СТРУЙНЫЙ АППАРАТ Российский патент 2000 года по МПК F04F5/02 

Изобретение относится к струйной технике, в частности к водоструйным вакуумным насосам.

Известен струйный аппарат - насос /1/. Принцип действия данного насоса основан на эжекции легкой жидкости через активное сопло, установленное неподвижно во внутреннем объеме вращающегося ротора с рабочей жидкостью большой плотности. Данный насос нельзя применять для откачки воздуха и газов. При оборотах более 1000 об/мин производительность его не увеличивается. Это основные недостатки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является вакуумный струйный аппарат /2/, состоящий из: 1) привода вращения с регулятором оборотов; 2) сепаратора-отстойника, выполненного в виде цилиндрического ротора с внутренним объемом, обеспечивающим заполнение его определенным количеством активной среды (воды); 3) эжектора с криволинейной осью, включающего активное сопло, камеру приема и смешения; 4) системы трубопроводов, позволяющей откачивать воздушную или газовую среду.

Струйный аппарат работает следующим образом. В сепаратор-отстойник заливается определенное количество активной жидкости (воды), включается привод вращения и с помощью регулятора оборотов вращения устанавливается нужное число оборотов сепаратора. При вращении сепаратора возникающая центробежная сила P_ц увлекает воду, сообщает ей крутящий момент. Благодаря ему поток воды приобретает скоростной напор (давление) P_сн, зависящий от оборотов вращения сепаратора. Часть потока воды постоянно входит при вращении в активное сопло, проходит его и с определенной скоростью истекает через сужающееся отверстие в камеру приема и смешения. При выходе из сопла поток жидкости благодаря турбулентному перемешиванию и вязкостному трению с молекулами воздушной или газовой среды захватывает их, увлекает и выносит в камеру смешения. В камере смешения происходит выравнивание давления рабочей жидкости и откачиваемой среды, отделение молекул воздуха или газа от потока жидкости и выход их через крышку вращающегося ротора в атмосферу.

Струйные аппараты такого типа также неэффективны, поскольку получаемое разряжение (вакуум) невысокое и составляет 500-550 мм рт. ст. Этот недостаток связан с тем, что образуются большие гидравлические сопротивления на пути перемещения части потока жидкости с момента поступления ее в активное сопло эжектора и, как следствие этого, происходит уменьшение поступления воды в камеру перемешивания. Механизм образования гидравлических сопротивлений известен /3/. Значения их зависят от плотности и вязкости активной жидкости, от площади, формы и шероховатости поверхностей активного сопла и камеры смешения. Суммарную силу гидравлического сопротивления можно представить в виде выражения: P_сум = P_вт + P_с, где P_вт - сила вязкостного трения между слоями самой жидкости и P_с - сила сопротивления от сужения, шероховатостей и перегибов. Для каждого конкретного эжектора значение P_сум является постоянным, так как представляет собой функцию от постоянных параметров. Поэтому считалось, что в случае увеличения оборотов вращения сепаратора в струйном аппарате будет пропорционально расти и скоростной напор (P_сн) потока жидкости и, как следствие этого, будет достигнуто повышение эффективности эжекции воздуха. Однако ожидаемого повышения эффективности достигнуто не было. Анализ показал, что энергия скоростного напора P_сн части потока жидкости в момент достижения входного отверстия активного сопла эжектора затрачивается не на преодоление P_сум и создание высокоскоростного турбулентного истечения жидкости из выходного отверстия сопла в камеру смешения, а обтекание эжектора снаружи, причем на обтекание с той стороны, где наименьшее воздействие центробежных сил, наименьшая линейная скорость и отсутствуют препятствия /4/.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения эффективности струйных аппаратов такого типа и получения на них предельного остаточного давления (вакуума) до 100 мм рт.ст.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом струйном аппарате, содержащем привод вращения с защитным кожухом и регулятором оборотов; сепаратор-отстойник, выполненный в виде цилиндрического ротора и состоящий из корпуса и крышки, образующих объем, который частично заполнен активной жидкой средой (водой); эжектор (стандартный с прямолинейной осью или нестандартный с криволинейной осью), включающий активное сопло и камеру смешения с системой трубопроводов, подводящей отсасываемую среду (воздух или газ); корпус сепаратора-отстойника выполнен в виде кольцевого канала, представляющего собой в сечении квадрат, а крышка выполнена в виде усеченного конуса с высотой, равной высоте кольцевого канала, и образующей, расположенной к оси вращения под углом, равным 45^o.

Необходимость такого конструктивного выполнения сепаратора-отстойника была связана с решением задачи более полного использования энергии скоростного напора P_сн потока жидкости на преодоление P_сум и тем самым повышения эффективности процесса эжекции воздуха или газа струей воды после выхода ее из выходного отверстия активного сопла в камеру смешения.

Приведенные отличительные признаки способствуют повышению эффективности следующим образом:
1. Внутренняя стенка кольцевого канала, во-первых, увеличивает скоростной напор P_сн потока жидкости за счет сил сцепления частиц жидкости с ее поверхностью и, во-вторых, создает препятствие для потока жидкости, стремящегося обойти входное отверстие активного сопла и двигаться далее по наружной стенке эжектора, расположенной ближе всех к оси вращения ротора;
2. Угол 45^o на конусной образующей крышки, во-первых, изменяет действие центробежных сил P_цг с горизонтального направления на вертикальное P_цв слоя жидкости, расположенного между кольцевым каналом и крышкой, и, во-вторых, обеспечивает одинаковое по окружности действие силы гравитационного давления P_г жидкости данного слоя на слой жидкости, находящийся в кольцевом канале.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого струйного аппарат, а на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Предлагаемый струйный аппарат состоит из (см. фиг. 1 и фиг. 2) привода вращения с защитным кожухом 1; регулятора оборотов вращения 2; сепаратора-отстойника 3, выполненного в виде цилиндрического ротора и включающего наружную стенку 4, внутреннюю стенку 5, основание 6, крышку 7; эжектора 8, состоящего из активного сопла 9 и камеры смешения 10, соединенной с системой трубопроводов 11, подающей откачиваемую среду 12; активной жидкой среды 13. Пунктирными линиями показан эжектор нестандартный с криволинейной осью.

Работает струйный аппарат следующим образом (см. фиг. 1 и фиг. 2). В сепаратор-отстойник 3 с эжектором 8, установленным в кольцевом канале, заливается активная жидкость 13 в количестве, обеспечивающем заполнение его так, чтобы во время вращения ротора в пространстве между кольцевым каналом и крышкой 7 образовался слой жидкости, в 2-3 раза превышающий ширину канала. Включается привод вращения 1 и с помощью регулятора оборотов 2 устанавливается конкретное n число оборотов вращения ротора с угловой скоростью, при котором достигается требуемое разряжение (вакуум) в системе. К моменту достижения данного числа оборотов (см. фиг. 2) возникает горизонтальная центробежная сила P_цг, которая увлекает во всем объеме сепаратора-отстойника 3 активную жидкость 13, сообщает ей определенный крутящий момент, благодаря которому поток жидкости приобретает скоростной напор P_сн (давление), зависящий в основном от числа оборотов вращения и расстояния от оси вращения. На находящуюся в кольцевом канале активную жидкость 13, ограниченную стенками 4, 5 и основанием 6, помимо воздействия центробежной силы P_цг, начинают действовать сверху сила гравитации P_г и давление отраженной центробежной силы P_цг. Во время вращения сепаратора 3 часть жидкости потока 13 постоянно входит в активное сопло 9 под давлением P_сн и с определенной линейной скоростью V_вх, а истекает из сопла 9 в камеру смешения 10 с меньшим давлением P_н, но с большей линейной скоростью V_вых. В момент выхода потока рабочей струи из активного сопла 9 в камеру смещения 10 происходит мгновенный скачок давления и падение скорости истечения, что приводит к турбулизации и диспергированию рабочей струи на капли, которые за счет вязкостного трения осуществляют активный захват частиц отсасываемой среды 12, поступающей по системе 11 из зоны откачки. С выходом из камеры смешения 10 смеси, состоящей из жидкости 13 и отсасываемой среды 12, в общий вращающийся поток, частицы отсасываемой среды 12 вытесняются центробежными силами из канала наверх к крышке 7, а оттуда через центральное отверстие в атмосферу. Высокая степень диспергирования рабочей струи жидкости 13 после истечения из активного сопла 9 достигается благодаря тому, что теперь большая часть энергии P_сн части потока жидкости 13 в кольцевом канале сконцентрирована на преодоление гидравлических сил сопротивлений P_сум, возникающих в эжекторе 8, и повышение кинетической энергии истечения рабочей струи в камеру смешения 10, в то время как в прототипе и струйных аппаратах, взятых в качестве аналогов, большая часть энергии скоростного напора P_сн тратится на обтекание эжектора 8 потоком жидкости с наружной поверхности, расположенной ближе к оси вращения. Принцип работы струйного аппарата с нестандартным эжектором (криволинейной осью) один и тот же.

Пример 1. Эжектор 8 стандартный с прямолинейной осью, диаметр входного отверстия активного сопла 9 равняется 10 мм, диаметр выходного - 5 мм, длина по оси 20 мм, диметр камеры смешения 10 равняется 7 мм, длина - 10 мм, сепаратор-отстойник 3 имеет наружный диаметр 150 мм, кольцевой канал в сечении - квадрат со стороной 30 мм, крышка 7 с конусной образующей, расположенной под углом 45^o к оси вращения ротора, и высотой 30 мм, активная жидкость 13 - вода, количество ее соответствует уровню, обеспечивающему во время вращения в верхней части крышки 7 два слоя кольцевого канала, откачиваемая среда - воздух. Число оборотов ротора 1000 об/мин. Результаты, полученные из опыта, представлены в таблице.

Пример 2. Технические характеристики эжектора 8 и сепаратора-отстойника 3 те же, условия те же, число оборотов 2000 об/мин. Результаты опыта представлены в таблице.

Пример 3. Технические характеристики эжектора 8 и сепаратора-отстойника 3 те же, условия те же, число оборотов 3000 об/мин. Результаты опыта представлены в таблице.

Пример 4. Технические характеристики эжектора 8 и сепаратора-отстойника 3 те же, условия те же, число оборотов 4000 об/мин. Результаты опыта представлены в таблице.

Пример 5. Технические характеристики эжектора 8 и сепаратора-отстойника 3 те же, условия те же, число оборотов 5000 об/мин. Результаты опыта представлены в таблице.

Пример 6. Эжектор 8 нестандартный (из прототипа) с криволинейной осью, диаметр входного отверстия сопла 9 равняется 10 мм, диаметр выходного - 5 мм, длина по оси 20 мм, диаметр камеры смешения 10 равняется 7 мм, длина по оси 10 мм, сепаратор-отстойник тот же, условия те же, число оборотов 1000 об/мин. Результаты опыта представлены в таблице.

Пример 7. Технические характеристики эжектора 8 и сепаратора-отстойника 3 аналогичны примеру 6, условия работы те же, число оборотов 2000 об/мин. Результаты опыта представлены в таблице.

Пример 8. Технические характеристики эжектора 8 и сепаратора-отстойника 3 аналогичны примеру 6, условия работы те же, число оборотов вращения ротора 3000 об/мин. Результаты опыта представлены в таблице.

Пример 9. Технические характеристики эжектора 8 и сепаратора-отстойника 3 аналогичны примеру 6, условия работы те же, число оборотов вращения ротора 4000 об/мин. Результаты опыта представлены в таблице.

Пример 10. Технические характеристики эжектора 8 и сепаратора-отстойника 3 аналогичны примеру 6, условия работы те же, число оборотов вращения ротора 5000 об/мин. Результаты опыта представлены в таблице.

В таблице для сравнения приведены значения вакуума, полученные на струйном аппарате - прототипе. Как видно из таблицы, предлагаемый струйный аппарат является более эффективным и на нем можно получать вакуум в соответствующих системах откачки до 100 мм рт.ст., что в 5 раз ниже вакуума, получаемого на прототипе.

Поскольку полученный вакуум 100-150 мм рт.ст. находит широкое применение в медицине, животноводстве, в пищевой и фармацевтической отраслях промышленности, в химических лабораториях институтов и заводов, а также в быту для консервирования продуктов, предлагаемый струйный аппарат имеет значительное преимущество относительно аналогов.

Источники информации
1. Патент США N 3384023, 415-89, 21.05.1968.

2. Патент РФ N 2041402, F 04 F 5/02, 09.08.1995.

3. Бобровский С.А., Соколовский С.М. Гидравлика, насосы и компрессоры. - М.: Недра 1972, с. 38-56.

4. Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки. - Л.: Машиностроение, 1988, с. 92-103.

Изобретение относится к области струйной техники. Струйный аппарат содержит привод вращения с регулятором оборотов, сепаратор-отстойник, выполненный в виде цилиндрического ротора с крышкой, внутренний объем которого частично заполнен активной жидкой средой, и установленный в роторе эжектор с прямолинейной или криволинейной осью, включающий активное сопло и камеру смешения с системой трубопроводов, подводящей отсасываемую среду. Корпус цилиндрического ротора выполнен в виде кольцевого канала, представляющего собой в сечении квадрат, а крышка выполнена в виде усеченного конуса высотой, равной высоте кольцевого канала, и образующей, расположенной под углом 45^o к оси вращения ротора. В результате достигается повышение эффективности струйного аппарата. 2 ил., 1 табл.

Струйный аппарат, содержащий привод вращения с регулятором оборотов, сепаратор-отстойник, выполненный в виде цилиндрического ротора с крышкой, внутренний объем которого частично заполнен активной жидкой средой, и установленный в роторе эжектор (стандартный с прямолинейной осью или нестандартный с криволинейной осью), включающий активное сопло и камеру смешения с системой трубопроводов, подводящей отсасываемую среду, отличающийся тем, что корпус цилиндрического ротора выполнен в виде кольцевого канала, представляющего собой в сечении квадрат, а крышка выполнена в виде усеченного конуса высотой, равной высоте кольцевого канала и образующей, расположенной под углом 45^o к оси вращения ротора.