0+0.22 +0.1 =1.32m 。

表1 喷射器的喉部直径与其下水总水力损失的关系

d(m) v 2(m/s) v 22/2g （m ） ∑h f （m ）

0.046 8.37 3.57 1.93

0.050 7.08 2.56 1.40 0.051 6.80 2.36 1.30

0.055 5.85 1.75 0.99

从以上计算可知，总水力压头H=1.32m ,水力损失∑h f =1.30m 的喉部直径d=0.051m 能满足下水要求。多次实践改进和测试的结果，实际喷射器的喉部直径正是0.051m 。

2 喷射器抵抗外压（背压）的能力

喷射器的水力抵抗外压（背压）能力是其性能优劣的重要因素之一，是它能安装最低高度的决定性因素。单一喷嘴的喷射器由于水力集束度好，较容易通过喉管并具有较好的抵抗外压的能力，但其喷射抽吸二次蒸汽的能力较低，一般均采用多喷嘴结构。多喷嘴水力集中于喉管的对焦能力是其抵抗外压的重要因素，因为水力射流至混合室集水“漏斗”处时，其喷射束的环径越大（对焦不好），则水射流至“漏斗”底部（即喉管入口处）会因水流相撞而引起旋滚区，这时会有较多能量损失，其抵抗外压能力就降低。在高度真空状况下，由于空气稀少，此时旋滚区的剧烈程度大大降低，同时高度减少，对一般射流冲击喉部的水力冲击力分析如下：

假设多喷嘴出口速度v 0，总流量Q ，由于喷嘴加工精度和射流圆心张角，会使射流股直径稍大，同时速度稍小，加上对焦原因而引起的射流环径D 0的变大，喷射流股抵达混合室喉部的有效冲击速度为0v α（依对焦冲击程度取0.920.80→=α）。

对喷射流量Q ，速度0v α的水力冲击喉管上口径时，取喉管的渐流断面1-1和2-2及喉管表面围成的控制面上，由于喉管很短，重力和摩擦阻力可不计。在高度真空下，喷射器内绝对压力为P b (1-1面）,喉管背压P c (2-2面)。运用流体的动量方程，取竖直向下为正方向：

d b d c d A P A P v v Q +-=-)(0αρ （2-1）

即 b c d d P P v v A Q

-=-)(0αρ （2-2）

在不考虑排水管阻力损失情况下，背压Pc ≈gL P ρ-0，代入p

d d A Q v A Q v ==0, ，得