陈小康
【摘 要】The structural characteristics of the Lawal nozzle and the structure performance of the traditional full convergent nozzle were compared, and the performance of the Lawal nozzle nozzle in the steam ejector heat pump was analyzed. Through the actual prototype test of the Lawal nozzle applied to the steam ejector heat pump, the performance analysis conclusion based on the measured data was obtained, which provided the theoretical and data reference for the optimization of the performance of the traditional steam ejector heat pump.%将拉瓦尔喷管的结构特性与传统全收敛型喷嘴结构性能进行对比,分析了拉瓦尔喷管型喷嘴在蒸汽喷射式热泵中的使用性能.通过对拉瓦尔喷嘴应用于蒸汽喷射式热泵的实际样机进行测试,得出了以实测数据为依据的性能分析结论,为提升传统蒸汽喷射式热泵性能提供了理论及数据参考.
【期刊名称】《化工装备技术》
【年(卷),期】2018(039)002
【总页数】5页(P29-33)
【关键词】蒸汽喷射式热泵;拉瓦尔喷嘴;压缩比;引射系数;抽气性能
智能气功【作 者】陈小康
【作者单位】重庆鸿运和锐科技有限公司
【正文语种】中 文
【中图分类】TL353
目前市场上使用的传统蒸汽喷射式热泵 [1]，其喷嘴形式大都采用传统的全收敛型喷嘴，部分采用拉瓦尔喷嘴 [2]的热泵产品与传统喷嘴一样，存在设计性能较低的问题，深入分析喷嘴结构形式对蒸汽喷射式热泵的性能影响显得十分必要。
1 原理
dcns1.1 拉瓦尔喷嘴特性简介
拉瓦尔喷嘴作为一种典型的变截面喷管结构，在火箭发动机和航空发动机中被广泛使用。根据拉瓦尔喷管的变截面特性，通过合理的几何尺寸设计，可以将入口亚音速气流 （气速w，压力p）在收敛管中加速至喉道临界音速状态 （气速wcr，压力pcr），再通过后段扩张管继续加速至超音速流动状态 （气速wb，压力pb），从而实现对亚音速气流的超音速化状态调节 （拉瓦尔喷管结构及气流状态如图1所示），这也是蒸汽喷射式热泵喷嘴气流状态优化的设计要点。
1.2 拉瓦尔喷嘴的性能优势
（1）从其工作原理可知，拉瓦尔喷嘴独特的结构形式更易将低压的亚音速气流转化为超音速气流，即获得同等程度的超音速气流时，采用拉瓦尔喷嘴所需要的入口蒸汽工作压力更低。传统全收敛型喷嘴由于其结构形式限制，蒸汽在较低的工作压力下，到出口时最多只能达到临界音速状态，要获得更高的出口气速，就必须大大提高喷嘴入口工作蒸汽压力，这也是传统全收敛型喷嘴热泵启动工况要求高的主要原因。
图1 拉瓦尔喷嘴结构及气流状态
分子生物学名词解释
（2）可以通过调节拉瓦尔喷嘴收敛段和扩张段的长度、锥度、直径等结构尺寸，来调节喷嘴的膨胀比，进而调节喷嘴出流的射流状态，从而实现对整台喷射式热泵压缩性能和引射性能的调节。
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2 结构说明
2.1 拉瓦尔喷嘴结构简图
喷嘴形式按拉瓦尔喷管形状设计，入口段为收敛喷管，出口段扩张喷管，如图2所示。图2中d0为喷嘴喉道直径尺寸，d1为喷嘴出口直径尺寸。
图2 拉瓦尔喷嘴结构简图
那年的江水2.2 拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵结构简图
拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵的主要结构包括4部分，即喷嘴 （拉瓦尔喷管型）、进汽室、混合室和扩压室，其结构如图3所示。
图3 拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵结构简图
其中，pp为引射工作蒸汽压力；pt为扩压器喉道压力；ps为被引射低压气压力；pb为喷射热泵出口混合气压力；ts为被引射低压气温度；tb为混合气温度；Gs为被引射低压气量；Gb为喷射射热泵出口总混合气量；μ为引射系数，；β为压缩比α为膨胀比，
3 样机测试流程
样机测试流程如图4所示。
图4 拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵样机测试流程
4 拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵测试性能分析
4.1 不同引射蒸汽工作压力时热泵测试性能对比
pp为399，499kPa时拉瓦尔喷嘴热泵的测试数据可分别见表1，表2。ZP50-20拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵的压缩性能曲线和引射性能曲线可分别见图5，图6。从测试数据可以看出：
（1）采用拉瓦尔喷嘴，能够在较低引射工作蒸汽压力下启动，且能获得较好的压缩性能。
表1 pp=399 kPa时拉瓦尔喷嘴热泵测试数据p s/k P a p b/k P a t b/℃ Δ p/k P a 被引射空气量G s/ （k g·h-1）工作蒸汽量G b/（k g·h-1） 引射系数μ 压缩比β 2 膨胀比α 23.0 74 88.8 51.00 0.0 649.1 0.00 3.2 1.425.0 78 91.0 53.00 10.7 649.1 0.02 3.1 1.428.5 82 92.2 53.50 24.2 649.1 0.04 2.9 1.4
（续表）p s/k P a p b/k P a t b/℃ Δ p/k P a 被引射空气量G s/ （k g·h-1）工作蒸汽量G b/（k g·h-1） 引射系数μ 压缩比 β 2 膨胀比α 40.0 94 96.0 54.00 43.0 649.1 0.07 2.4 1.458.0 106 98.9 48.00 67.0 649.1 0.10 1.8 1.473.0 120 102.0 47.00 100.0 649.1 0.15 1.6 1.482.0 125 103.0 43.00 131.7 649.1 0.20 1.5 1.4注：（1）测试热泵-喷嘴型号为Z P 50-20（d 0=20 m m，d 1=28 m m）；（2）测试工况介质为绝压399 k P a的饱和蒸汽抽吸常温空气
表2 pp=499 kPa时拉瓦尔喷嘴热泵测试数据p s/k P a p b/k P a t b/℃ Δ p/k P a 被引射空气量G s/ （k g·h-1）工作蒸汽量G b/（k g·h-1） 引射系数μ 压缩比 β 2 膨胀比 α 26.5 90 94.5 63.50 0.0 811 0.00 3.4 1.429.0 93 96.8 64.00 10.7 811 0.01 3.2 1.432.0 100 98.2 68.00 24.2 811 0.03 3.1 1.442.0 110 100.8 68.00 43.0 811 0.05 2.6 1.456.0 122 103.5 66.
00 67.0 811 0.08 2.2 1.470.0 132 105.3 62.00 100.0 811 0.12 1.9 1.479.0 139 106.2 60.00 131.7 811 0.16 1.8 1.4注：（1）测试热泵-喷嘴型号为Z P 50-20（d 0=20 m m，d 1=28 m m）；（2）测试工况介质为绝压499 k P a的饱和蒸汽抽吸常温空气
图5 ZP50-20拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵压缩性能曲线
（2）在相同引射气量的前提下，提升拉瓦尔喷嘴的引射工作蒸汽压力，能够较大的提高热泵的压缩比，即压缩性能。圣埃克絮佩里
（3）在相同引射气量的前提下，提升拉瓦尔喷嘴的引射工作蒸汽压力，反而会降低其引射系数，即并非引射工作蒸汽压力越高引射系数越高。
4.2 相同蒸汽工作压力及喷嘴喉道尺寸，不同膨胀比时热泵性能对比
图6 ZP50-20拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵引射性能曲线
不同膨胀比的拉瓦尔喷嘴热泵测试数据如表3所示，ZP50-14拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵引射压缩性能曲线如图7所示。从测试数据可以看出：
（1）采用拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵，其引射系数不能无限增大，存在临界状态，同时随着引射系数的增大，其压缩性能必然降低。
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