一种高喷射性能的蒸汽喷射器

技术领域

本申请属于喷射器技术领域，具体涉及一种高喷射性能的蒸汽喷射器。

背景技术

作为一种重要的能源转换装置，蒸汽喷射器以其显著的性能在节能减排、能源再利用、降低能耗等方面做出了巨大的贡献。蒸汽喷射器作为一种能量转换的节能设备，可实现对低品位能量的管理和转换，从而达到节能的效果。蒸汽喷射器具有结构简单、成本低、工作稳定、无活动部件等特点，在空调制冷、海水淡化、碳捕获、新能源和燃料电池等领域得到了广泛的应用。

常规蒸汽喷射器的主要结构包括喷嘴、吸入室、混合室(包括渐缩段和喉道)和扩压室。蒸汽喷射器利用流体的紊动扩散作用，对两股以上的流体实现混合，完成能量和质量传递的一种机械装置。蒸汽喷射器的工作原理：高温高压的主流体经过主喷嘴时，主流体在主喷嘴的扩张段的压力减小，速度增大为超音速射流，在喷嘴出口处形成低压，引射流体被吸入并进入混合室的渐缩段，与主流体之间进行强烈地混合，两股流体混合的同时进入喷射器混合室的喉道中，不断地进行动量、质量与能量的交换，主流体的速度逐渐降低，引射流体的速度逐渐增大，最终两股流体的速度趋于一致形成单一流动，进入截面逐渐变大的扩压室，混合流体的动能转换为压能，从喷射器出口处喷出高压混合流体。

公开号为CN106089818A的中国专利利用喷射器内局部存在的低压区提出了一种辅助卷吸喷射器，将辅助引射通道安装在喷射器的等截面喉部和扩散器上，使喷射器的性能得到了一定程度的提高；还有类似的专利公开号CN106523441A的中国专利利用喷射器内部局部的低压区与压力较大的堵塞区的压力差，提出了压力调控式喷射器，确立了最优压力调节方案，使得喷射器的性能有了一定的提高。

上述专利都利用了喷射器内部存在的低压区设计了喷射器的辅助引射和调压系统，使得喷射器性能得到了一定程度的提升。然而，喷射器内部低压区的低压潜能还没有被完全挖掘出来，还有较大的开发空间。

发明内容

本申请提供一种高喷射性能的蒸汽喷射器，以解决上述的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：一种高喷射性能的蒸汽喷射器，包括依次连接的主喷嘴、混合室组件和扩压室；主喷嘴的渐缩段设有主流体入口，混合室组件至少包含两个依次连接且结构相同的混合室；其中，第一混合室的入口与主喷嘴的出口相连接，第一混合室的出口与相邻的第二混合室的入口相连接，第二混合室的入口与相邻的第三混合室的出口相连接，第三混合室的出口和扩压室的入口相连接。

进一步，第一混合室包括第一引射通道、第一渐缩段和第一喉道，第一渐缩段的入口与主喷嘴的渐扩段出口以及第一引射通道的出口相连。

进一步，第二混合室包括第二引射通道、第二渐缩段和第二喉道，第二渐缩段的入口与第一喉道出口以及第二引射通道的出口相连。

进一步，第三混合室包括第三引射通道、第三渐缩段和第三喉道，第三渐缩段的入口与第第二喉道出口和第三引射通道的出口相连，第三喉道的出口与扩压室的入口相连接。

进一步，第一引射通道、第二引射通道以及第三引射通道分别通过第一连管、第二连管以及第三连管与引射入口连接。

进一步，第二连管和第三连管中均设有用于防止流体反流的止回阀。

进一步，主喷嘴、混合室组件以及扩压室位于同一中轴线上。

本申请的有益效果是：本申请是在常规喷射器的喉部与扩压室之间加装多个混合室，主流体的质量流量没有变化，然而利用喷射器喉部出口处的低压区和引射通道入口处较大的压力差，从加装的引射通道中吸入更多的引射流体，增加了喷射器的引射比，从而大大提高了其引射性能；同时本申请可根据压缩比波动的范围，选择增设适当的混合室数量，每增设一个混合室，喷射器的引射比都会进一步提高。

附图说明

图1是本申请的高喷射性能的蒸汽喷射器一实施例的结构示意图；

图2为图1中的第二混合室的一实施例的结构示意图；

图3是本申请的高喷射性能的蒸汽喷射器另一实施例的结构示意图；

图4为常规引射器与带有两个混合室喷射器的引射比比较图；

图5为常规引射器与带有两个混合室喷射器的压力比较图；

图6为带有两个混合室喷射器与带有三个混合室喷射器的引射比比较图；

图7为带有两个混合室喷射器与带有三个混合室喷射器的压力比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

参阅图1-2，图1是本申请的高喷射性能的蒸汽喷射器一实施例的结构示意图；图2为图1中的第二混合室的一实施例的结构示意图。该喷射器包括依次连接的主喷嘴1、混合室组件2和扩压室3。主喷嘴1、混合室组件2以及扩压室3位于同一中轴线上。主喷嘴1的主喷渐缩段11设有主流体入口，混合室组件2至少包含两个依次连接且结构相同的混合室。

混合室包括引射通道01、渐缩段02和喉道03，第一个混合室的入口与主喷渐扩段11出口相连接，第一个混合室喉道的出口与下一个混合室渐扩段的入口相连接，依次类推，最后一个混合室的渐缩段入口与前一个混合室的喉道出口相连接，最后一个混合室的喉道出口和扩压室3的入口相连接。示例性的，混合室组件2包括第一混合室21、第二混合室22和第三混合室23等三个混合室，第一混合室21的入口与主喷嘴1的出口相连接，第一混合室21的出口与相邻的第二混合室22的入口相连接，第二混合室22的入口与相邻的第三混合室23的出口相连接，第三混合室23的出口和扩压室3的入口相连接。上述设计中通过加装混合室，以使得主流体的质量流量没有变化，然而利用喷射器喉部出口处的低压区和引射通道入口处较大的压力差，从加装的引射通道中吸入更多的引射流体，增加了喷射器的引射比，从而大大提高了其引射性能。

混合室的数量不限于三个，可根据压缩比波动的范围，选择增设适当的混合室数量，每增设一个混合室，喷射器的引射比都会进一步提高，因此，在压缩比允许的范围内，可以尽可能多的增设喷射器的引射通道数量。其中混合室组件2中的各个混合室的结构相同，但尺寸可能不同。

第一混合室21包括第一引射通道211、第一渐缩段212和第一喉道213，第一渐缩段212的入口与主喷渐扩段11出口以及第一引射通道211的出口相连。

第二混合室22包括第二引射通道221、第二渐缩段222和第二喉道223，第二渐缩段222的入口与第一喉道213出口以及第二引射通道221的出口相连。

第三混合室23包括第三引射通道231、第三渐缩段232和第三喉道233，第三渐缩段232的入口与第第二喉道223出口和第三引射通道231的出口相连，第三喉道233的出口与扩压室3的入口相连接。

第一引射通道211、第二引射通道221以及第三引射通道231分别通过第一连管214、第二连管224以及第三连管234与引射入口连接。第二连管224和第三连管234中均设有用于防止流体反流的止回阀4。

参阅图3，图3是本申请的高喷射性能的蒸汽喷射器另一实施例的结构示意图。本实施例在常规蒸汽喷射器的基础上，于常规喷射器的喉道出口和扩压室3进口之间增设了第二混合室22。高温高压的主流体经过主喷嘴1时，主流体在主喷渐扩段11的压力减小进入主喷喉道12，而速度增大为超音速射流进入第一渐缩段212，在主喷嘴1的出口处形成低压，引射流体从第一引射通道211吸入并进入第一渐缩段212，与主流体之间进行强烈地混合，两股流体混合的同时进入第一混合室21的第一喉道213中，不断地进行动量、质量和能量的交换，主流体的速度逐渐降低，引射流体的速度逐渐增大，最终两股流体的速度趋于一致形成单一流动，在第一喉道213的出口位置形成了低压区，由于此处的低压区与第二引射通道221入口的压力存在较大的压力差，新的引射流体从第二引射通道221吸入并进入第二渐缩段222，与第一混合室21过来的混合流体进行强烈地混合，两股流体混合的同时进入第二喉道223中，不断地进行动量、质量和能量的交换，主流体的速度逐渐降低，引射流体的速度逐渐增大，最终两股流体的速度趋于一致形成单一流动，进入截面逐渐变大的扩压室3，混合流体的动能转换为压能，从扩压室3的出口处喷出高压混合流体。

示例性的，本实施例中提到的常规喷射器的主喷嘴1、混合室、扩压室3的尺寸参数分别与带有2个混合室的蒸汽喷射器的主喷嘴1、第一混合室21、扩压室3完全相同。具体尺寸参数，主喷渐缩段11入口直径为12mm，主喷渐缩段11长度为10mm；主喷喉道12直径为3.7mm，长度为6mm；主喷渐扩段13出口直径为10mm，长度为25mm；第一渐缩段212入口直径为23mm，长度为63mm；第一喉道213直径为15.8mm，长度为15mm；第二渐缩段222入口直径为30mm，长度为40mm；第二喉道223直径为20mm，长度为15mm；扩压室3的长度为116mm，扩压室3的扩张角为3.5°。

蒸汽喷射器的主要评价指标为引射比ω、压缩比β，引射比ω是喷射器吸入的引射流体质量流量和所消耗的主流体质量流量之比，压缩比β是喷射器扩散室出口背压与引射流体压力之比。

本实施例通过分析与对比是否添加混合通道对喷射器性能的影响，对常规喷射器和带有两个混合通道的喷射器进行了数值模拟分析。喷射器的工作条件：引射流体压力设置为15kPa，主流体压力设置为600kPa，温度设置为压力对应的饱和温度。

参阅图4，图4显示了常规喷射器与带有两个混合室的蒸汽喷射器的引射比随压缩比β的变化曲线图，常规喷射器的临界压缩比为2.67，最佳引射比达到0.433。带有两个混合室的蒸汽喷射器的临界压缩比为2.0，最佳引射比达到0.729。在双临界条件下，相比常规喷射器，带有两个混合室的蒸汽喷射器的引射比提高了69.53％。当第二引射流体出现反流时，止回阀4开始起作用，这时即使压缩比高于2.4，带有两个引射通道的喷射器仍然能够正常工作，其引射比不低于常规喷射器的最佳引射比。

参阅图5，图5为常规蒸汽喷射器和带有两个混合室蒸汽喷射器中心线上的压力分布曲线。它们的工作条件：引射压力为15kPa，主流体压力设置为600kPa，压缩比为2.0。两种蒸汽喷射器的中心线上前端(x＝41mm-119mm)的压力场没有明显的区别，说明增设第二混合室22对第一引射流体的质量流量没有影响的原因。常规蒸汽喷射器从扩压室3入口开始压力不断下降，此处存在一个低压区(图5中方框所示)，在前方16mm处(x＝135mm)压力最小，随后压力急剧增大，压力出现较大的波动，压力梯度较大。在此低压区位置增设第二混合室22后，此处的压力明显上升，这是因为一定量的引射流体被吸入该区域，这些增加的流体必然会增加局部压力，此处吸入的新的流体缓解了原剧烈的压力波动，降低了后面的流体的压力梯度，冲击波的强度变小，使得气流更加平稳。

继续参阅图1，在该实施例中，喷射器在带有二个混合室的蒸汽喷射器的基础上，在其的第二喉道223出口和扩压室3进口之间增设了混合室结构即第三混合室23。高温高压的主流体经过主喷嘴1时，主流体在主喷渐扩段11的压力减小，而速度增大为超音速射流进入第一渐缩段212，在主喷嘴1的出口处形成低压，引射流体从第一引射通道211吸入并进入第一渐缩段212，与主流体之间进行强烈地混合，两股流体混合的同时进入第一喉道213中，不断地进行动量、质量和能量的交换，主流体的速度逐渐降低，引射流体的速度逐渐增大，最终两股流体的速度趋于一致形成单一流动，在第一喉道213的出口位置形成了低压区，由于此处的低压区与第二引射通道221入口的压力存在较大的压力差，新的引射流体从第二引射通道221吸入并进入第二渐缩段222，与第一混合室21过来的混合流体进行强烈地混合，两股流体混合的同时进入第二喉道223中，不断地进行动量、质量和能量的交换，主流体的速度逐渐降低，引射流体的速度逐渐增大，最终两股流体的速度趋于一致形成单一流动，一定条件下在第二喉道223的出口位置形成了低压区，由于此处的低压区与第三引射通道231入口的压力存在较大的压力差，新的引射流体从第三引射通道231吸入并进入第三渐缩段232，与第二混合室22过来的混合流体进行强烈地混合，两股流体混合的同时进入第三喉道233中，不断地进行动量、质量和能量的交换，主流体的速度逐渐降低，引射流体的速度逐渐增大，最终两股流体的速度趋于一致形成单一流动，进入截面逐渐变大的扩压室3，混合流体的动能转换为压能，从扩压室3的出口处喷出高压混合流体。

在所有引射通道各安装一个止回阀4，不论哪个引射流体出现反流时，止回阀4开始起作用。当压缩比出现波动，第三止回阀4开始工作时，带有第三混合室23的喷射器仍然能够正常工作，其引射比不低于带有第二混合室22的引射比；第二止回阀4开始工作时，带有第二混合室22的喷射器仍然能够正常工作，其引射比不低于常规喷射器的引射比。

示例性的，本实施例中提到的常规喷射器的主喷嘴1、混合室、扩压室3的尺寸参数分别与带有两个混合室的蒸汽喷射器的主喷嘴1、第一混合室21、扩压室3完全相同。具体尺寸参数，主喷渐缩段11入口直径为12mm，长度为10mm；主喷喉道12直径为3.7mm，长度为6mm；主喷渐扩段13出口直径为10mm，长度为25mm；第一渐缩段212入口直径为23mm，长度为63mm；第一喉道213直径为15.8mm，长度为15mm；第二渐缩段222入口直径为30mm，长度为40mm；第二喉道223直径为20mm，长度为15mm；第三渐缩段232入口直径为27mm，长度为30mm；第三喉道233直径为24mm，长度为30mm；扩压室3的长度为116mm，扩压室3的扩张角为3.5°。

本实施例为了分析与对比是否添加混合通道对喷射器性能的影响，对带有两个混合通道的喷射器进行了数值模拟分析。喷射器的工作条件：引射流体压力设置为15kPa，主流体压力设置为550kPa，温度设置为压力对应的饱和温度。

参阅图6，图6显示了常规喷射器、带有两个混合室的蒸汽喷射器与带有三个混合室的蒸汽喷射器的引射比随压缩比β的变化曲线图，带有三个混合室的蒸汽喷射器的临界压缩比为1.6，最佳引射比达到1.164。在双临界条件下，相比常规喷射器，带有三个混合室的蒸汽喷射器的引射比提高了170.7％；相比带有两个混合室的蒸汽喷射器，带有两个混合室的蒸汽喷射器的引射比提高了59.67％。当第三引射流体出现反流时，止回阀4开始起作用，这时即使压缩比高于2.4，带有三个个引射通道的喷射器仍然能够正常工作，其引射比不低于常规喷射器的最佳引射比。

参阅图7，图7为带有两个混合室蒸汽喷射器和带有三个混合室蒸汽喷射器中心线上的压力分布曲线对比图。它们的工作条件：引射压力为15kPa，主流体压力设置为550kPa，压缩比为1.6。两种蒸汽喷射器的中心线上前端(x＝41mm-174mm)的压力场没有任何区别，增设第三引射通道231对前两个引射通道的流体质量流量没有影响。带有第二引射通道221蒸汽喷射器从扩压室3入口开始压力不断下降，此处存在一个低压区(图7中方框所示)，在前方18mm处(x＝192mm)压力最小，随后压力急剧增大，压力出现较大的波动，压力梯度较大。在此低压区位置增设第三混合室23后，此处的压力明显上升，这是因为一定量的引射流体被吸入该区域，因此增加了卷吸流体的质量流量，改善了喷射器的卷吸性能。吸入的新的引射流体使原低压区的压力增大，同时降低了后续流体剧烈的压力波动，使得气流更加平稳，随后使气流较小波动甚至无波动地升高至出口背压。

因此，混合室的数量不限于三个，在喷射器的实际应用中，可根据压缩比波动的范围，选择增设适当的混合室数量，每增设一个混合室，喷射器的引射比都会进一步提高，因此，在压缩比允许的范围内，尽可能多的增设喷射器的引射通道数量。

本申请是在常规喷射器的喉部与扩压室之间加装多个混合室，主流体的质量流量没有变化，然而利用喷射器喉部出口处的低压区和引射通道入口处较大的压力差，从加装的引射通道中吸入更多的引射流体，增加了喷射器的引射比，从而大大提高了其引射性能。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。