水喷射式热交换器的优化设计

1）构造与工作原理

水-水喷射式热交换器又称水喷射器，它的构造如图4.26所示，也是由喷管、引水室、混合室、扩散管等几个主要部件所组成。图的下方所示为运行时压力的变化情况。压力为p0的高温水为工作流体，压力为ph的低温水为被引射流体。高温水从喷管中喷射出来时具有很高的速度wp，由于它的卷吸作用，在混合室入口处造成一个压力比ph还低、其值为p2的低压区，使被引射的低温水以w2的速度进入混合室。在混合室中两股流体互相混合且使其流速和温度逐渐趋向相等，混合流以w3的流速进入扩散管，在扩散管中混合流的流速逐渐降为wg、压力逐渐升高到pg后流出喷射器。

水喷射器在喷管内的流体属于亚音速流动，故一般用的是渐缩喷管。

图4.26 水-水喷射式热交换器的工作原理

2）特性方程式

水喷射器的质量守恒方程式与能量守恒方程式仍与式（4.32）及式（4.33）相同，而其能量守恒方程式（4.33）还可写成：

它的动量方程式，对圆筒形混合室而言，可由截面Ⅱ—Ⅱ、Ⅲ—Ⅲ得到

式中 wp——混合室入口截面上工作流体的流速，m/s；

w2——混合室入口截面被引射流体的流速，m/s；

w3——混合室出口截面混合流体的流速，m/s；

p2——混合室入口截面流体的压力，Pa；

p3——混合室出口截面流体的压力，Pa；

f3——圆筒形混合室的截面积，m2；

φ2——混合室的速度系数。

为简化特性方程的推导，可以认为工作流体与被引射流体在进混合室前不相混合，因而工作流体在混合室入口处所占面积与喷管出口面积fp相等，如图4.26中所示那样。这一假定对于f3/fp≥4时具有足够的准确性。因而被引射流体在混合室入口截面上所占面积

f2=f3-fp

通过喷管的工作流体流量应为

式中 φ1——喷管的速度系数；

p0——工作流体进喷管的压力，Pa；

ph——被引射流体在引入室的压力，Pa；

vp——工作流体的比容，m3/kg。

由于引入室中被引射水的流速wh和混合室流体出扩散管的流速wg都相对较低，可忽略不计。那么根据动量守恒原理，被引射流体在混合室入口截面处的压力p2与混合流体在混合室出口截面处的压力p3可表示为

式中 pg——扩散管出口处混合水的压力，Pa；

φ3——扩散管速度系数；

φ4——混合室入口段的速度系数；

vh——被引射流体的比容，m3/kg。

在水喷射器中，工作流体与被引射流体都是非弹性流体，因而各截面处的水流速可用连续性方程式计算，即

式中 vg——混合流体的比容，m3/kg。

将以上各式所示关系代入式（4.56）并经整理后可得到水喷射器的特性方程式：

式中 Δpg=pg-ph——水喷射器的扬程，Pa；

Δpp=p0-ph——工作流体在喷管内的压降，Pa。

Δpg/Δpp称为喷射器形成的相对压降。式（4.63）表明：当给定u值时，喷射器的扬程与工作流体的可用压降成正比。

在vg=vp=vh的条件下，并取φ1=0.95，φ2=0.975，φ3=0.9，φ4=0.925时，特性方程简化为

若将式中各截面比作如下变换：

则式（4.64）变为

由此可见，水喷射器的特性，而不决定于它的绝对尺寸。如果绝对尺寸不同，但截面比（f3/fp）相同，就具有相同的特性，。因而，（f3/fp）是水喷射器的几何相似参数，这样就可使水喷射器的试验研究工作得以简化。

3）最佳截面比与可达到的参数(www.xing528.com)

在设计水喷射器时，要求选择最佳截面比，以保证在工作流体压降（Δpp）和喷射系数（u）给定的情况下，使它具有最大的扬程（Δpg）。

因为），所以最佳截面比可根据特性方程式（4.65）求偏微分的方法求得，即

当喷射系数u一定时，（Δpg/Δpp）是（f3/fp）的一元函数，可以计算出最佳截面比（f3/fp）zj以及可产生的最大相对压降（Δpg/Δpp）max，表4.6中摘录了参考文献[9]中用电子计算机所得的部分数据。

表4.6 （Δpg/Δpp）max、（f3/fp）zj与u之间的关系[9]

4）几何尺寸的计算

喷管出口截面积由下式计算：

喷管出口截面与圆筒形混合室入口截面之间的最佳距离Lc为

式中 d3——圆筒形混合室的直径，可根据（f3/fp）zj及fp求得f3之后求出。

圆筒形混合室的长度Lh，建议取Lh=（6～10）d3；

扩散管的扩散角，一般取θ=6°～8°。

[例4.3] 已知水喷射器热水供热系统的室外热水管网供水温度（即喷射器的工作温度）t0=130℃，回水温度（即被引射水温）th=70℃，混合流体温度（即向用户供水温度）tg=95℃。供水系统的压力损失Δpg=9810Pa，用户热负荷Q=8.4×105kJ/h。试确定安装在用户入口处的水喷射器的主要尺寸，并计算在设计工况下，工作流体所需要的压降Δpp，绘出喷射器的特性曲线。

[解]

用式（4.55）确定喷射系数

由表（4.6），当u=1.4时，可查得

最大相对压降（Δpg/Δpp）max=0.15378，最佳截面积（f3/fp）zj=5.9

于是，工作流体在喷管内的压降

Δpp=Δpg/0.15378=9810/0.15378=63792Pa

由热负荷计算工作流体的流量G02：

由式（4.66）计算喷管出口截面积：

由于

故喷管出口直径

圆筒形混合室尺寸：

截面积

直径

长度 Lh=8d3=8×0.0255=0.204m

喷管出口截面与混合室入口截面间的距离：

Lc=1.2d3=1.2×0.0255=0.0306m

扩散管的尺寸：取其出口处的混合水速度wg=1m/s，扩散角θ=8°，则

出口截面积

出口直径

长度

喷射器各截面比：

将上述各数值代入特性方程式（4.64），得

以不同的喷射系数代入之后，可求出不同的（Δpg/Δpp），其结果列于表4.7及图4.27上。图中的a点为设计工况。

表4.7 不同喷射系数时的（Δpg/Δpp）

图4.27 水喷射器特性曲线

与例4.2一样，对水喷射器也可绘出工作流体在不同压力下Δpg=f（Vg）的特性曲线，根据这些特性曲线的管网阻力特性曲线的交点，即可确定水喷射器在不同Δpg时的工作点。