ЖИДКОСТНО-ГАЗОВЫЙ ЭЖЕКТОР Российский патент 1999 года по МПК F04F5/04 

Изобретение относится к струйной технике, в частности к жидкостно-газовым эжекторам, и может быть использовано в системах компрессии газа жидкостью, например, при вакуумировании конденсаторов паровых турбин или других емкостей.

Известна водоструйная эжекторная установка для отсоса воздуха из конденсатора паровой турбины, снабженного циркуляционным водоводом охлаждения с напорной и сливной линиями, содержащая два эжектора с активными и пассивными соплами и диффузорами (патрубками), первый из которых по ходу эжектируемой среды пассивным соплом соединен с конденсатором. Данная установка снабжена насосом, подсоединенным к активному соплу второго эжектора и к сливной линии, диффузор второго эжектора соединен с последней за местом подключения к ней насоса по ходу воды в циркуляционном водоводе, а активное сопло первого эжектора соединено с напорной линией (см. А.с. 1418499 СССР, МКИ⁶ F 04 F 5/04, F 28 B 9/10. Водоструйная эжекторная установка для отсоса воздуха из конденсатора паровой турбины. Заявл. 03.02.87, опубл. 23.08.88).

В рассматриваемой эжекторной установке сжатие отсасываемого из конденсатора воздуха осуществляется в два этапа посредством двух эжекторов с диффузорами, установленных последовательно. При этом диффузор первого эжектора (по ходу эжектируемой среды) соединен с пассивным соплом второго эжектора с помощью трубопровода.

Недостатком такой конструкции является низкая эффективность жидкостно-газовых эжекторов с расширяющимися диффузорами, обусловленная в значительной мере большими потерями полного давления в прямом скачке уплотнения, переводящем сверхзвуковой поток двухфазной смеси в дозвуковой, что приводит в конечном итоге к существенному уменьшению полного давления смеси, снижение коэффициента эжекции и КПД установки.

Кроме того, наличие соединительного трубопровода для подачи эжектируемой среды от первой ступени сжатия ко второй приводит к дополнительным потерям энергии на гидравлических сопротивлениях в указанном трубопроводе, снижению надежности и увеличению габаритов установки.

Для снижения потерь энергии в соединительном трубопроводе необходимо понизить кинетическую энергию потока смеси за первым эжектором. Для этого в упомянутом первом эжекторе должен быть предусмотрен диффузор, трансформирующий часть кинетической энергии в потенциальную. В пассивном сопле второго эжектора потенциальная энергия потока смеси трансформируется в кинетическую, что диктуется протеканием рабочего процесса в этом эжекторе. Таким образом, в рассматриваемой установке дважды происходит трансформация одного вида энергии в другой, что сопровождается дополнительными потерями энергии. Как следствие, происходит снижение КПД установки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является взятый в качестве прототипа жидкостно-газовый эжектор, содержащий сопло питания, приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды, камеру смешения и диффузор, состоящий из трех участков: входного - суживающегося, среднего - цилиндрического и выходного - расширяющегося (См. Статью: Васильев Ю.Н., Гладков Е.П. Экспериментальное исследование вакуумного водовоздушного эжектора с многоствольным соплом. Лопаточные машины и струйные аппараты: Сборник статей. Выпуск 5. - М.: Машиностроение, 1971, с. 264 - 270, рис.3).

Известный жидкостно-газовый эжектор при меньших осевых габаритах обеспечивает постепенное равномерное сжатие газожидкостной смеси за счет выполнения диффузора профилированным: имеющим сужение, цилиндрическую часть (горловину) и расширение, что придает ему свойства сверхзвукового диффузора. Торможение двухфазного потока в таком диффузоре, осуществляемое в системах косых скачков уплотнения, замыкаемых прямым, происходит с меньшими потерями энергии, но недостаточными для существенного повышения КПД.

При увеличении противодавления по сравнению с его расчетным значением, соответствующим предельному критическому режиму, рассматриваемый эжектор со сверхзвуковым диффузором скачкообразно изменяет режим работы, переходя на участок допредельных режимов, практически совпадающий с аналогичным участком характеристики эжектора с обычным расширяющимся диффузором. Таким образом, недостатками жидкостно-газового эжектора со сверхзвуковым диффузором являются неустойчивый режим работы и непредсказуемость характеристик, усложняющие его эксплуатацию в изменяющихся условиях.

Кроме того, возможности регулирования режима работы в анализируемом эжекторе ограничены, поскольку давление активного потока рассчитывается в зависимости от геометрических параметров эжектора, в частности в зависимости от площади горловины диффузора, которая является для каждого конкретного эжектора постоянной величиной.

Следует отметить также, что пульсации давления в камере смешения сопровождаются вибрациями конструкции эжектора, что снижает его надежность.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание жидкостно-газового эжектора, характеризующегося при уменьшенных габаритах и повышенном КПД более устойчивым режимом работы, исключающим возможность скачкообразного перехода с одного режима работы на другой, за счет принудительного подвода дополнительной энергии активного потока в зону смешения и обеспечения постепенного сжатия газа в два этапа, а также характеризующегося расширенными возможностями регулирования режима работы.

Следующей технической задачей, решаемой изобретением, является уменьшение вибраций и повышение надежности работы эжектора.

Для решения поставленной задачи в известном жидкостно-газовом эжекторе, содержащем сопло питания, приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды, камеру смешения и диффузор, состоящий из трех участков: входного - суживающегося, среднего - цилиндрического и выходного - расширяющегося, согласно изобретению эжектор снабжен дополнительным соплом питания с каналами подвода активной жидкости, установленным в концевом участке камеры смешения, причем срез дополнительного сопла питания расположен во входном участке диффузора.

Согласно изобретению дополнительное сопло питания снабжено радиальными продольными центрирующими ребрами, расположенными по всей длине сопла и выступающими за его пределы в камеру смешения со стороны подвода пассивной среды.

Согласно изобретению в каналах подвода активной жидкости установлены регулировочные дроссели.

Введением дополнительного сопла питания, установленного в концевом участке камеры смешения, срез которого расположен во входном участке диффузора, обеспечивается инициирование прыжка перемешивания в концевом участке камеры смешения благодаря дополнительным силам трения между газожидкостным потоком и поверхностями сопла. В прыжке перемешивания происходит предварительная компрессия газа и формирование квазиоднородной газожидкостной смеси. Вместе с тем, дополнительный подвод активной жидкости во входной участок диффузора обеспечивает последующее постепенное сжатие образованной в камере смешения газожидкостной смеси от исходного до выходного давления. В итоге суммарное повышение давления сопровождается меньшими потерями энергии, чем в системах косых скачков уплотнения, формируемых сверхзвуковым диффузором, что приводит к повышению КПД эжектора. При этом исключается возможность скачкообразного изменения режима работы при изменении условий эксплуатации, например при изменении выходного противодавления или давления активного потока.

Кроме того, дополнительное сопло питания создает условия для обеспечения устойчивой работы эжектора при одних и тех же габаритах эжектора в довольно широком диапазоне изменения условий за счет манипулирования соотношением давлений активной жидкости у первого и второго сопел питания в зависимости от конкретных режимов эксплуатации, что позволяет всякий раз избегать неустойчивого режима работы и расширяет возможности регулирования.

Снабжение дополнительного сопла питания радиальными продольными центрирующими ребрами, расположенными по всей длине сопла и выступающими за его пределы в камеру смешения со стороны подвода пассивной среды, обеспечивает соосность дополнительного сопла питания горловине диффузора, за счет чего устраняются возможные пульсации давления и повышается надежность. Одновременно упомянутые радиальные продольные ребра своей выступающей частью инициируют более ранний распад струй и, следовательно, более раннее формирование однородной газожидкостной смеси, независимо от условий работы, что предотвращает большие потери энергии, неизбежные при сжатии неоднородного газожидкостного потока. В то же время радиальные продольные ребра инициируют более раннее формирование прыжка перемешивания и удерживают его силами трения в области расположения дополнительного сопла питания, что повышает устойчивость работы эжектора. Радиальные продольные ребра, располагаясь в пространстве между дополнительным соплом питания и внутренней поверхностью камеры смешения, разделяют движущуюся двухфазную среду на отдельные потоки и снижают за счет этого пульсации давления, которыми сопровождается сам прыжок перемешивания, характеризующийся внезапным изменением структуры потока и повышением статического давления. В результате ко второму этапу сжатия суммарный поток подводится в виде более однородной газожидкостной смеси с малой пульсацией давления. Тем самым обеспечивается более устойчивая работа эжектора, снижается уровень пульсаций давления и повышается надежность.

Установка регулировочных дросселей непосредственно в каналах подвода активной жидкости позволяет регулировать давление питания дополнительного сопла в зависимости от конкретных режимов и обеспечивает тем самым минимальную продолжительность переходного процесса, устойчивую и эффективную работу эжектора в широком диапазоне параметров состояния газа и жидкости и геометрического параметра эжектора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен предлагаемый жидкостно-газовый эжектор в разрезе, на фиг. 2 - сечение А - А на фиг. 1.

Жидкостно-газовый эжектор содержит многоструйное сопло 1 питания, приемную камеру 2 с патрубком 3 подвода пассивной среды, цилиндрическую камеру 4 смешения и диффузор 5, состоящий из трех участков: входного 6 - суживающегося, среднего 7 - цилиндрического и выходного 8 - расширяющегося. Эжектор снабжен дополнительным соплом 9 питания, установленным в концевом участке камеры 4 смешения, причем срез сопла 9 расположен во входном суживающемся участке 6 диффузора 5. Дополнительное сопло 9 питания выполнено одноструйным и снабжено двумя симметричными каналами 10 для подвода активной жидкости (воды). В других вариантах выполнения сопло 9 может быть выполнено и многоструйным (не показано). В преимущественном варианте выполнения дополнительное сопло 9 питания снабжено радиальными продольными центрирующими ребрами 11, расположенными по всей длине сопла 9 и выступающими за его пределы в камеру 4 смешения со стороны подвода пассивной среды. При этом в каналах 10 подвода активной жидкости установлены регулировочные дроссели 12.

Жидкостно-газовый эжектор работает следующим образом.

При подаче давления высоконапорного потока жидкости в сопло 1 и дополнительное сопло 9 питания через каналы 10 формируются высокоскоростные струи жидкости, которые подсасывают пассивную среду (газ) из вакуумируемой емкости (не показана) в приемную камеру 2 и далее в камеру 4 смешения, где осуществляется начальный обмен энергиями между двумя средами в процессе их смешения. При обтекании образовавшимся двухфазным потоком поверхностей радиальных ребер 11 и дополнительного сопла 9 формируется бурная газожидкостная смесь и инициируется прыжок перемешивания, обеспечивающий компрессию газа и получение наиболее однородной газожидкостной смеси с минимальными потерями. Образовавшаяся на выходе из камеры 4 смешения однородная газожидкостная смесь увлекается активной струей, формируемой дополнительным соплом 9 питания, в профилированный диффузор 5, где происходит энергообмен между активной жидкостью и двухфазной средой в процессе их смешения и дальнейшее постепенное повышение статического давления. При этом исключается возможность скачкообразного изменения режима работы эжектора. В случае изменения противодавления за эжектором или давления всасывания давление активного потока перед соплом 9 может быть приведено к оптимальной величине в соответствии с новыми условиями эксплуатации с помощью регулировочных дросселей 12 с таким расчетом, чтобы исключить скачкообразное изменение режима работы эжектора. Такая регулировка может осуществляться как вручную, так и автоматически путем использования датчиков давления, устанавливаемых в соответствующих местах (датчики давления не показаны).

Таким образом, заявляемый жидкостно-газовый эжектор характеризуется более устойчивым режимом работы, исключающим возможность скачкообразного перехода с одного режима работы на другой за счет принудительного подвода дополнительной энергии активного потока в зону смешения и обеспечения постепенного двухступенчатого сжатия газа, а также расширенными возможностями регулирования режима работы в широком диапазоне параметров состояния газа и жидкости и геометрического параметра эжектора за счет возможности изменения соотношения давлений активного потока в соплах при изменении условий эксплуатации. Кроме того, благодаря введению дополнительного сопла питания с радиальными продольными центрирующими ребрами, позволяющего осуществлять сжатие эжектируемой среды на меньшей длине с меньшими потерями энергии, эжектор имеет уменьшенные осевые габариты и повышенный КПД. Изобретение может быть использовано в системах компрессии газа жидкостью в различных отраслях промышленности.

Жидкостно-газовый эжектор предназначен для компрессии газа жидкостью. Эжектор содержит сопло питания, приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды, камеру смешения и диффузор, состоящий из трех участков: входного сужающегося, среднего цилиндрического и выходного расширяющегося. Эжектор снабжен дополнительным соплом питания с каналами подвода активной жидкости, установленным в концевом участке камеры смешения, причем срез дополнительного сопла питания расположен во входном участке диффузора. В результате уменьшаются габариты и повышается КПД эжектора. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Жидкостно-газовый эжектор, содержащий сопло питания, приемную камеру с патрубком подвода пассивной среды, камеру смешения и диффузор, состоящий из трех участков: входного - сужающегося, среднего - цилиндрического и выходного - расширяющегося, отличающийся тем, что эжектор снабжен дополнительным соплом питания с каналами подвода активной жидкости, установленным в концевом участке камеры смешения, причем срез дополнительного сопла питания расположен во входном участке диффузора. 2. Эжектор по п.1, отличающийся тем, что дополнительное сопло питания снабжено радиальными продольными центрирующими ребрами, расположенными по всей длине сопла и выступающими за его пределы в камеру смешения со стороны подвода пассивной среды. 3. Эжектор по пп.1, 2, отличающийся тем, что в каналах подвода активной жидкости установлены регулировочные дроссели.