СПОСОБ РАБОТЫ НАСОСНО-ЭЖЕКТОРНОЙ УСТАНОВКИ И НАСОСНО-ЭЖЕКТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F04F5/54 

Изобретение относится к области струйной техники, преимущественно к насосно-эжекторным установкам для создания вакуума и сжатия газообразных сред.

Известен способ работы насосно-эжекторной установки, включающий подачу насосом в сопло жидкостно-газового эжектора под напором жидкой среды с формированием на выходе из сопла жидкостной струи и откачкой, за счет этого, газообразной среды с последующим смешением жидкой и газообразной сред и формированием газожидкостного потока, который отводят из эжектора в дренаж (см., Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты, Москва, Энергия, 1970, с. 214, 215).

Здесь же в выше указанной книге описана насосно-эжекторная установка, содержащая насос и жидкостно-газовый эжектор, при этом насос выходом подключен к соплу эжектора, входом откачиваемой газообразной среды эжектор подключен к источнику откачиваемой среды и выходом эжектор подключен к дренажу.

Данные способ и установка для его осуществления не нашли широкого промышленного применения, поскольку слив в дренаж газожидкостной смеси часто приводит к напряженной экологической обстановке, а сама установка требует большого расхода жидкой среды, что делает ее экономически мало привлекательной.

Наиболее близким к описываемому по технической сущности и достигаемому результату является способ работы насосно-эжекторной установки, включающий подачу насосом жидкой среды из сепаратора в сопло или несколько сопел жидкостно-газового эжектора, откачку за счет энергии жидкой рабочей среды, газообразной среды и формирование в эжекторе газожидкостного потока смеси сред с одновременным сжатием газообразной среды (см., RU, патент, 2091117, кл. В 01 D 3/10, 1997 ).

В этом же патенте Российской Федерации 2091117 описана наиболее близкая к изобретению по технической сущности и достигаемому результату насосно-эжекторная установка, содержащая сепаратор, насос, подключенный жидкостным входом к выходу насоса и газовым входом - к источнику откачиваемой газообразной среды.

В этой насосно-эжекторной установке и способе ее работы за счет расположения жидкостно-газового эжектора на высоте от 5 до 35 м на сепаратором достигается сокращение энергетических затрат за счет использования сил гравитации в напорной магистрали.

Однако отмеченный положительный эффект несет за собой и большой недостаток, связанный с тем, что увеличение высоты расположения струйного аппарата в сочетании его неотъемлемой частью - напорной магистралью приводит к резкому увеличению скорости газожидкостного потока в напорной магистрали. В результате на входе в сепаратор в месте выполнения гидравлического затвора скорость газожидкостного потока достигает сотен метров в секунду. В результате для обеспечения надежной работы сепаратора возникает необходимость усложнения конструкции сепаратора и в первую очередь элементов сепаратора воспринимающих эту нагрузку на себя. В конечном итоге это приводит к необходимости увеличения материалоемкости сепаратора и его габаритов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение надежности работы установки путем регулирования скорости подачи газожидкостного потока в сепаратор независимо от пространственного расположения жидкостно-газового эжектора (горизонтального или вертикального) и независимо от высоты расположения жидкостно-газового эжектора над сепаратором.

Указанная задача в части способа работы насосно-эжекторной установки достигается за счет того, что в способе ее работы, включающем подачу насосом жидкой среды из сепаратора в сопло или несколько сопел жидкостно-газового эжектора, откачку, за счет энергии жидкой рабочей среды, газообразной среды и формирование в эжекторе газожидкостного потока смеси сред с одновременным сжатием газообразной среды, газожидкостной поток подают из эжектора в камеру преобразования сверхзвукового потока, где газожидкостной поток подвергают резкому расширению в профилированном канале и, за счет уменьшения плотности газожидкостного потока до заранее заданной величины, обеспечивают режим течения со скоростью, не менее скорости звука в данном газожидкостном потоке, после чего газожидкостной поток направляют в профилированный канал, где в скачке давления поток тормозят и затем заторможенный до заданной расчетной скорости газожидкостной поток подают в сепаратор, где сжатый газ отделяют от жидкой рабочей среды.

При реализации данного способа работы для достижения заданной скорости потока на входе в сепаратор установка может быть снабжена несколькими камерами преобразования сверхзвукового потока для проведения нескольких расширений потока с организацией нескольких скачков давления с переводом потока на дозвуковой режим течения и ступенчатым торможением потока. Кроме того, в зависимости от конструкции сепаратора целесообразно тормозить газожидкостной поток до скорости от 4,6 до 450 м/с.

В части устройства, как объекта изобретения указанная выше задача решается за счет того, что в насосно-эжекторной установке, содержащей сепаратор, насос, подключенный входом к сепаратору и жидкостно-газовый эжектор, подключенный жидкостным входом к выходу насоса и газовым входом - к источнику откачиваемой газообразной среды, установка дополнительно снабжена камерой преобразования сверхзвукового потока, подключенной со стороны входа в нее к выходу эжектора и со стороны выхода из нее - к сепаратору, при этом камера преобразования сверхзвукового потока выполнена в виде профилированного, ступенчато расширяющегося по ходу потока канала.

Камера преобразования сверхзвукового потока со стороны входа в нее может быть сопряжена с выходным сечением камеры смешения или со стороны выхода камера преобразования сверхзвукового потока может быть сопряжена с входом в сепаратор.

В другом варианте выполнения насосно-эжекторной установки, содержащей сепаратор, насос, подключенный входом к сепаратору и жидкостно-газовый эжектор, подключенный жидкостным входом к выходу насоса и газовым входом - к источнику откачиваемой газообразной среды, установка снабжена не менее, чем одной камерой преобразования сверхзвукового потока, при этом со стороны вход в нее или в них к эжектору со стороны выхода из него газожидкостного потока, а со стороны выхода камера или камеры преобразования сверхзвукового потока подключена или подключены к сепаратору, причем в этом случае эжектор выполнен многосопловым и включает в себя камеру распределения жидкой рабочей среды с активными соплами со стороны выхода из нее, приемную камеру и, установленную соосно каждому соплу камеру смешения.

Каждая камера смешения со стороны выхода из нее может быть снабжена своей камерой преобразования сверхзвукового потока, многосопловой эжектор может быть снабжен сбросной камерой, установленной со стороны выхода из камер смешения, и камера преобразования сверхзвукового потока может быть подключена своим входом непосредственно к выходу сбросной камеры смешения.

Камера преобразования сверхзвукового потока может быть выполнена в виде двух ступенчато сопряженных патрубков, причем площадь поперечного сечения выходного по ходу потока среды патрубка к площади поперечного сечения входного патрубка может составлять от 1,05 до 10, а длина выходного патрубка может составлять не более где S - площадь поперечного сечения входного по ходу потока патрубка.

Профиль трубопровода за камерой преобразования сверхзвукового потока может быть постоянного поперечного сечения, сужающимся с углом конусности до 26^o или расширяющимся с углом конусности до 5 - 6^o. Что касается профиля камеры преобразования сверхзвукового потока и трубопроводов в поперечном сечении, то он не имеет существенного и может быть практически любым, например круглым, овальным, в виде какого либо многогранника и т.д.

Как показали проведенные исследования, на работу жидкостно-газового эжектора существенное значение может оказать величина противодавления на выходе из эжектора. В связи с этим необходимо было обеспечить торможение потока перед подачей его в сепаратор без какого-либо заметного увеличения противодавления.

Наиболее привлекательным оказалось использовать энергию самого потока для того, чтобы газожидкостной поток тормозил сам себя и при этом, чтобы система торможения была бы самонастраивающейся, т.е., если скорость потока не велика, то система не оказывает на течение потока какого либо существенного влияния и в тоже время, если скорость потока возрастает и начинает превышать какой либо заранее установленный предел, система начинает автоматически тормозить поток. Была создана камера преобразования сверхзвукового потока в которой газожидкостной поток подвергают резкому расширению в ступенчато расширяющемся канале. В результате при резком расширении газожидкостного потока, в основном за счет расширения его газообразной составляющей, резко уменьшают плотность газожидкостного потока, что приводит к резкому снижению скорости звука в данной газожидкостной среде и позволяет перевести поток на режим течения со звуковой или сверхзвуковой скоростью, затем поток направляют в трубопровод, чаще всего имеющий площадь поперечного сечения равную площади поперечного сечения выходного сечения камеры преобразования сверхзвукового потока, хотя это не обязательно и площадь поперечного сечения трубопровода за камерой может как выше, так и меньше площади выходного сечения камеры преобразования сверхзвукового потока. В трубопроводе за камерой преобразования сверхзвукового потока организуют скачок давления и в этом скачке давления газожидкостной поток тормозят и одновременно повышают давление потока газожидкостной среды. Если же скорость газожидкостного потока на входе в камеру не велика, то в результате расширения потока в ней не наступает значительного снижения плотности и, как следствие не имеют места преобразования потока в сверхзвуковой и обратно и какого либо значительного торможения потока не наступает.

В ряде случаев, например при установке эжектора на большой высоте, бывает целесообразно устанавливать несколько камер преобразования сверхзвукового потока, что, как показали проведенные исследования, более целесообразно, чем выполнять камеру с очень значительным одноразовым расширением потока, когда не удается снизить скорость потока до предельно допустимой и, как показали исследования составляющей от 4,6 до 450 м/с. В связи с этим, как показали проведенные эксперименты не целесообразно делать камеру преобразования сверхзвукового потока с площадью поперечного сечения выходного патрубка более 10 и менее 1,05 площадей поперечного сечения входного патрубка.

Что касается расположения камеры или камер преобразования сверхзвукового потока, то наиболее целесообразно их располагать равномерно по высоте от выходного сечения эжектора к входному сечению сепаратора. В то же время при небольшой высоте расположения эжектора, либо при горизонтальной компоновке установки целесообразно устанавливать камеру преобразования сверхзвукового потока непосредственно на выходе из эжектора или на входе в сепаратор.

Таким образом, в описанных выше установках с использованием описанного способа их работы достигается выполнение поставленной задачи - повышение надежности работы установки за счет подвода в нее газожидкостного потока с заранее рассчитанной скоростью.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема насосно-эжекторной установки с односопловым эжектором и расположением камеры преобразования сверхзвукового потока на некотором расстоянии как от эжектора, так и от сепаратора, на фиг. 2 представлена принципиальная схема насосно-эжекторной установки с многосопловым жидкостно-газовым эжектором и расположением камер преобразования сверхзвукового потока непосредственно на выходе из камер смешения эжектора и на фиг. 3 представлена принципиальная схема насосно-эжекторной установки с расположением камеры преобразования сверхзвукового потока за выходным сечением сбросной камеры многосоплового эжектора.

Насосно-эжекторная установка (согласно фиг. 1) содержит сепаратор 1, насос 2, подключенный входом к сепаратору 1 и односопловой жидкостно-газовый эжектор 3, подключенный жидкостным входом 4 к выходу насоса 2 и газовым входом 5 - к источнику 6 откачиваемой газообразной среды. Установка снабжена камерой 7 преобразования сверхзвукового потока, подключенной со стороны входа 9 в нее к выходу 8 эжектора и со стороны выхода 10 из нее - к сепаратору 1, при этом камера 7 преобразования сверхзвукового потока выполнена в виде профилированного ступенчато расширяющегося по ходу потока канала.

Камера 7 преобразования сверхзвукового потока со стороны входа9 в нее может быть сопряжена с выходным сечением 8 камеры смешения эжектора или может быть со стороны выхода 10 из нее сопряжена с входом в сепаратор 1 (на чертеже не показано).

Другой вариант выполнения насосно-эжекторной установки отличается от выше описанного варианта выполнения насосно-эжекторной установки тем, что в ней использован многосопловой жидкостно-газовый эжектор (см. фиг. 2 и фиг. З). В этом случае эжектор 3 включает в себя камеру 11 распределения жидкой рабочей среды с активными соплами 12 со стороны выхода из нее, приемную камеру 13 и установленную соосно каждому соплу 12 камеру 14 смешения.

Каждая камера 14 смешения многосоплового эжектора со стороны выхода из нее может быть снабжена своей камерой 7 преобразования сверхзвукового потока (см. фиг.2).

Многосопловой жидкостно-газовый эжектор может быть снабжен сбросной камерой 15, установленной со стороны выхода из камер 14 смешения. В этом случае (см. фиг. З) камера 7 преобразования сверхзвукового потока может быть подключена своим входом непосредственно к выходу сбросной 15 камеры многосоплового эжектора 3.

Что касается самой камеры 7 преобразования сверхзвукового потока, то она по технической сущности близка к сверхзвуковому аэродинамическому окну или аэродинамическому шлюзу. Камера 7 преобразования сверхзвукового потока выполняется в виде ступенчато сопряженных патрубков, причем площадь поперечного сечения выходного по ходу потока патрубка составляет от 1,05 до 10 площадей поперечного сечения входного патрубка камеры 7, а длина выходного патрубка камеры 7 составляет не более где S - площадь поперечного сечения входного патрубка камеры 7 преобразования сверхзвукового потока.

Способ работы насосно-эжекторной установки реализуется следующим образом.

Насосом 2 через жидкостной вход 4 в сопло эжектора 3 подают из сепаратора 1 жидкую рабочую среду. Истекая из сопла эжектора 3, жидкая рабочая среда откачивает газообразную среду с формированием в камере смешения эжектора 3 потока газожидкостной смеси и одновременным сжатием, за счет энергии жидкой среды, откачиваемой газообразной среды. Из эжектора 3 газожидкостную среду подают в камеру 7 преобразования сверхзвукового потока, где газожидкостной поток подвергают резкому расширению в профилированном ступенчато расширяющемся канале и за счет уменьшения плотности газожидкостного потока, обеспечивают режим течения со звуковой или сверхзвуковой скоростью, после чего направляют газожидкостной поток в канал (в нашем случае под этим каналом понимается либо выходной патрубок камеры 7, либо трубопровод за выходным патрубком камеры 7, что определяется местом установки камеры 7 и, соответственно, в зависимости от этого определяются размеры камеры 7), где в скачке давления поток тормозят до скорости составляющей, как правило от 4,6 до 450 м/с. После этого газожидкостной поток дополнительно сжатый в скачке давления направляют в сепаратор 1, где сжатый газ отделяют от жидкой рабочей среды.

При использовании многосоплового эжектора 3 отличие в работе заключается только в том, что жидкую рабочую среду подают через распределительную камеру 11 одновременно в несколько сопел 12, а струя жидкой рабочей среды из сопла 12 поступает каждая в свою камеру 14 смешения и далее преобразование газожидкостного потока может происходить либо камерах 7 преобразования сверхзвукового потока установленных после каждой камеры 14 смешения, либо газожидкостные потоки из камер 14 смешения, либо из диффузоров, если они установлены в эжекторе 3, собирают в сбросной камере 15 и затем газожидкостной поток направляют в камеру 7 преобразования сверхзвукового потока.

Если не представляется возможным затормозить газожидкостной поток в одной камере 7 до заданной скорости, проводят несколько последовательных преобразований потока в сверхзвуковой с торможением потока в скачке давления.

Данное изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической и ряде других отраслей промышленности.

Установка и способ ее работы предназначены для создания вакуума и сжатия сред. Способ работы заключается в том, что газожидкостной поток из эжектора подают в камеру преобразования сверхзвукового потока, где газожидкостной поток подвергают резкому расширению и за счет уменьшения его плотности обеспечивают режим течения со сверхзвуковой или звуковой скоростью, после чего газожидкостной поток тормозят в скачке давления. Установка снабжена камерой преобразования сверхзвукового потока, подключенной со стороны входа в нее к выходу из эжектора и со стороны выхода из нее - к сепаратору. Камера преобразования сверхзвукового потока выполнена в виде профилированного, ступенчато расширяющегося по ходу потока канала. В результате повышается надежность работы насосно-эжекторной установки. 3 с. и 8 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы насосно-эжекторной установки, включающий подачу насосом жидкой рабочей среды из сепаратора в сопло или сопла жидкостно-газового эжектора, откачку за счет энергии жидкой рабочей среды газообразной среды и формирование в эжекторе газожидкостного потока смеси сред с одновременным сжатием газообразной среды, отличающийся тем, что газожидкостный поток из эжектора подают в камеру преобразования сверхзвукового потока, где газожидкостной поток подвергают резкому расширению в профилированном канале и за счет уменьшения плотности газожидкостного потока обеспечивают режим течения со звуковой или сверхзвуковой скоростью, после чего направляют газожидкостной поток в канал, где в скачке давления поток тормозят, после чего поток подают в сепаратор, где сжатый газ отделяют от жидкой рабочей среды. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в камере преобразования сверхзвукового потока проводят несколько преобразований газожидкостного потока в сверхзвуковой поток с последующим торможением потока в скачке давления. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость потока на выходе из камеры преобразования сверхзвукового потока составляет от 4,6 до 450 м/с. 4. Насосно-эжекторная установка, содержащая сепаратор, насос, подключенный входом к сепаратору, и жидкостно-газовый эжектор, подключенный жидкостным входом к выходу насоса и газовым входом - к источнику откачиваемой газообразной среды, отличающаяся тем, что установка снабжена камерой преобразования сверхзвукового потока, подключенной со стороны входа в нее к выходу эжектора и со стороны выхода из нее - к сепаратору, при этом камера преобразования сверхзвукового потока выполнена в виде профилированного, ступенчато расширяющегося по ходу потока канала. 5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что камера преобразования сверхзвукового потока выполнена в виде ступенчато сопряженных патрубков, причем площадь поперечного сечения выходного по ходу потока патрубка составляет от 1,05 до 10 площадей поперечного сечения входного патрубка, а длина выходного патрубка составляет не более где S - площадь поперечного сечения входного патрубка. 6. Установка по п.4, отличающаяся тем, что камера преобразования сверхзвукового потока со стороны входа в нее сопряжена с выходным сечением камеры смешения. 7. Установка по п.4, отличающаяся тем, что камера преобразования сверхзвукового потока со стороны выхода из нее сопряжена с входом в сепаратор. 8. Насосно-эжекторная установка, содержащая сепаратор, насос, подключенный входом к сепаратору, и жидкостно-газовый эжектор, подключенный жидкостным входом к выходу насоса и газовым входом - к источнику откачиваемой газообразной среды, отличающаяся тем, что установка снабжена не менее чем одной камерой преобразования сверхзвукового потока, подключенной со стороны входа в нее или подключенными со стороны входа в них к эжектору со стороны выхода из него газожидкостного потока, а со стороны выхода камера или камеры преобразования сверхзвукового потока подключена или подключены к сепаратору, причем эжектор выполнен многосопловым и включает в себя камеру распределения жидкой рабочей среды с активными соплами со стороны выхода из нее, приемную камеру и установленную соосно каждому соплу камеру смешения. 9. Установка по п. 8, отличающаяся тем, что каждая камера смешения со стороны выхода из нее снабжена своей камерой преобразования сверхзвукового потока. 10. Установка по п.8, отличающаяся тем, что многосопловой жидкостно-газовый эжектор снабжен сбросной камерой, установленной со стороны выхода из камер смешения, и камера преобразования сверхзвукового потока подключена своим входом непосредственно к выходу сбросной камеры эжектора. 11. Установка по п. 8, отличающаяся тем, что камера преобразования сверхзвукового потока выполнена в виде ступенчато сопряженных патрубков, причем площадь поперечного сечения выходного по ходу потока патрубка составляет от 1,05 до 10 площадей поперечного сечения входного патрубка, а длина выходного патрубка составляет не более где S - площадь поперечного сечения входного патрубка.