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《水處理技術雜志》2015年第十二期

摘要：

噴射器是船用海水淡化裝置的關鍵部件，需要實現空氣與海水共引。采用可拓學菱形思維方法對噴射器方案進行設計，根據“一征多值”進行方案的發散，建立了4種供選擇的噴射器方案，利用優度評價對方案進行優選，得到了兩級并列液氣共引的噴射器結構方案。對噴射器的關鍵結構尺寸進行了計算分析，當工作流體流速為2m/s時，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。最后進行了實驗驗證，實驗結果顯示液氣的引射壓力滿足工作要求。

關鍵詞：

噴射器；液氣共引；可拓學；菱形思維方法；優度評價

船舶在海上作業和遠洋航行需要大量淡水來維持正常的生活。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/多效蒸發技術又是蒸餾法的一種，可以利用較低溫度的熱源來對海水進行蒸發，例如船舶發電機的冷卻水，是深受關注的節能高效的海水淡化技術[1-2]。其中關鍵部件—噴射器對保持基于低溫單效/多效蒸發技術的淡化主機內較高真空度具有重要意義，這樣才能降低密封容器內海水的沸點，利用較低溫度的熱水來蒸發海水，達到節能高效淡化海水目標。噴射器最早的研究始于19世紀60年代，德國科學家Zeuner根據動量守恒定律建立了最早的噴射器的設計理論，隨后很多學者進行了研究。Lustwork研究了帶有擴壓室的噴射器，同時對噴射器的研究進行了假設和簡化。Keenan等人首次提出了等截面區的等面積混合模型和等壓混合理論模型。Riffat等對噴射冷卻裝置進行創新研究[3]。我國的童永春、陸宏折等人通過液體噴射器的研究，對于噴射器內部流場的不均勻性進行了修正，得到了液體噴射器的一般設計設計方法。浙江大學的韓慧琳對索科洛夫的計算方法進行了改進，修正了速度修正系數，將噴射器結構對其性能的影響考慮了進去，改善了噴射器的設計方法。江帆等對射流曝氣器內部兩相流動進行數值分析[4]。隨著海水淡化產業的發展，海水淡化系統的噴射器面臨著新問題，即需要同時引射蒸汽和濃海水，以便能極大地維持淡化主機內高真空度，因此噴射器的創新設計勢在必行。噴射器創新設計方法很多，本文采用我國原創的創新方法—可拓學拓展噴射器結構方案，并優選出較優的方案進行實驗驗證，將為噴射器結構方案設計提供參考。

1基于可拓學的船用海水淡化用噴射器的方案設計

1.1兩相噴射器結構原理由圖1可知，根據功能要求，船用海水淡化用噴射器需要2個引入口，其中一個抽走主機內空氣，形成真空以降低海水沸點，另外一個抽取主機內多余的濃海水。抽取空氣的引入口要實現7kPa的真空條件。

1.2基于菱形思維方法的噴射器方案設計流程可拓學的菱形思維方法能夠有效地協助設計人員進行思維的擴散與收斂[5-6]，這里用來對噴射器的結構方案進行發散思維?；诹庑嗡季S方法的雙級兩相噴射器設計思路為：先建立噴射器物元，而后根據物元的可拓性，對物元進行發散得到新的物元，即新的結構方案，然后利用合適的評價方法對其進行篩選，從而收斂成目標物元，即得到最終的設計方案。

1.3噴射器物元構建及其發散物元模型是可拓菱形思維的基本工具。物元是用來描述事物的基本元素，由3個變量組成，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關于特征c所取的量值。船用海水淡化用噴射器的結構特征有：引射入口、結構形式、安裝性、引射效果等。引射入口必須是2個；結構形式可分2種：單噴嘴和多噴嘴，或稱為單級和兩級；安裝性要考慮到安裝空間的狹小問題，及其連接件復雜的程度，總體結構有也有一定的要求；同時引射效果需達到設計要求。根據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噴射器方案的優度評價發散后的方案需要利用可拓優度評價方法對噴射器物元R1,R2,R3,R4R進行收斂。這里采用物元的引射效果c1、安裝簡便性c2及結構復雜性c3作為評價指標。1）確定權重首先利用層次分析法（AHP）確定各評價指標的權重。根據評價指標對目標方案的影響，建立目標方案的判斷矩陣如式（3）所示。其中，引射效果、安裝簡便性、結構復雜性分別用c1、c2、c3代替。判斷矩陣中的值是通過調查問卷得到的，調查的對象主要是在校機械專業教師。比較4個方案，從引射效果的角度來看，方案一的2個引射入口是由一個分開來的，在操作上存在一些問題，可能導致只抽濃海水或者只抽氣體，如果通過加閥門來控制的話又會增加其復雜程度。方案二的2個引射入口分布在兩側，形成均等的抽吸能力，對氣液的抽吸能力均較強。對于方案三，由于引射入口的位置關系，肯定會導致2個引射入口的引射能力不一樣，要使其達到設計要求，存在一定的困難。方案四2個引射入口的抽吸能力與相應的截面比有關，因而對氣液的引射效果控制性較好。4種方案的引射效果數值模擬如圖3所示。從安裝方便性來看，噴射器被安裝在淡化主機底座的狹小空間內，而氣體引射管道和濃海水引射管道都是從上面接下來的，所以在安裝方面，方案二處于劣勢。其他方案的引射入口都是朝上，拆裝都相對方便一些。

2噴射器關鍵尺寸設計

本噴射器進口工作流體流量為12.2m3/h，可以抽取的氣體量為VH=2.44m3/h，抽氣壓力pH1=7kPa。根據水-空氣噴射器在不同容積生產率下的特性曲線[3]可知，要想達到預期的壓力，噴嘴出口流速vp要達到15m/s。根據公式V=fp×vp，得到噴嘴面積fp1=226mm2，進而計算出噴嘴直徑dp1=16.9mm，這里取一級噴嘴直徑為17mm。根據海水淡化裝置的數學模型分析得到噴射器的工作流體的質量流量為12.6m3/h，濃海水流量為1.22m3/h。通過采用公式（6）來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是管內流體的質量流量，v是管內介質的平均流速，ρ為管內流體在工作條件下的密度。根據給定的壓力條件設定海水管道內的流速為0.5m/s，工作流體流速為2m/s。通過計算得到的結果，噴射器入口直徑為40mm，濃海水引管的內徑32mm。飽和蒸汽的常用流速為15～30m/s，取氣體引射流速為15m/s，計算得到的蒸汽引管的管徑為33mm。

實際上噴射器在工作過程中，氣體引射入口的壓力發生了變化，氣體的流速會下降的很快，但為了縮短噴射器的引射時間，采用較小的管徑還是比較好的，及綜合考慮標準管道的內徑參數，決定將氣體引射入口內徑設定為27mm。噴嘴喉長不能小于噴嘴的直徑，所以取一級噴嘴喉長L1=25mm。噴嘴入口段長L2=6～8dp1，取L2=120mm。接收室的直徑d2=90mm。兩級接收室用法蘭連接，且直徑相同。二級噴嘴作為單獨零部件被固定在法蘭之間，由于安裝需要，將二級噴嘴部件設計為直徑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，二級接收室長度為180mm，擴壓管的角度選擇2°，長度取280mm，所以出口直徑取58mm。部件部分尺寸如圖4所示。

3實驗驗證

根據設計參數，制作了噴射器實物，搭建如圖5所示的實驗系統，包括儲水箱、閥門、泵、過濾器、冷卻塔、流量計、壓力表等。實驗測得空氣引射口的壓力為20kPa，水引射口的壓力為25kPa，滿足設計要求。

4結論

1）采用可拓學的菱形思維方法對船用海水淡化裝置的噴射器進行了方案設計，即利用一征多值方法發散出4種待選的噴射器結構方案，而后用優度評價方法優選，得到了較優的兩級液氣共引的噴射器結構方案。2）在方案設計的基礎上，對關鍵結構尺寸進行了計算，當工作流體流速為2m/s時，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，一級噴嘴喉長25mm。噴嘴入口段長120mm，接收室的直徑90mm，二級噴嘴外部直徑50mm，二級接收室長度為180mm，擴壓管長度為280mm，出口直徑為58mm。最后進行了實驗研究，證實設計結果能夠滿足船用海水淡化裝置用噴射器功能要求。

參考文獻：

[1]夏永強,胡鈺,張磊,等.船用海水淡化裝置[J].機電設備,2014,5:29-32.

[2]凌程祥.船用海水淡化裝置的噴射器設計[D].廣州:廣州大學,2015,6.

[3]SBRiffat,AHolt.Anovelheatpipe/ejectorcooler[J].AppliedThermalEngineering,1998,18(3-4):31-101.

[4]江帆,陳維平,李元元,等.基于射流與兩相流的射流曝氣器研究[J].流體機械,2005,33(6):18-21.

[5]FJiang,JJOu,YJWang,etal.EmitterdesignandnumericalsimulationbasedontheExtenicstheory[J].AdvanceJournalofFoodScienceandTechnology,2014,6(5):568-573.

[6]江帆,楊鵬海.TRIZ理論與可拓學的融合方法研究[J].廣州大學學報,2014,13(6):59-64

作者：江帆 凌程祥 單位：廣州大學機械與電氣工程學院