ЖИДКОСТНО-ГАЗОВЫЙ ЭЖЕКТОР Российский патент 1997 года по МПК F04F5/02 

Изобретение относится к струйной технике, преимущественно жидкостно-газовым эжекторам, используемым в энергетике, химической и пищевой промышленности, в медицине для насыщения газом жидкости, компрессии газов или их удаления из различных емкостей, например конденсаторов паровых турбин.

Известен жидкостно-газовый эжектор, содержащий установленные последовательно активное сопло с патрубком подвода активной среды, приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды, камеру смещения и диффузор (Соколов Е.Н. Зингер Н.М. Струйные аппараты. Энергия. М. 1970, с. 200, рис. 7-2).

Недостатком жидкостно-газового эжектора такой конструкции является то, что камера смещения не обеспечивает последовательного осуществления в ней всех стадий процесса перемешивания и энергообмена сред, а именно: дробление струй жидкости на капли и образование газожидкостного потока со скольжением фаз, формирование зоны смещения с интенсивным сжатием газа и образование за ней квазиоднородного жидкостно-газового потока смеси без скольжения фаз друг относительно друга. Без осуществления в полном объеме перечисленных стадий процесса перемешивания в камере смешения сжатие газа в эжекторе сопровождается значительными потерями.

Кроме того, приемная камера, расположенная в известной конструкции между сопловым блоком и камерой смешения, образует расширенное пространство на выходе активных струй жидкости из сопловых отверстий, что способствует образованию застойных зон с малоэффективным вовлечением газа жидкостью. Это ослабляет процесс дробления струй на капли и ухудшает формирование квазиоднородной жидкостно-газовой смеси.

Все это приводит к неоправданному увеличению осевых габаритов эжектора и снижению КПД.

Известен жидкостно-газовый эжектор, содержащий соосные активное многоструйное сопло с патрубком подвода активной среды, камеру смешения, диффузор, приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды, расположенную коаксиально с камерой смешения на ее входном участке.

При этом длина камеры смешения оптимизирована и определяется из уравнения:
,
где D_см внутренний диаметр камеры смешения;
N число сопловых отверстий;
S_см площадь поперечного сечения камеры смешения;
S_отв. площадь выходного сечения соплового отверстия, кроме того, активное сопло снабжено цилиндрической центрирующей поверхностью, посредством которой сопло сопряжено с камерой смешения(авт. св. СССР N 1483106, кл. F 04 F 5/02, заявл. 30.12.85, опубл. 30.05.89).

В этой конструкции достигается некоторое сокращение осевых габаритов и повышение КПД эжектора за счет оптимизации длины камеры смешения, позволяющей завершить процесс перемешивания сред до диффузора, и частично за счет снижения потерь энергии в зоне смешивания, благодаря обеспечению соосности активного сопла и камеры смешения.

Однако, в конструкции не предусмотрено никаких дополнительных средств для интенсификации процесса дробления струй жидкости на капли в камере смешения, и дробление осуществляется естественным путем, что требует очень длинной камеры смещения до 20-40 диаметров. Большая длина, в свою очередь, приводит к увеличению потерь на трение и снижению КПД.

Кроме того, известная конструкция не обеспечивает достаточной надежности, так как не содержит никаких средств, инициирующих образование зоны смешения и стабилизирующих ее положение в камере смешения, что особенно важно при переменных режимах работы, когда положение зоны смешения неустойчиво.

При изменении противодавления (перепада давления на эжекторе) зона смешения может переместиться из смесительной камеры в диффузор или приемную камеру, причем с увеличением противодавления она перемещается в сторону приемной камеры, что приводит к ее затоплению и аварийной ситуации, а с уменьшением противодавления зоны смешения может оказаться в диффузоре, что также приводит к аварийной ситуации, так как в этих условиях характеристики эжектора непредсказуемы.

Технической задачей изобретения является
интенсификация процесса дробления струй жидкости активного потока и получение однородного двухфазного потока на меньшей длине камеры смешения, что приводит к уменьшению осевых габаритов камеры смешения и всего эжектора;
уменьшение потерь трения за счет снижения длины камеры смешения и, как следствие, повышение КПД эжектора;
инициирование зоны смешения сред и стабилизация ее положения в камере смешения и обеспечение устойчивости в работе, повышение надежности и КПД;
управление процессами дробления струй активного потока, инициирование зоны смешения и стабилизация ее положения в камере смешения, что обеспечивает эффективные режимы при переменных условиях работы.

Для решения поставленной технической задачи в известном жидкостно-газовом эжекторе, содержащем патрубок подвода активной среды, активное сопло, камеру смешения, диффузор, приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды, согласно изобретению, полость патрубка подвода активной среды сообщена с камерой смешения на ее входном участке посредством перепускных каналов, снабженных соплами управления, установленными в корпусе камеры смешения, и регулирующими дросселями.

Перепускные каналы дополнительно сообщены с камерой смешения на ее выходном участке посредством отводов, также снабженных соплами управления, установленными в корпусе камеры смешения, и регулирующими дросселями.

Сопла управления расположены симметрично вокруг оси камеры смешения.

Сопла управления установлены в корпусе камеры смешения с возможностью изменения их угла наклона относительно оси камеры смешения.

Перепускные каналы с соплами управления, сообщающие патрубок подвода активной жидкости с камерой смешения на ее входном участке, формируют поток управления, направленный при истечении в полость камеры смешения под углом к основному активному потоку. Струи (одна или несколько) потока управления, соударяясь со струей активного потока, отклоняет ее от основной траектории движения и одновременно дробят на ряд струек и капель. В случае многоструйного активного сопла отклоненные струи активного потока, взаимодействуя с другими струями, инициируют их более ранний распад. Все это приводит к интенсификации процесса перемешения сред в камере смешения и создает условия для более раннего формирования в ней зоны смешения, в которой происходит сжатие потока смеси с одновременным изменением его структуры.

В итоге потребная длина камеры смешения и потери энергии на трение в ней уменьшается, а КПД эжектора повышается.

Вместе с тем, направленные под углом к основному потоку струи потока управления будут создавать гидродинамическое сопротивление перемещению через них зоны смешения и препятствовать ее проникновению вверх (в приемную камеру) при увеличении противодавления за эжектором или снижении давления в приемной камере. Это позволяет удержать зону смешения в верхней части смесительной камеры при перепадах давления на эжекторе сверх номинальной величины и, как следствие этого, избежать аварийной ситуации, связанной с проникновением зоны смешения в приемную камеру.

Введение дополнительных отводов с соплами управления, сообщающих перепускные каналы с камерой смешения на ее выходном участке, инициирует появление зоны смешения в выходном участке камеры при номинальном перепаде давления на эжекторе, а при перепадах давления ниже номинальной величины обеспечивает стабилизацию положения зоны смешения в нижней части камеры смешения. Это достигается формированием дополнительного потока управления в нижней части камеры смешения, направленного при истечении в ее полость под углом (например, прямым) к основному двухфазному потоку. Струи дополнительного потока управления, воздействуя на основной двухфазный поток, несколько сужают его и способствуют, тем самым, формированию в потоке перед сужением зоны смешения. При снижении давления за эжектором зона смешения перемещается вниз по потоку, и давление в камере смешения в области расположения сопел управления отводов уменьшается. Это вызывает увеличение скорости истечения струй потока управления и их динамического воздействия на зону смешения. В результате гидродинамическое сопротивление перемещению зоны смешения в диффузор резко возрастает и вторая аварийная ситуация устраняется. Тем самым достигается устойчивая работа эжектора в условиях снижения противодавления.

Расположение сопел управления перепускных каналов и отводов симметрично вокруг оси камеры смешения, с одной стороны, способствует выравниванию по периметру радиальных нагрузок на камеру, а с другой, приближает течение жидкости и газа в ней к осесимметричному, которое сопровождается меньшими потерями энергии. В результате надежность и КПД эжектора повышаются.

Установка сопел управления в корпусе камеры смешения с возможностью изменения их углов наклона относительно ее оси позволяет изменением углов управлять процессами дробления струй активной жидкости, инициирования зоны смешения и стабилизации ее положения в камере и достигнуть, тем самым, наибольшей эффективности эжектора при переменных режимах его работы.

Размещение регулирующих дросселей на перепускных каналах управления и дополнительных отводах позволяет при изменении режимов настроить эффективную работу эжектора с наименьшими расходами потоков управления, что также повышает КПД эжектора. Кроме того, регулирующие дроссели позволяют при неисправности перепускных каналов или отводов вывести их из работы для выполнения ремонта, не отключая эжектор. Это повышает надежность работы эжектора в гидросистеме.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлен жидкостно-газовый эжектор в продольном разрезе.

Жидкостно-газовый эжектор содержит соосно установленные активное многоструйное сопло 1, камеру 2 смешения, диффузор 3, приемную камеру 4 с патрубком 5 подвода пассивной среды, патрубок 6 подвода активной среды. Полость патрубка 6 сообщена с камерой 2 смешения на ее входном участке 7 посредством перепускных каналов 8 с соплами управления 9. Последние установлены в корпусе камеры смешения либо в одном сечении, ортогональном оси камеры либо в нескольких нормальных сечениях входного участка 7 (не показано). При этом число сопел управления 9 выбирается исходя из оптимальных режимов работы эжектора и числа струй активного потока, формируемых активным соплом 1. Перепускные каналы 8 в предпочтительном варианте выполнения состоят из кольцевых камер 10, 11 и труб 12, причем камера 11 охватывает сопла управления 9. Возможно и иное выполнение перепускных каналов 8, например, без кольцевых камер путем непосредственного соединения труб 12 с соплами управления 9. Такое исполнение (не показано) предпочтительно для эжектора с одноструйным активным соплом, когда воздействовать на основную активную струю целесообразно в нескольких ее точках, расположенных вдоль ее длины во входном участке 7 камеры смешения 2. Перепускные каналы 8 снабжены регулирующими дросселями 13.

Перепускные каналы 8 дополнительно сообщены с камерой 2 смешения на ее выходном участке 14 посредством отводов 15, снабженных также соплами управления 16, установленных в корпусе камеры 2 смешения, и регулирующими дросселями 17. Сопла управления 16 могут располагаться как в одном нормальном сечении так и в нескольких нормальных сечениях выходного участка 14 камеры 2 смешения (не показано). Отводы 15 в предпочтительном варианте выполнения состоят из труб 18 и кольцевых камер 19, охватывающих сопла отводов 15, например, путем непосредственного соединения труб 18 с соплами управления 16 (не показано).

В оптимальном варианте выполнения жидкостно-газового эжектора сопла управления 9 и 16 установлены симметрично вокруг оси камеры смешения с возможностью изменения их углов наклона относительно указанной оси. Такое выполнение может быть реализовано, например, креплением сопел управления в корпусе камеры 2 посредством шаровых опор, каждая из которых может вращаться в плоскости, проходящей через ось соответствующего сопла управления и ось камеры смешения) (не показано). При этом поворот сопел управления в шаровых опорах на тот или иной угол может осуществляться посредством специальных тяг либо вручную, либо с помощью привода (не показано).

При работе эжектора активная жидкая среда, например вода, подается под большим напором через патрубок 6 к активному многоструйному соплу 1, на выходе из которого она приобретает большую скорость. Истекающие из активного сопла 1 струи жидкости (воды) попадают в камеру 2 смешения, 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 2 смешения через приемную камеру 4 с патрубком 5 отвода пассивной среды.

Одновременно в перепускном канале 8, сообщающем полость патрубка 6 подвода активной (высоконапорной) жидкости со входным участком 7 камеры 2 смешения, формируется поток управления. Высоконапорная жидкость, отбираемая в небольшом количестве из патрубка 6 и протекающая через кольцевую камеру 10 и трубы 12, попадает в кольцевую камеру 11, из которой истекает в виде струек через сопла управления 8 в камеру 2 смешения. В кольцевых камерах 10 и 11 осуществляется выравнивание давления. В камере 2 смешения струи потока управления, направленные под углом к ее оси, соударяются со струями активного потока и разбивают их на ряд отдельных струек и капель, за счет чего интенсифицируется процесс дробления активного потока и формирование равномерного газожидкостного потока осуществляется на меньшей длине. Это позволяет сократить длину камеры смешения и всего эжектора. За счет уменьшения длины сокращаются потери на трение и повышается КПД эжектора. Кроме того, благодаря установке кольцевой камеры 10 вокруг патрубка 6 подвода активной жидкости происходит выравнивание давления в поперечном сечении патрубка 6 и обеспечивается безотрывное течение жидкости перед соплом. Это приводит к уменьшению пульсаций в потоке, снижению вибраций патрубка 6 и к повышению надежности эжектора. Вместе с тем уменьшаются потери энергии за счет снижения сопротивления движению потока в подводящем патрубке 6.

При увеличении противодавления выше номинальной величины зона смешения перемещается вверх к приемной камере 4. Однако струи потока управления, создавая гидродинамическую завесу, препятствуют вытеснению зоны смешения из камеры 2 смешения и приемную камеру 4 и способствуют устранению аварийной ситуации.

Включением отводов 15 формируется дополнительный поток управления, протекающей из перепускных каналов 8 через трубы 18, кольцевую камеру 19, сопла управления 16 в камеру 2 смешения на ее выходном участке 14. Струи дополнительного потока управления, направленные под углом к вектору скорости основного газожидкостного потока, несколько сужают его и инициируют тем самым появление на выходном участке 14 перед сужением потока зоны смешения. В последней происходит изменение структуры газожидкостного потока и повышение статического давления. При снижении противодавления за эжектором зона смешения перемещается вниз по потоку и оказывается под влиянием струй дополнительного потока управления, гидродинамическое воздействие которых на зону смешения возрастает по мере ее продвижения к диффузору 3. Благодаря этому зона смешения удерживается в камере 2 смешения на ее выходном участке 14. В результате устраняется вторая аварийная ситуация, обусловленная непредсказуемостью характеристик эжектора при расположении зоны смешения в диффузоре 3.

Регулирующими дросселями 13 и 17 достигаются оптимальные режимы работы эжектора при минимальном расходе потока управления.

Процесс перемешивания и энергообмена двух потоков (активного и пассивного) завершается к выходному сечению камеры 2 смешения, из которой поток смеси поступает в диффузор 3. В последнем происходит трансформация части кинетической энергии потока смеси в потенциальную.

При изменении массового расхода отсасываемого воздуха или давлений перед и за эжектором регулированием углов наклона сопел управления 9 и 16 к оси камеры смешения настраивают рабочий процесс в эжекторе для новых условий работы с целью достижения наибольшего КПД. Причем поворотом сопел управления 9 на тот или иной угол управляют процессом дробления струй активной жидкости, а поворотом сопел управления 16 управляют процессом формирования зоны смешения и стабилизации ее положения в выходном участке 14 камеры 2 смешения.

Таким образом, предлагаемый жидкостно-газовый эжектор обеспечивает снижение осевых габаритов, повышение надежности и КПД.

Жидкостно-газовый эжектор может быть с успехом применен в энергетике на тепловых электрических станциях в качестве газоотводящих аппаратов вакуумных деаэрационных установок, конденсаторов паровых турбин, на предприятиях химической промышленности для вакуумирования емкостей, корпусов центробежных насосов, сифонных трубопроводов. В пищевой промышленности, например при производстве безалкогольных напитков, широко используют струйные аппараты для осуществления сатурации.

Использование: в струйной технике. Сущность изобретения: полость патрубка подвода активной среды жидкостно-газового эжектора сообщена с камерой смешения на ее входном участке посредством перепускных каналов, снабженных соплами управления, установленными в корпусе камеры смешения, и регулирующими дросселями. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Жидкостно-газовый эжектор, содержащий патрубок подвода активной среды, активное сопло, камеру смешения, диффузор и приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды, отличающийся тем, что полость патрубка подвода активной среды сообщена с камерой смешения на ее входном участке посредством перепускных каналов, снабженных соплами управления, установленными в корпусе камеры смешения, и регулирующими дросселями. 2. Эжектор по п. 1, отличающийся тем, что перепускные каналы дополнительно сообщены с камерой смешения на ее выходном участке посредством отводов, также снабженных соплами управления, установленными в корпусе камеры смешения, и регулирующими дросселями. 3. Эжектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сопла управления расположены симметрично вокруг оси камеры смешения. 4. Эжектор по пп.1 3, отличающийся тем, что сопла управления установлены с возможностью изменения их угла наклона относительно оси камеры смешения.