СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ СМЕШЕНИЯ ВАКУУМНОГО ЖИДКОСТНО-ГАЗОВОГО СТРУЙНОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F04F5/02 

Изобретение относится к струйной технике, преимущественно к жидкостно-газовым эжекторам для создания вакуума.

Известны способы организации рабочего процесса и вакуумные жидкостно-газовые струйные аппараты (ЖГСА) [1], имеющие отношение площади камеры смешения (f₃) к площади активной среды на входе в камеру смешения (f_p1), лежащее в диапазоне 2,2 - 13,8 и относительную длину камеры смешения l_кс, равную отношению длины камеры смешения к ее диаметру, лежащую в диапазоне l_кс 12-32.

Наиболее близкими техническими решениями к предлагаемым являются: способ организации рабочего процесса, включающий подачу жидкости, газа и их смешение, причем рабочий процесс проводят при α, отношении площади минимального сечения камеры смешения к площади, занимаемой жидкостью на входе в нее, лежащем в диапазоне α= 3...18,5, и при l отношении длины камеры смешения к диаметру круга, площадь которого равна площади, занимаемой жидкостью на входе в камеру смешения, равном l - 36...76 [2]; и ЖГСА для создания вакуума, содержащий устройства подвода активной и пассивной сред и камеру смешения [2], имеющий f_p3/f_p1 = 3-18,5 и l_кс = 4-17,3. Недостатком данного технического решения является низкий КПД эжектора (большие потребляемые мощности).

Целью изобретения является увеличение КПД ЖГСА для создания вакуума и улучшение его массогабаритных характеристик.

Указанная цель достигается тем, что рабочий процесс проводят при α, отношении площади минимального сечения камеры смешения к площади, занимаемой жидкостью на входе в нее, лежащем в диапазоне α= 14...200, и l отношении длины камеры смешения к диаметру круга, площадь которого равна площади, занятой жидкостью на входе в камеру смешения, определяемом по зависимости l - (12...95) α^3/4.

Кроме того, достижение цели реализуется за счет ЖГСА для создания вакуума имеющего ϕ, отношение площади минимального сечения камеры смешения к проходной площади выходного сечения устройства подвода активной среды, лежащее в диапазоне ϕ= 8...200, и l_кс, отношение расстояния от выходного сечения устройства подвода активной среды до конца камеры смешения к диаметру минимального сечения камеры смешения, лежащее в диапазоне, определенном по зависимости l_кс = (12...95)⁴ Заявляемые объекты связаны общим изобретательским замыслом, поскольку реализация способа может быть доказана посредством предлагаемого устройства, в связи с чем способ и устройство объединены в группу изобретений.

Сравнительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом выявил в первом наличие новых признаков:
по способу, заключающийся в том, что рабочий процесс проводят при α, отношении пощади минимального сечения камеры смешения к площади, занимаемой жидкостью на входе в нее, лежащем в диапазоне α= 14...200, и l, отношении длины камеры смешения к диаметру круга, площадь которого равна площади, занятой жидкостью на входе в камеру смешения, определяемом по зависимости l = (12...95) α^3/4;
по устройству, заключающийся в использовании ЖГСА имеющего ϕ, отношение площади минимального сечения камеры смешения к проходной площади выходного сечения устройства подвода активной среды, лежащее в диапазоне ϕ= 8...200, и l_кс, отношение расстояния от выходного сечения устройства подвода активной среды до конца камеры смешения к диаметру минимального сечения камеры смешения, лежащее в диапазоне, определенном по зависимости l_кс = (12...95) .

Это дает право сделать вывод о соответствии критерию "новизна".

Рассмотрим энергетические и массогабаритные характеристики вакуумного ЖГСА в предлагаемом диапазоне изменения геометрических размеров.

Энергетические характеристики.

На фиг. 1 представлена зависимость КПД ЖГСА и потребляемой им мощности N от α, полученная с использованием результатов работы
и пройденных авторам экспериментальных исследований.

Эта зависимость построена для следующих параметров:
давление газа на входе в ЖГСА Р_г = 0,01 МПа (0,1 ата);
давление на выходе из ЖГСА Рсз = 0,12 МПа (1,2 ата);
расход газа Мг = 30 кг/час;
температура жидкости Тж = 293 К;
температура газа Т_г = 293 К;
компоненты вода + воздух
аналогичные результаты были получены и для значения Р_г, которые лежали в пределах P_г= 0,0015-0,07 МПа (0,015-0,7 ата)).

Согласно данным работы [2] , для всех испытанных геометрий изотермический КПД не превышал величины 0,18 (при указанных выше исходных данных).

Массогабаритные характеристики.

На фиг. 2 показана зависимость массы ЖГСА от параметраα.

При использовании ЖГСА в составе вакуумных установок необходимо учитывать не только энергетические затраты, но и влияние массогабаритных характеристик (при их значительном увеличении возможно резкое увеличение металлоемкости установки и ее стоимости). Введем параметр В равный:
B = N˙M где N - мощность, потребляемая ЖГСА для сжатия 30 кг/ч воздуха с давлением P_г = 0,01 МПа (0,1 ата);
М - масса такого ЖГСА.

Таким образом, величина В оценивает совокупность энергетических (N или КПД) и массовых характеристик эжектора. 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.

На фиг. 3 представлена зависимость числа В отα.

Рассмотрение графика на фиг. 3 позволяет выделить диапазон, в котором характеристики вакуумного ЖГСА являются наилучшими:
левая граница α= 14 (при α< 14 число В начинает резко возрастать, например, B_α=5/B_α=14=2);
правая граница α= 200 (при α> 200 для обеспечения работы ЖГСА необходимо использование насосов с давлением на выходе свыше 16 МПА. Это усложняет и удорожает ЖГСА, а также приведет к трудностям при его эксплуатации).

Как показали проведенные исследования, оптимальный диапазон изменения относительной длины камеры смешения, при котором получены приведенные выше зависимости, равен I_кс = (12...95) .(он соответствует l = (12...95)α^3/4). Отметим, что началом камеры смешения считалось выходное сечение устройства подвода активной среды, а концом камеры смешения - сечение, после которого начинается расширяющийся диффузор (если он есть) или наиболее удаленное от выходного устройства подвода активной среды сечение камеры смешения (если диффузор отсутствует). В этом диапазоне изменения lкс КПД ЖГСА остается максимальным для принятого: при уменьшении длины камеры смешения, по сравнению с минимальным из указанного диапазона, увеличивается неравномерность потока на выходе из камеры смешения и связанные с этим потери, что приводит к резкому уменьшению КПД; при увеличении длины камеры смешения свыше максимального из диапазона l_кс = (12...95) возрастают гидравлические потери, что также приводит к уменьшению КПД.

Анализ известных технических решений не выявил заявляемой совокупности существенных отличий, поэтому можно сделать вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сведений, изложенных в заявке, достаточно для понимания технической сущности предлагаемого решения и его промышленной воспроизводимости. ЖГСА с заявляемыми геометрическими параметрами может быть использован в вакуумных эжекторных установках (например, в теплоэнергетике, химической и др. отраслях промышленности). Отсюда можно сделать заключение, что предлагаемое изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

На фиг. 4 представлена принципиальная схема ЖГСА, который содержит:
1 - устройство подвода активной среды, 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 названный элемент 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 началом камеры смешения служит выходное сечение устройства 1, а 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 среды 1 до конца камеры смешения.

Отличие нижней границы заявляемых диапазоновα и ϕобъясняется тем, что при использовании в качестве подводящего устройства активной среды, например, диафрагмы, происходит сужение жидкостной струи, площадь которой меньше площади выходного сечения диафрагмы (коэффициент сужения 0,6). Поэтому величине α= 14, которая вычисляется по площади жидкостной струи на входе в камеру смешения, соответствует значение ϕ= 8, которое определяется по площади выходного сечения устройства подвода активной среды (при одинаковой площади минимального сечения камеры смешения).

Эжектор работает следующим образом.

Жидкость поступает через устройство подвода активной среды 1, где происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую, в камеру смешения 3, куда также подается сжимаемый газ через устройство подвода пассивной среды 2. В камере смешения 3 происходит взаимодействие жидкостной и газовой струй, сопровождающееся передачей энергии от жидкости к газу и повышением давления последнего, в результате чего на выходе из камеры смешения 3 образуется газожидкостная смесь, которая затем может тормозиться в диффузоре 4 (если он предусмотрен) с целью повышения статического давления смеси. В результате на выходе из ЖГСА образуется газожидкостная смесь, которая имеет давление большее, чем давление газа, и меньшее, чем давление жидкости.

Сущность изобретения: подают жидкость и газ и смешивают их. Рабочий процесс проводят при отношении площади минимального сечения камеры смешения к площади, занимаемой жидкостью на входе в нее, лежащем в диапазоне 14 - 200, и при отношении длины камеры смешения к диаметру круга, площадь которого равна площади, занятой жидкостью на входе в камеру смешения, определяемом по заданной зависимости. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ организации рабочего процесса в камере смешения вакуумного жидкостно-газового струйного аппарата, включающий подачу жидкости и газа и их смешение, отличающийся тем, что рабочий процесс проводят при отношении площади минимального сечения камеры смешения к площади, занимаемой жидкостью на входе в нее, лежащем в диапазоне α = 14÷200 и при отношении длины камеры смешения к диаметру круга, площадь которого равна площади, занятой жидкостью на входе в камеру смешения, определяемом по зависимости =(12... 95)α^3/4. 2. Жидкостно-газовый струйный аппарат для создания вакуума, содержащий устройство подвода активной среды, устройство подвода пассивной среды и камеру смешения, отличающийся тем, что отношение площади минимального сечения камеры смешения к проходной площади выходного сечения устройства подвода активной среды, лежит в диапазоне ϕ=8-200, а отношение расстояния от выходного сечения устройства подвода активной среды до конца камеры смешения к диаметру минимального сечения камеры смешения лежит в диапазоне, определенном по зависимости =(12...95)