ЖИДКОСТНО-ГАЗОВЫЙ ЭЖЕКТОР Российский патент 1998 года по МПК F04F5/02 

Изобретение относится к струйной технике, в частности к жидкостно-газовым эжекторам, и может быть использовано в системах компрессии газа жидкостью и получения мелкодисперсных газо-жидкостных смесей.

Известен жидкостно-газовый эжектор, содержащий многоструйное активное сопло, форкамеру, камеру смешения и диффузор, в котором сопловые каналы размещены парами, а оси каналов каждой пары наклонены одна к другой и расположены к оси эжектора под углом, равным 2-10^o [1].

В известной конструкции эжектора обеспечивается попарное соударение струй жидкости. В результате соударения каждая пара струй, вытекающих из пары сопловых каналов, преобразуется в неустойчивую пелену в форме тонкой плоской ленты, легко дробящейся на капли. Таким образом, организация попарного соударения струй жидкости в значительной степени ускоряет процесс распада струй на капли, интенсифицирует процесс перемешивания жидкости с газом и увеличивает скорость газа в камере смешения до значений, близких к скорости жидкости.

Недостатком рассматриваемого жидкостно-газового эжектора является то, что в процессе попарного соударения струй неизбежны потери части кинетической энергии, что приводит в конечном итоге к увеличению потерь энергии в камере смешения к снижению КПД.

Кроме того, в известном эжекторе не предусмотрено каких-либо средств, стабилизирующих положение прыжка перемешивания в камере смешения и обеспечивающих управление рабочим процессом, что также приводит к снижению КПД эжектора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является взятый в качестве прототипа эжектор, содержащий сопловое устройство (струйный генератор), приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды и узел смешения, при этом сопловое устройство (струйный генератор) включает сопло питания с каналом подачи высоконапорной жидкости, рабочую камеру с профилированными боковыми стенками, сообщенную с соплом питания, каналы управления (каналы обратной связи), подсоединенные к рабочей камере за соплом питания, а рабочая камера сообщена с приемной камерой посредством выходных каналов, снабженных активными соплами, оси которых параллельны продольной оси узла смешения. Количество сопел в известной конструкции равно двум. Узел смешения выполнен в виде двух отдельных камер, каждая из которых расположена соосно соответствующему активному соплу, кроме того, каналы управления (каналы обратной связи) сообщены соответственно с камерой смешения [2].

Известный эжектор работает в режиме автоматического регулирования рабочего процесса. Пассивная среда, эжектируемая активной струей, подводится в приемную камеру и далее в соответствующую камеру смешения, где происходит обмен энергией между активной и пассивной средами и повышение статического давления. Увеличение давления в камере смешения приводит к увеличению давления в соответствующем канале управления (канале обратной связи), и эжектор переключается на второй рабочий режим, т.е. происходит попеременное истечение активной струи то из одного сопла, то из другого. Поскольку каналы управления (каналы обратной связи) подключены к камерам смешения, то переключение струйного аппарата происходит только после завершения определенной стадии процесса смешения сред и имеет место авторегулирование пульсирующего режима работы эжектора. Это позволяет несколько повысить КПД эжектора и его устойчивость в работе, что особенно важно при переменных режимах работы.

Однако, в камерах смешения анализируемого эжектора не происходит дробления струй жидкости активного потока на капли и образования квазиоднородного двухфазного потока. Течение газо-жидкостной среды в этом случае происходит в виде чередующихся участков жидкости и газа, а процесс смешения сред завершается за пределами эжектора - в напорной трубе.

Таким образом, рассматриваемый эжектор не обеспечивает получения газо-жидкостных смесей.

Кроме того, каждое переключение режима работы эжектора приводит к выбросу части активной жидкости, поступившей в этот момент на вход соответствующей камеры смешения, назад в приемную камеру. Причем масса выброса тем больше, чем ближе площадь выходного сечения активного сопла к площади нормального сечения горловины камеры смешения. Выброс происходит под воздействием возросшего давления в газовом промежутке между предыдущим участком жидкости и поступившим вновь. В результате часть активной жидкости теряет скорость, перестает участвовать в процессе эжектирования и сама становится пассивной средой. Уменьшение диаметра активных сопел по отношению к диаметрам камер смешения для уменьшения объема активной жидкости, выбрасываемой в приемную камеру, не дает ожидаемого результата, так как в этом случае происходит потеря скорости активного потока за счет его растекания по всей площади нормального сечения камеры смешения.

Таким образом, рабочий процесс сопровождается любо большим выбросом части активной жидкости в приемную камеру, либо чрезмерной потерей скорости активного потока при его втекании в камеру смешения. И в том и в другом случае происходит существенное снижение КПД.

Кроме того, для обеспечения работоспособности рассматриваемого эжектора необходимы значительные осевые размеры узла смешения, обусловленные необходимостью размещения в камере смешения по крайней мере трех чередующихся участков жидкости и газа.

Основной технической задачей, решаемой изобретением, является создание жидкостно-газового эжектора с повышенным КПД, обеспечивающего компрессию газа жидкостью и получение газо-жидкостной смеси за счет интенсификации процесса распада активной струи при возможности управления им.

Другой задачей изобретения является создание жидкостно-газового эжектора, обеспечивающего равномерное распределение струй активной жидкости по нормальному сечению камеры смешения при уменьшении осевых размеров.

Следующей задачей изобретения является создание жидкостно-газового эжектора с повышенной надежностью и КПД при изменяющихся условиях эксплуатации, создающего дополнительное сопротивление для случайного выброса активной жидкости в приемную камеру через вентиляционные каналы и обеспечивающего снижение потерь энергии при втекании газа в рабочую камеру через вентиляционные каналы.

Следующей задачей изобретения является создание жидкостно-газового эжектора, обеспечивающего автоматическое управление сопловым устройством без внешнего источника импульсного давления.

Для решения поставленной задачи в известном жидкостно-газовом эжекторе, содержащем сопловое устройство, приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды и узел смешения, при этом сопловое устройство включает сопло питания с каналом подачи высоконапорной жидкости, рабочую камеру с профилированными боковыми стенками, сообщенную с соплом питания, каналы управления, подсоединенные к рабочей камере за соплом питания, а рабочая камера сообщена с приемной камерой посредством выходных каналов, снабженных активными соплами, оси которых параллельны продольной оси узла смешения, согласно изобретению рабочая камера сообщена с приемной камерой вентиляционными каналами, подсоединенными к ней на участках, примыкающих к местам подсоединения соответствующих выходных каналов, а узел смешения выполнен одноканальным.

В частных случаях изобретение имеет следующие варианты исполнения.

Согласно изобретению жидкостно-газовый эжектор снабжен по крайней мере одним дополнительным сопловым устройством.

Согласно изобретению угол между осями каждой пары вентиляционных и соответствующих выходных каналов выполнен тупым.

Согласно изобретению вентиляционные каналы снабжены гидравлическими диодами.

Согласно изобретению выходные каналы рабочей камеры подсоединены к каналам управления посредством каналов обратной связи.

Снабжение соплового устройства вентиляционными каналами, сообщающими рабочую камеру с приемной камерой и подсоединенными к ней на участках, примыкающих к местам подсоединения соответствующих выходных каналов, позволяет осуществлять насыщение струй активной жидкости газом за счет подсоса небольшого количества газа из приемной камеры через вентиляционные каналы еще до выхода струй непосредственно в приемную камеру, что способствует более эффективному дроблению струй активной жидкости в камере смешения и образованию квазиоднородного потока.

При наличии каналов управления, импульсно подающих управляющее давление, активная струя, переключаясь попеременно с одного выходного канала на другой, истекает в одноканальный узел смешения в виде прерывистых насыщенных газом струй, которые здесь дробятся на капли и увлекают газ в спутное движение.

Выполнение узла смешения одноканальным создает условия для формирования в канале равномерного газо-жидкостного потока с минимальным скольжением фаз, что в свою очередь обеспечивает компрессию газа в прыжке перемешивания при минимальной потере энергии активного потока. В результате повышается КПД эжектора.

Снабжение жидкостно-газового эжектора по крайней мере одним дополнительным сопловым устройством обеспечивает более равномерное распределение струй активной жидкости по нормальному сечению канала узла смешения, что приводит к созданию однородной газо-жидкостной среды на меньшей длине узла смешения. При этом процесс сжатия газа сопровождается минимальными потерями энергии, что в свою очередь способствует повышению КПД.

Выполнение угла между осями каждой пары вентиляционных и соответствующих выходных каналов тупым повышает сопротивление движения жидкости в вентиляционных каналах при случайном выбросе активной жидкости из рабочей камеры в приемную и снижает потери энергии при втекании газа в рабочую камеру. В результате снижется вероятность выброса активной среды в приемную камеру, повышается надежность и КПД эжектора.

Снабжение вентиляционных каналов гидравлическими диодами обеспечивает максимальное сопротивление движению жидкости из рабочей камеры в приемную и снижает сопротивление при втекании газа в рабочую камеру из приемной камеры. В результате исключается возможный выброс активной среды в приемную камеру при изменении режимов эксплуатации, повышается надежность эжектора и КПД.

Подсоединение выходных каналов рабочей камеры к каналам управления посредством каналов обратной связи позволяет осуществлять автоматическое управление струей активной жидкости, а именно, частотой ее переключения без внешнего источника импульсного давления за счет изменения давления в выходном канале и в соответствующем канале обратной связи. Введение автоматического регулирования режима работы приводит к повышению надежности и КПД эжектора.

На чертеже изображен жидкостно-газовый эжектор с одним сопловым устройством, продольный разрез.

Жидкостно-газовый эжектор содержит сопловое устройство 1, приемную камеру 2 с патрубком 3 подвода пассивной среды и узел 4 смешения. Сопловое устройство 1 включает сопло 5 питания с каналом 6 подачи высоконапорной жидкости, рабочую камеру 7 с профилированными боковыми стенками 8, 9, сообщенную с соплом 5 питания. К рабочей камере 7 на участке за соплом 5 питания подсоединены каналы 10, 11 управления. Рабочая камера 7 сообщена с приемной камерой 2 посредством выходных каналов 12, 13 с активными соплами соответственно 14, 15, оси которых параллельны продольной оси узла 4. Рабочая камера 7 сообщена с приемной камерой 2 также вентиляционными каналами 16, 17, которые подсоединены к ней на участках, примыкающих к местам подсоединения соответствующих выходных каналов 12, 13. Узел 4 смешения выполнен одноканальным.

В предпочтительном варианте исполнения жидкостно-газовый эжектор имеет дополнительно одно или несколько сопловых устройств 1, собранных в блок.

В одном из вариантов угол ϕ между осями каждой пары вентиляционных и соответствующих выходных каналов 16, 12 и 17, 13 выполнен тупым.

В другом варианте исполнения вентиляционные каналы 16, 17 снабжены гидравлическими диодами 18, 19.

В любом из вариантов исполнения выходные каналы 12, 13 рабочей камеры 7 могут быть подсоединены к каналам 10, 11 управления посредством каналов 20, 21 обратной связи.

Работа жидкостно-газового эжектора основана на эффекте притяжения струи к стенке (эффект Коанда) и отрыва ее от стенки под влиянием потоков (сигналов) управления.

При подаче давления питания к соплу 5 питания и отсутствии выходных сигналов в каналах 10, 11 управления активная струя примыкает к одной из стенок рабочей камеры 7, например к стенке 9, и поступает соответственно в выходной канал 12 с активным соплом 14. Одновременно с этим происходит подсос небольшого количества газа из вентиляционных каналов 16, 17 и насыщение активной струи газом. Подача сигнала управления от внешнего генератора колебаний (не показан) в канал управления 10, расположенный у стенки 9 примыкания струи, вызывает переброс активной струи к противоположной стенке 8 рабочей камеры 7 и переключение струи на другой выходной канал 13. В канале 12 в этот промежуток времени движение оставшейся жидкой массы происходит по инерции. При подаче сигнала в канал управления 11 происходит переключение активной струи на выходной канал 12, где осуществляется разгон жидкости и насыщение ее газом, а в канале 13 - движение по инерции. Под воздействием импульсного управляющего давления, подаваемого попеременно то на один, то на другой каналы 10, 11 управления, достигается истечение активной среды в одноканальный узел 4 смешения в виде прерывистых насыщенных газом струй. В узле 4 смешения формируется газо-жидкостный поток с минимальным скольжением фаз и происходит образование прыжка перемешивания, обеспечивающего компрессию газа и получение газо-жидкостной смеси с минимальными потерями энергии, что приводит к повышению КПД.

В предпочтительном варианте исполнения жидкостно-газового эжектора с дополнительными сопловыми устройствами 1, собранными в блок, достигается равномерное распределение струй активной жидкости по нормальному сечению одноканального узла 4 смешения при уменьшенных осевых размерах, что снижает потери энергии в процессе перемешивания сред и способствует повышению КПД.

При выполнении угла ϕ между осями каждой пары вентиляционных и соответствующих выходных каналов 16, 12 и 17, 13 тупым создается дополнительное сопротивление движению жидкости, препятствующее случайному выбросу активной жидкости в приемную камеру 2. В то же время такое выполнение снижает потери энергии при втекании газа в рабочую камеру 7.

Вариант исполнения жидкостно-газового эжектора с гидравлическими диодами 18, 19 в вентиляционных каналах 16, 17 обеспечивает максимальное сопротивление движению активной жидкости при случайной выбросе в приемную камеру 2 и снижение потерь энергии при втекании газа в рабочую камеру 7.

Как в том, так и в другом случае достигается повышение надежности и КПД.

Повышение КПД эжектора достигается и в другом варианте исполнения - при наличии каналов 20, 21 обратной связи, когда управление активной струей осуществляется автоматически самим сопловым устройством 1 путем изменения характеристик обратной связи, например, ее длины, сопротивления, емкости.

Таким образом, заявляемый жидкостно-газовый эжектор обеспечивает повышение КПД за счет интенсификации процесса распада активной струи при возможности управления этим процессом либо от внешнего генератора колебаний, либо в частном случае исполнения - в автоматическом режиме. Работа в режиме автоматического регулирования одновременно обеспечивает повышение надежности. При этом эжектор позволяет осуществлять компрессию газа и получение газо-жидкостной смеси. В частности, в случае исполнения повышение КПД эжектора достигается за счет равномерного распределения струй активной жидкости по нормальному сечению камеры смешения при снабжении эжектора дополнительными сопловыми устройствами. Такое исполнение позволяет одновременно уменьшить осевые габариты эжектора. В эжекторе предусмотрены средства, позволяющие предотвратить возможный выброс активной жидкости в приемную камеру через вентиляционные каналы, которые одновременно снижают сопротивление движения газа в рабочую камеру. Это приводит к повышению надежности и КПД эжектора при изменяющихся условиях эксплуатации. Жидкостно-газовый эжектор может найти применение в химической промышленности, энергетике, медицине и других отраслях народного хозяйства в системах компрессии газа жидкостью и получения мелкодисперсных газо-жидкостных смесей.

Использование: в области струйной техники. Сущность изобретения: рабочая камера жидкостно-газового эжектора сообщена с приемной камерой вентиляционными каналами, подсоединенными к ней на участках, примыкающих к местам подсоединения соответствующих выходных каналов, а узел смешения выполнен одноканальным. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Жидкостно-газовый эжектор, содержащий сопловое устройство, приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды и узел смешения, при этом сопловое устройство включает сопло питания с каналом подачи высоконапорной жидкости, рабочую камеру с профилированными боковыми стенками, сообщенную с соплом питания, каналы управления, подсоединенные к рабочей камере за соплом питания, а рабочая камера сообщена с приемной камерой посредством выходных каналов, снабженных активными соплами, оси которых параллельны продольной оси узла смешения, отличающийся тем, что рабочая камера сообщена с приемной камерой вентиляционными каналами, подсоединенными к ней на участках, примыкающих к местам подсоединения соответствующих выходных каналов, а узел смещения выполнен одноканальным. 2. Эжектор по п.1, отличающийся тем, что эжектор снабжен по крайней мере одним дополнительным сопловым устройством. 3. Эжектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что угол между осями каждой пары вентиляционных и соответствующих выходных каналов выполнен тупым. 4. Эжектор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что вентиляторные каналы снабжены гидравлическими диодами. 5. Эжектор по пп.1 4, отличающийся тем, что выходные каналы рабочей камеры подсоединены к каналам управления посредством каналов обратной связи.