海水淡化用蒸汽噴射真空泵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

任建波，李 強，苗 超，胥建美，張令品，謝春剛

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)傳熱管內(nèi)不凝結(jié)氣體的質(zhì)量含量是影響換熱系數(shù)的主要因素，當蒸汽中含有不凝氣體時，管內(nèi)熱阻增加，傳熱系數(shù)明顯下降[1-3]。蒸汽噴射真空泵以水蒸汽為工作介質(zhì)，抽吸匯集于海水淡化設(shè)備首效蒸汽側(cè)末端和冷凝器中的不凝氣體，建立各效效間合理壓降，維持設(shè)備正常運行壓力，保持設(shè)備的工作效率和出力。

蒸汽噴射真空泵雖然結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)微小的變化會對其性能產(chǎn)生極大影響，為提高蒸汽噴射真空泵性能，國內(nèi)外研究者在結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面開展了大量的研究工作。Kumar[4-5]通過大量試驗研究給出了噴嘴出口到混合室喉道的距離與噴嘴性能的關(guān)系曲線。Rahman等[6]通過實驗研究給出了真空泵引射系數(shù)與工作蒸汽壓力之間的關(guān)系，得出質(zhì)量流量系數(shù)越小，獲得真空的能力越強，質(zhì)量流量比越大的結(jié)論。然而，大多數(shù)研究僅針對固定結(jié)構(gòu)的蒸汽噴射真空泵或圍繞操作參數(shù)對蒸汽噴射真空泵性能的影響開展研究，對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化對蒸汽噴射真空泵性能影響的研究較少?；诖?，文章通過數(shù)值模擬的方法研究了內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)對蒸汽噴射真空泵性能的影響，以期為蒸汽噴射真空泵參數(shù)設(shè)計提供一種有效的方法。

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 蒸汽噴射真空泵幾何模型

蒸汽噴射真空泵主要包括噴嘴、吸入室、混合室和擴壓室。高溫高壓的工作蒸汽在噴嘴內(nèi)部發(fā)生絕熱膨脹，速度不斷增大、壓力不斷減小，在噴嘴出口處達到超音速，形成一個相對低壓區(qū)；由于噴嘴出口處該低壓區(qū)域的剪切作用，引射氣體進入吸入室，與工作蒸汽在混合室內(nèi)進行混合；在經(jīng)過等壓以及等面積混合室的復(fù)雜混合后，達到同一速度；混合氣體速度在擴壓室內(nèi)不斷減小，壓力不斷升高，在擴壓室出口排出。文章研究的蒸汽噴射真空泵結(jié)構(gòu)如圖1，主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1。

圖1 蒸汽噴射真空泵結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of steam jet vacuum pump

表1 蒸汽噴射真空泵關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Detailed geometric dimensions of steam jet vacuum pump

1.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)蒸汽噴射真空泵模型的特點，對其進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。此外，對近壁網(wǎng)格進行了細化，網(wǎng)格總數(shù)約為180 000，平均網(wǎng)格質(zhì)量在0.25以上，80%的元素網(wǎng)格質(zhì)量在0.35以上。因此，網(wǎng)格質(zhì)量足以進行數(shù)值模擬分析。圖2為蒸汽噴射真空泵模型的網(wǎng)格劃分。

圖2 蒸汽噴射真空泵網(wǎng)格劃分Fig.2 The grid system of steam jet vacuum pump

1.3 邊界條件

蒸汽噴射真空泵的工作蒸汽進口、引射氣體進口，模擬時均采用壓力入口邊界。工作蒸汽進口壓力參數(shù)設(shè)置為4.36×105Pa，給定滯止壓力、溫度及適當?shù)耐牧鳁l件；混合流體出口，采用壓力出口邊界，給定靜壓及適當?shù)幕亓鳁l件。引射氣體進口邊界采用質(zhì)量流入口，質(zhì)量流量為5.5×10-3kg/s。固體壁面采用無滑移、無滲流、絕熱邊界。流體介質(zhì)的密度按理想氣體計算。

1.4 收斂依據(jù)

(1)各變量(速度、壓力、湍流動能等)的殘差達到10-4以下；

(2)質(zhì)量流量穩(wěn)定，即引射系數(shù)u數(shù)值穩(wěn)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴嘴出口位置的影響

噴嘴出口位置(NXP)被定義為噴嘴出口與等壓混合室入口之間的距離。噴嘴出口位置決定工作蒸汽與引射氣體混合所在位置，當工況變化時調(diào)整噴嘴出口位置能夠有效提升蒸汽噴射真空泵的性能。

為了研究NXP對真空泵性能的影響，對NXP為5.65 mm、11.30 mm、16.95 mm、22.60 mm、28.25 mm和33.90 mm的6種模式進行了模擬。表2列出了NXP對真空泵質(zhì)量流量比的影響，從表2看出，隨著NXP的增大，質(zhì)量流量比逐漸增大，直到達到最大值，然后開始減小(圖3)。從圖3看出真空泵效率與NXP的關(guān)系，隨著NXP的增加真空泵的效率先增加后降低，當NXP為16.95 mm時真空泵效率達到最大值，最大效率為0.5。

表2 噴嘴出位置與質(zhì)量流量比之間的關(guān)系Tab.2 The relationship between NXP and mass flow rate ratio

圖3 噴嘴出位置與效率之間的關(guān)系Fig.3 The efficiency of steam jet vacuum pump with NXP

為了進一步分析NXP與真空泵效率之間的關(guān)系，對壓力分布進行了研究(圖4)。從圖4可以看出，當NXP為16.95 mm時，真空泵在噴嘴出口的最小壓力為1.8×104Pa，引射能力最強。當NXP小于最優(yōu)值時，兩種氣體在吸入室內(nèi)無法完全交換動能，因此在混合室內(nèi)流速相對較低。相比之下，當NXP大于最優(yōu)值時，工作蒸汽速度在進入混合室前明顯下降，導(dǎo)致大量動能損失。因此，真空泵效率降低。

圖4 蒸汽噴射真空泵軸線壓力分布Fig.4 The pressure distribution along the axis of steam jet vacuum pump with NXP

2.2 面積比的影響

面積比(AR)是指蒸汽噴射真空泵喉部與噴嘴喉部之間的面積比，是設(shè)計真空泵的核心參數(shù)，對于真空泵內(nèi)部超音速流體的馬赫數(shù)分布具有重要影響。采用AR分別為1.96、3.07、4.45、6.05和7.92的五種模式，研究AR與真空泵性能之間的關(guān)系。從表3可以看出AR對真空泵效率的影響。隨著AR的增大，真空泵效率在一定范圍內(nèi)先增大后迅速減小，當AR為4.45時存在一個最優(yōu)值。

表3 面積比與效率之間的關(guān)系Tab.3 The relationships between area ratio and efficiency

為了進一步分析AR對真空泵性能的影響，得出了壓力和速度分布。圖5為不同面積比下的流體壓力分布。發(fā)現(xiàn)當AR為1.96時，由于混合室內(nèi)壓力持續(xù)下降，真空泵無法工作。當AR為4.45時，噴嘴出口壓力最小，此時真空泵的引射能力最強。

圖5 真空泵不同面積下的壓力分布Fig.5 The pressure distribution along the steam jet vacuum pump axis with AR

3 結(jié)論

1)隨著NXP的增大，質(zhì)量流量比和效率逐漸增大，直到達到最大值，然后開始減小，當NXP為16.95 mm時，真空泵在噴嘴出口的最小壓力為1.8×105Pa，引射能力最強、效率最高，此時真空泵效率為0.5。當NXP小于最優(yōu)值時，兩種氣體在吸入室內(nèi)無法完全交換動能；當NXP大于最優(yōu)值時，工作蒸汽動能損失較大。

2)隨著AR的增大，真空泵效率在一定范圍內(nèi)先增大后迅速減小，當AR為4.45時存在一個最優(yōu)值，真空泵效率為0.5。