氣液活塞式脈沖液體射流泵裝置效率分析

氣液活塞式脈沖液體射流泵裝置效率分析

1脈沖液體射流泵系統氣液活動式脈沖液體射流泵主要用于核電站后處理廠的輸送液。它由動力源、脈沖發(fā)生裝置(由脈沖壓力發(fā)生器7、氣液活塞筒8及管路系統組成)和脈沖液體射流泵裝置(由供液箱6、脈沖液體射流泵5及其管道系統等組成)三大部分組成,如圖1所示。其裝置效率可由下式定義η=η1η2η3(1)η=η1η2η3(1)式中的η1為脈沖發(fā)生裝置效率,其計算公式見文獻;η3為動力源的效率,動力源常為空氣壓縮機,其效率由廠家或樣本提供;η2為脈沖液體射流泵的裝置效率,它是本文研究的主要內容。2設備操作原理氣液活塞式脈沖液體射流泵裝置工作原理分壓液和排氣與反吸兩個工作過程。2.1有壓液體噴射系統打開脈沖壓力發(fā)生器中的壓縮空氣閥,壓縮氣體經氣體管道,直接作用于氣液活塞筒內的液體之上,形成有壓液體,該液體經液體管道通過脈沖液體射流泵噴嘴射出,并從供液箱內吸入部分液體,兩者在喉管內混合后,通過排液管輸送到下一級液料箱。2.2氣液活塞式脈沖液體射流泵當氣液活塞筒內的液體壓縮到設計標準時,關閉壓縮空氣閥,打開抽氣閥和通氣閥,氣液活塞筒內的壓縮空氣瞬間排出,筒內壓力降低,同時真空噴射器抽吸活塞筒內的氣體,使壓力降低到供液箱和排液管中部分液體能被反吸到氣液活塞筒內,當筒內的反吸液體上升到設計值時,關閉通氣閥和抽氣閥,打開壓縮空氣閥,再將筒內液體壓縮到設計標準,如此反復循環(huán)。由此可見,裝置的工作過程就如同“活塞泵”工作過程,筒內的液體隨著“活塞”不斷的壓出和反吸,形成了脈沖液體,而形成脈沖過程的動力為脈沖壓縮氣體,故此稱為氣液活塞式脈沖液體射流泵裝置。由裝置工作原理可知,在壓液過程中,脈沖液體射流泵處于泵的工作運行狀況,而在排氣與反吸過程中,脈沖液體射流泵并非泵的工作運行狀況。脈沖壓力發(fā)生器的型式不同,壓液過程用的時間(壓液時間)和反吸過程用的時間(反吸時間)不同,它將影響脈沖液體射流泵的裝置效率。3脈沖液體流泵的設備效率3.1管路系統效率脈沖液體射流泵的效率是射流泵輸出的有效功與輸入功的比值。由脈沖液體射流泵裝置組成可知,其裝置效率為脈沖液體射流泵的效率與管路系統效率的乘積,即η2=ηjpηps(2)η2=ηjpηps(2)式中的ηps為管路系統效率,它是管路系統的水力損失和液體射流泵的總揚程的函數;下面著重研究脈沖液體射流泵效率ηjp的計算公式。3.2供液箱的液位由氣液活塞式脈沖液體射流泵裝置工作原理可知,在壓液過程中,通過脈沖液體射流泵噴嘴的工作流量,在進入喉管的同時,要卷吸供液箱中一部分液體進入喉管混合均勻后,一起經出液管輸送到下一級儲液罐。在反吸過程中,經噴嘴反吸到氣液活塞筒內的液體有兩部分,一是供液箱中的液體在反吸壓力作用下供給氣液活塞筒的液體(主要部分),二是出液管倒泄供給氣液活塞筒的液體(比例很小),倒泄液體的多少取決于供液箱的液位。由此可見,脈沖液體射流泵的輸出有效功Ne為Νe=(Qop+Qsp)tpΔpcpρog-qw?Δpcpρog(3)Ne=(Qop+Qsp)tpΔpcpρog?qw?Δpcpρog(3)輸入功N為Ν=QoptpΔpopρog+QostsΔposρog(4)N=QoptpΔpopρog+QostsΔposρog(4)由于Qop+Qsp=(1+q)Qop(5)?=Qoptp(6)Qoptp=Qosts(7)將式(5),(6)和式(7)分別代入式(3)和式(4),經整理得到脈沖液體射流泵效率計算公式ηjp=[(1+q)-qw]h1+Κps(8)ηjp=[(1+q)?qw]h1+Kps(8)其中q=QspQop(9)h=ΔpcpΔpop(10)Κps=ΔposΔpop(11)q=QspQop(9)h=ΔpcpΔpop(10)Kps=ΔposΔpop(11)式(9)～式(11)中液體運動參數均是脈沖頻率ω和時間t的函數,因此,脈沖液體射流泵效率計算式(8)也是脈沖頻率ω和時間t的函數。由于脈沖液體射流泵基本方程h=f(q,ω,m,t,ˉρs)h=f(q,ω,m,t,ρsˉˉˉ)中的某些參數,目前尚無法確定,所以下面研究脈沖液體射流泵時均效率的計算方法。3.3脈沖液體射流泵kps的數值方程脈沖液體射流泵時均基本性能的簡化經驗公式為h(ω)=(φ21+ωA)h0q0[q0-q(ω)](12)q(ω)=ˉq+ωˉq(ω)(13)h(ω)=(φ21+ωA)h0q0[q0?q(ω)](12)q(ω)=qˉ+ωq(ω)ˉˉˉˉˉˉ(13)式中的h0和q0由下式計算q0=(5m-0.9445)0.5-1.75h0=2.667-0.00253(m+26.07)2}(m=1.5～3.0?ˉρs=1)(14)q0=(5m-0.94)0.5-1.7h0=1.45m-0.892}(m=3～25?ˉρs=1)(15)式(12)中的A為一個與射流泵面積比和脈沖頻率等有關的數值。式(11)反映了脈沖液體射流泵在反吸和壓液兩個不同工作過程中,作用于噴嘴的反吸工作壓力與壓液工作壓力的比值。在不計管路水頭損失和慣性水頭時,由下面的式子給出Kps的時均值計算公式Κps=Ζoρog-ExsExp-Ζoρog(16)Exj=pxj+Ζxjρog+u2xj2ρ0(17)pxj=pxjo+1tjω?∞∑n=1pxjn(x)n[sin(nωtj+αpjn)-sinαpjn](18)uxj=uxjo+1tjω?∞∑n=1uxjn(x)n[sin(nωtj+αujn)-sinαujn](19)Ζxj=tjuxjo-1tjω2?∞∑n=1uxjn(x)n2[cos(nωtj+αujn)-cosαujn]-1ω∞∑n=1uxjn(x)nsinαujn(20)上述式中的下標j為s時表示反吸工作過程中的運動參數,下標j為p時表示壓液過程中的運動參數,而式(20)中的時間tj為一個確定的已知數。由式(12)～(20)可以看出,脈沖液體射流泵時均值基本性能h和q及工作壓力比值Kps僅是脈沖頻率ω的函數。將式(12)和式(13)代入式(8)后,得到脈沖液體射流泵效率理論時均的計算表達式。η2=h0(φ21+ωA)[1+ˉq+ωˉq(ω)-qw]?[q0-ˉq-ωˉq(ω)]/[q0(1+Κps)](21)如果將脈沖液體射流泵處于恒定流狀況工作時,即脈沖頻率ω=0,此時qω=0,Kps=0,式(21)就與陸宏圻教授推導的第Ia裝置的恒定流液體射流泵效率計算公式完全相同ηjp=(1+q)h(22)式(22)中的h和q為恒定流液體射流泵的基本性能,其計算式為h=φ21h0q0(q0-q)(23)h0和q0的計算公式同式(14)和(15)。4試驗和結論4.1脈沖液體射流泵系統正常運行試驗是在武漢水利電力大學噴射技術試驗室進行,試驗裝置如圖1所示。試驗開始前,首先向循環(huán)水箱和供液箱充水達到設計要求,然后根據試驗設計要求的脈沖頻率,打開脈沖頻率控制儀,脈沖壓力發(fā)生器按設計頻率開始工作。此時氣液活塞式脈沖液體射流泵裝置按設計要求進入工作運行狀態(tài)。當工作運行狀態(tài)穩(wěn)定以后,試驗數據采集系統采集一定時間段的試驗數據,經計算機進行數據處理,給出試驗結果。4.2脈沖液體射流泵的性能試驗在兩種脈沖壓力發(fā)生器(單噴射器和雙噴射器)和不同脈沖頻率作用下,分別對不同面積比的脈沖液體射流泵基本性能和裝置效率進行試驗。根據試驗結果,經整理得到圖2和圖3所示的不同脈沖頻率下兩種面積比(m1>m2)的脈沖液體射流泵時均效率試驗數據。圖中按式(21)繪制了不同脈沖頻率下的脈沖液體射流泵的時均值理論效率曲線,同時也按式(22)將恒定流的液體射流泵理論效率曲線繪于圖2和圖3中(粗實線)。從圖2和圖3可得如下分析結果:(1)時均效率試驗點與時均效率理論曲線基本吻合,這說明本文導出的脈沖液體射流泵時均效率理論計算公式基本正確。(2)在相同面積比的液體射流泵裝置上,采用脈沖射流比恒定射流的效率有較大的提高,這與文獻所做的試驗結果基本相同。(3)脈沖壓力發(fā)生器為單噴射器作用時,兩種脈沖頻率的液體射流泵的效率曲線重合,而在雙噴射器作用下的兩種脈沖頻率的效率曲線不重合。這是由于在單噴射器作用的兩種脈沖頻率下形成的壓液時間很短,致使液體射流泵的引射效應接近,也就是其卷吸的流量基本相同;但在雙噴射器下作用的兩種脈沖頻率形成的壓液時間比較長,各自的引射效應不同。因此就造成了單噴射器作用時的效率曲線重合,而在雙噴射器時效率曲線不重合。(4)無論在單噴射器還是在雙噴射器作用下,面積比大的液體射流泵(圖2)高效區(qū)間的流量比范圍基本相同,而且單噴射器作用下的效率隨著流量比的增加始終高于雙噴射器作用下的效率。這是由于單噴射器作用下的脈沖液體射流泵的基本性能高于雙噴射器下的基本性能所引起的。面積比小的液體射流泵(圖3)在單噴射器作用下其脈沖基本性能曲線的斜率比雙噴射器作用下的基本性能曲線的斜率陡,因而引起單噴射器作用下的高效區(qū)間的流量比范圍小于雙噴射器作用下高效區(qū)間的流量比范圍,因此,單噴射器作用下的效率隨流量比的增加不會始終大于雙噴射器作用下的效率。由此可見,對面積比小的脈沖液體射流泵,脈沖壓力發(fā)生器在采用雙噴射器時,只有加大其流量比,才能使脈沖液體射流泵的效率達到最高。5脈沖液體射流泵的基本方程本文導出的脈沖液體射流泵裝置效率理論方程的時均解與時均試驗結果基本吻合,同時也與國外文獻所做的脈沖射流能較大的提高其卷吸率(效率)的試驗結果基本一致。但由于有限脈沖射流的流動機理目前尚不清楚,脈沖液體射流泵基本方程中的某些參數還不能確定,所以,本文未能得到脈沖液體射流泵效率方程的理論解。由文獻可知,不同的射流泵裝置將具有不同的液體射流泵效率方程。由此可見,本文導出的效率方程是特定裝置下的方程,無疑是不全面和不完善的。因此,今后隨著脈沖射流研究的不斷深入和脈沖液體射流泵基本方程的不斷完善,不同裝置下的脈沖液體射流泵裝置效率理論方程及其數值解將逐步得到解決,使脈沖射流這一新技術在核動力工程、航空航天工程、化工與環(huán)境工程和水利水電等實際工程中發(fā)揮更大作用。s—符號說明Qop——壓液過程中,通過噴嘴的流量Qsp——壓液過程中的被吸流量Qos——反吸過程中,通過噴嘴的流量tp——壓液時間ts——反吸時間Δpcp——壓液過程中,射流泵出口c斷面與吸入s斷面液體總壓差Δpop——壓液過程中,射流泵進口o斷面與吸入s斷面液體總壓差Δpos——反吸過程中,射流泵吸入s斷面與進口o斷面液體總壓差qw——反吸過程中,出液管倒泄液體的體積與?的比值?——氣液活塞筒的平均液體容積q——射流泵的流量比h——射流泵的壓力比φ——噴嘴流速系數ω——脈沖頻率ˉq——平均流量比ˉq(ω)——與ω有關的流量比m——射流泵的面積比ˉρs——密度比,ˉρs=ρsρoρs——吸入液體的密