Эжекторная установка

 

Сущность изобретения: последовательно соединены сепаратор, насос, теплообменник и жидкостно-газовый струйный аппарат. Отношение площади минимального сечения камеры смешения струйного аппарата к проходной площади выходного сечения устройства подвода в него жидкости от 8 до 200. Отношение расстояния от выходного сечения устройства подвода жидкости до конца камеры смешения к диаметру минимального сечения камеры смешения определяют по заданной зависимости. Продольная ось струйного аппарата составляет с плоскостью зеркала жидкости в сепараторе угол 0 - 75°. 5 ил.

Изобретение относится к эжекторным установкам и может быть использовано в теплоэнергетике, химический и др. отраслях промышленности для создания вакуума.

Известна установка для создания вакуума [1], содержащая жидкостно-газовый струйный аппарат (ЖГСА) градирню и насос. Недостаток известной установки заключается в больших энергозатратах и повышенных расходах воды.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой установке является установка, содержащая жидкостно-газовый струйный аппарат, сепаратор, теплообменник и насос [2] . Недостаток известной установки заключается в большой потребляемой мощности.

Задачей изобретения является уменьшение потребляемой мощности и улучшение массогабаритных характеристик.

Поставленная задача решается тем, что эжекторная установка для создания вакуума, содержащая последовательно соединенные сепаратор, насос, теплообменник и жидкостно-газовый струйный аппарат, снабжена струйным аппаратом с ϕ, отношением площади минимального сечения камеры смешения струйного аппарата к проходной площади выходного сечения устройства подвода в него жидкости, лежащим в диапазоне ϕ=8...20, l_кс, отношением расстояния от выходного сечения устройства подвода жидкости до конца камеры смешения к диаметру минимального сечения камеры смешения, определяемым по зависимости l_кс=(12.. .95) , а продольная ось струйного аппарата составляет с плоскостью зеркала жидкости в сепаратор угол β, лежащий в диапазоне β=0...75^о.

Сравнительный анализ предлагаемой установки с прототипом выявил в первом новый признак, заключающийся в использовании ЖГСА с ϕ, отношением площади минимального сечения камеры смешения струйного аппарата к проходной площади выходного сечения устройства подвода в него жидкости, лежащим в диапазоне ϕ=8...200, l_кс, отношением расстояния от выходного сечения устройства подвода жидкости до конца камеры смешения к диаметру минимального сечения камеры смешения, определяемым по зависимости l_кс=(12...95) , а продольная ось струйного аппарата составляет с плоскостью зеркала жидкости в сепаратор угол β, лежащий в диапазоне β=0...75^о.

Использование в эжекторной установке для создания вакуума ЖГСА с вышеуказанными параметрами позволяет уменьшить энергозатраты на сжатие газа. На фиг. 1 представлена зависимость мощности, потребляемой установкой N_уст. от ϕ, (при этом считалось, что угол β лежит в диапазоне β=0...75^о и поэтому не наступают режимы "пробивания", более подробно см. ниже) для следующих исходных данных: давление газа на входе в ЖГСА Р_г= =0.01 МПа (0,1 ата); давление на выходе из ЖГСА Р_сз= =0,12 МПа (1,2 ата); компоненты - вода + воздух (аналогичные результаты были получены и для значений Р_г, которые лежали в пределах Р_г=0,0015-0,07 МПа (0,015-0,7); расход воздуха 30 кг/ч.

Как показали проведенные исследования оптимальный диапазон изменения относительной длины камеры смешения l_кс, в котором получена приведенная выше зависимость, определяется по зависимости l_кс=(12...95) (при этом получаются минимальные потребляемые мощности). При уменьшении длины камеры смешения по сравнению с минимальной из указанного диапазона увеличивается неравномерность потока на выходе из камеры смешения и связанные с этим потери, что приводит к резкому возрастанию N_уст.; при увеличении длины свыше максимальной из указанного диапазона возрастают гидравлические потери, что также приводит к возрастанию N_уст.

Потребляемая мощность для этих исходных данных равна 20 кВт, а для ВВН 12 18 кВт.

Использование ЖГСА позволяет также уменьшить объемный расход жидкости, что приведет к уменьшению массы установки (уменьшится объем сепаратора, количество заливаемой воды и т.д). На фиг.2 показана зависимость объемного расхода жидкости от ϕ.

Совокупность энергетических и массовых характеристик установки оценим комплексом В, равным В=N ˙ М, где N - мощность, потребляемая установкой, М - масса установки (эжектор, сепаратор, насос, теплообменник и т.д.).

Очевидно, что необходимо стремиться к минимуму этой величины, т.к. при этом на единицу массы будет приходиться минимальная мощность, потребляемая на сжатие заданного количества газа, или на единицу мощности - минимальная масса.

Как показало проведенное проектирование и созданные опытные образцы установок, отличающиеся размерами ЖГСА, сепаратора, насоса и т.д., величина В пропорциональна произведению N lкс (где l_кс - длина камеры смешения ЖГСА).

На фиг.3 представлены зависимость комплекса N l_кс(пропорционального В) от ϕ.

Расчетно-экспериментальное исследование, выполненное в практически значимом диапазоне изменения давлений и расходов жидкости, давлений и расходов газов, видов рабочих тел и т.д. позволяет выделить оптимальный диапазон изменения отношения: ϕ не должно быть меньше 8, т.к. при этом резко ухудшаются характеристики установки (значительно увеличивается В, так при ϕ=5 отношение B_ϕ=5/B_ϕ=8= 1,25); правая граница ϕ=200, т.к. при этом начинается более интенсивный рост комплекса В (кроме того, при ϕ = 200 для обеспечения работы ЖГСА необходимо использование насосов с давлением на выходе свыше 16 МПа. Это усложняет и удоражает ЖГСА, а также приведет к трудностям при его эксплуатации).

Расположение ЖГСА под углом β =0...75^о к плоскости зеркала жидкости в сепараторе (горизонтальной плоскости) объясняется следующим.

Известны режимы "пробивания" камеры смешения струйного аппарата, когда струя жидкости "пробивает" камеру смешения и диффузор, не образуя двухфазную смесь с пузырьковой или пенной структурой. Это приводит к тому, что давление газа на входе в эжектор Р_г равно давлению на выходе Р_сз. Показано, что область реализации таких режимов зависит от ϕ, длины камеры смешения l_кс и Р_сз, при этом чем больше ϕ и чем меньше l_кс, тем при больших Р_сз они наступают.

В эжекторной установке для создания вакуума давление В_сз является постоянной величиной 0,1 МПа), а величина ϕ лежит в диапазоне ϕ=8...200. Для этих параметров при расположении ЖГСА с углом β =75...90^о возможно возникновение режима "пробивания" в широком диапазоне l_кс (это приведет к срыву работы установки, т.к. давление газа станет равным атмосферному, а чтобы их предотвратить необходимо значительное увеличение l_кс.

Экспериментально установлено, что при расположении ЖГСА с углом β=0... 75^о к горизонтальной плоскости режимы "пробивания" реализуются только для коротких камер смешения. Это можно объяснить тем, что живое сечение жидкостной (струи и оторвавшиеся от нее капли под действием силы тяжести меняют первоначальную траекторию и быстрее попадают на стенку камеры смешения и, частично отражаясь от нее, разрушают основной поток жидкости в пределах камеры смешения (при больших значениях β этот эффект не проявляется, т.к. направления вектора ускорения свободного падения и вектора скорости жидкостного потока отличаются мало, а результирующая скорости свободного падения и скорости жидкостного потока практически совпадает с продольной осью ЖГСА, имея незначительную радиальную составляющую). В результате в выходном сечении камеры смешения образуется двухфазный поток пенной или пузырьковой структуры.

Таким образом, для фиксированных ϕ и l_кс, определенных из расчета эффективной работы установки, при увеличении β свыше 75 возможно возникновение режима "пробивания", что приведет к срыву работы установки, а при β менее 25^о такие режимы не наблюдаются. Поэтому в эжекторной установке для уменьшения ее габаритных размеров (определяемых в основном длиной ЖГСА) и обеспечения эффективной и надежной работы (за счет исключения возможности реализации режима "пробивания" камеры смешения ЖГСА) струйный аппарат располагают под углом β=0...75^о к горизонтальной плоскости.

Анализ аналогичных установок выявил известность некоторых существенных признаков, однако предлагаемая эжекторная установка, описанная заявляемой совокупностью признаков, является новой, что дает право сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень", поскольку обеспечивается новый положительный эффект, заключающийся в снижении потребляемой мощности и улучшении массогабаритных характеристик.

Сведений, изложенных в заявке, достаточно для понимания технической сущности предлагаемого решения и его промышленной воспроизводимости. Отсюда можно сделать заключение, что предлагаемая установка соответствует критерию "промышленная применимость".

На фиг.4 представлена принципиальная схема ЖГСА, который содержит:
1 - устройство подвода активной жидкости, которое может быть выполнено в виде: сужающегося конического или сверхзвукового сопла круглого сечения; диафрагмы (круглого или некруглого сечения); коаксиальных кольцевых щелей;
многосоплового блока, в котором в качестве отдельного повторяющегося элемента может использоваться один из названных элементов или сочетание элементов.

Под выходным сечением устройства подвода жидкости понимается такое сечение, до которого осуществляется безотрывное течение потока (в частном случае, при безотрывном течении это сечение совпадает с сечением среза устройства подвода).

2 - устройство подвода пассивной среды;
3 - камеру смешения, которая состоит из конической сужающейся и цилиндрической частей (либо только из цилиндрической или конической сужающейся части), при этом концом камеры смешения считается сечение, после которого начинается диффузор 4 (если он есть) или наиболее удаленное от выходного устройства 1 сечение камеры смешения (если диффузор 4 отсутствует).

В случае, если выходное сечение устройства 1 неперпендикулярно продольной оси эжектора, то длина камеры смешения равна расстоянию от центра тяжести выходного сечения устройства подвода активной жидкости 1 до конца камеры смешения.

На фиг.5 изображена заявляемая эжекторная установка для создания вакуума. Она содержит ЖГСА 1, с которым связана магистраль подвода газа 5 от вакуумируемой емкости (на фиг.5 не показана). Выход ЖГСА 1 и вход сепаратора 2 соединены между собой. Выход жидкости из сепаратора 2 связан с входом насоса 3, а выход газа осуществляется в атмосферу по магистрали 6. Выход насоса 3 соединен со входом теплообменника 4, а выход последнего связан с соплом подачи активной жидкости ЖГСА 1.

Газ с давлением Рг и расходом Мг поступает В ЖГСА 1 из вакуумируемой емкости (на чертеже не показана) по магистрали 5, где сжимается до атмосферного давления за счет энергии потока рабочей жидкости, истекающей из сопла. Образовавшаяся на выходе из ЖГСА 1 газожидкостная смесь, поступает в сепаратор 2, где происходит ее разделение на жидкую и газовую фазы. Жидкость после сепаратора 2 поступает на вход насоса 3, а газ выбрасывается в атмосферу по магистрали 6. Жидкость после насоса 3 проходит через теплообменник 4, где охлаждается, к соплу подачи рабочей жидкости ЖГСА 1.

Формула изобретения

ЭЖЕКТОРНАЯ УСТАНОВКА для создания вакуума, содержащая последовательно соединенные сепаратор, насос, теплообменник и жидкостно-газовый струйный аппарат с камерой смещения и устройством подвода в него жидкости, отличающаяся тем, что ϕ -отношение площади минимального сечения камеры смешения струйного аппарата к проходной площади выходного сечения устройства подвода в него жидкости лежит в диапазоне 8 - 200, отношение расстояния от выходного сечения устройства подвода жидкости до конца камеры смешения к диаметру минимального сечения камеры смешения определяется по зависимости =(12.. . 95) а продольная ось струйного аппарата составляет с плоскостью зеркала жидкости в сепараторе угол β = 0-75^o .

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5