ЭЖЕКТРОР Российский патент 1997 года по МПК F04F5/02 

Изобретение относится к эжекторам, применяемым в различных отраслях техники преимущественно для утилизации нефтяных газов в системе сбора, подготовки нефти, газа и воды в составе насосно-эжекторных установок.

Известен эжектор, содержащий корпус, в котором установлен сопловой аппарат с соплом, к которому под углом подсоединен патрубок пассивного потока и к корпусу подсоединен конфузор, связанный с камерой смешения, подключенной к диффузору [1]
Недостатком эжектора-аналога, в котором ось сопла к площади поперечного сечения соплового аппарата составляет 90^o, является то, что при откачке пассивной среды с плотностью соизмеримой с плотностью активной среды, в результате взаимодействия струи активной среды с потоком пассивной среды происходит изменение направления движения потока смеси активного и пассивного сред. В результате изменения направления движения потока, смесь не вписывается равномерно в поперечное сечение камеры смешения. Это приводит к увеличению потерь энергии процесса поступления смеси в камеру смешения, что вызывает снижение КПД эжектора.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является эжектор, содержащий корпус, в котором установлен сопловой аппарат с соплами и к которому под углом подсоединен газовый патрубок и при этом к корпусу подсоединен конфузор, сообщенный с камерой смешения, связанной с диффузором [2]
Недостатком эжектора-прототипа, в котором ось сопла к площади поперечного сечения соплового аппарата составляет 90^o, является то, что при откачке пассивной среды-воздуха струей активной среды жидкостью (водой) в результате взаимодействия изменяется направление движения струи активной среды. Для эжекторов, установленных вертикально, под воздействием силы земного тяготения происходит изменение направления движения струи активной среды. В результате изменения направления движения потока водовоздушной смеси эта смесь "не вписывается" равномерно в поперечное сечение камеры смешения. Это приводит к снижению КПД эжектора.

Задача изобретения повышение КПД эжектора.

Задача достигается тем, что угол между плоскостью перпендикулярной к оси эжектора и плоскостью среза соплового аппарата находится в диапазоне от 0 до 7 градусов при относительном смещении осей соплового аппарата и эжектора, вычисляемом по формуле

где Δ абсолютное смещение между осями соплового аппарата и эжектора;
d_c диаметр сопла;
i число сопел в сопловом аппарате, которое находится в диапазоне 0 - 0,1.

Существенным отличием от прототипа является то, что угол между плоскостью перпендикулярной к оси эжектора и плоскостью среза соплового аппарата находится в диапазоне от 0 до 7 градусов при относительном смещении осей соплового аппарата и эжектора, вычисляемом по формуле

где Δ абсолютное смещение между осями соплового аппарата и эжектора;
d_c диаметр сопла;
i число сопел в сопловом аппарате, которое находится в диапазоне от 0 до 0,1.

На фиг. 1 представлены принципиальная схема эжектора; на фиг. 2 - принципиальная схема эжектора со смещенными осями соплового аппарата и эжектора; на фиг. 3 и 4 лабораторный эжектор; на фиг. 5 модель взаимодействия движения активной и пассивной сред; на фиг. 6 схема движения струи.

При описании эжектора (фиг. 1 6) использованы следующие обозначения:
1 корпус;
2 сопловой аппарат;
3 патрубок пассивного потока;
4 конфузор;
5 камера смешения;
6 диффузор;
7 плоскость перпендикулярная к оси эжектора;
8 плоскость среза соплового аппарата;
9 ось эжектора;
10 сопло;
11 ось соплового аппарата;
12 быстроразъемное соединение;
13 подставка с резьбовым выдвижным держателем;
a угол между плоскостью перпендикулярной к оси эжектора и плоскостью среза соплового аппарата;
D абсолютное смещение осей соплового аппарата и эжектора;
h₁ смещение на входе в камеру смешения после взаимодействия активной и пассивной сред;
h₂ смещение на входе в камеру смешения под воздействием силы земного тяготения;
b₁ угол отклонения струи активной среды после ее взаимодействия с пассивной средой;
β₂ угол отклонения струи активной среды под воздействием силы земного тяготения.

Эжектор (фиг. 1) состоит из корпуса 1, в котором установлен сопловой аппарат 2 и соплами 10. К корпусу под углом подсоединен патрубок пассивной среды 3. К корпусу 1 подсоединен конфузор 4. К конфузору 4 подключена камера смещения 5, связанная с диффузором 6. Между плоскостью перпендикулярной к оси эжектора 7 и плоскостью среза соплового аппарата 8 образуется угол α.

На фиг. 2 показан эжектор со смещенными осями соплового аппарата 11 и эжектора 9 на величину абсолютного смещения D.

Описание фиг. 3 6 следует дальше.

Эжектор (фиг. 1 и 2) работает следующим образом.

В эжектор корпус 1 под давлением подается активная среда, которая истекает через сопла 10 соплового аппарата 2. Струя активной среды увлекает пассивную среду, которая поступает через патрубок пассивной среды 3. Пассивная среда совместно с струями (струей) активной среды поступает через конфузор 4 в камеру смешения 5. В камере смешения 5 происходит разрушение струи активной среды и образование смеси, состоящей из активной и пассивной сред. В камере смешения происходит повышение давления за счет преобразования кинетической энергии движения струи активной среды в потенциальную энергию давления смеси активной и пассивной сред. Из камеры смешения смесь активных и пассивных сред направляется в диффузор 6, где происходит дальнейшее сжатие потока, за счет его расширения. Из диффузора смесь активных и пассивных сред направляется по назначению. Для повышения КПД эжектора необходимо, чтобы угол a (фиг. 1) между плоскостью перпендикулярной к оси эжектора 9 и плоскостью среза соплового аппарата 8 находился в диапазоне от 0 до 7 градусов, при относительном смещении (фиг. 2) оси 11 соплового аппарата 2 и оси эжектора 9, которое находится в диапазоне от 0 до 0,1, где относительное смещение вычисляется по формуле

где Δ абсолютное смещение между осями соплового аппарата и эжектора,
d_с диаметр сопла;
i число сопел в сопловом аппарате.

Значение угла a и относительного смещения d установлены на основании экспериментальных исследований, которые были проведены в Ивано-Франковском институте нефти и газа на стенде, позволяющем испытывать натурные образцы эжекторов.

В качестве активной среды использовалась вода, а в качестве пассивной среды воздух.

В стенде оборудование соединено между собой в последовательности: сепаратор насосный блок эжектор сепаратор. Насосный блок состоит из двух насосов 4К-6 и ЦНС 60-198, которые обвязаны таким образом, что могут работать в отдельности и последовательно по схеме 4К-6 и ЦНС 60-198. Стенд оборудован контрольно-измерительными приборами.

Принцип работы стенда по исследованию эжекторов состоит в следующем.

Насос (насосы) откачивает воду из сепаратора и подает под давлением на сопловой аппарат эжектора, вода истекает через сопла. Струи воды увлекают воздух, который поступает по газовой линии с газовым счетчиком РГ-250, в патрубок пассивного потока. Струи воды и воздух через конфузор поступают в камеру смешения, где происходит образование газожидкостной смеси и сжатие газа в ее составе. Дальнейшее сжатие газожидкостной смеси происходит в диффузоре. Из эжектора газожидкостная смесь направляется в сепаратор где происходит разделение на воду и воздух. Из сепаратора воздух сбрасывается в атмосферу, а вода вновь откачивается насосом (насосами) и подается на эжектор. Таким образом, вода в стенде циркулирует по замкнутому контуру: сепаратор насосный блок эжектор сепаратор, осуществляя при этом откачку, сжатие и транспорт газа.

Техническая характеристика стенда
Производительность эжектора по газу, нм³/сут. До 5000
Давление откачиваемого воздуха на входе эжектором, МПа Менее 0,1
Давление (наибольшее) рабочей жидкости на входе в эжектор, МПа 2,5
Сепаратор
Объем, м³ 2,7
Количество, шт 1
Насосы:
4К-6: шт. 1
ЦНС 60-198, шт 1
Схема движения воды в стенде Замкнутая
В процессе испытаний измерялись следующие показатели:
P_г давление воздуха на входе в эжектор, МПа;
P_ж давление воды на входе в эжектор, МПа;
P_см давление газожидкостной смеси на выходе эжектора (за диффузором) МПа;
Q_г расход воздуха, приведенный к условиям всасывания в эжекторе, т.е. при давлении P_г;
Q_ж расход воды, перекачиваемый через эжектор;
P_Б барометрическое давление;
t_ж температура воды на входе эжектора;
t_в температура откачиваемого воздуха.

Для определения этих показателей использовались следующие контрольно-измерительные приборы:
для замера расхода газа газовый счетчик типа РГ-250;
для замера расхода воды водяной счетчик типа ВТГ100;
для измерения давления образцовые манометры и вакууметры с классом точности 0,4;
для измерения температуры технические термометры с ценой деления 1^oC.

Экспериментальный эжектор имел следующие размеры проточной части:
Сопловой аппарат
Число сопел 7
Профиль сопла Короткий цилиндрический насадок со скругленным входом
Диаметр сопла, сс 7,4
Расстояние между плоскостью среда соплового аппарата и плоскостью поперечного сечения камеры смешения при 0, мм 200
Камера смешения
Диаметр, мм 50
Длина, мм 1550
Диффузор
Входной диаметр, мм 50
Выходной диаметр, мм 98
Угол конусности, град 8
Расположение Эжектор размещен горизонтально
Конструкция эжектора (фиг. 3) позволила исследовать и изменять угол a между плоскостью перпендикулярной к оси эжектора и плоскостью среза соплового аппарата в пределах 0 5 градусов. Это достигалось, за счет применения между корпусом и конфузором не жесткого (быстроразъемного) соединения 12 (фиг. 4). При этом, конфузор, камера смешения и диффузор были жестко соединены между собой при помощи фланцевых соединений. Изменение угла a велось путем варьирования высоты расположения корпуса эжектора и диффузора при помощи подставок с резьбовыми выдвижными держателями. Высоты расположения корпуса и диффузора измерялись при помощи линейки с ценой деления 1 мм.

На фиг. 3 показан лабораторный эжектор, где a 0, а на фиг. 4 показан эжектор, где при исследованиях a ≠ 0.

Исследование влияния смещения осей соплового аппарата и эжектора велось с применением специальных шайб, в которые устанавливался сопловой аппарат.

Влияние показателей a и δ на работу эжектора оценивалось по величине статического изотермического КПД, вычисляемого по формуле

где P_п давление насыщенных паров воды;
U объемный коэффициент эжекции.

Величина объемного коэффициента эжекции вычисляется по формуле

Результаты исследований о влиянии величины α на эксплуатационные показатели эжектора при различных значениях P_ж и P_г приведены в табл. 1.

В таблице приведены значения КПД соответствующие оптимальному режиму, т. е. режиму с максимальным КПД.

Из полученных данных следует.

Значение угла a оказывает влияние на КПД эжектора.

Эффективность (КПД) эжектора повышается на 0,02 (т.е. на 2%) при значениях a, которые находятся в диапазоне (0 1,5) градуса. При дальнейшем увеличении величины a происходит снижение КПД эжектора.

При увелчении перепада давления на сопловом аппарате (P_ж - P_г) степень влияния значения a на КПД эжектора снижается.

Причины изменения КПД эжектора объясняются на основании анализа модели течения струй воды и воздуха на участке: срез соплового аппарата вход в камеру смешения.

Анализ модели течения.

На фиг. 6 приведена схема движения жидкости на участке срез соплового аппарата вход в камеру смешения.

На фиг. 5 представлена модель взаимодействия активной и пассивной сред.

При истечении струи из сопла она изменяет направление движения вследствие:
1) воздействия пассивной среды на струю активной среды в момент увлечения активным потоком пассивного;
2) воздействия силы земного тяготения (для эжекторов расположенных не вертикально).

Расчет показателей струи.

При определении показателей струи приняты следующие допущения:
1. Эжектор расположен горизонтально.

2. Пассивная среда воздействует на струю активной среды непосредственно после истечения из сопла.

3. Для эжекторов, где активная среда жидкость, а пассивная среда газ, и учитывая, что пассивная среда полностью уносится активной средой, то в момент их взаимодействия скорости активной (V₁) и пассивной (V₂) сред равны, т. е. V₁ V₂
1. Определение угла отклонения струи активной среды и смещения при взаимодействии с пассивной средой.

1.1 Уравнение сохранения количества движения, взаимодействующих сред имеет вид
m₁V₁ + m₂V₂ (m₁ + m₂)V_см, (4)
где m₁ масса активной среды,
m₂ масса пассивной среды, увлекаемая активной средой,
V₁ скорость пассивной среды в момент ее воздействия с активной средой,
V₂ скорость активной среды при истечении из сопла,
V_см скорость смеси активной и пассивной сред после их взаимодействия.

Графически это уравнение (4) при взаимодействии сред под углом 90^o представлено на фиг. 5.

1.2. Угол b₁, характеризующий отклонение струи активной среды после ее взаимодействия с пассивной средой (фиг. 5) определяется из выражения

Учитывая, что V₁ V₂ выражение (5) примет вид

1.3. Величина смещения h₁ (фиг. 6) струи (потока смеси) на входе в камеру смешения определяется по выражению
h₁= L tg β₁, (7)
где L расстояние между срезом соплового аппарата и входом в камеру смешения или

2. Отклонение струи под воздействием силы земного тяготения.

2.1. Под воздействием силы земного тяготения смещения струи вычисляется по формуле

где g ускорение земного тяготения,
t время движения потока на участке срез соплового аппарата вход в камеру смешения.

2.2. Величина определяется по выражению

где V_ср средняя скорость потока на участке срез соплового аппарата вход в камеру смешения.

2.2. Значение средней скорости вычисляется по выражению

где V₃ скорость потока на входе в камеру смешения.

2.3.1. Скорость струи, при истечении из сопла

где Q_ж расход жидкости перекачиваемой через эжектор,
i число сопел в сопловом аппарате,
S_с поперечная площадь сопла на срезе соплового аппарата

где d_c диаметр сопла.

2.3.2. Скорость потока (V₃) на входе в камеру смешения, при допущении, что на вход в камеру смешения поступает только расширившаяся, вследствие турбулентности, струя активной среды вычисляется по формуле

где S_p.c площадь поперечного сечения расширившейся струи активной среды на входе в камеру смешения.

2.4. Смещение струи под воздействием силы земного тяготения после подстановки в формулу (9) формул (10 и 11), вычисляется по выражению

3. Суммарное смещение потока на входе в камеру смещения вычисляется по выражению
H h₁ + h₂ (15)
4. Угол (β₂) отклонения потока активной и пассивной сред от оси сопла из-за взаимодействия активной и пассивной сред вычисляется из выражения

Численный пример расчета n показателей смешения струи.

Расчет выполнен для эжектора, который работает на режиме с параметрами (табл. 1)
P_ж 0,6 МПа; P_г 0,095 МПа, Q_ж 9,2774 • 10^-3 м³/с; m₁ 1000 г; m₂ 10 г; g 9,81 м/с² L 200 мм; i 7.

Значение массы m₂ 10 г пассивной среды, увлекаемой m₁ 1 кг активной средой в расчетах принято с учетом следующего.

Визуальные наблюдения процесса течения струй воды на участке сред соплового аппарата вход в камеру смещения показатели, что вокруг струи воды образуется слой, в котором находится капельная жидкость во взвешенном состоянии. Воздух, который увлекается струей входа проходит через слой капельной влаги и смешивается с ней. Таким образом, в действительности со струей жидкости контактирует не чистый воздух, а смесь, состоящая из воздуха и капельной влаги, плотность и масса которой выше плотности воздуха. На основании этого принято, что масса пассивной среды, увлекаемой единицей массы (m₁ ≃ 1 кг) воды составляет m₂ ; 10 г.

После подстановки численных значения у формулы (8) (16) имеем


d_c 7,4 мм диаметр сопла в исследуемом эжекторе.

По визуальным наблюдениям процесса течения воды и воздуха в эжекторе на модели из органического стекла установлено, что на входе в камеру смешения струи воды полностью заполняют камеру смешения. В вертикальной плоскости соплового аппарата находятся 3 сопла, и при истечении из которых струи воды заполняют камеру смешения диаметром до 50 мм.

Из этого следует, что диаметр расширившейся струи на входе в камеру смешения составляет
d_р.с. 50 3 16,6 мм. Для расчетов принимает d_р.с.=16 м. Тогда

После подстановки имеем, что

Результаты обработки результатов экспериментов для различных режимов работы приведены в табл. 2. Из полученных данных следует, что при движении струи происходит ее отклонение от оси сопла. Это отклонение зависит от величины P_ж, P_г, Q_ж и в нашем случае достигло 0,73 градуса.

Полученные результаты (табл. 2) свидетельствуют о том, что струя на участке срез соплового аппарата вход камеру смешения изменяет свое положение и повышение КПД эжектора (табл. 1) на 0,02 (т.е. 2%) достигается, за счет того, что поток (активной и пассивной сред) "вписывается" в камеру смешения, положение которой изменено и характеризуется величиной угла α.

Таким образом, для эжектора (табл. 1), в котором активная среда - жидкость и пассивная среда газ повышение КПД эжектора (на 0,02 (т.е. 2%)) достигается, когда значение a находится в диапазоне от 0 до 1,5 градусов.

Исследования величины смещения осей соплового аппарата и эжектора (фиг. 2) выполнены с применением специальных шайб (акт исследований). Абсолютное смещение (Δ) между осями соплового аппарата и эжектора были 2 мм и 4 мм.

При работе эжектора
с P_ж 0,6 МПа, P_г 0,095 МПа и α 0,5 градусов получены следующие данные: при

При Δ 2 мм a 0,5 градусов КПД эжектора (h 0,286) выше чем КПД эжектора (h 0,275) при D 0 и a 0 (табл. 1).

Величину смещения осей удобно представить в виде относительного смещения, вычисляемого по формуле

где Δ абсолютное смещение между осями соплового аппарата и эжектора,
d_э -эквивалентный диаметр сопла.

Значение d_э вычисляется на основании следующего.

Эквивалентная площадь сопел вычисляется из выражения

где i число сопел в сопловом аппарате,
d_c диаметр сопла
Значение

Тогда

В нашем случае
d_c 7,4 мм; i 7; и при Δ 2 мм

Таким образом, в эжекторе, где активная среда-жидкость, а пассивная среда газ, повышение КПД эжектора достигается когда угол (α) между плоскостью перпендикулярной к оси эжектора и плоскостью среза соплового аппарата находится в диапазоне от 0 до 1,5 градусов при относительном смещении (δ) осей соплового аппарата и эжектора, которое находится в диапазоне от 0 до 0,1.

Для эжекторов, где активный и пассивный потоки жидкость (вода), процесс движения активных и пассивных потоков совершенно отличный от процесса движения активного и пассивного потоков в эжекторе, где активная среда жидкость, а пассивная среда газ.

Для эжекторов (активная и пассивная среда жидкость) на участке сред соплового аппарата вход в камеру смешения пассивный поток движется через однородную среду (жидкость), которой полностью заполнен корпус эжектора. В этом случае, угол β₁ характеризующий отклонение струй активной среды после взаимодействия с потоком пассивной среды, зависит уже в основном от скоростей движения взаимодействующих активной и пассивной сред (при соизмеримости плотностей сред).

При равенстве плотностей активной и пассивной сред и равенстве масс пассивной среды, увлекаемой активной средой, формула (5) принимает вид

Отклонение струи активной среды под воздействием силы земного тяготения для эжектора, где активная и пассивная среда жидкость происходить не будет, так как корпус эжектора всегда полностью заполнен жидкостью, которая является неупругой средой.

Таким образом, в эжекторе где активная и пассивная среды жидкость, отклонение струи активной среды после истечения из соплового аппарата пройдет только в результате от взаимодействия сред.

Для эжекторов, где активный и пассивный потоки жидкость экспериментально установлено, что скорость струи активной среды при истечении из сопла соплового аппарата достигает до 80 м/с, а пассивной среды до 10 м/с.

Таким образом, для эжекторов где активная и пассивная среды жидкость

что соответствует β₁≃ 7 град.
С учетом полученных данных, для эжекторов с разнообразными физико-химическими свойствами активной и пассивной сред, повышение КПД эжектора достигается, когда угол (α) между плоскостью перпендикулярной к оси эжектора и плотностью среза соплового аппарата находится в диапазоне от 0 до 7 градусов при относительном смещении (δ) осей соплового аппарата и эжектора, которое находится в диапазоне от 0 до 0,1.

Предлагаемый эжектор целесообразен и экономически выгоден. Покажем это на конкретном примере.

В НГДУ "Краснокамскнефть" производственного объединения "Пермнефть" планируется к внедрению предлагаемый эжектор. На нефтегазосборном пункте "Опалиха" требуется утилизировать нефтяной газ в объеме 12000 15000 нм³/сутки при давлении 0,14 0,20 МПа и сжимать до давления 0,6 0,7 МПа. Ожидаемый экономический эффект от использования предлагаемого эжектора составит 120 тыс.руб. в год в ценах 1995 года.

При использовании 4 эжекторов, в производственном объединении "Пермнефть" для утилизации нефтяного газа ожидаемый годовой экономический эффект составит 590 тыс.руб. в ценах 1995 года.

Таким образом, предлагаемый эжектор целесообразен и экономически выгоден.

Использование: в области струйной техники, в частности в эжекторах для утилизации нефтяного газа. Сущность изобретения: в эжекторе угол между плоскостью перпендикулярной к оси эжектора с плоскостью среза соплового аппарата 2 находится в диапазоне от 0 до 7^o при относительном смещении осей соплового аппарата 2 и эжектора, определяемом из расчетной формулы

где дельта - абсолютное смещение между осями эжектора и соплового аппарата; d_c - диаметр сопла; i - число сопел в сопловом аппарате и лежащем в диапазоне от 0 до 0,1. 6 ил., 2 табл.

Эжектор, содержащий корпус, где установлен сопловой аппарат с соплами и к которому под углом подсоединен патрубок пассивной среды, при этом к корпусу подсоединен конфузор, сообщенный с камерой смешения, подключенной к диффузору, отличающийся тем, что угол между плоскостью, перпендикулярной к оси эжектора, и плоскостью среза соплового аппарата находится в диапазоне от 0 до 7^o при относительном смещении осей соплового аппарата и эжектора, вычисляемой по формуле

где Δ - абсолютное смещение между осями соплового аппарата и эжектора;
α_c- диаметр сопла;
i число сопл в сопловом аппарате,
которое находится в диапазоне от 0 до 0,1.