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《水處理技術(shù)雜志》2015年第十二期

摘要：

噴射器是船用海水淡化裝置的關(guān)鍵部件，需要實(shí)現(xiàn)空氣與海水共引。采用可拓學(xué)菱形思維方法對(duì)噴射器方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)“一征多值”進(jìn)行方案的發(fā)散，建立了4種供選擇的噴射器方案，利用優(yōu)度評(píng)價(jià)對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)選，得到了兩級(jí)并列液氣共引的噴射器結(jié)構(gòu)方案。對(duì)噴射器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了計(jì)算分析，當(dāng)工作流體流速為2m/s時(shí)，噴射器入口直徑為40mm，濃海水引管的管徑為32mm，蒸汽引管的管徑為27mm。最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示液氣的引射壓力滿足工作要求。

關(guān)鍵詞：

噴射器；液氣共引；可拓學(xué)；菱形思維方法；優(yōu)度評(píng)價(jià)

船舶在海上作業(yè)和遠(yuǎn)洋航行需要大量淡水來(lái)維持正常的生活。為了解決船上用水困難，需要考慮海水淡化問題。蒸餾法是一種高效的海水淡化方法，而低溫單效/多效蒸發(fā)技術(shù)又是蒸餾法的一種，可以利用較低溫度的熱源來(lái)對(duì)海水進(jìn)行蒸發(fā)，例如船舶發(fā)電機(jī)的冷卻水，是深受關(guān)注的節(jié)能高效的海水淡化技術(shù)[1-2]。其中關(guān)鍵部件—噴射器對(duì)保持基于低溫單效/多效蒸發(fā)技術(shù)的淡化主機(jī)內(nèi)較高真空度具有重要意義，這樣才能降低密封容器內(nèi)海水的沸點(diǎn)，利用較低溫度的熱水來(lái)蒸發(fā)海水，達(dá)到節(jié)能高效淡化海水目標(biāo)。噴射器最早的研究始于19世紀(jì)60年代，德國(guó)科學(xué)家Zeuner根據(jù)動(dòng)量守恒定律建立了最早的噴射器的設(shè)計(jì)理論，隨后很多學(xué)者進(jìn)行了研究。Lustwork研究了帶有擴(kuò)壓室的噴射器，同時(shí)對(duì)噴射器的研究進(jìn)行了假設(shè)和簡(jiǎn)化。Keenan等人首次提出了等截面區(qū)的等面積混合模型和等壓混合理論模型。Riffat等對(duì)噴射冷卻裝置進(jìn)行創(chuàng)新研究[3]。我國(guó)的童永春、陸宏折等人通過液體噴射器的研究，對(duì)于噴射器內(nèi)部流場(chǎng)的不均勻性進(jìn)行了修正，得到了液體噴射器的一般設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法。浙江大學(xué)的韓慧琳對(duì)索科洛夫的計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，修正了速度修正系數(shù)，將噴射器結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響考慮了進(jìn)去，改善了噴射器的設(shè)計(jì)方法。江帆等對(duì)射流曝氣器內(nèi)部?jī)上嗔鲃?dòng)進(jìn)行數(shù)值分析[4]。隨著海水淡化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，海水淡化系統(tǒng)的噴射器面臨著新問題，即需要同時(shí)引射蒸汽和濃海水，以便能極大地維持淡化主機(jī)內(nèi)高真空度，因此噴射器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。噴射器創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法很多，本文采用我國(guó)原創(chuàng)的創(chuàng)新方法—可拓學(xué)拓展噴射器結(jié)構(gòu)方案，并優(yōu)選出較優(yōu)的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將為噴射器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供參考。

1基于可拓學(xué)的船用海水淡化用噴射器的方案設(shè)計(jì)

1.1兩相噴射器結(jié)構(gòu)原理由圖1可知，根據(jù)功能要求，船用海水淡化用噴射器需要2個(gè)引入口，其中一個(gè)抽走主機(jī)內(nèi)空氣，形成真空以降低海水沸點(diǎn)，另外一個(gè)抽取主機(jī)內(nèi)多余的濃海水。抽取空氣的引入口要實(shí)現(xiàn)7kPa的真空條件。

1.2基于菱形思維方法的噴射器方案設(shè)計(jì)流程可拓學(xué)的菱形思維方法能夠有效地協(xié)助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行思維的擴(kuò)散與收斂[5-6]，這里用來(lái)對(duì)噴射器的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行發(fā)散思維。基于菱形思維方法的雙級(jí)兩相噴射器設(shè)計(jì)思路為：先建立噴射器物元，而后根據(jù)物元的可拓性，對(duì)物元進(jìn)行發(fā)散得到新的物元，即新的結(jié)構(gòu)方案，然后利用合適的評(píng)價(jià)方法對(duì)其進(jìn)行篩選，從而收斂成目標(biāo)物元，即得到最終的設(shè)計(jì)方案。

1.3噴射器物元構(gòu)建及其發(fā)散物元模型是可拓菱形思維的基本工具。物元是用來(lái)描述事物的基本元素，由3個(gè)變量組成，可以表示為R=(N,c,v)。其中N代表事物的名稱，c代表事物特征的名稱，v=c(N)表示事物N關(guān)于特征c所取的量值。船用海水淡化用噴射器的結(jié)構(gòu)特征有：引射入口、結(jié)構(gòu)形式、安裝性、引射效果等。引射入口必須是2個(gè)；結(jié)構(gòu)形式可分2種：?jiǎn)螄娮旌投鄧娮欤蚍Q為單級(jí)和兩級(jí)；安裝性要考慮到安裝空間的狹小問題，及其連接件復(fù)雜的程度，總體結(jié)構(gòu)有也有一定的要求；同時(shí)引射效果需達(dá)到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)這些噴射器的特征及其量值，這樣將噴射器用物元模型表示，如式（1）所示。

1.4噴射器方案的優(yōu)度評(píng)價(jià)發(fā)散后的方案需要利用可拓優(yōu)度評(píng)價(jià)方法對(duì)噴射器物元R1,R2,R3,R4R進(jìn)行收斂。這里采用物元的引射效果c1、安裝簡(jiǎn)便性c2及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性c3作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。1）確定權(quán)重首先利用層次分析法（AHP）確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)目標(biāo)方案的影響，建立目標(biāo)方案的判斷矩陣如式（3）所示。其中，引射效果、安裝簡(jiǎn)便性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性分別用c1、c2、c3代替。判斷矩陣中的值是通過調(diào)查問卷得到的，調(diào)查的對(duì)象主要是在校機(jī)械專業(yè)教師。比較4個(gè)方案，從引射效果的角度來(lái)看，方案一的2個(gè)引射入口是由一個(gè)分開來(lái)的，在操作上存在一些問題，可能導(dǎo)致只抽濃海水或者只抽氣體，如果通過加閥門來(lái)控制的話又會(huì)增加其復(fù)雜程度。方案二的2個(gè)引射入口分布在兩側(cè)，形成均等的抽吸能力，對(duì)氣液的抽吸能力均較強(qiáng)。對(duì)于方案三，由于引射入口的位置關(guān)系，肯定會(huì)導(dǎo)致2個(gè)引射入口的引射能力不一樣，要使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求，存在一定的困難。方案四2個(gè)引射入口的抽吸能力與相應(yīng)的截面比有關(guān)，因而對(duì)氣液的引射效果控制性較好。4種方案的引射效果數(shù)值模擬如圖3所示。從安裝方便性來(lái)看，噴射器被安裝在淡化主機(jī)底座的狹小空間內(nèi)，而氣體引射管道和濃海水引射管道都是從上面接下來(lái)的，所以在安裝方面，方案二處于劣勢(shì)。其他方案的引射入口都是朝上，拆裝都相對(duì)方便一些。

2噴射器關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)

本噴射器進(jìn)口工作流體流量為12.2m3/h，可以抽取的氣體量為VH=2.44m3/h，抽氣壓力pH1=7kPa。根據(jù)水-空氣噴射器在不同容積生產(chǎn)率下的特性曲線[3]可知，要想達(dá)到預(yù)期的壓力，噴嘴出口流速vp要達(dá)到15m/s。根據(jù)公式V=fp×vp，得到噴嘴面積fp1=226mm2，進(jìn)而計(jì)算出噴嘴直徑dp1=16.9mm，這里取一級(jí)噴嘴直徑為17mm。根據(jù)海水淡化裝置的數(shù)學(xué)模型分析得到噴射器的工作流體的質(zhì)量流量為12.6m3/h，濃海水流量為1.22m3/h。通過采用公式（6）來(lái)確定噴射器工作入口直徑以及濃海水的入口直徑。式中，d為管道直徑，w是管內(nèi)流體的質(zhì)量流量，v是管內(nèi)介質(zhì)的平均流速，ρ為管內(nèi)流體在工作條件下的密度。根據(jù)給定的壓力條件設(shè)定海水管道內(nèi)的流速為0.5m/s，工作流體流速為2m/s。通過計(jì)算得到的結(jié)果，噴射器入口直徑為40mm，濃海水引管的內(nèi)徑32mm。飽和蒸汽的常用流速為15～30m/s，取氣體引射流速為15m/s，計(jì)算得到的蒸汽引管的管徑為33mm。

實(shí)際上噴射器在工作過程中，氣體引射入口的壓力發(fā)生了變化，氣體的流速會(huì)下降的很快，但為了縮短噴射器的引射時(shí)間，采用較小的管徑還是比較好的，及綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)管道的內(nèi)徑參數(shù)，決定將氣體引射入口內(nèi)徑設(shè)定為27mm。噴嘴喉長(zhǎng)不能小于噴嘴的直徑，所以取一級(jí)噴嘴喉長(zhǎng)L1=25mm。噴嘴入口段長(zhǎng)L2=6～8dp1，取L2=120mm。接收室的直徑d2=90mm。兩級(jí)接收室用法蘭連接，且直徑相同。二級(jí)噴嘴作為單獨(dú)零部件被固定在法蘭之間，由于安裝需要，將二級(jí)噴嘴部件設(shè)計(jì)為直徑50mm的圓管，然后收縮為噴嘴直徑。收縮抽水管道采用DN32管連接，二級(jí)接收室長(zhǎng)度為180mm，擴(kuò)壓管的角度選擇2°，長(zhǎng)度取280mm，所以出口直徑取58mm。部件部分尺寸如圖4所示。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，制作了噴射器實(shí)物，搭建如圖5所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括儲(chǔ)水箱、閥門、泵、過濾器、冷卻塔、流量計(jì)、壓力表等。實(shí)驗(yàn)測(cè)得空氣引射口的壓力為20kPa，水引射口的壓力為25kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

1）采用可拓學(xué)的菱形思維方法對(duì)船用海水淡化裝置的噴射器進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，即利用一征多值方法發(fā)散出4種待選的噴射器結(jié)構(gòu)方案，而后用優(yōu)度評(píng)價(jià)方法優(yōu)選，得到了較優(yōu)的兩級(jí)液氣共引的噴射器結(jié)構(gòu)方案。2）在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了計(jì)算，當(dāng)工作流體流速為2m/s時(shí)，噴射器入口直徑為40mm，濃海水引管的管徑為32mm，蒸汽引管的管徑為27mm，一級(jí)噴嘴喉長(zhǎng)25mm。噴嘴入口段長(zhǎng)120mm，接收室的直徑90mm，二級(jí)噴嘴外部直徑50mm，二級(jí)接收室長(zhǎng)度為180mm，擴(kuò)壓管長(zhǎng)度為280mm，出口直徑為58mm。最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)設(shè)計(jì)結(jié)果能夠滿足船用海水淡化裝置用噴射器功能要求。

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作者：江帆 凌程祥 單位：廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院