射流泵的研究與進(jìn)展

1、 射流泵的研究與應(yīng)用發(fā)展 1、射流泵在制冷技術(shù)中的應(yīng)用隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 對能源的需求量日益劇增，目前我國能源消費(fèi)總量已經(jīng)位居世界第一，因此節(jié)約能源已經(jīng)成為制冷暖通空調(diào)行業(yè)研究的重要課題之一。縱觀國內(nèi)外的研究成果，可以看出，制冷節(jié)能的研究主要集中在制冷循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、 壓縮機(jī)技術(shù)的改進(jìn)、 冷凝器和蒸發(fā)器換熱性能的提高、 新型制冷劑的研究，而對節(jié)流環(huán)節(jié)的研究相對較少。 為了減少節(jié)流損失， 國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多改進(jìn)方案的研究， 噴射制冷循環(huán)就是最具研究價(jià)值和應(yīng)用前景的方案之一。因?yàn)樯淞鞅? 又名噴射器、 引射器) 具有結(jié)構(gòu)簡單、 無運(yùn)動(dòng)部件、 成本低廉、 運(yùn)行可靠、 安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)， 適

2、用于包括兩相流在內(nèi)的任何流型， 而且將其應(yīng)用于制冷循環(huán)，既能提高系統(tǒng)性能，又不會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜程度。自十九世紀(jì)六十年代德國學(xué)者 G Zeumen 根據(jù)動(dòng)量守恒定理， 提出了射流泵設(shè)計(jì)的基本理論以來，許多研究者都對此展開了相關(guān)研究 2 射流泵的研究現(xiàn)狀射流泵是依靠一定壓力的工作流體通過噴嘴高速噴出帶走被輸送流體的泵。工作流體Qo從噴嘴高速噴出時(shí)，在喉管入口處因周圍的空氣被射流卷走而形成真空，被輸送的流體QS即被吸入。兩股流體在喉管中混合并進(jìn)行動(dòng)量交換，使被輸送流體的動(dòng)能增加，最后通過擴(kuò)散管將大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能。1852年，英國的D.湯普森首先使用射流泵作為實(shí)驗(yàn)儀器來抽除水和空氣。20世紀(jì)30年

3、代起，射流泵開始迅速發(fā)展。按照工作流體的種類射流泵可以分為液體射流泵和氣體射流泵，其中以水射流泵和蒸汽射流泵最為常用。射流泵主要用于輸送液體、氣體和固體物。它還能與離心泵組成供水用的深井射流泵裝置，由設(shè)置在地面上的離心泵供給沉在井下的射流泵以工作流體來抽吸井水。射流泥漿泵用于河道疏浚、水下開挖和井下排泥。射流泵沒有運(yùn)動(dòng)的工作元件，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，無泄漏，也不需要專門人員看管，因此很適合在水下和危險(xiǎn)的特殊場合使用。此外，它還能利用帶壓的廢水、廢汽（氣）作為工作流體，從而節(jié)約能源。射流泵雖然效率較低，一般不超過30，但新發(fā)展的多股射流泵、多級射流泵和脈沖射流泵等傳遞能量的效率已有所提高。射流泵

4、主要結(jié)構(gòu)如圖 1 所示， 一般由工作噴嘴、 引射室、 混合室、 擴(kuò)散室四部分組成。工作流體經(jīng)過工作噴嘴降壓加速， 在引射室內(nèi)形成低壓區(qū)，使引射流體進(jìn)入引射室，并在工作流體的卷吸作用下進(jìn)入混合室， 兩股流體逐漸混合形成均勻混合流 體， 再 經(jīng) 擴(kuò) 壓 管 減 速 增 壓 到 一 定 的 壓力 4 。因此，噴射器在工業(yè)上的應(yīng)用主要集中在兩個(gè)方面:一是抽吸功能，即在引射流體進(jìn)口產(chǎn)生低壓、 低溫區(qū)域，例如用作真空泵;二是增壓功能，即在擴(kuò)壓室出口制造高壓、 高溫環(huán)境，例如作為噴射增壓器。 2 1 代替制冷循環(huán)中的壓縮機(jī) 蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)利用較低品位能源制冷的原理圖及其相應(yīng)的壓焓圖如圖 2 所示。 射流

5、泵作為噴射制冷系統(tǒng)的核心部件， 在制冷系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。Maurice Leblanc于 1910 年成功研制出了第一臺(tái)蒸汽噴射制冷系統(tǒng)，該制冷系統(tǒng)在二十年代曾被廣泛的應(yīng)用于大型建筑的空調(diào)系統(tǒng)，但隨后被體積緊湊、 效率更高的機(jī)械壓縮式制冷系統(tǒng)取代， 對蒸汽噴射制冷系統(tǒng)的研究和發(fā)展也停滯不前。20 世紀(jì)末期， 隨著低品位余熱( 低溫廢熱) 和可再生能源的合理利用開始得到中外學(xué)者的廣泛重視。在制冷行業(yè)中， 噴射制冷的用能特點(diǎn)正符合這一要求， 因此，中外學(xué)者展開了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究以實(shí)現(xiàn)噴射制冷系統(tǒng)性能的提高。 3 射流泵的 CFD 模擬研究 射流泵結(jié)構(gòu)雖然比較簡單， 但是射流泵內(nèi)部流動(dòng)過

6、程卻比較復(fù)雜，而且試驗(yàn)的實(shí)際投入過大，往往得到的試驗(yàn)結(jié)果也不盡如人意， 故目前多以計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬仿真計(jì)算替代了試驗(yàn)驗(yàn)證， 借助于 CFD 軟件可以得到射流泵內(nèi)部流場的細(xì)節(jié)，并可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)及理論設(shè)計(jì)。這樣一方面節(jié)省了成本，另一方面可以更方便的得到制冷系統(tǒng)更多不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)下的運(yùn)行結(jié)果。從而拓寬了研究參數(shù)的變化范圍， 也使得研究進(jìn)度在之前的基礎(chǔ)上有了極大的提升， 許多學(xué)者對射流泵的研究深度和廣度均發(fā)生質(zhì)的飛躍。當(dāng)工作參數(shù)一定時(shí)， 只有合理優(yōu)化射流泵結(jié)構(gòu)，才能提高噴射系數(shù)。通過對射流泵主要結(jié)構(gòu)(噴嘴、 混合室以及擴(kuò)散室) 進(jìn)行 CFD 模擬， 分析結(jié)果可以得出主要結(jié)構(gòu)對射流泵性能的影響規(guī)律

7、，從而為得到最優(yōu)的射流泵結(jié)構(gòu)提供支持。 3 1 噴嘴結(jié)構(gòu)的影響 (1)噴嘴面積比對射流泵性能的影響 在射流泵中， 最關(guān)鍵的部件是噴嘴。由于噴嘴出口面積與噴嘴喉口面積之比Ae /At 決定噴嘴出口馬赫數(shù)，因此，Ae /At 是噴嘴設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。根據(jù)文獻(xiàn) 14 模擬結(jié)果可知， 在能保證正常工作背壓的同時(shí)，如果噴嘴出口面積減小，可以使得出口流速更高、 壓力更低、 帶動(dòng)低速流體的工作范圍也更大。因此， 噴嘴出口和喉部面積比對于整個(gè)噴嘴的工作性能有很大的影響。不過在設(shè)計(jì)的時(shí)候， 不能僅僅通過改變噴嘴出口和喉部面積比來改善噴嘴性能， 需要整體考慮噴嘴實(shí)際工作情況，確定最佳的噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸。 此外，噴嘴入口與噴

8、嘴喉口的面積比 Ao /At是噴嘴設(shè)計(jì)的另一個(gè)參數(shù)。噴嘴入口面積可以通過噴嘴直段入口的壁厚加以改變， 這樣可以保持射流泵的其它結(jié)構(gòu)完全不變， 保證射流泵性能只受到噴嘴入口面積變化的影響。當(dāng)噴嘴入口速度在某一范圍時(shí)，射流泵的最大噴射系數(shù)保持不變，即 Ao /At 的變化不影響射流泵的最大噴射系數(shù)值。然而，噴嘴入口面積對射流泵性能的影響是不能忽視的，調(diào)整好噴嘴入口流體的速度可以有效地提高射流泵的臨界壓縮比， 可以提高射流泵的出口壓力，降低對出口壓力的要求，這對低溫?zé)嵩吹睦檬欠浅Ｓ幸饬x的。 (2)噴嘴軸向尺寸對射流泵性能的影響噴嘴的軸向尺寸對噴嘴也有較大影響， 其中包括噴嘴收縮段長度 l1， 喉口

9、處直段長度 lt 以及噴嘴擴(kuò)張段的長度 l2。 當(dāng) l1 可在 26dt 的范圍內(nèi)變化時(shí)，相應(yīng)的最大噴射系數(shù)，及臨界壓縮比的波動(dòng)范圍均小于 05% ， 結(jié)果表明， 收縮段長度對射流泵性能的影響很小，因此，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)射流泵在整個(gè)系統(tǒng)中的位置空間大小來調(diào)整。 當(dāng)噴嘴 喉 口 處 直 段 長 度 lt 取 0， 1， 2， 3，4mm 時(shí)， 模擬結(jié)果表明， 噴嘴喉口處直段的存在是必要的，當(dāng)直段長度為 0 時(shí)，射流泵的最大噴射系數(shù)的值是最低值。但在 1 4mm 范圍內(nèi)， 射流 泵的最大噴射系數(shù)值變化不大， 相對變化量 2% 。因此，噴嘴喉口的直段存在是必要的，一方面可以增加噴射系數(shù)，另一方面可以克服

10、無直段時(shí)噴嘴喉口處易受磨損而使直徑發(fā)生變化的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)加工精度的要求，在 1 4mm 范圍內(nèi)調(diào)整。 射流泵的最大噴射系數(shù)及臨界壓縮比隨 l2的增加先增加后降低。在喉口直徑 dt = 5 8mm，出口直徑 de = 12 5mm，入口直徑 dm = 22 4mm 情況下，當(dāng) l2 為 6dt 時(shí)，最大噴射系數(shù)及臨界壓縮比為最佳值。小于此長度，最大噴射系數(shù)下降很快，當(dāng) l2 為 2dt 時(shí)， 最大噴射系數(shù)下降了 0 129， 降幅達(dá) 21% ;大于此長度時(shí)， 最大噴射系數(shù)減少的幅度小，在 6 8 倍噴嘴喉口直徑時(shí)， 相對變化量在1% 以內(nèi)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)找到噴嘴擴(kuò)張段長度的最佳值。 3 2

11、 混合室結(jié)構(gòu)的影響 混合室的主要作用是使工作流體與引射流體充分混合，保證混合流體經(jīng)擴(kuò)壓室實(shí)現(xiàn)最大限度的壓力恢復(fù)。所以對混合室長度的要求就是以較小的能量損失， 保證混合室出口處的混合流體具有比較均勻的速度場。因此， 如何確定比較合適的混合室長度和直徑， 也是影響射流泵性能的關(guān)鍵因素4 總結(jié)與展望 數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果均表明， 將兩相射流泵作為節(jié)流裝置， 可以提高蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的 COP。從熱力學(xué)分析的角度出發(fā)， 制冷系統(tǒng) COP 的提高超過 20% ，但是沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果能提升 10% 以上的。這是由于射流泵的幾何尺寸和位置都會(huì)影響到射流泵的性能， 進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，對動(dòng)力

12、噴嘴的喉部、 吸氣室、 恒定混合區(qū)域、 擴(kuò)散室等的改進(jìn)和研究是十分有前景的課題。 射流泵的設(shè)計(jì)理論已初具規(guī)模， 但是由于兩相流的理論還不夠完善， 具體的實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)情況有所不同， 工質(zhì)的物性等參數(shù)對射流泵的尺寸計(jì)算又有著很大的影響， 故射流泵的設(shè)計(jì)理論依然是處于半經(jīng)驗(yàn)半理論狀態(tài)。國內(nèi)外對進(jìn)行射流泵的研究的學(xué)者有很多， 然而在對射流泵的研究大多是在數(shù)值模擬的階段， 實(shí)驗(yàn)研究相對較少。數(shù)值模擬的結(jié)果需要實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，因而，在實(shí)驗(yàn)研究方面應(yīng)該是許多學(xué)者需要加強(qiáng)的方面。迄今為止，國內(nèi)外曾有許多學(xué)者在高效射流泵設(shè)計(jì)方面做過大量細(xì)致的研究工作， 目前國內(nèi)外采用的多級噴射等新型結(jié)構(gòu)， 在提高傳能效率方面

13、取得了一定進(jìn)展。 隨著我國經(jīng)濟(jì)模式由粗獷型向集約型的轉(zhuǎn)變，節(jié)能已經(jīng)成為一個(gè)全民族的話題。鑒于噴射式制冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)， 在今后必定會(huì)得到較大的發(fā)展空間。射流泵是噴射式制冷循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其噴射效率對整個(gè)系統(tǒng)的影響很大。因此，噴射式制冷循環(huán)的研究重點(diǎn)仍將放在射流泵的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。射流泵技術(shù)在渤海探井測試中的應(yīng)用射流泵根據(jù)排液時(shí)動(dòng)力液的循環(huán)方式的不同分為正排式和反排式兩種。正排式射流泵動(dòng)力液由生產(chǎn)管柱進(jìn)入， 混合液從生產(chǎn)管柱與套管環(huán)空返出； 反排式射流泵動(dòng)力液從生產(chǎn)管柱與套管環(huán)空進(jìn)入， 混合液由生產(chǎn)管柱返出。 正反排液兩種射流泵對比： 正排式射流泵能夠根據(jù)需要隨意調(diào)整動(dòng)力液的地面泵壓， 因?yàn)?/p>

14、目前的生產(chǎn)管柱的抗擠能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地面泵所能提供的壓力。但是反排式射流泵需要考慮到套管頭的承壓能力； 由于生產(chǎn)管柱內(nèi)容積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于油套環(huán)空的容積， 因此反排式較正排式更容易搞清地層液性； 反排式比正排式協(xié)砂能力強(qiáng)， 并且對于出砂嚴(yán)重的地層正排式由于協(xié)砂能力弱， 極易造成砂埋封隔器；對于酸化 排 液 反 排 式 可 以 避 免 返 出 酸 液 腐 蝕 套管。 由于渤海地區(qū)使用的常規(guī)套管頭安全工作壓力在， 所以地面泵提供的泵壓受到限制。目前渤海油田海上測試作業(yè)均采用正排式射流泵排液。 射流泵工藝分析 射流泵優(yōu)點(diǎn) 與其它助排工藝相比， 射流泵有其獨(dú)特的優(yōu)越性： 射流泵排液管柱結(jié)構(gòu)簡單、 運(yùn)行可靠， 沒有

15、運(yùn)動(dòng)部件使得管柱安全性大大提高； 其主要部件集中在泵芯上， 檢泵簡單易行， 更換維修方便。通過鋼絲打撈泵芯后調(diào)整噴嘴大小、 喉管長度、 擴(kuò)散管角度長度等參數(shù)就可以改變泵的工作狀態(tài)； 與其它的排液工藝（ 螺 桿 泵、 液 氮 氣 舉） 相 比 它 強(qiáng) 度 大、 速 度快、 負(fù)壓持續(xù)平穩(wěn)； 射流泵可以通過泵芯懸掛壓力計(jì)， 全程監(jiān)控排液過程井下壓力變化， 如果發(fā)現(xiàn)排液不正常， 只需通過鋼絲作業(yè)打撈泵芯及壓力計(jì)通過回放壓力數(shù)據(jù)就可以判斷井下狀況， 相比其它排液方式不需起下測試管柱， 不僅節(jié)省測試時(shí)間， 提高時(shí)效， 而且能夠避免在起下管柱的過程中對地層造成二次污染， 能夠較好的保護(hù)油藏， 取得真實(shí)的地層

16、資料； 射流泵相對其它舉升工藝施工簡單且費(fèi)用低，有夠有效的控制成本。 存在問題 如果測試的是水層， 運(yùn)用射流泵工藝， 由于地面的得到的是動(dòng)力液與地層產(chǎn)出液的混合體， 短時(shí)間內(nèi)不能對產(chǎn)出液性作出判斷。只能通過長時(shí)間排液來驗(yàn)證， 或者在泵芯下懸掛取樣器， 通過打撈泵芯后檢驗(yàn)取樣器內(nèi)的液體成分來得到確定。 如果產(chǎn)層是稠油層， 產(chǎn)出的稠油與動(dòng)力液難以充分分離， 致使動(dòng)力液中含有大量原油， 給動(dòng)力液的處理帶來問題。特別是海上油田， 由于交通運(yùn)輸方式的特殊性， 使得這個(gè)問題更加突出。 如果選擇的射流泵參數(shù)不合理很容易造成效率低下或者產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。 由于在測試作業(yè)中一般在低滲地層中， 別的作業(yè)手段不能確定液

17、性或者獲得滿意的產(chǎn)能的時(shí)候才會(huì)采用射流泵作業(yè)， 因此一般希望采用比較大的泵壓， 這樣一般 選 擇 正 排 式， 但 是 正 排 式 一 旦 地 層 出砂， 可能造成封隔器上部沉砂， 造成砂埋； 即使是反排式， 由于其排量的局限性， 對于出砂嚴(yán)重的地層也容易造成砂堵。 工藝改進(jìn)措施 目前通過研制改進(jìn)， 同一個(gè)泵筒通過投放正反兩種泵芯可以實(shí)現(xiàn)同一管柱正反排液交替進(jìn)行。在同一口井中可以根據(jù)不同階段的不同要求采用最合理的排液方式來達(dá)到地質(zhì)目的， 極大的方便了測試工作的進(jìn)行。 根據(jù)渤海油田原油物性的特點(diǎn)， 凝固點(diǎn)高（ 平均）、 粘度大、 高含臘、 密度大（ ）時(shí)， 采用平臺(tái)鍋爐或者加熱爐對動(dòng)力液進(jìn)行加熱

18、（ 最高溫度可達(dá) 左 右）， 然 后 再 進(jìn) 行 正 常 的 射 流 泵排液。作業(yè)期間需要注意以下問題： 下泵芯之前必須對井筒充分循環(huán)（ 熱）洗井， 然后投泵芯。下管柱之前必須用用通徑規(guī)對鉆桿通徑， 保證管柱為全通徑。施工中要保證排液連續(xù)， 且動(dòng)力液溫度超過原油凝固點(diǎn)以上， 動(dòng)力液加入降粘劑。 射流泵配套地面設(shè)備包括： 高壓泵機(jī)組、 動(dòng)力液處理、 加熱裝置、 計(jì)量儀表等， 流程中的密封件必須采用高溫密封件。 射流泵通過與 工具中的 循環(huán)閥配合，在排液之后可以實(shí)現(xiàn)關(guān)井恢復(fù)， 相對目前常用的投堵塞器關(guān)井恢復(fù)的方式更為安全有效， 能夠反映真實(shí)的地層參數(shù)。 總結(jié) 射流泵排液技術(shù)能夠真實(shí)地反映地層的情況，為評價(jià)油