医疗注射用水是符合中国药典项下规定的可以用于人体药剂注射的蒸馏水,在药企的药剂配制、医疗器械清洗等过程中用量巨大,是药企的能耗大户。目前,国内外制药企业普遍采用基于竖管降膜多效蒸馏技术的医疗注射用水制备设备（简称竖管设备）,它存在以下三个主要问题:一是竖管降膜蒸发器换热效率低、效间温差大;二是无能量回收装置,末效蒸发器产生蒸汽作为产品水排出,蒸汽循环利用率不足,造成能源的巨大浪费;三是系统抗扰能力差,易受到热源扰动影响。针对此问题,在导师带领下,本文研制了国际上首台具有独立自主产权和多项变革性技术的基于热压缩横管降膜多效蒸馏技术的医疗注射用水高效制备设备（简称横管设备）原型样机,其主要特点如下:一是采用横管降膜多效蒸馏技术,相比竖管多效蒸馏技术提高了蒸发器的换热效率;二是首次在医疗制水系统中引入高效强鲁棒性喷射器,实现了末效排空蒸汽回收再利用,大幅降低了能源消耗,提高了系统运行稳定性;三是建立了高效医疗制水系统控制模型,设计了稳定可靠的测控系统,为后续控制系统的优化提供了基础。高效医疗制水系统样机运行数据显示:相比竖管设备,新型设备造水比提升111%,能耗节约50%。蒸汽喷射器是高效医疗制水系统的核心关键部件,其性能决定了系统的运行效率和能耗。目前喷射器在医疗制水领域的应用尚属空白,缺乏高效喷射器设计方法,且喷射器内部涉及复杂的湍流、激波、超音速等流体现象,喷射器混合机理的研究也不透彻,造成高性能喷射器的设计十分困难;由于喷射器通用模型忽略了普遍存在的冷凝现象且壁面粗糙度以及绝热属性的影响机理研究不充分导致当前喷射器模型预测精度不足;医疗制水系统复杂多变的运行工况也对喷射器的鲁棒性提出了更高的要求。针对上述问题,本文开展了复杂工况扰动下的系统建模分析以及高效强鲁棒性喷射器的研究,基于机理建模、计算流体动力学（CFD:Computational Fluid Dynamics）仿真以及实验验证相结合的方式,研究了基于非平衡冷凝的喷射器壁面粗糙度和绝热属性影响机理,提出了高效医疗制水系统和高效强鲁棒性喷射器设计方法,建立了面向控制的系统模型和样机,最后通过系统样机验证了系统模型和喷射器设计方法的有效性。本文研究成果可以提升系统制水效率、降低能源消耗,提高设备运行的稳定性和鲁棒性,促进国家“双碳”目标的实现,具有重要的理论价值和广阔的应用前景。主要的研究工作如下:针对竖管设备存在的设备能耗大、抗干扰性差等问题,研制了热压缩横管降膜多效蒸馏医疗注射用水高效制备系统,建立了高效医疗制水系统和喷射器的热力学模型,为系统和喷射器的设计优化提供理论基础。基于所建立的热力学模型分析了喷射器的引入对医疗制水系统性能和稳定性的影响,验证了高效强鲁棒性喷射器设计的必要性。针对蒸汽喷射器中普遍存在的非平衡冷凝现象,建立了基于真实气体状态方程的“湿蒸汽”模型,采用CFD仿真详细分析了壁面条件对喷射器性能的影响,提出了基于粗糙度的喷射器等熵效率和引射性能修正公式,提高了喷射器模型预测精度和普适性。经过仿真分析发现,内壁粗糙度小于5um时对喷射器性能的影响可以忽略不计,较差的喷射器壁面绝热属性会增加凝结液滴在喷射器内壁附着侵蚀损坏壁面的可能性,为喷射器的设计、优化与加工提供了理论指导。针对喷射器在低运行工况条件下性能恶化导致医疗制水系统性能下降的问题,本文从喷射器几何参数敏感性出发,详细研究了主喷嘴轮廓对喷射器性能的影响,提出了改善喷射器低工况适用能力和引射性能的流线型主喷嘴优化方法。采用最优设计的B3T喷射器相比基准AT喷射器的引射性能在设定工况下具有1.23%的提升,在低工况下改善效果更加显著,特别是在450kPa时AT喷射器进入回流无效状态,而B3T喷射器仍具有0.12的引射性能,提升了喷射器和医疗制水系统的变工况适用能力。针对热源波动导致系统运行不可靠的问题,建立了维持喷射器出口流量稳定的主喷嘴几何参数计算模型,提出了具有强鲁棒性的环形喷射器设计方法。以设定工况和两低工况（一次流压强为550kPa和450kPa）为例,设计了在三种工况下维持出口流量稳定的双环形强鲁棒性喷射器。通过CFD仿真分析发现,双环形喷射器在三种工况下可以维持出口流量的稳定,与设定工况下B3T喷射器出口流量相比,变化量不超过0.65%。双环形喷射器可以显著改善喷射器在低工况下的引射性能,与B3T喷射器相比,双环形喷射器的引射性能在一次流压强500KPa时提升了 44.72%,在一次流压强为450kPa则有高达365.5%的提升。建立了医疗制水系统的控制模型,完成了控制系统设计,搭建了横管设备样机并通过实验验证了喷射器和系统模型的有效性以及样机运行的高效性。实验验证表明喷射器模型预测数据与实验数据具有很好的一致性,预测数据和实验数据的决定系数（R2）大于0.99,提出的喷射器计算模型能够准确地预测喷射器的性能。样机运行数据表明,本文研制的新型横管设备相比竖管设备系统造水比提升了大约111%,每小时可节约大约50%的蒸汽消耗量,以1t/h设备为例,新型横管设备每年可节约22.78万元蒸汽费用,具有显著的经济效益和产业化推广价值。