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

1.1 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。

以“纸桥”作为活动材料设计出一份科学探究活动设计方案。教学的重点在于：感知瓦楞状桥面比平纸桥面更能承重，理解桥面形状影响桥的承重。难点在于：发现影响瓦楞状桥面承重的主要因素，如折叠的次数、桥墩的数目与间距等。在活动过程中，应注意通过两种纸桥承重猜想、观察，分组实验操作与记录，实验结果的集中交流与讨论来逐一突出重点、突破难点，完成既定活动目标。

  

图1 拉瓦尔喷嘴结构及气流状态

（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。

2 结构说明

2.1 拉瓦尔喷嘴结构简图

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：

（3）采用相同喉道尺寸与不同膨胀比的拉瓦尔喷嘴，其引射性能也不同，变化规律为小膨胀比α的喷嘴具有更好的引射性能。

  

图2 拉瓦尔喷嘴结构简图

2.2 拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵结构简图

样机测试流程如图4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，

回观谢灵运本人与陆机生平际遇，我们会发现：这个故事版本里的陆机形象，实际上酷似谢灵运本人，甚至胜过谢灵运诗文勾勒的自画像。他将不能或不愿直视的那一部分自我，投射到笔端有一定相似经历的陆机身上，从而保持自己并不真实的自我认识和心理优越感。这是他在不利处境下本能产生的心理防御机制；但在文史边界暂时还不甚清晰、也没有现代心理科学辅助的六朝，人们无法分清他的讲述和历史真实。从此之后，最广为人知的陆机形象，渐渐被替换成一个挂着陆机名字的谢灵运。这类现象对史学的干扰是很难被直接觉察的。

3 样机测试流程

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。

不同喉道尺寸的拉瓦尔喷嘴热泵测试数据如表4所示。ZP50-22/24拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵压缩性能曲线及引射性能曲线分别如图8、图9所示。从测试数据可以看出：

  

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

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。

（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。

 

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

（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。

上述物理量的结论在解此类关于带电粒子在电场中的偏转类型的题时尤其重要，如果能将这些相关结论记在脑海中，会在高考时理综物理相关题型的选择题上省下不少的时间。

（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。

（2）采用相同喉道尺寸与不同膨胀比的拉瓦尔喷嘴，其压缩性能不同，变化规律为小膨胀比的喷嘴具有更好的压缩性能。

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表3 不同膨胀比拉瓦尔喷嘴热泵测试数据

  

p s1/k P a（d 0=14 m m，d 1=42 m m） α 1=3 （d 0=14 m m，d 1=49 m m） α 2=3.5 （d 0=14 m m，d 1=56 m m） α 3=4 G s/p b1/k P a β 1 μ 1 p s2/k P a p b2/k P a β 2 μ 2 p s3/k P a p b3/k P a β 3 μ 3（k g·h-1）19.5 54.5 2.79 0.37 37.0 86 1.64 0.37 40.7 58.5 1.44 0.37 148.139.5 61.0 1.54 0.55 54.0 90 1.32 0.55 54.5 67.0 1.23 0.55 216.750.2 67.5 1.34 0.68 63.5 92 1.22 0.68 63 72.5 1.15 0.68 271.574.0 83.0 1.12 1.03 81.0 96 1.09 1.03 80 87.0 1.09 1.03 408.693.0 94.5 1.02 4.38 101.0 100 1.03 1.38 98 101.5 1.04 1.38 545.8110.5 113.0 1.02 1.72 121.0 105 1.00 1.72 115.5 115.5 1.00 1.72 682.9注：（1）测试热泵-喷嘴型号为Z P 50-14；（2）测试工况介质为绝压499 k P a的饱和蒸汽抽吸低温饱和蒸汽

  

图7 ZP50-14拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵引射压缩性能曲线

4.3 相同膨胀比，不同喉道大小喷嘴性能对比

实现对各种类型图书馆资源的深度分析、利用，主要包括如下两个方面：1）数据的语义提取。通过用户贡献知识的众包服务，建立从纸质资源到语义资源的转化体系，以支撑对大规模图书馆藏品的语义信息提取。2）大数据分析平台。结合领域知识图谱和领域知识体系等技术，以及半结构化文本的大数据分析工具构建大数据分析平台，提供领域决策、语义检索等功能。

（1）采用相同膨胀比不同喉道尺寸的拉瓦尔喷嘴，其压缩性能不同，变化规律为随着抽气量的增加，几种喉道尺寸的喷嘴压缩比均逐步减小，小喉道尺寸的喷嘴压缩性能降低趋势更快。

（2）采用相同膨胀比，不同喉道尺寸的拉瓦尔喷嘴，其引射性能也不同，变化规律为抽相同气量，小喉道尺寸的喷嘴引射系数更大，且具有更好的引射性能。

5 结论

  

图8 ZP50-20/22/24拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵压缩性能曲线

  

图9 ZP50-20/22/24拉瓦尔喷嘴型蒸汽喷射式热泵引射性能曲线

通过对拉瓦尔喷嘴结构性能的理论分析及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，并分析实测的性能数据，可以得出如下结论：

（1）拉瓦尔喷嘴比传统全收敛型喷嘴更易获得更高速的喷射汽流，从而获得更好的引射压缩性能。

（2）通过调整拉瓦尔喷嘴结构尺寸，能够调节喷嘴的出流状态，进而调节整台蒸汽喷射式热泵的压缩比β和引射系数μ。

（3）采用拉瓦尔喷嘴，能在更低引射工作蒸汽压力下获得较高的压缩比β，增强蒸汽喷射式热泵的适用工况。

（4）采用拉瓦尔喷嘴，随着引射系数的增大，其压缩性能必然降低，且引射系数不能无限增大，存在临界极限状态，实际应用中需要根据用户工况选择适用的压缩性能与引射性能。

参考文献

[1] 陈东.热泵技术手册[M].北京：化学工业出版社，2012.

[2] 潘锦珊，单鹏.气体动力学基础[M].修订版.北京：国防工业出版社，2012.