引射器：高压气体利用与传能效率问题

1.概述

引射器是利用射流的紊动扩散作用，使不同压力的两股流体相互混合，并引发能量交换的流体机械和混合反应设备。目前在动力、石油、化工、冶金、轻工、纺织、供热、制冷等领域，引射器主要用于使不同压力的两股流体相互混合，并发生能量交换，以形成一股居中压力的混合流体。引射器的主要部件有喷嘴、接收室、混合室、扩散室等（见图3-15）。

图3-15　引射器示意图

例如在化工、冶金等行业，有大量的高压气体被白白浪费掉。如果能回收利用，将大大地节约能源。高炉热风炉系统煤气引射器就是这样一种利用余压的节能装置。钢铁厂生产过程中产生大量的高炉煤气与焦炉煤气。高炉煤气压力高达15 kPa，热值为3344～4180 kJ/m3。高炉煤气一般作为热风炉的燃料，但热风炉只需要8～9 kPa的压力即可，有6 kPa左右的压力白白浪费掉。而焦炉煤气的压力只有3～4 kPa，但热值高达16720～18810 kJ/m3。如果能利用6 kPa左右的压力引射焦炉煤气，将能大大提高发热值。根据计算，如果高炉煤气中混入10％的焦炉煤气，发热值将提高40％。引射器不消耗任何能源，而且不需要维护，是一种非常节能的装置。

引射器里有两股流体：高压流体；低压流体。压力较高的那种介质叫做工作介质，压力较低的那种介质叫做引射流体。工作介质流叫做工作流体。工作流体以很高的速度从喷嘴喷射出来，进入引射器的接收室，把在喷嘴附近的压力较低的引射流体带走。引射器的基本工作过程是，首先高压的工作流体将势能或热能转变为动能，在喷嘴附近形成低压区，使引射流体流向低压区，并与工作流体混合，通过动量交换，工作流体的动能传给引射流体。混合流体进入混合室，在混合室里混合流体的速度渐渐均衡。最后混合流体进入扩散室，混合流体的动能相反地转变为势能或热能，流体的压力逐渐回升，达到工作流体压力与引射流体压力之间的一个值。

进入引射器混合的流体，在工程中有的是气相，有的是液相，有的是气体、液体和固体的混合物。因此，到目前为止对引射器还没有一个统一的分类方法，而且名称不一，如引射器、喷射器、混水器、射流器等。但是人们常以在引射器中相互作用介质的状态来分类，一般可以分为如下三类：

（1）工作和引射介质的集态相同的引射器；

（2）工作和引射介质处于不同的集态，它们在混合过程中集态也不改变的引射器；

（3）介质的集态发生改变的引射器。在这类引射器里，工作和引射流体在混合之前处于不同的相态，混合后变成同一相态，即在混合过程中其中一种流体的相态发生改变。

通常在扩散室出口处，混合流体的压力高于进入接收室时引射流体的压力。但在汽-液引射器中，混合流体的压力因水击效应甚至可以超过工作流体的压力。

气体（蒸汽）喷射压缩器、引射器和喷射泵属于第一类。气力输送喷射器、水-空气引射器和水力输送喷射器属于第二类。汽-水引射器和喷射加热器属于第三类。

引射器的工作情况还取决于相互作用介质的弹性特性。介质的比容随着压力的改变而大大改变的这种特性叫做介质的弹性特性或压缩性。在实际中所用到的喷射器如下：

（1）两种介质（工作介质和引射介质）都是可压缩的；

（2）其中一种介质是可压缩的；

（3）两种介质都是不可压缩的。可压缩介质的同相喷射器的工作，很大程度上取决于引射介质的压缩比，还取决于工作介质的膨胀比。

为了简明起见，我们把压力比pd/ps叫做压缩比，pm/ps叫做膨胀比。根据压缩比和膨胀比的大小，弹性介质的同相喷射器可分为如下类型：

（1）大膨胀比和中等压缩比的喷射器。这类喷射器所能建立的压缩比通常是在2.5≥pd/ps≥1.2的范围内。

（2）大膨胀比和大压缩比喷射器。这类喷射器所能建立的压缩比：pd/ps＞2.5。

（3）大膨胀比和小压缩比喷射器。在这类喷射器中，工作介质的膨胀比是很大的，但压缩比较小：pd/ps＜1.2。

混合流体分为气（蒸汽）相、液相，或者是气体（蒸汽）、液体和固体的混合物。不借助固体机械的压缩而能提高引射流体的压力，这是引射器最主要和最根本的性质。正是由于这种性质，引射器在工程中得到了广泛的应用。引射器结构简单，易于加工且成本较低；工作可靠性好，安装维护方便；本身没有运动部件，密封性好，很适宜输送有毒、易爆、易燃和放射性物质。它除了作为流体输送机械使用外，还可以作为传质和化学混合反应设备。各种有压能源（废水、废气）都可作为它的工作动力直接加以利用，不需增加许多辅助设备，因此它的综合效益很好。引射器的主要缺点是传能效率较低，这是由于两股流体混合时产生较大能量损失。另外，因没有运动部件，引射器在运行中不易于调节。

2.有关引射器的理论研究

喷射装置在工业上的应用已经有上百年的历史。早在2025年，Stephenson就将此用于蒸汽动力的火车上以提高气体的排出量。Thompson在2025年前后利用喷射泵来输送液体水，Bunsen等人用相似的方法创造出真空。2025年，Dencker首次将它用于农业工程中，开辟了气力输送干草等物质的新领域。

19世纪末，G.Zeumen和M.Runkin奠定了喷射器理论的基础，并被广泛地引用在后来的著作中，但这个理论不能完全解决引射器的计算问题，如选择适宜的剖面形状、确定喷射器的纵向尺寸等。1931—2025年期间，别尔曼及其同事们整理了喷射器的计算方法，针对一些足够完善的喷射泵的结构，提出了确定这些喷射泵的轴向尺寸的方法，并推导出在变化工况下喷射泵工作的特性曲线方程式。

1944—2025年期间，苏联中央流体力学研究院和苏联科学院在C.A.赫里斯季阿诺维奇的领导下进一步完善了上述工作。目前较为普遍地被人们所接受的是Keenan等人所创立的定压混合理论，其假设如下：

（1）喷射器内流体的流动是一维流动；

（2）除了经过激波外，流体的流动是无摩擦和等熵的：

（3）工作流体和吸入流体在进入喷射器之前处于静止状态：

（4）喷射器出口的流体同样处于静止状态；

（5）在喷射器内部，两流体混合时保持相同的压力且不变，直到混合过程结束。

可以看出，以上假设有很大的局限性。特别是第三个假设在某些情况下可以带来很大的误差。

在我国现阶段，喷射器主要应用在喷射式制冷系统和供热系统中。天津大学张于峰于2025年对使用喷射器的喷射式制冷系统进行了研究，随后孙洲阳又提出了复合喷射制冷循环的技术。常州市锅炉与压力容器检验所王小林、瞿建国对在供热系统中应用喷射器进行了可行性研究，山东工业大学刘爱萍，南京工业大学徐海涛、桑芝富分别通过计算和数值模拟的方法分析了喷射器在变化工况下的性能。但是，对喷射器本身的研究并不是很多，武汉大学陆宏沂教授多年来对射流泵有较为深入的研究，在他的带领下，陆东宏等开发的新型可调脱碳喷射器已经成功应用于多家化工企业，取得显著的节能效果。辽宁科技大学邢桂菊、李文忠，南京工业大学张少维等人也在试图通过改变喷射器的喷嘴形状来寻求更好的性能。大连理工大学能源研究所在吸取德国喷射式热泵和蒸汽喷射器的研究和应用方面的最新成果基础上，开发了全套喷射式热泵性能分析、结构设计软件，开展了喷射器的一维和多维分析计算和实验研究工作。

随着计算机技术的进步，陆续出现了基于能量守恒定律、质量守恒定律和动量定理的各种算法来分析喷射器内部的流场，如FLUENT、有限元分析等，但目前人们一般还是采用一维均匀流假设下的控制方程进行引射器的计算。

3.有关引射器的试验研究(https://www.daowen.com)

现代大型数字计算机的发展使数字模拟从一维发展到了三维，数字计算在一定程度上取代了试验。但是，就目前而言，因为引射器的机理尚不完全清楚，所有理论的假设还比较苛刻，数字模拟计算在很大程度上还依赖经验常数。

Watanabe进行了一些试验以决定喷嘴位置和扩散器长度的影响，他发现喷嘴在混合室中有一个最佳位置，引射器具有最高的引射系数，扩散器长度的增加能提高扩散器的效率而不利于引射器效率的提高，并指出目前的理论无法预测喷嘴位置对引射器工作性能的影响。Vyas和Kar也对喷嘴的位置作了试验研究，认为不管喷嘴处于什么位置，喷射器里中心速度的衰减规律是相似的。

Hedges和Hill等人进行了较为详细的壁面速度压力分布测量，所得的试验数据用来验证二维分析方法。采用了数个圆锥状喷嘴的试验表明，引射器的工作状况对喷嘴的形状没有什么特别的要求。为了进一步研究混合过程，Bauer提供了大量的纹影图片，可以看到激波的形式，但其试验结果只适用于定常面积的喷射器的研究。

Nahdi等人也观察了面积比对喷射器工作的影响，它们所用的喷射器是固定在用R11作制冷剂的制冷系统中。Watanabe也观察了面积比的影响，得出了最佳值。所有的这些试验结果表明：当工作条件发生改变时，引射器的最优几何参数也改变，因而为了维持引射器的最优，很有必要进行变结构设计。

迄今为止，大多数试验都是测量入口压力和混合压力。Desvaux等人用激光观察了定常面积引射器的流动过程，较好地得到了流动结构图；他们还用滑移法测量沿着引射器中心线的静态压力分布情况，此方法可对激波进行探测，给出激波产生的位置、长度以及受扰面积的长度。该方法是观察引射器里超音速流和激波结构的最有效的方法之一。

为了更好地了解实际应用的引射器的工作特性，完善和发展引射器理论，人们开展了大量的试验研究工作。图3-16所示为黄素逸等人为某钢铁厂所进行的引射器的实验装置。

该实验装置主要包括两台风机、测量段、实验段、调节阀门和测量仪表。

两台风机均为离心风机，高压风机额定全压为16 kPa，额定流量为2400 m3/h，用于模拟现场的高炉煤气。低压风机额定全压为3 kPa，额定流量为5000 m3/h，用于模拟现场的焦炉煤气。在高压风机出口还引出了一根旁管，用来模拟焦炉煤气压力高于3 kPa时的工作状态。

图3-16　引射器的实验装置

1—工作流体参数测试孔；2—引射流体参数测试孔；3—混合流体参数测试孔；4—低压风机；5—高压风机；6—引射流体调节闸阀；7—背压调节闸阀

测量段为实验段前部和后部的直管段，保证足够长的直管段才能使管内流动稳定，测量得到的流体速度值准确可靠。

调节阀门为两个闸阀和一个蝶阀，可以调节实验段进出口流体的压力和流量值，使实验能真实模拟现场工作状态。

实验过程需要测量工作流体、引射流体、混合流体的流量，还要测量各实验段的压力和温度等参数。由于一般的流量计有很大的阻力损失，对流场影响很大，在本实验中采用测量流体流速的方式间接得到流量。测速探针是在标准风洞标定过的靠背管和毕托管，二次仪器是倾斜式微压计。温度测量采用K型热电偶，配标准显示仪表。静压和总压的测量采用U形管。压力通过布置在管壁上的五个静压孔和三个通孔进行测量。测量流体的静压时将静压孔和U形管用橡皮管连接，直接从U形管读出压力值。测量流体速度时，采用靠背管式压力探针和倾斜微压计得到流体的动压，然后换算为流体流速，测量时要保证探针处于流道的正中心，靠背管的某一个斜面正对来流方向且与流动方向垂直。测得管道中心流速后，根据经验公式换算为平均速度，再乘以管道截面积，就得到了流量的值。温度的测量直接用标准热电偶接标准数字式显示仪表，从仪表上直接读出温度值。

引射器结构的关键参数是混合室面积与喷嘴面积比f和喉嘴距h，本实验中采用了面积比为2.31与1.33的两个引射器进行对比实验，观察面积比对引射器性能的影响。

首先用面积比为2.31的引射器（引射器1）做喉嘴距变化对引射器性能影响的实验。引射器结构如下：混合室内径为76 mm，喷嘴直径为50 mm，混合室长度为300 mm。喉嘴距h设计成可调节式，取紊流系数a为自由射流时的0.066，实验中选择喉嘴距h为0 mm、20 mm、40 mm、60 mm，分四种情况进行实验，喉嘴距依次变大。当发现引射系数明显下降时，可以取消更大喉嘴距的实验，说明已经超过了理想喉嘴距。

另一个实验引射器（引射器2）面积比减小为1.33，其他结构与引射器1相同，只将喷嘴直径变为66 mm，喉嘴距h由引射器1确定的紊流系数a计算得到（本实验中其值为8 mm）。主要目的是根据引射器1实验发现的问题，在引射器2的设计中进行改进，观察修正方法是否合理，为真实引射器设计提供依据。

为了使实验台与现场工况相一致，高压风机出口压力为15 kPa，背压由尾部的闸阀调节，引射流体低压时由低压风机提供，做较高压力实验时打开高压风机出口的旁通阀，由高压风机通过支管节流得到需要的压力。

在关闭高压风机出口的旁通管道时，引射器进口压力能够稳定在15 kPa左右，和现场工作状态一致。但是实验过程中旁通管连通后引射器进口的压头变得不稳定，最低时只有13 kPa，说明旁通管的打开对引射器实际工作状态有很大的影响。为了与现场工况尽可能一致，在旁通管打开时采用了保证工作流体全压和混合流体全压差恒定为5 kPa的方法，然后调节引射流体压力，使工作流体和引射流体的压差在10～12 kPa之间（即模拟现场5～3 kPa的压力）。

在面积比为2.31的引射器1的实验中，测量了不同喉嘴距下的引射系数值。在实验过程中，发现喉嘴距为40 mm时引射器的性能已经明显下降，说明40 mm已经大于最佳喉嘴距，所以没有必要再做喉嘴距为60 mm的实验了。在相同工况下（引射器进、出口压差为5 kPa，引射流体和工作流体压差为10.35 kPa），引射系数随喉嘴距的变化如图3-17所示。

从图3-17的曲线变化趋势可以看出，在喉嘴距h=0 mm时引射系数最高，但在一定范围内（实验中为20 mm左右）引射系数变化不大，当喉嘴距大于一定值后引射器工作情况迅速恶化，引射系数急剧下降。

理想情况下喉嘴距h存在一个最佳的值，使得在其他参数不变时，引射器性能在这个喉嘴距下达到最佳。喉嘴距大于或者小于这个值时引射器性能都会下降。喉嘴距小于这个值时引射器性能开始变化，比较平缓，下降不明显。但是当喉嘴距大于这个值时引射器性能下降很快，直到不能引射。图3-18给出了与图3-17相同工况下的气体引射量随喉嘴距变化的关系。

从图3-18可以看出，引射流体的流量在喉嘴距为0 mm时达到最大值。喉嘴距为0～20 mm时，引射系数较高，下降很慢，在这段距离内喉嘴距对引射系数的影响很敏感。综合分析，0～20 mm为最佳的喉嘴距，此时引射器工作性能在最佳范围内。这也与按自由射流理论定性分析的结论相符合，得到此时的紊流系数a为0.19。

图3-17　引射系数和喉嘴距的关系

图3-18　气体引射量和喉嘴距的关系

由于引射器的两股流体在引射混合时其速度存在巨大差异，将产生较大的动能损失，因此一般的引射器效率较低。尤其是在要求的引射系数较大时，效率将大为下降，常常降低到只有百分之几，而且其理论计算值也大大偏离实验的结果。如何提高引射器的效率，尤其是在大引射系数时，这是人们关注的一个重要课题。采用多级吸入的方式就是一种很好的方法，即在一级的扩散管后再加若干级引射器，使前一级的混合出流作为后一级的工作介质再次引射。图3-19即为两级吸入式高效引射器。

图3-19　两级吸入式高效引射器

王时珍在关于高效高引射系数引射器的文章中指出，其所制成之两级气体诱导器在小增压比条件下，效率从普通型诱导器的3％～5％提高到15％～20％，能耗相应降低2/3以上。在两级引射器的设计计算中，显然第二级的结构对第一级的特性有影响，因此必须将两次引射过程联系在一起进行计算。引射器喷嘴、吸气口、混合管末端、扩散管出口等的横截面积对引射器工况有重要的影响。由于流动的复杂性，人们均借助于实验寻找最佳数值组合。此外多级引射器一般以两级为宜，因为实验发现再增加级数有时产生回流，不会带来多少益处。

此外，也可采用多喷嘴射流、脉冲射流、旋转射流等方法来提高引射器的效率。多喷嘴射流可以使工作流体与引射流体在较短的喉管内得到更好的混合，避免回流，减少了喉管的摩阻损失，改善扩散管的入口流速分布，从而减少了扩散损失。脉冲射流兼有紊动扩散作用和活塞作用，脉冲射流在喉管内形成液柱来推动引射流体。旋转射流与多喷嘴射流相似，增大了紊动扩散，使工作流体与引射流体更好地混合。

此外，还可采用可调式引射来满足工况有较大变化时的需要。例如，在供热工程中利用引射器来进行热交换是一种经济和简便的方法。由于供热系统规模的不断扩大，要求引射器本身的混合比也随之变化，使得在引射器前的一次网设计流量变化的情况下，二次网的流量基本保持不变。这时若利用可调式引射器，就可以很好地解决上述问题，调节喷针的位置就可以改变工作流体的流量，从而达到调整混合的目的（见图3-20）。当然对于引射器而言，增加一个调节喷针必然也增加了流动阻力，尤其这是在控制工作流体的喷嘴内。合理和巧妙地设计结构是非常重要的。

图3-20　可调式引射器的原理图

1—引射水入门；2—调节喷针；3—引水室；4—被引射水入门