СПОСОБ СМЕШЕНИЯ И СЖАТИЯ СРЕД В СТРУЙНОМ АППАРАТЕ Российский патент 1995 года по МПК F04F5/02 

Изобретение относится к струйной технике и может быть использовано в энергетике, пищевой, микробиологической, фармацевтической, химической и др. отраслях производства, использующих технологии получения эмульсии, растворов, суспензий, горячих моющих сред и термической обработки сред.

Известны способы смешения и сжатия сред в струйных аппаратах [1,2], состоящие в смешении сверхзвукового потока пара с дозвуковым потоком жидкости, формирование сверхзвукового двухфазного (парожидкостного) потока с последующим переходом его в дозвуковой с полной конденсацией пара. У таких аппаратов с наиболее распространенными на практике умеренными и высокими степенями сжатия возникают неустойчивые режимы работы при повышенных содержаниях в подаваемой к устройству жидкости неконденсируемых сред (газов) и при повышенных значениях температуры этой жидкости (более 50...60^оС). Большая разница скоростей пара и жидкости при вступлении в контакт является причиной повышенных потерь и ограничения максимально достижимых коэффициентов инжекции и степеней сжатия сред.

Известны способы смешения и сжатия [3,4] в которых энергия части активной среды используется предварительно для смешения и разгона смеси с пассивной средой до сверхзвуковых режимов течения, а затем осуществляют смешение этого потока с основным сверхзвуковым потоком активной среды. В этом случае уменьшается разница скоростей этих двух сверхзвуковых потоков при их смешении.

Здесь и далее под активной средой понимается среда, передающая механическую (потенциальную и кинетическую) энергию пассивным средам.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, использованный в [4]. Часть пара, поступающая из коллектора, разгоняется до сверхзвуковых скоростей и смешивается с дозвуковым потоком жидкости, затем в образованный двухфазный поток вводят сверхзвуковой поток пара, а после этого полученную смесь сред тормозят в скачках уплотнения до дозвуковой скорости. Рассматриваемый в качестве прототипа способ позволяет за счет большой энергии основного сверхзвукового потока пара повысить степень сжатия предварительно созданного двухфазного потока, т.е. обеспечить более высокое давление смеси сред на выходе из устройства. Но указанный способ сохраняет в качестве одного из процессов - формирование по способу [1,2] двухфазного потока. Достигаемый при этом положительный эффект - увеличение степени сжатия сред - сопровождается следующими отрицательными эффектами:
подача сверхзвукового потока пара в образованный предварительно двухфазный (парожидкостный) поток значительно уменьшает максимально достижимые коэффициенты инжекции, т. е. значительно перегревает жидкость, вводимую в смесь, вплоть до полного ее испарения. Для большинства отраслей, могущих использовать такие аппараты, это неприемлимо, хотя требование повышения степени сжатия может быть основным; высокая температура жидкости, подаваемой для организации парожидкостного потока, может значительно ухудшить процесс конденсации части пара при их смешении, т.е. при создании парожидкостного потока, и вызвать неустойчивость или срыв в работе устройства;
использование для формирования двух смешивающихся потоков сред активной среды с высокими начальными параметрами может вызывать проблему исключения воздействия, например, высокой температуры на некоторые компоненты смеси;
уменьшение разницы скоростей в месте смешения двух сверхзвуковых (двухфазного и однофазного) потоков значительно уменьшает диспергирующее воздействие на компоненты смеси, а это может быть нежелательным для многих технологий;
влияние давления смеси на выходе устройства на количество пассивной жидкой среды, вносимой в пар, зависит от соотношения параметров двухфазного и сверхзвукового однофазного потоков в месте их смешения, т.е. это давление не может однозначно или выборочно изменять концентрацию компонентов в выходящей из устройства смеси. Для формирования количественного состава смеси в прототипе должны быть предусмотрены специальные устройства для дозирования всех компонентов перед их смешением.

Цель изобретения - увеличение максимально достижимых коэффициентов инжекции, т.е. минимизации нагревов жидкости в смеси; увеличение значений максимально допустимых температур пассивных сред, используемых для струйных аппаратов, и максимальных температур смеси на выходе из аппаратов; сохранение эффективной и устойчивой работы аппаратов, создающих газонасыщенные смеси; упрощение технологий приготовления и регулирования количественного состава смеси на выходе и улучшения качества смеси.

Сущность изобретения заключается в том, что для приготовления количественного состава смеси подают активную и пассивную среды, при их смешении создают сверхзвуковой двухфазный поток, который за счет своей энергии инжектирует необходимые компоненты смеси, формируя при этом количественный состав смеси и ее сжатие при последующем переходе в дозвуковой режим течения. При этом количественный состав смеси становится возможным регулировать за счет изменения давления этой смеси на выходе из аппарата, а это вместе с более эффективным смешением компонентов, обусловленным их инжектированием в сверхзвуковой двухфазный поток с глубоким вакуумом и большой скоростью, обеспечивает повышение качества смеси.

При высоких температурах жидких сред, поступающих для формирования сверхзвукового потока, перед их поступлением в аппарат организуют адиабатное вскипание этих сред, а образовавшийся при этом пар используют в качестве дополнительной пассивной среды.

На чертеже представлен струйный аппарат.

В аппарате можно выделить следующие зоны течения:
I зона - зона подачи активной и основной сред;
II зона - зона смешения активной и основной пассивной сред и формирования при этом сверхзвукового двухфазного потока;
III зона - зона сверхзвукового двухфазного течения и ввода остальных компонентов смеси;
IV зона - зона дозвукового течения смеси.

Аппарат содержит сопло 1 для подачи активной среды, патрубок 2 подачи основной пассивной среды, патрубок 3 (один или несколько для разных компонентов смеси) для подачи остальных компонентов смеси.

Активная среда поступает в сопло 1, в котором в процессе расширения достигает скорости течения, близкой либо превосходящей скорости звука в этой среде. Пассивная среда подводится к патрубку 2 и затем к потоку активной среды на выходе из сопла 1, в зоне II формируется мелкодисперсная гомогенная структура потока смеси, скорость звука в которой резко уменьшается и течение смеси становится двухфазным сверхзвуковым. В зоне III имеет место устойчивый сверхзвуковой режим течения с большой кинетической энергией при глубоком вакууме в потоке.

В эту зону III и вводят через патрубок 3 (возможно несколько патрубков) за счет энергии созданного сверхзвукового двухфазного потока остальные компоненты смеси, которые, инжектируясь сверхзвуковым двухфазным потоком, окончательно сформировывают требуемый количественный состав смеси. Так как данный ввод был осуществлен вне зоны II, то он не влияет на образование сверхзвукового двухфазного потока в зоне II, являющегося единственным источником энергии процессов смешения и сжатия всех компонентов смеси. В дальнейшем сверхзвуковая смесь приближается к нестабильному состоянию и в области 4 (в скачке давления) течение смеси самопроизвольно переходит в дозвуковое течение (зона IV) на выходе из струйного аппарата. Так как сжатие всех компонентов смеси осуществляется только за счет энергии активной среды, поступающей на формирование сверхзвукового двухфазного потока, то коэффициенты инжекции могут быть значительно увеличены, т.е. нагрев компонентов смеси значительно уменьшен.

На формирование сверхзвукового двухфазного потока существенное влияние оказывает процесс теплообмена (конденсации паров) активной и пассивной сред. Для того, чтобы сохранить в необходимой мере интенсивность этого процесса при повышенной температуре жидкости основной пассивной среды на входе в аппарат, перед поступлением в аппарат осуществляют ее адиабатное вскипание, а образовавшийся при этом пар может быть использован в струйном аппарате в качестве дополнительной пассивной среды.

Изменение давления смеси в скачке давления осуществляется, например, регулирующим вентилем на выходе из аппарата. При увеличении давления на выходе из аппарата зона IV cмещается в сторону зоны III, уменьшая ее. При определенном давлении область скачка давления 4 может приблизиться к патрубку 3, вызвав там тем самым падение вакуума, и, следовательно, сократив подачу дополнительных сред, т.е. происходит изменение количественного состава смеси без возмущения потока в зоне II.

Способ реализуют следующим образом.

К разгонному соплу 1 подается сухой насыщенный водяной пар (активная среда) с давлением 200 кПа. За счет расширения сопла на выходе пар приобретает сверхзвуковую скорость 1000 м/с и в этот поток вводится вода (пассивная среда) с t=20^оС и р = 100 кПа. В зоне II при смешении пара с водой происходит частичная конденсация пара, вода диспергируется на мелкие капли, а поток становится двухфазным сверхзвуковым. В зоне III около патрубка 3 вакуум составляет ≈ 80 кПа. В эту зону можно вводить дополнительно пассивные среды, например:
1. Для обеспечения эффективности и устойчивости работы аппарата при вводе неконденсируемых сред (газов):
а) через патрубок 3 подсасывают воздух. Если бы воздух вводился в зону II, то он ухудшил бы процесс частичной конденсации пара и сорвал бы процесс формирования сверхзвукового режима течения в зоне II, т.е. произошло бы "запаривание" аппарата. По предлагаемому способу изменение в работе аппарата после начала подсоса воздуха можно обнаружить только по увеличению давления за устройством на ≈ 100 кПа (из-за увеличения объемного расхода газожидкостной смеси на выходе) и по изменению на несколько градусов смеси на выходе. Таким образом получают газонасыщенную смесь на выходе из аппарата.

2. Обеспечение работы аппарата при вводе дополнительных пассивных сред высоких температур:
б) через патрубок 3 вводят замазученные, загрязненные дренажные воды, при этом струйный аппарат может располагаться выше (до 9 м) над их уровнем. Температура отсасываемой жидкости может быть до 90^оС. Если бы такая жидкость вводилась в зону III, то вызвала бы "запаривание" аппарата;
в) за счет адиабатного вскипания пассивной среды перед входом в патрубок 2 аппарата ее температура понижается на 10...40^оС и это создает возможность устойчивого формирования сверхзвукового режима в зоне II, а образовавшийся при вскипании пар используют в качестве дополнительной пассивной среды и подают в патрубок 3, либо эжектируют его потоком активной среды;
3. Для упрощения технологии приготовления моющих растворов:
г) подводя к патрубку 3 концентрированный водный раствор каустической соды (30%), на выходе автоматически получают моющий раствор с концентрацией соды ≈1%, используемый для мойки оборудования в пищевых отраслях. При существующих способах получения моющих растворов, такая концентрация раствора готовится в специальных устройствах.

4. Увеличение производительности струйных аппаратов:
д) подводя к патрубку 3 воду с температурой 20^оС можно, не меняя режима течения в зоне II, уменьшить температуру воды на выходе с 60^оС до 40^оС, т. е. в ≈ 2 раза увеличить производительность аппарата (коэффициент инжекции U=D_в/D_п - отношение подачи воды D_в и пара D_п. При t = 60^оС _→ U = 15, при t = 40^оС _→ U = 30).

Во всех рассмотренных вариантах количество вводимых через патрубок 3 сред зависит от наличия и величины вакуума в зоне III (при условии: постоянных параметрах активной и пассивных сред, вводимых в зону II). В зоне III вакуум ≈ 80 кПа будет сохраняться постоянным при увеличении давления смеси на выходе до ≈ 500 кПа, а при дальнейшем увеличении давления за аппаратом до 700 кПа вакуум постепенно уменьшается до нуля, и таким образом количественный состав смеси можно устанавливать непосредственно за счет изменения давления смеси на выходе, например, регулирующим вентилем, установленным на выходе из устройства или непосредственно у потребителя.

Преимуществом предлагаемого способа по сравнению с прототипом является то, что возможно существенно увеличить коэффициенты инжекции и расширить виды и параметры сред, (газообразные, с высокой температурой, большой вязкостью, с включениями твердых частиц и др.), которые можно использовать для смешения и сжатия в струйных аппаратах.

Сущность изобретения: подают активную и пассивную среды, их смешивают с формированием сверхзвукового потока. Подводят дополнительный активный и/или пассивный поток и смешивают его со сверхзвуковым потоком с формированием окончательного количественного состава смеси. Осуществляют адиабатное вскипание пассивной среды перед ее смешением с активной средой. Образовавшийся при вскипании пар используют в качестве дополнительной пассивной среды. Регулируют количественный состав смеси сред на выходе путем изменения величины давления этой смеси. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ СМЕШЕНИЯ И СЖАТИЯ СРЕД В СТРУЙНОМ АППАРАТЕ, включающий подачу активной и пассивной сред, их смешение с формированием сверхзвукового потока и подвод дополнительного активного и/или пассивного потоков и смешение его с двухфазным сверхзвуковым потоком с формированием окончательного количественного состава смеси, отличающийся тем, что осуществляют адиабатное вскипание пассивной среды перед ее смешением с активной средой, а образовавшийся при вскипании пар используют в качестве дополнительной пассивной среды. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируют количественный состав смеси сред на выходе путем изменения величины давления этой смеси.