 |
Общие сведения о струйных аппаратах
|
|
|
|
Устройства, в которых путем непосредственного контакта (смешения) осуществляется процесс передачи кинетической энергии одного потока другому, называют струйными аппаратами (СА).
СА используются в разнообразных технологических процессах. Широкое их применение обусловлено рядом достоинств: простотой конструкции и технологии изготовления; малыми габаритами и массой; отсутствием подвижных рабочих органов; полной герметичностью; легкостью совмещения с другим технологическим и лабораторным оборудованием; надежностью в эксплуатации и долговечностью. Эти достоинства, несмотря на весьма низкий КПД СА, обеспечили им применение в самых различных областях техники.
СА используются в качестве:
- паро-воздушного эжектора для обеспечения высокого вакуума [10], в том числе в конденсационных установках паровых турбин ТЭС и АЭС [11];
- газового эжектора для повышения эффективности эксплуатации систем нефтегазосбора [12];
- паро-воздушного компрессора в холодильных установках [13]; для охлаждения воды в системе кондиционирования воздуха;
- паро-воздушного дутьевого инжектора в котельных установках [13, 14];
- газовой инжекционной горелки в печах [13] и сушилках [31];
- паро-жидкостного инжектора в роли питательного насоса в энергетических установках [10, 14, 16];
- тягового органа для реактивных двигателей самолетов [28], а также судовых движителей [16, 29];
- диспергатора в системах жидкость—жидкость [17];
- элеватора для присоединения отопительных установок к тепловым сетям [14];
- гидроструйного насоса для перемещения жидкостей и суспензий [14, 18–20];
- водогазового эжектора (гидроструйного эжектора или компрессора) для отсасывания газов и создания вакуума в различных емкостях [14];
|
|
|
- для сбора и транспорта нефтяных газов [21];
- диспергирования и смешения газа в жидкости [14, 18, 22];
- побудителя тяги для пневмотранспорта [14, 23–26] и пылеуборки [27].
Следует отметить, Что Струйные Ааппараты относятся к нестандартному оборудованию. Это в какой-то мере объясняет появление в технической литературе различных названий одного и того же типа СА и появление ошибок при их проектировании.
Классификация СА, а также теория и основные задачи, которые приходится решать при разработке различных типов СА, наиболее полно изложены в [14].
4.2. Общие вопросы расчета и проектирования струйных аппаратов
Смешиваемые в СА потоки могут относиться к одной и той же фазе или к разным фазам. Фазовое состояние смешиваемых потоков может оставаться неизменным или же изменяться (например, пар может превратиться в жидкость). Поток, вступающий в процесс смешения с большей скоростью, называют рабочим (активным), с меньшей скоростью — инжектируемым (пассивным). Обычно давление смешанного (сжатого) потока на выходе из СА выше давления инжектируемого потока перед аппаратом, но ниже давления рабочего потока рн < рс < рр. Это связано с выравниванием скоростей потоков в камере смешения, а также с преобразованием кинетической энергии в потенциальную в диффузоре.
Схемы конструктивного исполнения СА весьма разнообразны. На рис. 4.1 приведены схемы наиболее известных и распространенных конструкций нерегулируемых СА, а на рис. 4.2 — СА с регулируемыми геометрическими параметрами. Несмотря на разнообразие конструкций СА, можно выделить следующие основные элементы: активное (рабочее) сопло, камеру смешения (горловину), диффузор, входной участок горловины для пропуска пассивного потока, выполняемый, как правило, в виде конфузора (приемная камера). В зависимости от конфигурации рабочего сопла (насадка), исполняемого в виде конфузора, сопла Лаваля, сопла Вентури или кольца, его устанавливают соосно (по центру) с камерой смешения (рис. 4.1 а), либо по периферии камеры смешения (рис. 4.1 б) или комбинированно (рис. 4.1 в). В некоторых случаях применяют многосопловые СА (рис. 4.1 г).
|
|
|
Одним из основных показателей СА является коэффициент инжекции u, представляющий собой отношение массового расхода инжектируемого потока G н к массовому расходу рабочего потока G р, т. е.:
. (4.1)
Как следует из перечня областей применения СА, свойства и условия взаимодействия рабочего и инжектируемого потоков существенно отличаются друг от друга в аппаратах различного типа. При этом в СА могут возникать различные сопутствующие смешению процессы, например конденсация, кавитация, инверсия фаз и т. д. Они существенно отражаются на работе аппаратов данного типа и должны учитываться при их расчете.
Рис. 4.1. Схемы нерегулируемых СА: а) с центральным соплом; б) с кольцевым соплом; в) с центральным и кольцевым соплом; г) многосопловый;1— сопло; 2 — конфузор; 3 — камера смешения (горловина); 4 — диффузор
Рис. 4.2. Принципиальные схемы СА с регулируемыми геометрическими параметрами: а) с регулируемой площадью выходного сечения сопла; б) с регулируемой площадью поперечного сечения камеры смешения; 1 — сопло; 2 — конфузор; 3 — камера смешения (горловина); 4 — диффузор; 5 — «игла» для регулирования площади выходного сечения сопла; 6 — дополнительная полость для изменения площади поперечного сечения камеры смешения;
7 — переточная трубка
Агрегатное состояние среды определяет ее упругие свойства или сжимаемость. Однако сжимаемость в движущемся потоке проявляется лишь при достаточно большой скорости, сравнимой со скоростью звука. В случае достижения потоком скорости звука все его параметры — плотность, скорость, давление, температуру, а также площадь сечения, занимаемую потоком, называют критическими и обозначают соответственно: r *, w *, р *, Т * и f *. При этом происходит значительное изменение давления, а значит и удельного объема или плотности среды. Поэтому для СА с упругими средами существенное значение имеют такие показатели работы, как степень сжатия инжектируемой среды рс / р к (более строго — степень повышения давления), и т. е. отношение давлений, а также степень расширения рабочего потока р р/ р к (более строго — степень снижения давления), т. е. отношение давлений. Здесь рс, р к, р р — абсолютные давления в смешанном, инжектируемом и рабочем потоках соответственно.
|
|
|
В случаях большой степени расширения рабочего потока (сверхкритического)
, (4.2)
где П* = p*/po — относительное давление в критическом сечении, т. е. отношение давления в критическом сечении р * к давлению торможения р о (давление, соответствующее покоящейся среде), на сопле устанавливают расширения в виде диффузора либо сопла Лаваля.
Если в этих условиях рабочее сопло выполнить сужающимся, то в выходном сечении сопла установится критическое давление р р* = р и и дальнейшее расширение рабочего потока от р р* до р и будет происходить за соплом с повышенными потерями. При этом расход рабочего потока G р не зависит от давления в приемной камере р к.
СА с большой степенью расширения рабочего потока и умеренной степенью сжатия 
, согласно [14], называют газоструйными или пароструйными компрессорами. Их применяют, в частности, для повышения давления газа (пара) в сети.
При малых степенях сжатия 
инжектируемый и смешанный потоки можно условно считать неупругими. Удельный объем газа мало меняется. Тем не менее, небольшая неточность в определении степени сжатия приводит к существенной ошибке в определении достижимого коэффициента инжекции. Поэтому в качестве расчетного показателя целесообразно принять не степень сжатия 
, а перепад давлений D р с = р с – р к или относительный перепад давлений инжектируемой среды 
. Это позволяет избежать существенных ошибок в определении достижимого коэффициента инжекции.
Аппараты, в которых степень расширения может быть как сверхкритической, так и докритической, называют инжекторами. В соответствии с этим конфигурация сопла имеет форму сопла Лаваля и конфузора.
В случае малой степени расширения рабочего потока 
можно пренебречь свойствами упругости всех потоков. Это присуще как однофазным, так и разнофазным СА. При этом расход рабочего потока G р зависит не только от давления перед соплом р р, но и от давления в приемной камере рн.
|
|
|
Однофазные СА, в которых рабочей и инжектируемой средой является жидкость, называют струйными однофазными насосами (СОН). Рабочее сопло, как правило, имеет форму конфузора. Однако с целью интенсификации целого ряда технологических процессов посредством наложения на струйные течения кавитации рабочее сопло может быть выполнено в форме трубы Вентури [32].
Принципиальные расчетные схемы СА с упругой и неупругой рабочей средой несколько отличаются обозначениями друг от друга (см. рис. 4.3, а и 4.3 б).
Рис. 4.3. Принципиальные расчетные схемы СА с центральным соплом:
а) расширяющееся сопло (сопло Лаваля) 
; б) коническое сопло 
К разнофазным относятся СА для пневмотранспорта зернистых материалов и жидкости, СА для гидротранспорта зернистых материалов и жидкостно-газовые СА (ЖГСА).
Рабочими характеристиками СА являются зависимости типа р с / р н = f (u, р р / р н), р н / р р = f (u, р с / р р), D р с / р н = f (u, р р / р н), D р с /Dрр = f (u) и др., получаемые на основе законов сохранения импульса и массы. При этом важно отметить, что любая из характеристик зависит не от абсолютных геометрических размеров аппарата f p*, f p1 и f 3, а от отношения f 3 / f p* и f 3 / f p1 (см. рис. 4.3 а) или от отношения f 3 / f p1 (см. рис. 4.3 б). Эти отношения являются геометрическими параметрами подобия СА. Аппараты, имеющие различные абсолютные размеры, но одинаковое отношение размеров, имеют одинаковые характеристики. СА с малым отношением f 3 / f p* или f 3 / f p1 создают более высокую степень сжатия, но не могут развивать больших коэффициентов инжекции. При увеличении f 3 / f p* или f 3 / f p1 степень сжатия падает, а коэффициент инжекции растет.
Для расчета указанных типов струйных аппаратов, кроме ЖГСА, наиболее приемлемой является полуэмпирическая методика ВТИ [14], основой которой являются известные законы сохранения массы, импульса и энергии.
|
|
|
