СТРУЙНЫЙ НАСОС Российский патент 2012 года по МПК F04F5/04 

Изобретение относится к струйной технике, преимущественно к водоструйным насосам для создания разрежения.

В настоящее время находят широкое применение в различных производствах эффекты развитой кавитации. В связи с этим возникает много важных вопросов о нахождении и оптимизации режимов течения, о развитой кавитации (суперкавитации), о масштабном эффекте и обеспечении устойчивости оптимальных режимов технологических процессов.

Известен струйный насос (авт. св. №1201556, МПК⁴ F04F 5/02, опубл. 30.12.85. Бюл. №48, автор М.В.Светухин), содержащий распределительную камеру, установленное в ней многоствольное активное сопло со стволами, выполненными в виде концентрично размещенных двустенных патрубков с щелевыми выходными отверстиями, расположенных относительно друг друга с образованием кольцевых каналов для подвода пассивной среды, и камеру смешения с горловиной, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, активное сопло имеет диаметр, превышающий диаметр горловины камеры смешения, одна из стенок каждого патрубка выполнена цилиндрической, другая - конической и расположена под острым углом к оси камеры смешения, а каналы для подвода пассивной среды сообщены между собой при помощи радиальных патрубков. Данное изобретение позволяет повысить производительность струйного насоса по сравнению с изобретением №1152194, патент Великобретании, кл. F1E, опубл. 1969 г.

Достоинством изобретения, защищенного авт. св. №1201556, является то, что каждая из концентрических трубчатых струй сужается по мере удаления от сопла. При этом часть активной среды затягивается внутрь поверхностного слоя. Вместе со средой активной туда мигрирует пассивная среда - в классических эжекторах ничего подобного нет. Между трубчатыми (пленочными) струями, расположенными друг в друге, образуются зазоры. По мере удаления струй от сопла зазоры между ними уменьшаются, а при входе в камеру сжатия и вовсе исчезают: отдельные струи сливаются в струю сплошную. Пассивная среда как бы впрессовывается в эти слои, перенасыщает собой активную среду.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции, заключающаяся в том, что в распределительной камере установлено многоствольное активное сопло со стволами, что создает значительное сопротивление воздушному потоку в горловину камеры смешения, то есть в диффузоре.

Известно, что основное повышение давления происходит в диффузоре. При увеличении противодавления эта картина изменяется: повышение давления в диффузоре уменьшается, причем оно происходит на сравнительно небольшом участке камеры смешения скачкообразно. Чем меньше отношение сечений камеры смешения и сопла (горловины), тем более резко выражен скачок давления. Это явление еще более усугубляется тем, что в распределительной камере установлено многоствольное активное сопло со стволами, что создает значительное сопротивление воздушному потоку в горловине камеры смешения и увеличивает отрицательный эффект - резко выраженный скачок давления.

Это явление до сих пор до конца не изучено. Парадоксально, что все авторы (Антонович С.А. О расчете струйных насосов (эжекторов), "Энергомашиностроение", 1958, №9; Баулин К.К. Эжекторы, "Отопление и вентиляция", 1931, №10; Зингер Н.М., Исследование водовоздушного эжектора "Теплоэнергетика", 1958, №8 и др.), в том числе и В.М.Светухин (ИР №11/88. "Машина с установкой на успех", стр.8, 9) объясняют, что основное повышение давления происходит в диффузоре и это соответствует действительности, но до сих пор не попытался сместить этот выраженный скачок даления от места горловины, что значительно позволило бы повысить производительность струйного насоса.

Известно устройство "Струйный насос" (ИР №11/88, с.8, 9. "Машина с установкой на успех", иначе - эжектор, содержащий камеру всасывания, трубчатое сопло, выполненное в виде щелевидного сопла, а также камеру смешения. Автор В.М.Светухин полагал, что внутренняя часть струи не работает. И поэтому не раз пытался изъять эту часть, вставляя в сопло вкладыши, так что получалась кольцевая щель. При той же площади сечения отверстия сопла поверхность струи увеличивалась, а истекала она трубчатым слоем. Но как получить в зоне "скачка уплотнения" струи смесь активной и пассивной сред? Поскольку теперь у струи появилась и внутренняя поверхность, то к этой поверхности можно подводить пассивную среду. И теперь при неизменной площади поперечного сечения сопла поверхность струи вырастала 3-4 и более раз. Возникла идея: чтобы трубчатая струя у геометрической оси в зоне "скачка уплотнения" не имела полости, уплотнению мешающей, надо ввести в сопло вместо сплошного вкладыша еще одно трубчатое сопло - чуть меньшего диаметра. Теперь внутренняя струя, заполняя полость струи наружной, смыкается с ней в зоне скачка уплотнения, образуя струю сплошную. Имея ряд трубчатых струй, каждая внутри другой, подобно матрешкам, можно резко повысить кпд эжектора.

С этим можно согласиться, в зоне скачка уплотнения образуется сплошная струя, но тогда теряется смысл создания концентрических струй, так как известно, что струи будут притягиваться друг к другу подобно двум листам при продувании между ними воздуха (Д.В.Сивухин. "Общий курс физики", М., 1979 г., с.465). Кроме того, концентрические струи экранируют друг друга и тем самым снижают эффект смесеобразования.

Хорошо зарекомендовали себя различные дроссельные элементы в виде перфорированных тонкостенных дисков, установленных после криволинейного диффузора, что обеспечивает дополнительный подпор в потоке из криволинейного диффузора и уменьшает, а то и не допускает отрыва потока от стенок диффузора. При этом не только улучшается структура в канале самого диффузора, но и достигается равномероне поле скоростей в канале за дроссельным устройством. Решетка одновременно выполняет функции дроссели элемента, выравнивающего поток, она проста по конструкции, имеет малые габариты и массу (Гидродинамика больших скоростей: Межвузовский сборник / КрПИ; отв. ред. В.А.Кулагин, Красноярск, 1989, с.108-113). Автор В.М.Светухин (ИР №11/88, с.8, 9; "Машина с установкой на успех") замечает, что щелевой насос, столь выгодно отличающийся от обычных, приобрел и недостаток - он весьма чувствителен к чистоте рабочей жидкости. Механические примеси в ней должны быть меньше ширины щелей, иначе она засорится.

Чем больше отношение сечений камеры смешения и сопла, тем более развиты обратные токи водовоздушной эмульсии. При увеличении продиводавления скачок давления перемещается против течения струи и, наконец, при определенном протводавлении (Р_с)_макс достигает начала камеры смешения. При этом эжекция воздуха водой прекращается, вся камера смешения заполнена прозрачной водой без пузырьков воздуха. Аналогичные явления имеют место, если при неизменном противодавлении снижается давление рабочей воды перед соплом. При низких противодавлениях или высоких давлениях всасывания струи могут не касаться стенок на всей длине камеры смешения. Расход инжектируемого воздуха при этом резко уменьшается.

Наличие резко выраженного скачка давления, а также наблюдающаяся при определенных условиях независимость коэффициента инжекции от противодавления р_с дали основание рассматривать течение газожидкостной эмульсии в камере смешения как сверхзвуковое течение газа и рарабатывать на этой основе теорию газожидкостного эжектора (Зингер Н.М. Выбор оптимального расстояния сопла от камеры смешения в струйных аппаратах, "Известия ВТИ", 1949, №6).

Для увеличения производительности струйных насосов предлагается применение кавитаторов, встоенных в проточную часть камеры смешения струйного насоса, что создает возможность сместить зону скачка уплотнения от горловины, а также создать за кавитатором зону разрежения (паровой кавитации), (Теплообмен и гидродинамика: Межвузовский сборник. Отв. ред. Ю.В.Видин; КрПИ. - Красноярск, 1989, с.62-69), что приводит к увеличению кавитационного коэффициента инжекции U_к и повышает эффект струйного насоса. Величина U_к растет при увеличении давления инжектируемой среды и снижении давления кавитации.

Другим достоинством предлагаемого струйного насоса является то, что в нем отсутствует отрицательный эффект - засорение механическими примесями, то есть может работать практически на любой воде, что расширяет область применения струйного насоса.

Цель изобретения - повышение проиводительности за счет увеличения кавитационного коэффициента инжекции.

На фиг.1 показан струйный насос, продольный разрез, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, на фиг.3 - вид Б на фиг.1.

Струйный насос содержит распределительную камеру 1 с активным соплом 2, в котором встроена многоствольная дросселирующая насадка 3, кроме того струйный насос имеет разгонную форсунку 4, на выходе которой установлен кавитатор 5 с распорками 6 и обращенный острием к дросселирующей насадке 3. Конусный кавитатор 5 крепится в разгонной форсунке 4 путем резьбового соединения разгонной форсунки 4 с камерой смешения 7. Для герметизации струйного насоса в резьбовых соединениях распределительной камеры 1, разгонной форсунки 4 и камеры смешения 7 применяются уплотнительные кольца 8 и 9, например, из фторопласта или резины.

Струйный насос работает следующим образом.

Активная среда (вода) поступает в распределительную камеру 1 через активное сопло 2 и далее через многоствольную дросселирующую насадку 3 разделяется на отдельные струи, увлекая за собой пассивную среду (воздух) через патрубок 10. Многоствольная дросселирующая насадка 3 выполнена в виде диафрагмы диаметром D и толщиной Е<(=)0,1D, например, если D=20 мм, то Е=2 мм. Применение многоствольной дросселирующей насадки 3 позволяет создать отдельные струи и тем самым обеспечивает максимальный контакт этих струй с пассивной средой (воздухом) и повышает эффект смесеобразования. В отличие от других струйных насосов, имеющих горловину для создания сплошного газожидкостного потока, в натоящем техническом решении применяется разгонная форсунка с цилиндрическим горлом, которая разгоняет газожидкостную среду, смещает скачок уплотнения за конусным кавтатором 5, за которым образуется полость разрежения, что способствует увеличению производительности и эффекту смесеобразования. В камере смешения 7 образуется кавитационный газожидкостный поток разрежения, который выбрасывается из насоса молочно-белой водовоздушной эмульсией (пеной), что является высоким эффектом смесеобразования. Разгонная форсунка 4 с цилиндрическим горлом выполнена в виде сужающего устройства типа сопла Вентури, что дает возможность достигать критической скорости. В рекомендациях ИСО приводятся в качестве сверхкритических сужающих устройств две разновидности сопла Вентури: с входной частью, очерченной одним радиусом, то есть сопло Вентури с тороидальным горлом (Рис.47а) и сопло Вентури с цилиндрическим горлом (Рис.47б). Общие требования к тому и другому типа сопла Вентури: d/D₁<(=)0,25, где d - диаметр горловины, a D₁ - диаметр распределительной камеры 1. Входная часть сопла Вентури, изображенного на рис.47б, очерченного радиусом r=d, и имеет цилиндрическое горло, длина которого L=d, половина угла диффузора - в пределах 3-4' (Справочник "Расходомеры и счетчики количества", автор П.П.Кремлевский, издание 4-е, Ленинград, 1989 год, стр.86; 106). В предлагаем изобретении использовался вариант сопла Вентури с цилиндрическим соплом.

Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что:

- активное сопло снабжено многоствольной дросселирующей насадкой, выполненной в виде диафрагмы диаметром D и толщиной E<(=)0,1D;

- разгонная форсунка 4 выполнена в виде сужающего устройства типа сопла Вентури, очерченного радиусом r=d, входная часть которого имеет цилиндрическое горло, длина которого L=d, а половина угла диффузора - в пределах 3-4', а также имеет отношение d/D₁<(=)0,25;

- конусный кавитатор 5 установлен на выходе разгонной форсунки 4 и обращен острием к дросселирующей насадке 3, кроме того, конусный кавитатор 5 с распорками 6 крепится в разгонной форсунке 4 путем резьбового соединения разгонной форсунке 4 и камеры смешения 7;

- для герметизации струйного насоса в резьбовых соединениях распределительной камеры 1, разгонной форсунки 4 и камеры смешения 7 применяются уплотнительные кольца 8, и 9, например, из фторопласта или резины.

Таким образом, при помощи заявленного устройства стало возможным достигать критические скорости благодаря применению сверхкритических сужающих устройств, например, сопла Вентури с цилиндрической горловиной, в нашем случае под названием разгонная форсунка, на выходе которой установлен конусный кавитатор, обращенный острием к дросселирующей насадке, за которой образуется полость разрежения, что способствует увеличению производительности и эффекту смесеобразования, кроме того, в камере смешения образуется кавитирующий газожидкостной поток, который выбрасывается из насоса молочно-белой, водовоздушной эмульсией (пеной), что является высоким эффектом смесеобразования, кроме того, при помощи конусного кавитатора удалось практически устранить скачок давления, так как за конусным кавитатором образуется полость разрежения, что снижает вероятность образования скачка давления в камере смешения.

Насос предназначен для создания разрежения. Насос содержит распределенную камеру, установленное в ней активное сопло, которое снабжено многоствольной дросселирующей насадкой, а также содержащий разгонную форсунку с конусным кавитатором, камеру смешения, при этом активное сопло снабжено многоствольной дросселирующей насадкой, выполненной в виде диафрагмы диаметром D и толщиной

Е<(=)0,1D, кроме того, разгонная форсунка выполнена в виде сужающего устройства типа сопла Вентури, очерченного радиусом r=d, где d - диаметр горловины, входная часть которого имеет цилиндрическое горло, длина которого L=d, а половина угла диффузора находится в пределах 3-4°, a также имеет отношение: d/D₁<(=)0,25. Таким образом, при помощи заявленного устройства стало возможным достигать критические скорости благодаря применению сверхкритических сужающих устройств, например, таких как сопло Вентури с цилиндрической горловиной, в нашем случае под названием разгонная форсунка, на выходе которой установлен конусный кавитатор. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Струйный насос, содержащий распределенную камеру, установленное в ней активное сопло, которое снабжено многоствольной дросселирующей насадкой, а также содержащий разгонную форсунку с конусным кавитатором, камеру смешения, отличающийся тем, что активное сопло снабжено многоствольной дросселирующей насадкой, выполненной в виде диафрагмы диаметром D и толщиной Е<(=)0,1D, кроме того, разгонная форсунка выполнена в виде сужающего устройства типа сопла Вентури, очерченного радиусом r=d, входная часть которого имеет цилиндрическое горло, длина которого L=d, а половина угла диффузора - в пределах 3-4°, а также имеет отношение: d/D₁<(=)0,25.

2. Струйный насос по п.1, отличающийся тем, что конусный кавитатор установлен на выходе разгонной форсунки и обращен острием к дросселирующей насадке, кроме того, конусный кавитатор с распорками крепится в разгонной форсунке путем резьбового соединения разгонной форсунки и камеры смешения.

3. Струйный насос по п.1 или 2, отличающийся тем, что герметизация струйного насоса в резьбовых соединениях распределительной камеры смешения осуществляется при помощи уплотнительных колец, например, из фторопласта или резины.