Лекция 9. Струйные аппараты

Эжектором (инжектором) называется струйный аппарат для всасывания (нагнетания) эжектируемой среды с помощью эжектирующей (рабочей) среды, находящейся при относительно большем давлении.

В зависимости от рода участвующих в процессе сред различают жидкостно-жидкостные (например, применяемые для регулирования температуры воды в тепловых сетях элеваторы-смесители, устанавливаемые в теплопунктах, рис. 1); жидкостно-газовые, используемые в энергетике в качестве воздухоотсасывающих устройств конденсаторов, в схемах вакуумной деаэрации воды, для создания вакуума в различных емкостях; газо-газовые, газожидкостные, а также парожидкостные и парогазовые эжекторы. Подсасываемой средой могут быть неоднородные смеси (эмульсии и суспензии).

Независимо от назначения эжектора в нем всегда имеются следующие конструктивные элементы (рис. 2.): сопло высоконапорной (эжектирующей) среды 1; сопло низконапорной (эжектируемой) среды 2; смесительная камера 3, которая заканчивается диффузором 4 (реже конфузором, цилиндром или соплом).

Рис. 2: Принципиальная схема эжектора

Физические процессы, происходящие в газоструйных аппаратах, можно пояснить простейшей схемой. Эжектирующий поток вещества с параметрами торможения p01, Р01, T01 вытекает из сопла в камеру смешения со скоростью vi имея на срезе сопла параметры p1, р1, T1, — происходит преобразование потенциальной энергии и теплоты в кинетическую энергию потока рабочей среды, движущейся с большой скоростью. Струя этого вещества в камере смешения увлекает эжектируемую среду с исходными параметрами po2, Р02, Т)2.

Назначение сопел — с минимальными потерями подвести газы к входу в смесительную камеру. Взаимное расположение, число и форма сопел не оказывают, однако, существенного влияния на конечные параметры смеси газов. Важным является лишь соотношение между величинами поперечных сечений потоков эжектирующего и эжектируемого газов на входе в камеру, т. е. отношение суммарных площадей потоков. Если падение давления в сопле эжектирующего газа значительно превышает критическую величину, то в ряде случаев оказывается выгодным применение сверхзвукового сопла. Однако и при больших сверхкритических отношениях давлений можно использовать эжектор с нерасширяющимся соплом, в котором скорость истечения эжектирующего газа не превышает скорость звука. Это наиболее распространенный тип эжектора, эффективно работающий в широком диапазоне изменения параметров газов.

В результате интенсивного турбулентного обмена смесь потоков становится однородной и характеризуется параметрами p3, T3^[19]. Форма камеры смешения оказывает заметное влияние на процесс смешения сред. Длина камеры выбирается такой, чтобы в ней успел завершиться процесс смешения потоков, однако по возможности короткой с тем, чтобы не увеличивать гидравлические потери и сократить общие габариты эжектора. Если смесительная камера не цилиндрическая, как предполагалось, а имеет переменную по длине площадь сечения, то можно получить произвольное изменение статического давления по длине. Затем происходит обратное преобразование кинетической энергии смешанного потока в потенциальную энергию (в диффузоре) или теплоту. Диффузор устанавливается на выходе из смесительной камеры в тех случаях, когда желательно повысить статическое давление смеси газов на выходе из эжектора или когда при заданном давлении на выходе желательно получить низкое статическое давление в камере смешения и во входном сечении эжектора. Следует отметить, что эжектор может работать и без диффузора. В этом случае конечное сечение камеры смешения одновременно является выходным сечением эжектора. При этом статическое давление смеси по длине камеры возрастает за счет выравнивания поля скоростей, так что во входном сечении камеры существует пониженное давление по сравнению с давлением на выходе из нее.

Расчет эжектора заключается в определении параметров смеси газов на выходе из смесительной камеры по их значениям до смешения и геометрических размеров проточной части аппарата. В основе расчета термодинамических параметров — модель одномерного адиабатно изолированного потока идеального газа и соответствующие уравнения баланса (аналитические формы законов сохранения) массы, импульса (количества движения) и энергии.

При отсутствии теплообмена закон сохранения энергии выражается в виде равенства изменения суммы кинетической и внутренней энергии потоков работе сил давления (потенциальной энергией положения и работой сил трения пренебрегаем). Аналитические выражения указанных законов сохранения в одномерном приближении приобретают вид G1 + G2 = G3; G1 V1 + G2 V2 = G3 V3;

При одинаковой для исходных сред и их смеси теплоемкости cp последнее соотношение можно записать в параметрах заторможенного потока ной камере путем теплопередачи через стенки камеры или выделяющееся вследствие химических превращений (фазовых переходов) в потоке.

Замечательным является тот факт, что для определения параметров потока на выходе из камеры при решении системы уравнений (2.98) анализировать сам процесс смешения необязательно. Нет необходимости также предварительно вычислять потери, возникающие в процессе смешения, и анализировать механизм процесса передачи энергии.

Отношение масс эжектируемого и эжектирующего газов называется коэффициентом эжекции.

Выполняя роль вентиляторов, компрессоров, насосов, эжекторы не имеют механического привода и движущихся частей. Благодаря этому качеству использование струйных аппаратов во многих отраслях техники позволяет получать более простые и надежные технические решения по сравнению с применением механических нагнетателей. Обычно давление смешанного потока на выходе из струйного аппарата выше давления инжектируемого потока перед аппаратом, но ниже исходного давления рабочего потока. Исключение оставляют пароводяные инжекторы, в которых давление смешанного потока может превышать давление рабочего потока.