Жидкостно-газовый эжектор

 

Использование: в области струйной техники, преимущественно в системах вакуумирования с помощью эжекторов. Сущность: в камере смешения соосно центральному сопловому отверстию расположено центральное тело в виде стержня, один свободный конец которого со стороны сопла выполнен с профилированной торцовой поверхностью, а другой конец установлен с помощью радиальных перегородок с острыми кромками, образующих в камере смешивания на ее выходном участке каналы, параллельные оси камеры смешивания. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к струйной технике, преимущественно к жидкостно-газовым эжекторам, используемым в системах вакуумирования, в частности для вакуумирования различных емкостей (например, конденсаторов паровых турбин).

Известен жидкостно-газовый эжектор, содержащий установленные последовательно активное сопло, приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды, камеру смешивания и диффузор (cм. книгу Соколова Е.Н. Зингера Н.М. Струйные аппараты. М. Энергия, 1970, с. 200, рис. 7-2).

Характерной особенностью конструкции жидкостно-газового эжектора является удлиненная камера смешивания, необходимая для полного дробления струй на капли естественным путем и формирования квазиоднородного потока жидкостно-газовой смеси, заполняющего всю площадь поперечного сечения камеры смешивания.

Приемная камера, расположенная в известной конструкции между сопловым блоком и камерой смешивания, образует расширенное пространство на выходе активных струй жидкости и сопловых отверстий, что способствует образованию застойных зон с малоэффективным вовлечением газа жидкостью. Это ослабляет процесс дробления струй на капли и ухудшает формирование квазиоднородной жидкости газовой смеси. Недостатком данной конструкции является также то, что в ней не предусмотрена оптимальная длина камеры смешивания. Все это приводит к увеличению габаритов и снижению КПД эжектора.

В качестве прототипа заявителем принят жидкостно-газовый эжектор, содержащий соосные активное многоструйное сопло с центральным сопловым отверстием, камеру смешивания, диффузор, приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды, расположенную коаксиально камере смешивания на ее входном участке. При этом длина камера смешивания оптимизирована и определяется из уравнения: где D_см внутренний диаметр камеры смешивания; N число сопловых отверстий; S_см площадь поперечного сечения камеры смешивания; S_отв площадь выходного сечения соплового отверстия, а активное сопло снабжено цилиндрической центрирующей поверхностью, посредством которой сопло сопряжено с камерой смешивания (см. а.с. СССР N 1483106, кл. F 04 F 5/02, заявл. 30.12.86 г. опубл. 30.05.89).

За счет оптимизации длины камеры смешивания, позволяющей завершить процесс смешивания до поступления потока в диффузор, и снижения потерь энергии в зоне смешивания потоков благодаря обеспечению соосности активного сопла и камеры смешивания достигается некоторое сокращение габаритов и повышение КПД эжектора.

В известной конструкции дробление струй активного потока жидкости на капли в камере смешивания осуществляется естественным путем и не предусмотрено никаких дополнительных средств для интенсификации этого процесса. А это требует довольно большой длины камеры смешивания. Большая длина, в свою очередь, приводит к увеличению потерь на трение и снижению КПД.

Вместе с тем, известная конструкция эжектора не обеспечивает высокого КПД при переменных условиях работы, так как не содержит никаких средств регулирования режимов работы эжектора.

На выходе из камеры смешивания в диффузор (на перегибе диаметров) осуществляется торможение сверхзвуковой смеси в прямом скачке уплотнения с переходом к дозвуковому течению, которое сопровождается достаточно большими потерями энергии, что ведет к снижению КПД. При этом зона смешивания потоков может частично сместиться в диффузор, что приводит к непредсказуемым режимам работы.

Кроме того, пульсации давления в зоне скачка уплотнения, амплитуда которых пропорциональна площади поперечного сечения камеры смешивания, приводит к вибрациям эжектора, дополнительным потерям энергии и, как следствие, снижению КПД и надежности.

Технической задачей, решаемой изобретением, является: уменьшение габаритов жидкостно-газового эжектора за счет сокращения длины камеры смешивания в результате интенсификации процесса дробления струй жидкости активного потока и получения однородного двухфазного потока смеси на меньшей длине; повышение КПД жидкостно-газового эжектора за счет уменьшения потерь на трение на меньшей длине камеры смешивания, замены прямого скачка уплотнения при торможении сверхзвукового потока на ряд косых скачков уплотнения, которые осуществляются с меньшими потерями энергии; обеспечение эффективных режимов работы при переменных условиях за счет регулирования процесса образования однородного двухфазного потока смеси, что также способствует повышению КПД;
снижение пульсации давления, что повышает надежность работы эжектора.

Для решения поставленной технической задачи в известном жидкостно-газовом эжекторе, содержащем соосные активное многоструйное сопло с центральным сопловым отверстием, камеру смешивания, диффузор, а также приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды, согласно изобретению в камере смешивания соосно центральному сопловому отверстию расположено центральное тело в виде стержня, один свободный конец которого со стороны сопла выполнен с профилированной торцовой поверхностью, а другой конец установлен с помощью радиальных перегородок с острыми кромками, образующих в камере смешивания на ее выходном участке каналы, параллельные оси камеры смешивания.

Согласно изобретению в одном из вариантов выполнения в камере смешивания на ее стенках между активным соплом и радиальными перегородками установлен по крайней мере один отклоняющий элемент в виде профилированной кольцевой втулки.

Согласно изобретению один из отклоняющих элементов установлен между активным соплом и свободным концом центрального тела, а остальные на участке между свободным концом центрального тела и радиальными перегородками.

Центральное тело может быть установлено с возможностью осевого перемещения относительно радиальных перегородок.

Торцовая поверхность центрального тела со стороны сопла может быть выполнена в виде вогнутой площадки.

Торцовая поверхность центрального тела со стороны сопла в другом варианте выполнения может быть выполнена в виде плоской площадки.

Наибольший линейный размер площадки центрального тела в плоскости, ортогональной оси эжектора, определяется из соотношения: l ≅ d·0,8, где l наибольший линейный размер площадки центрального тела в плоскости ортогональной оси эжектора, d диаметр ближайшей к центру воображаемой окружности, вокруг которой располагаются периферийные сопловые отверстия.

Центральное сопловое отверстие выполнено с меньшим диаметром по сравнению с периферийными сопловыми отверстиями.

На участке радиальных перегородок в камере смешивания концентрично ей установлена по крайней мере одна цилиндрическая стенка с острыми кромками, образующая дополнительные каналы.

Периферийные сопловые отверстия расположены в зонах, ограниченных внутренними контурами поперечных сечений каналов, параллельных оси камеры смешивания.

Размещение в камере смешивания центрального тела в виде стержня с профилированной торцовой поверхностью по ходу центральной струи активного потока необходимо для отклонения центральной струи с одновременным дроблением ее на ряд струек, которые, в свою очередь, соударяются с периферийными струями и инициируют их рассеивание. В результате процесс образования однородного двухфазного потока смеси интенсифицируется и завершается раньше, на меньшей длине камеры смешивания. Одновременно снижаются потери на трение. Все это приводит к уменьшению длины и повышению КПД эжектора.

Установка центрального тела в камере смешивания с помощью радиальных перегородок с острыми кромками, размещенных на выходном участке камеры смешивания, целесообразна, с одной стороны, для инициирования косых скачков уплотнения на острых кромках, в результате чего сверхзвуковой поток тормозится до скорости ниже звуковой в системе косых скачков уплотнения с меньшими потерями энергии, а с другой стороны, для снижения амплитуды пульсаций давления за счет уменьшенной площади проходного сечения каждого из каналов, образованных в камере смешивания, что снижает потери давления и способствует повышению КПД и надежности.

Размещение профилированных колец в камере смешивания на ее стенках обеспечивает, с одной стороны, отклонение части периферийных струй от осевого движения к центру, что интенсифицирует распыление струй жидкости в пристенной области, а с другой стороны, инициирует появление косых скачков уплотнения в зоне уже сформировавшегося сверхзвукового потока. Таким образом, интенсификация распыления обеспечивает сокращение длины камеры смешивания, а более раннее появление косых скачков уплотнения способствует более постепенному повышению давления в камере смешивания и, как следствие, снижению потерь энергии и повышению КПД.

В предпочтительном варианте выполнения один из отклоняющих элементов установлен между активным соплом и свободным концом центрального тела, а другие на участке между свободным концом центрального тела и радиальными перегородками. Первый отклоняющий элемент обеспечивает отклонение периферийных струй и интенсификацию процесса распада струй, а все последующие отклоняющие элементы формируют косые скачки уплотнения.

Установка центрального тела с возможностью осевого перемещения относительно радиальных перегородок позволяет перемещением центрального тела управлять процессом дробления струй активного потока и образованием однородного двухфазного потока смеси, что обеспечивает эффективные режимы при переменных условиях работы.

Так, например, при увеличении противодавления зона смешивания (скачки уплотнения) перемещается в направлении активного сопла. Для ее удержания на выходном участке камеры смешивания необходимо удалить центральное тело от сопла. При снижении давления за эжектором зона смешивания стремится сместиться в диффузор. Для предотвращения этого центральное тело необходимо приблизить к соплу и вызвать формирование зоны смешивания выше по течению потока.

Профиль площадки торцовой поверхности центрального тела также оказывает влияние на интенсификацию распыления струй. Форма профиля зависит от режимов работы эжектора. Вогнутый профиль инициирует более интенсивное дробление струй, распыляя центральную струю под углом навстречу периферийным струям.

Плоский профиль распыляет центральную струю радиально.

Для наиболее эффективного распыления струй наибольший линейный размер площадки центрального тела в плоскости, ортогональной оси эжектора, должен быть удален на оптимальное расстояние от периферийных струй. Установлено, что наиболее эффективное распыление осуществляется при соблюдении следующего соотношения:
l ≅ 0,8d,
где l наибольший линейный размер площадки центрального тела в плоскости, ортагональной оси эжектора;
d диаметр ближайшей к центру воображаемой окружности, вокруг которой располагаются периферийные сопловые отверстия.

Центральное сопловое отверстие целесообразно выполнить с меньшим диаметром по сравнению с периферийными сопловыми отверстиями, чтобы центральная струя, управляющая процессом дробления других струй, была самой маломощной и не оказывала существенного влияния на потери энергии активного потока.

Установка в камере смешивания на участке радиальных перегородок по крайней мере одной цилиндрической стенки необходима для образования в камере смешивания дополнительных каналов с уменьшенной площадью поперечного сечения. В результате снижается амплитуда пульсаций давления в потоке, снижаются вибрации эжектора и повышается его надежность.

Расположение периферийных сопловых отверстий в зонах, ограниченных внутренними контурами поперечных сечений каналов, параллельных оси камеры смешивания, исключает потери кинетической энергии от столкновения струй со стенками каналов.

На фиг. 1 представлен жидкостно-газовый эжектор, продольный разрез; на фиг. 2 поперечное сечение камеры смешивания по А-А на фиг. 1.

Жидкостно-газовый эжектор содержит соосно установленные активное многоструйное сопло 1 с центральным сопловым отверстием 2, камеру 3 смешивания, диффузор 4, а также приемную камеру 5 с патрубком 6 подвода низконапорного газа. В наиболее оптимальном варианте исполнения приемная камера 5 расположена коаксиально камере 3 смешивания на ее входном участке и сообщена с камерой 3 смешивания с помощью радиальных отверстий 7. Приемная камера 5 может быть расположена и по-иному, например между активным соплом 1 и камерой 3 смешивания.

В камере 3 смешивания соосно центральному сопловому отверстию 2 расположено центральное тело 8 в виде стержня, один свободный конец которого со стороны сопла 1 выполнен в виде вогнутой круглой площадки 9. Возможны и другие варианты выполнения, например с плоской площадкой (на чертеже не показано). Другой конец центрального тела 8 установлен в камере 3 смешивания с помощью радиальных перегородок 10. В оптимальном варианте выполнения центральное тело 8 может перемещаться по отношению к радиальным перегородкам 10 вдоль оси камеры 3 смешивания, например, по направляющим (на чертеже не показаны). Перемещение может осуществляться либо вручную, либо с помощью специального привода (на чертеже не показан).

Радиальные перегородки 10 выполнены с острыми кромками 11 на входном и выходном участках и делят камеру 3 смешивания на ее выходном участке на ряд равномерно расположенных параллельных каналов 12. Внутри камеры 3 смешивания на ее стенках между активным соплом 1 и радиальными перегородками 10 в оптимальном варианте установлены отклоняющие элементы в виде профилированных кольцевых втулок 13, 14. Одна из них (13) установлена между активным соплом 1 и площадкой 9 центрального тела 8, а другая (14) на участке между площадкой 9 центрального тела 8 и радиальными перегородками 10. Возможна установка и большего числа отклоняющих втулок (на чертеже не показано).

Наибольший линейный размер (диаметр) площадки 9 центрального тела 8 в плоскости, ортогональной оси эжектора, определяют из соотношения: l ≅ 0,8 d, где l наибольший линейный размер (диаметр) площадки 9 центрального тела 8 в плоскости, ортогональной оси эжектора; d диаметр ближайшей к центру воображаемой окружности (на чертеже не показано), вокруг которой располагаются периферийные сопловые отверстия 15. Центральное сопловое отверстие 2 выполнено с меньшим диаметром по сравнению с периферийными сопловыми отверстиями 15. В камере 3 смешивания на участке по длине радиальных перегородок 10 концентрично установлена по крайней мере одна цилиндрическая стенка 16 с острыми кромками 17, образующая дополнительные каналы 18.

Периферийные сопловые отверстия 15 расположены в зонах, ограниченных внутренними контурами поперечных сечений каналов 12, 18, параллельных оси камеры смешивания 3.

При работе эжектора активная жидкая среда, например вода, подается под большим давлением к активному многоструйному соплу 1, на выходе из которого она приобретает большую скорость. Истекающие из центрального сопла 2 и периферийных сопловых отверстий 15 струи жидкости (воды) попадают в камеру 3 смешивания, где, разрушаясь на капли, перемешиваются с увлекаемой ими пассивной средой (низконапорным газом, например паровоздушной смесью) и отдают ей часть своей кинетической энергии. Эжектируемый газ подводится в камеру 3 смешивания через приемную камеру 5 с патрубком 6 подвода пассивной среды и радиальные отверстия 7. Процесс распыления струй активного потока осуществляется следующим образом.

Наиболее маломощная центральная струя активного потока, истекающая из центрального сопла 2, дробится на ряд струек при столкновении с вогнутой площадкой 9 центрального тела 8. Образовавшиеся струйки рассеиваются в направлении, встречном траектории движения периферийных струй, истекающих из сопел 15. Пристенные струи, в свою очередь, при обтекании профилированной кольцевой втулки 13 более интенсивно разрушаются на капли и при столкновении с другими периферийными струями инициируют их распад. Таким образом, в центральной части камеры 3 смешивания процесс распада инициируется центральным телом 8, а в пристенной зоне профилированной кольцевой втулкой 13. Другой отклоняющий элемент профилированная кольцевая втулка 14 находится в зоне сформировавшегося сверхзвукового двухфазного потока смеси и способствует более раннему появлению скачков уплотнения.

В случае изменения давления за эжектором перемещением центрального тела 8 осуществляют управление режимами распыления струй для достижения наибольшего КПД эжектора. В результате осуществляются наиболее интенсивное смешивание двух потоков активного и пассивного и образование однородного двухфазного потока смеси. При входе потока в равномерно расположенные каналы 12 и 18, образованные радиальными перегородками 10 и цилиндрической стенкой 16 с острыми кромками соответственно 11, 17, сверхзвуковой поток смеси тормозится в косых скачках уплотнения при незначительных потерях полного давления и при незначительных пульсациях давления и переходит в дозвуковое течение к выходному сечению камеры 3 смешивания. Из камеры 3 смешивания поток смеси поступает в диффузор 4, где происходит дальнейшее повышение давления.

Таким образом, обеспечиваются более интенсивный распад струй на капли, формирование более однородного двухфазного потока, и создается постепенное повышение давления в системе косых скачков уплотнения. Все это приводит к уменьшению габаритов и повышению КПД. Кроме того, уменьшение площади поперечного сечения каналов в зоне смешивания снижает амплитуду пульсаций и уровень вибрации и повышает надежность эжектора.

Формула изобретения

1. Жидкостно-газовый эжектор, содержащий соосные активное многоструйное сопло с центральным сопловым отверстием, камеру смешения, диффузор, а также приемную камеру с патрубками подвода пассивной среды, отличающийся тем, что в камере смешения соосно центральному сопловому отверстию расположено центральное тело в виде стержня, один сводобный конец которого со стороны сопла выполнен с профилированной торцевой поверхностью, а другой конец установлен с помощью радиальных перегородок с острыми кромками, образующих в камере смешения на ее выходном участке каналы, параллельные оси камеры смешения.

2. Эжектор по п. 1, отличающийся тем, что в камере смешения на ее стенках между активным соплом и радиальными перегородками установлен по крайней мере один отклоняющий элемент в виде профилированной кольцевой втулки.

3. Эжектор по п. 2, отличающийся тем, что один из отклоняющих элементов установлен между активным соплом и сводобным концом центрального тела, а остальные на участке между сводобным концом центрального тела и радиальными перегородками.

4. Эжектор по п. 1, отличающийся тем, что центральное тело установлено с возможностью осевого перемещения относительно радиальных перегородок.

5. Эжектор по п. 1, отличающийся тем, что торцевая поверхность центрального тела со стороны сопла выполнена в виде вогнутой площадки.

6. Эжектор по п. 1, отличающийся тем, что торцевая поверхность со стороны сопла выполнена в виде плоской площадки.

7. Эжектор по пп.5 и 6, отличающийся тем, что наибольший линейный размер площадки центрального тела в плоскости ортогональной оси эжектора определяется из соотношения:
l ≅ 0,8d,
где l наибольший линейный размер площадки центрального тела в плоскости, ортогональной оси эжектора;
d диаметр ближайшей к центру воображаемой окружности, вокруг которой располагаются периферийные сопловые отверстия.

8. Эжектор по п. 1, отличающийся тем, что центральное сопловое отверстие выполнено с меньшим диаметром по сравнению с периферийными сопловыми отверстиями.

9. Эжектор по п. 1, отличающийся тем, что на участке радиальных перегородок в камере смешения концентрично ей установлена по крайней мере одна цилиндрическая стенка с острыми кромками, образующая дополнительные каналы.

10. Эжектор по пп.1 и 9, отличающийся тем, что периферийные сопловые отверстия расположены в зонах, ограниченных внутренними контурами поперечных сечений каналов, параллельных оси камеры смешения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2