Пароэжекторные насосы. 
Пароэжекторные насосы

Пароэжекторные насосы

Принцип действия. Вакуумные пароэжекторные насосы служат для удаления больших потоков газов и парогазовых смесей из различных установок при давлении …1 Па.

Принцип действия пароэжекторного вакуумного насоса основан на турбулентном захвате газа струей рабочего пара. Пар, подводимый под давлением в паровую камеру, через специальное сопло истекает в воздушную камеру. Потенциальная энергия давления пара при этом превращается в кинетическую, и струя пара в воздушной камере движется со сверхзвуковой скоростью. В результате турбулентных завихрений в движение увлекаются близлежащие слои газа. Струя пара и газ попадают в сужающуюся часть диффузора, где скорость движения еще возрастает и происходит более полное перемешивание пара и газа.

Рис. 1 Принципиальная схема эжектора

Пар под давлением истекает через расширяющееся сопло 1 со сверхзвуковой скоростью в виде турбулентной или ламинарной струи. Вследствие турбулентного перемешивания вихревых масс паровой турбулентной струи с молекулами окружающего газа или вязкостного трения между граничными слоями вязкостной струи и прилегающими слоями газа последний захватывается и увлекается в сужающийся насадок — конфузор 2 (камеру смешения), служащий для обеспечения возможно более полного перемешивания пара с газом; этот процесс характеризуется равномерностью значений всех параметров смеси (давления, плотности, скорости, температуры) по сечению потока. Вследствие обмена энергиями при смешении и возникновении скачка уплотнения давление откачиваемого газа возрастает, достигает статического давления смеси, а скорость потока уменьшается до звуковой. В горловине 3 эжектора завершается выравнивание значений параметров смеси, и в расширяющемся насадке-конфузоре 4 происходит дальнейший переход кинетической энергии смеси в потенциальную, сопровождающийся уменьшением скорости и увеличением давления смеси до выпускного давления за диффузором.

Устройство насосов. В качестве рабочего тела в вакуумных пароэжекторных насосах обычно используют водяной пар. Давление, создаваемое вакуумным эжекторным насосом, существенно зависит от наибольшего выпускного давления. Обычно одна ступень пароводяного эжектора сжимает газ в 5…10 раз. Как правило, эжекторы конструируют на степень сжатия не более 10 по экономическим соображениям, связанным с увеличением расхода пара при больших степенях сжатия. Таким образом, одноступенчатый пароэжекторный вакуумный насос с выхлопом в атмосферу позволяет создавать в воздушной камере разрежение 10,65 — 20кПа (80−150 ммрт. ст.). Для получения более низких давлений необходимо устанавливать ряд ступеней последовательно. При этом за эжекторной ступенью (1−5) рис. 2 обычно устанавливают конденсаторы (I-III) в которых конденсируется пар; газ откачивается следующей ступенью. Однако в этом случае давление, создаваемое первой ступенью, зависит от температуры воды в конденсаторе, так как давление на выхлопе не может быть меньше давления насыщенного пара охлаждающей воды в конденсаторе. При температуре воды 25−30° С это давление составляет примерно 4 кПа (30 мм рт. ст.). Следовательно, при коэффициенте сжатия 4−10 давление на входе не может быть получено менее 0,4−1,07 кПа (3−8 мм рт. ст.). Для получения более низкого давления за первой ступенью конденсатор не устанавливают, а давление за ней обусловливается производительностью следующей ступени. Такая установка позволяет получать давление 66,6−133,3 Па (0,5−1 мм-рт. ст.). Устанавливая два, три и более ступеней без конденсации с помощью пяти-шестиступенчатых насосов, можно получать разрежение до 13,33 мПа. Но отсутствие конденсаторов существенно увеличивает расход пара.

В пароводяных эжекторных насосах применяют также поверхностные конденсаторы, обычно трубчатого типа. Здесь в отличие от конденсаторов смешения теплообмен происходит не в результате непосредственного контакта парогазовой смеси с охлаждающей водой, а через стенки трубок, внутри которых движется вода, а снаружи-парогазовая смесь.

Рис. 2 Схематическое изображение пятиступенчатого пароэжекторного вакуумного насоса 1 — 5 — соответствующие ступени откачки; I-III — промежуточные конденсаторы

Конденсаторы указанных типов имеют преимущества и недостатки с учетом которых выбирают конденсатор для конкретных условий работы насоса.

В высокопроизводительных пароэжекторных насосах наиболее часто применяют барометрические конденсаторы смешения благодаря простоте устройства, относительно невысокой стоимости. Экономичности эксплуатации и высокой надежности. Низкоуровневые системы конденсаторов смешения, обладающие меньшей надежность, применяют, когда ограничены размеры помещения. Поверхностные конденсаторы обычно используют в пароэжекторных насосах небольшой производительности, когда ограничены габаритные размеры насоса или недопустимо разбавление конденсата водой, например при необходимости улавливания из конденсата ядовитых, корозионных или радиоактивных компонентов.

Для получения более низкого давления используют многоступенчатые эжекторные насосы, в которых за первой ступенью нет конденсатора, и, следовательно, давлениеза ней обусловлено только производительностью следующей ступени. Так шестиступенчатый насос с тремя первыми ступенями без конденсаторов обеспечивает предельное остаточное давление около 0,5 Па.

Конструкция пароводяного эжектора существенно зависит отего размеров и материала. Обычно эжекторные насосы изготавливают из тех же материалов, что и откачиваемую аппаратуру. Так, для изготовления насосов, эксплуатируемых на химических производствах, рекомендованы следующие материалы:

При изготовлении эжектора большое внимание уделяют обработки внутренних поверхностей проточной части. Особенно тщательно обрабатывают сопло внутреннюю поверхность которого рекомендуется полировать. Все углы проточной части (особенно переходы от конических поверхностей к цилиндрическим в сопле и диффузоре) должны быть скруглены.

Рис. 3. Литой чугунный эжектор: 1-сопло; 2-приемная камера; 3-диффузор с камерой смешения

Пароводяные эжекторные насосы широко распространены в различных отраслях промышленности. Их применяют для откачки вакуумных дуговых и индукционных печей установок внепечного обезгаживания жидких металлов, дистиляционных установок различного рода, выпарных аппаратов, вакуумных кристализаторов, дэараторов, конденсаторов паровых турбин, дегидратов, вакуумных фильтров, вакуумных пропиточных установок и др.

Основные параметры нормализованного ряда промышленных пароэжекторных насосов с поверхностными конденсаторами приведены в табл. 1.

Основные характеристики. Основную характеристику пароэжекторных насосов изображают обычно графически как зависимость впускного давления от производительности (или внешней нагрузки) Qн (рис. 4).

Рис. 4. Характеристика пароэжекторного насоса

Характеристика имеет два участка: пологий — рабочий участок I и крутой — участок I I перегрузки. На участке I значительные изменения нагрузки мало влияют на впускное давление, на участке I I малые изменения нагрузки приводят к резкому повышению впускного давления. Насос всегда рассчитывают для работы на рабочем участке характеристики.

Зависимость быстроты действия насоса от впускного давления имеет вид кривой с максимумом, соответствующим рабочей точки. (Рис. 5).

Рис. 5 Зависимость быстроты действия пароэжекторного насоса от впускного давления

Предельное остаточное давление для пароэжекторных насосов является обычно второстепенной характеристикой, так как основное назначение насоса — работа в области максимальной производительности.

Наряду с обычными для вакуумных пароструйных насосов параметрами (производительностью, быстротой действия, предельным остаточным давлением и наибольшим выпускным давлением) пароэжекторные насосы характеризуются еще одним важным параметром — коэффициентом эжекции. Коэффциент эжекции определяется как отношение массовых расходов (кг/ч) откачиваемого газа и рабочего пара, истекающего из сопла:

н=Qг/Qп.

Характеристики многоступенчатых пароводяных эжекторных насосов, построенных в виде зависимости впускного давления от относительной производительности Q/Qp (Qp — расчетная производительность) приведены на рис. 6.

Рис. 6. Характеристики четырех (линия-1), пяти (линия-2) и шестиступенчатых (линия-3) пароводяных эжекторных насосов (давление пара 0,7Мпа; температура охлаждающей воды в конденсаторах 303К)

Производительность пароводяного насоса значительно возрастает с увеличением молярной массы откачиваемого газа (рис. 7) и доли Сп парав паровоздушной смеси (рис. 8). Характеристика пароэжекторного насоса существенно зависит от давления рабочего пара, подаваемого в сопло эжектора: с увеличением давления пара производительность возрастает, а впускное давление уменьшается (рис. 9).

Рис. 7. Зависимость отношения производительности Q пароэжекторного насоса к производительности Qвоз по воздуху от молярной массы откачиваемого газа

Рис. 8. Характеристика пароводяногого эжекторного насоса при откачки паровоздушной смеси

Рис. 9. Зависимость впускного давления пароэжекторного насоса от относительной производительности (Qp-расчетная производительнось) при разных давлениях пара (расчетное давление пара 0,7 Мпа)

пароэжекторный пароводяной насос вакуумный.

Важнейшие параметры, характеризующие работу пароводяных эжекторных насосов, — расходы пара (кг/ч) и охлаждающей воды (/ч), отнесенные к 1 кг/ч откачиваемого воздуха. Эти удельные характеристики определяющие эффективность работы насосов, существенно зависят от впускного давления, возрастая с его уменьшением (рис. 10).

Рис. 10. Зависимость расхода пара на 1 кг/ч откачиваемого сухого воздуха от впускного давления в рассчетной точке (Tводы=303K, давление пара 0,7 Мпа)

Для пароводяных эжекторных насосов иногда важна скорость диффузи пара из насоса в откачиваемую систему, зависящая от конструкции насоса, режима его работы, создаваемого давления и внешней газавой нагрузки. Уже при потоке газа, составляющем 10% номинальной производительности насоса, диффузия пара уменьшается на несколько порядков. Если насос работает без внешней газовой нагрузки, для уменьшения диффузии пара следует специально напускать немного осушенного воздуха (около 10% номинальной производительности).