ЭЖЕКТОР И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ Российский патент 2003 года по МПК F04F5/14 B01F3/04 B05B7/04 

Изобретение относится к области процессов и аппаратов, преимущественно к жидкостно-газовым эжекторам, и может быть использовано в процессах, где происходит контакт жидкости с газом, и в частности, для гомогенизации, водоподготовки, мокрой очистки газов, кондиционирования воздуха и для создания компактных диффузионных аппаратов.

В аппаратах рассматриваемого типа (диффузионные аппараты) поверхность фазового контакта многократно возрастает при вихреобразовании, при этом жидкость может растягиваться в очень тонкие пленки с образованием пены, вследствие чего происходит сильное увеличение интенсивности процессов массо- и теплообмена по сравнению с другими аппаратами. Однако в большинстве известных аппаратов эта задача решается за счет увеличения скорости газа или жидкости, что ведет к неоправданным затратам энергии и, самое главное, не обеспечивает гарантированного дробления жидкости до субмикронных размеров и интенсивного перемешивания раздробленной жидкости и газовой фазы.

Следует особо отметить, что двухфазная газожидкостная смесь является сжимаемой средой со своими специфическими свойствами. В частности, двухфазная скорость звука в такой смеси при изоэнтропическом изменении состояния определяется уравнением a_с=(dp/dr)_s=const, где s - энтропия. Отсюда следует, что в отличие от идеального газа, скорость звука в двухфазной системе заданного состава зависит от температуры, удельного веса и давления.

Превращение двух дозвуковых потоков в сверхзвуковой поток двухфазной смеси может происходить в результате резкого уменьшения скорости звука в процессе образования смеси.

Для реализации этого эффекта предпринимаются попытки создать аппараты определенной геометрии.

Известен жидкостно-газовый эжектор, содержащий приемную камеру, распределительную камеру, камеру смешения, диффузоры, сопла и сбросную камеру, при этом установлена определенная зависимость между площадью наименьшего проходного сечения камеры смешения и параметрами работы сопла эжектора - давлением жидкой среды на вход в сопло и расходом жидкой среды через сопло. При этом был определен расчетный коэффициент, величина которого, в свою очередь, зависит от достигаемого при работе эжектора отношения давления жидкости на входе в сопло к давлению на выходе из камеры смешения [1].

Однако для реализации данного изобретения в режиме сверхзвука необходимы очень высокие давления, а с обычными насосами такой эжектор будет работать только на дозвуковых режимах.

Известен жидкостно-газовый эжектор, содержащий сопло и камеру смешения, кроме того, эжектор снабжен камерой преобразования сверхзвукового потока, подключенной со стороны входа в нее к выходу камеры смешения, при этом камера преобразования сверхзвукового потока выполнена в виде скачкообразно расширяющегося по ходу потока канала, а площадь поперечного сечения камеры преобразования сверхзвукового потока в зоне ее расширения составляет от 1,01 до 28,0 площадей наименьшего проходного сечения камеры смешения [2].

Недостатком известного эжектора является необходимость в расширении проходной площади канала, что ведет к росту потерь давления в системе скачков уплотнений.

Наиболее близким к предложенному является эжектор, содержащий корпус с патрубками подвода жидкости и газа, камеру смешения, конфузор, многосопловую насадку с числом стволов более десяти, диффузор.

Эжектор работает в качестве смесителя с реализацией эффекта образования двухфазной сверхзвуковой смеси и воздействия на нее скачков уплотнения. При этом, перемешивание воды с газом осуществляют при относительной объемной концентрации смеси 0,35-0,65 путем ее разгона до сверхзвуковой скорости и поддержании давления в камере смешения эжектора в диапазоне 0,2-0,4 ата и обеспечении давления на выходе из эжектора меньше 0,14 МПа [3].

Недостатком известного эжектора, как следует из описания, являются ограничения по относительной объемной концентрации смеси, давлению в камере смешения и давлению смеси на выходе из эжектора, связанные с появлением пульсаций давления в камере смешения. Это происходит из-за недостатков конструкции эжектора, заключающихся в том, что камера смешения эжектора имеет недостаточную длину и ее площадь превосходит суммарную площадь жидкостных струй более чем в 6 раз.

Наиболее близким по способу работы можно считать изобретение, предусматривающее подвод жидкой рабочей среды под напором в сопло жидкостно-газового струйного аппарата, формирование в сопле потока рабочей среды с последующим ее истечением из сопла, откачкой за счет этого газообразной среды и образованием в струйном аппарате газожидкостной смеси, при этом газожидкостную смесь из струйного аппарата подают в струйный преобразователь, где сначала поток газожидкостной смеси за счет его расширения преобразуют в сверхзвуковой газожидкостный поток, а затем сверхзвуковой газожидкостный поток тормозят в профилированной проточной части преобразователя с формированием скачка давления и частичным преобразованием в последнем кинетической энергии газожидкостного потока в потенциальную энергию давления, после чего из профилированной проточной части преобразователя газожидкостный поток подают в сепаратор, где газожидкостный поток разделяют на сжатый газ и жидкую рабочую среду [4].

Однако реализация известного способа приводит к потерям в скачке уплотнения и делает расширение потока смеси энергетически невыгодным.

Задачей настоящего изобретения является создание эжектора и разработка способа его работы, позволяющего при невысоких энергозатратах и умеренных давлениях повысить качество гомогенизации двухфазной смеси жидкость-газ, и обеспечить сверхзвуковое течение смеси за счет минимизации значения местной скорости звука в двухфазной смеси, а не за счет повышения ее скорости.

Поставленная задача решается описываемым эжектором, который содержит приемную камеру с патрубком подвода газовой среды и установленной по оси камеры трубкой подвода жидкости с многосопловой насадкой на выходе, конфузор, камеру смешения и диффузор, причем многосопловая насадка установлена так, что сопла равномерно распределены по площади насадки, соответствующей проекции поперечного сечения камеры смешения, при этом соотношение площади поперечного сечения камеры смешения к сумме площадей отверстий сопел составляет (2-6): 1, расстояние между насадкой и камерой смешения составляет (1,0-1,5) диаметра камеры смешения. Предпочтительно, угол раскрытия конфузора составляет 60-120 град.

Предпочтительно, количество сопел в насадке 12-48, а каждое сопло имеет форму усеченного конуса с углом полураскрытия от 30 до 45 град, переходящего в цилиндр, при этом длина цилиндрической части сопла составляет (0,5-2,0) его диаметра.

В одном из вариантов эжектора, усеченный конус сопла в сопловой насадке переходит в цилиндрическую часть по дуге, при этом радиус дуги сопряжения равен от 0,5 до 1,5 диаметра цилиндрической части сопла.

Преимущественно, диффузор выполнен расширяющимся по ходу движения потока, при этом площадь его выходного сечения составляет не менее 4 площадей сечения камеры смешивания.

В предпочтительном варианте эжектора угол полураскрытия расширяющегося диффузора составляет от 4 до 6 град.

В одном из вариантов эжектора между камерой смешения и расширяющимся диффузором дополнительно установлены друг за другом по ходу потока конфузор с углом сужения не более 4,5 град. и цилиндрическая горловина, длина которой равна (1-3) диаметрам камеры смешения при соотношении площади сечения горловины к площади сечения камеры смешения, равном (0,4-0,8):1.

Поставленная задача решается также предложенным способом работы эжектора, включающим подачу жидкости под давлением к многосопловой насадке, безнапорный подвод газовой среды к патрубку эжектора, смешивание в камере смешения жидкости с газовой средой с образованием равновесной двухфазной смеси и вывод смеси через диффузор, причем подачу жидкости осуществляют под давлением, обеспечивающим скорость ее подачи, превышающую скорость звука в образовавшейся двухфазной смеси не менее, чем на 25%, при этом поддерживают массовое отношение расходов газовой среды к жидкости (коэффициент эжекции) не более 0,01.

Перечень чертежей:
1. Скорость звука в смеси вода-воздух.

2. Скорость звука во влажном насыщенном водяном паре.

3. Схема жидкостно-газового эжектора.

4. Многосопловая насадка (вид сбоку и снизу).

5. Предпочтительный вариант схемы жидкостно-газового эжектора.

Скорость звука в конкретных смесях определяют графически, либо расчетным путем, в том числе, известными способами.

Например: скорость звука в смеси вода-воздух может быть найдена по графику, приведенному на фиг. 1. Здесь a_с - скорость звука в двухфазной смеси, G_г и G_ж - массовые расходы газа и жидкости соответственно, Р_с - давление безнапорного газа и Т_с - температура двухфазной смеси. Скорость звука во влажном насыщенном водяном паре может быть найдена по графику, приведенному на фиг. 2. Здесь Х=М_п/(М_ж.н+М_п), где Х - паросодержание, М_п и М_ж.н - массы пара и воды соответственно, а_пж - скорость звука во влажном насыщенном паре и t - температура.

Аналогично можно использовать фиг.2 для определения скорости звука в системе вода-пар. Скорость звука в двухфазных смесях можно также рассчитать математически (см., например, [5]).

Из теории расчета эжекторов известно, что с увеличением площади камеры смешения эжектора увеличивается разница в скоростях между скоростью жидкости и скоростью газопаровой смеси на начальном участке камеры смешения. Увеличение этой разницы ведет к неоправданным энергетическим затратам на увеличение скорости жидкости. С другой стороны уменьшение площади камеры смешения ведет к уменьшению расхода безнапорного газа. Поэтому нами выбрано соотношение площади поперечного сечения камеры смешения к сумме площадей отверстий сопел, равный (2-6):1. При таком соотношении площадей отставание газопаровой смеси от скорости жидкости не превышает 25%, откуда следует, что для гарантированной реализации сверхзвукового течения двухфазной смеси скорость жидкости должна превосходить скорость звука в этой смеси не менее чем на 25%.

Вышеизложенная совокупность признаков позволяет реализовать принцип снижения величины местной скорости звука в равновесной двухфазной смеси без повышения скорости самой смеси. Предложенная конструкция эжектора позволяет: варьировать массовым соотношением газа и жидкости в смеси и давлением этой смеси при минимально допустимом давлении жидкости, достаточном для создания сверхзвукового течения со всеми вытекающими последствиями (скачками уплотнений, дроблением жидкости, дегазацией и т.д.).

На фиг.3 приведена схема заявленного эжектора, где 1 - приемная камера; 2 - патрубок подвода газовой среды; 3 - трубка подвода жидкости; 4 - многосопловая насадка; 5 - конфузор; 6 - камера смешения; 7 - диффузор. На фиг.4 приведен вид сбоку и снизу на многосопловую насадку, устанавливаемую на трубке подвода жидкости.

Примером реализации предлагаемого способа и устройства для его осуществления может служить эжектор для обезжелезивания воды, в котором к воде подмешивают воздух в максимально возможном количестве (до 3-х объемов воздуха к одному объему воды). Максимальный расход воздуха обеспечивается при атмосферном давлении, поэтому с графика фиг.1 определяем минимальное значение скорости звука водовоздушной смеси при атмосферном давлении (W_min=25 м/c). Скорость воды в многосопловом насадке должна быть на 25% больше этого значения (W_minx1,25 = 31,25 м/с). По требуемому расходу очищаемой воды и найденному значению скорости в многосопловой насадке определяем суммарную площадь отверстий и соответственно проходные размеры каждого сопла (делением суммарной площади на количество сопел, например 19). Камеру смешения эжектора конструируем так, чтобы ее площадь в 5 раз превосходила суммарную площадь отверстий многосоплового насадка и чтобы она располагалась на расстоянии 1,0 диаметра от соплового насадка. Угол раскрытия конфузора выбираем 90^o. Каждое из 19 сопел изготавливаем в форме усеченного конуса с углом полураскрытия 45^o, плавно переходящего в цилиндрический канал длиной, равной диаметру этого канала. Выходную площадь диффузора выбираем равной 6 площадям камеры смешения, а угол полураскрытия 6^o. Изготовленный таким образом эжектор обеспечивает условия для образования сверхзвуковой двухфазной водовоздушной среды при давлении воды, определяемом по известному соотношению
ΔP = ρW²/2≅0,49 МПa,
где ΔР - перепад давлений; ρ - плотность воды и W - скорость воды.

При работе эжектора в скачках уплотнения происходит резкое изменение скорости движения газовой фазы по величине и направлению, а также резкое изменение давления, что приводит к дроблению капель и изменению их формы. Поверхность контакта жидкости и газа возрастает в тысячи раз, что обеспечивает гарантированное перемешивание компонентов жидкой и газообразной сред на субмикронном уровне, и, как следствие, качественную очистку газов от пыли и аэрозолей субмикронных размеров, снижение энергопотребления, уровня шумов и габаритов, повышение автономности и надежности, расширение диапазона.

Эжектор эффективен при обезжелезивании воды за счет 100% использования кислорода воздуха, что не достигается другими устройствами. Для обезжелезивания (см. фиг. 3) атмосферный воздух с давлением 1 ата и очищаемая вода под давлением подводятся к цилиндрической приемной камере - 1 соответственно к патрубку - 2 и по трубке - 3 к многосопловой насадке - 4. Выходящие из многосопловой насадки струи воды имеют скорость, определяемую перепадом давлений на входе в многосопловой насадке (давление жидкости) и выходе из нее (давление воздуха, равное 1 ата). Эти струи смешиваются с окружающим их воздухом и увлекают его из приемной камеры через конфузор - 5 в камеру смешения - 6, где происходит их окончательное перемешивание с образованием двухфазной смеси воды и воздуха. При этом, изменяют давление жидкости так, чтобы ее скорость не менее чем на 25% превосходила значение местной скорости звука в образовавшейся двухфазной смеси, а соотношение массовых расходов воздуха к воде (коэффициент эжекции) не превышало величину 0,01. Образовавшаяся сверхзвуковая двухфазная смесь из камеры смешения поступает в диффузор - 7, обеспечивающий минимизацию потерь давления при ее торможении. За счет резкого увеличения поверхности воды в зоне скачков уплотнений создаются условия для активного взаимодействия кислорода воздуха с водой. После торможения смеси в диффузоре эжектора происходит интенсивная коагуляция водяных капель и они легко отделяются от воздуха, например в баке, промежуточной емкости и т.д.

На фиг. 5 представлена схема другого, более предпочтительного варианта эжектора, который содержит: 1 - приемную камеру, 2 - патрубок подвода газовой среды, 3 - трубок подвода жидкости, 4 - многосопловую насадку, 5 - конфузор, 6 - камеру смешения, 8 - конфузор, 9 - горловину, 7 - диффузор.

Такой эжектор предпочтительнее, например, при умягчении воды, когда перекрывается подача воздуха к эжектору. При этом в приемной камере эжектора достигается максимально возможное разрежение, начинается вскипание растворенного в воде углекислого газа ("холодное кипение") с реакцией образования нерастворимых солей кальция и магния, которые удаляются фильтрованием. В этом случае установка после камеры смешения дополнительного сужающегося участка с горловиной и расширяющимся диффузором (т.н. сверхзвукового диффузора) позволяют достичь более полной минимизации потерь давления при торможении потока (более полного восстановления давления в эжекторе).

Предложенное изобретение может быть реализовано при создании смесителей, сорбционных аппаратов с поверхностью контакта жидкости и газа, образующейся в процессе работы, мокрых очистителей газов от пыли и аэрозолей. Эжекторы можно использовать для гомогенизации, водоподготовки, декарбонизации обезжелезивания и обеззараживания воды, стабилизации смешанных растворов, а также при создании бытовых и промышленных пылесосов, кондиционеров и т.п.

Источники информации
1. Патент RU, 2142070, 1998.

2. Патент RU 2133884, 1999.

3. Патент RU 2034799, 1995.

4. Патент RU 2124147, 1998.

5. Ю. Н. Васильев "Теория двухфазного газожидкостного эжектора с цилиндрической камерой смешения". Лопаточные машины и струйные аппараты. Сб., вып. 5. - М.: Машиностроение, 1971 г.

Изобретение относится к области процессов и аппаратов, преимущественно к жидкостно-газовым эжекторам, и может быть использовано в процессах, где происходит контакт жидкости с газом. Эжектор содержит цилиндрическую приемную камеру с патрубком подвода газовой среды и установленной по оси камеры трубкой подвода жидкости с многосопловой насадкой на выходе, конфузор, камеру смешения и диффузор. Подобраны оптимальные геометрические и газодинамические параметры. Способ работы эжектора предусматривает подачу жидкости под давлением, обеспечивающим скорость ее подачи, превышающую скорость звука в образовавшейся двухфазной смеси не менее чем на 25%, при этом поддерживают массовое отношение расходов газовой среды к жидкости не более 0,01. Предложенный сверхзвуковой жидкостно-газовый эжектор, позволяет гарантированно обеспечить сверхзвуковое течение смеси газа и жидкости, что приводит к течению смеси через зоны скачков уплотнений и перемешиванию жидкости и газа на субмикронном уровне. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Эжектор, содержащий приемную камеру с патрубком подвода газовой среды и установленной по оси камеры трубкой подвода жидкости с многосопловой насадкой на выходе, конфузор, камеру смешения и диффузор, отличающийся тем, что многосопловая насадка установлена таким образом, что ее сопла равномерно распределены по площади насадки, соответствующей проекции поперечного сечения камеры смешения, при этом соотношение площади поперечного сечения камеры смешения к сумме площадей отверстий сопел составляет (2-6):1, расстояние между насадкой и камерой смешения составляет (1,0-1,5) диаметра камеры смешения. 2. Эжектор по п.1, отличающийся тем, что угол раскрытия конфузора составляет 60-120^o. 3. Эжектор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что количество сопел в насадке равно 12-48. 4. Эжектор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сопло имеет форму усеченного конуса с углом полураскрытия 30 - 45^o, переходящего в цилиндр, при этом длина цилиндрической части сопла составляет (0,5-2,0) диаметра цилиндрической части. 5. Эжектор по п.4, отличающийся тем, что сопло имеет форму усеченного конуса, сопряженного с цилиндром по дуге, при этом радиус дуги сопряжения равен (0,5-1,5) от диаметра цилиндрической части сопла. 6. Эжектор, по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он содержит диффузор, выполненный расширяющимся по ходу движения потока, при этом площадь его выходного сечения составляет не менее 4 площадей сечения камеры смешения. 7. Эжектор по п.6, отличающийся тем, что угол полураскрытия расширяющегося диффузора составляет 4-6^o. 8. Эжектор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что между камерой смешения и расширяющимся диффузором дополнительно установлены друг за другом по ходу потока конфузор с углом сужения не более 4,5^o и цилиндрическая горловина, длина которой равна (1-3) диаметрам камеры смешения при соотношении площади сечения горловины к площади сечения камеры смешения, равном (0,4-0,8):1. 9. Способ работы эжектора, включающий подачу жидкости под давлением к многосопловой насадке, безнапорный подвод газовой среды к патрубку эжектора, смешивание в камере смешения жидкости с газовой средой с образованием равновесной двухфазной смеси и вывод смеси через диффузор, отличающийся тем, что подачу жидкости осуществляют под давлением, обеспечивающим скорость ее подачи, превышающую скорость звука в образовавшийся двухфазной смеси не менее чем на 25%, при этом поддерживают массовое соотношение расходов газовой среды к жидкости (коэффициент эжекции) не более 0,01. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что скорость звука в смесях вода-воздух или вода-пар определяют графически либо расчетным путем.