Эжектор со щелевым свободновихревым активным соплом и прямолинейной камерой смешения Российский патент 2024 года по МПК F04F5/10 

Изобретение относится к эжекторам, может быть использовано для откачки сред (в том числе для создания вакуума), содержащих механические примеси или агрессивные, коррозионные компоненты, из различных приямков, заглубленных емкостей, для очистки скважин, колодцев и прочего оборудования. Изобретение предназначено для откачивания различных сред, перекачка которых представляется проблематичной с помощью обычно применяемого оборудования, а именно различного типа насосов – центробежных, шестеренных, роторных, т.е. имеющих сложную конструкцию с внутренними деталями (камерами, лопатками), которые может привести в негодность данная откачиваемая среда. Такой средой могут быть различные коррозионно-активные жидкости (кислоты, щелочи и прочее) или неоднородные среды с высоким содержанием абразивных и механических примесей. Таким образом, где обычные насосы могут выйти из строя в процессе перекачки или сломаться раньше назначенного срока службы, возможно применение эжектора, конструкция которого позволяет перекачать среду без использования сложных механических устройств. Изобретение может использоваться в различных сферах промышленности и коммунального хозяйства.

В книге «Струйные аппараты» Е.Я. Соколова, Н.М. Зингера (3-е изд., перераб. – М.:Энергоатомиздат, 1989. – 352 c.) представлен аналог струйного насоса – водоструйный насос конструкции ВТИ – Теплосеть Мосэнерго, который является аналогом предлагаемого изобретения и состоит из активного сопла, пассивного сопла, прямоструйной камеры смешения активного и пассивного потоков, диффузора. Недостатком данной конструкции струйного насоса является низкий коэффициент полезного действия (КПД) и сложное конструктивное исполнение способа присоединения к технологическому оборудованию или трубопроводу. Низкий КПД водоструйного насоса конструкции ВТИ – Теплосеть Мосэнерго вызывается большими потерями на неупругий удар при смешении, а также потерями на трение о стенки камеры смешения. Особенности конструкции не позволяют универсально интегрироваться и подключиться к любому трубопроводу или оборудованию, где по условиям требуется перекачать среду из одного места в другое.

Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является газовый или паровой эжектор с криволинейной осью камеры системы Ю.Н. Васильева (патент SU 123279 А1, F04F 5/30 опубликовано в «Бюллетень изобретений» №20 1959 года), который состоит из сопла высоконапорного газа, сопла низконапорного газа, камеры смешения, диффузора, при этом эжектор конструктивно исполнен таким образом, что оси выходных участков сопел и начального участка камеры смешения искривлены. Эжектор данной конструкции характеризуется улучшенными параметрами эжектора (в том числе более высоким КПД), что связано с уменьшением потерь при торможении потока газов в диффузоре за счет возникновения такой картины течения сред, когда на входе в камеру смешения возникают градиенты статистических давлений и скоростей, распределенных по закону свободного вихря (1):

– закон свободного вихря. (1)

где – радиус кривизны струйки,

– касательная к линии тока скорость.

Недостатком данной конструкции эжектора с криволинейной осью камеры системы Ю.Н. Васильева является также сложное конструктивное исполнение возможности присоединиться к технологическому оборудованию или трубопроводу. Особенности конструкции не позволяют универсально интегрироваться и подключиться к любому процессу.

Техническим результатом заявляемого устройства является создание универсального конструктивного исполнения способа присоединения к технологическому оборудованию или трубопроводу (с помощью фланцев) и увеличение КПД. Фланцевое присоединение можно осуществить путем присоединения непосредственно к фланцу штуцера оборудования либо путем монтажа на трубопровод откачки среды фланцевой катушки, которая по мере необходимости легко может быть заменена на предлагаемое изобретение – эжектор. Конструкция предлагаемого эжектора содержит щелевое свободновихревое активное сопло, внешняя стенка которого изогнута по радиусу , а радиус внутренней стенки . Роль камеры смешения выполняет круглого сечения прямолинейный участок трубопровода, вставка которого осуществлена в трубопровод перекачки с помощью фланцевого присоединения.

Применение радиально изогнутого щелевого свободновихревого активного сопла сопровождается созданием течения жидкости по закону свободного вихря на выходе из сопла. Перестройка профиля скорости начинается в сопле высоконапорного потока, т. к. скорость распространения возмущений давления в потоке несжимаемой жидкости превышает скорость течения (стремится к бесконечности). В результате на границе с низконапорным потоком получается требуемое малое статическое давление Р₁, обеспечивающее необходимый подсос низконапорного потока. При этом средняя скорость струи высоконапорного потока заметно снижается, а, соответственно, и скорость смешанного потока на выходе из камеры смешения также снижается, что приводит к снижению потерь механической энергии на удар в камере смешения эжектора.

Другой особенностью течений в криволинейных каналах является наличие мощных поперечных течений в пограничных слоях на боковых стенках, вызванных радиальным градиентом давлений. Эти течения интенсифицируют перемешивание в камере смешения высоконапорного потока с низконапорным, что позволит уменьшить длину камеры смешения и сократить потери на трение в камере смешения.

Принципиальная схема предлагаемого изобретения представлена на фиг. 1, где 1 – вход активного потока, 2 – вход пассивного потока, 3 – камера смешения, 4 – выход из камеры смешения, 5 – щелевое свободновихревое активное сопло (радиально изогнутое), 6, 7, 8 – фланцы для присоединения к технологическому оборудованию или трубопроводу: щелевого свободновихревого активного сопла, пассивного сопла и конца камеры смешения соответственно, Q₁ – объемный расход активного потока, P₁* - полное давление активного потока, Q₂ – объемный расход пассивного потока, P₂* - полное давление пассивного потока, Q₃ – объемный расход смешанного потока в начале камеры смешения, P₃* - полное давление смешанного потока в начале камеры смешения, Q₄ – объемный расход смешанного потока в конце камеры смешения (Q₃=Q₄), P₄* - полное давление смешанного потока в конце камеры смешения,  – внешний радиус кривизны щелевого свободновихревого активного сопла,  – внутренний радиус кривизны щелевого свободновихревого активного сопла,  - средняя скорость струи активного потока на срезе щелевого свободновихревого активного сопла.

На существующем трубопроводе снимается фланцевая катушка, на место которой устанавливается предлагаемый эжектор с щелевым свободновихревым активным соплом, габаритные размеры которого совпадают с габаритами съемной фланцевой катушки, а присоединительные размеры являются универсально используемыми на производстве фланцами. Вход активного потока 1 присоединяется с помощью фланца 6 к насосу (возможно к передвижному) активной жидкости, в качестве которой можно использовать любую инертную среду, подходящую по условиям процесса. Вход пассивного потока 2 и конец камеры смешения 4 присоединяются с помощью фланцев 7 и 8 к трубопроводу, по которому планируется откачка жидкости из одного места в другое. Таким образом, вход пассивного потока 2 и камера смешения 3 одновременно являются частью трубопровода перекачки пассивной среды, в который введено радиально изогнутое щелевое свободновихревое активное сопло 5. Активный поток жидкости создает разрежение, что приводит к откачиванию пассивной жидкости из одного места и направлением общего смешанного потока в другое место.

Для активного потока средняя скорость на срезе криволинейного сопла перед камерой смешения меньше, чем одинаково распределенная скорость на срезе прямолинейного сопла. Это картина течения жидкости по криволинейному каналу объясняется распределением скорости на срезе щелевого свободновихревого активного сопла по закону свободного вихря (2):

(2)

При этом если внутренний радиус радиально изогнутого щелевого свободновихревого активного сопла стремится к нулю, то скорость элементарной струйки на данном радиусе  на срезе сопла будет стремиться к бесконечности, а статическое давление активного потока в этом месте будет стремиться к отрицательному значению, что на практике не может быть достижимо (3):

Если то и (3)

Устанавливается некоторое минимальное значение внутреннего радиуса радиально изогнутого щелевого свободновихревого активного сопла (4):

, , (4)

Этот эффект гарантирует меньший расход активного потока, а эжекция происходит за счет повышенной скорости и соответствующего ей низкого давления на границе активной и пассивной сред. Также снижение средней скорости активного потока способствуют снижению потерь на смешение, а также потерь на трение смешанного потока. Таким образом, средняя скорость высоконапорного потока заметно снижается, что приводит к снижению потерь механической энергии в эжекторе на удар и на трение, а, следовательно, к увеличению КПД.

Основное преимущество струйного насоса с щелевым свободновихревым активным соплом, применяющегося для целей перекачки сред, заключается в простоте устройства, увеличении КПД, универсальности конструктивного исполнения присоединения к оборудованию или трубопроводу, возможности применения в различных сферах промышленности и низких затратах на эксплуатацию на производствах. Использование данного эжектора с щелевым свободновихревым активным соплом позволит удешевить и упростить процесс перекачки и транспортировки коррозионно-активных и/или содержащих механические примеси жидких сред.

Изобретение относится к эжекторам, может быть использовано для откачки сред, содержащих механические примеси или агрессивные, коррозионные компоненты, из различных приямков, заглубленных емкостей, для очистки скважин, колодцев и прочего оборудования. Изобретение предназначено для откачивания различных сред, перекачка которых представляется проблематичной с помощью обычно применяемого оборудования, а именно различного типа насосов - центробежных, шестеренных, роторных, т.е. имеющих сложную конструкцию с внутренними деталями (камерами, лопатками), которые может привести в негодность данная откачиваемая среда. Такой средой могут быть различные коррозионно-активные жидкости (кислоты, щелочи и прочее) или неоднородные среды с высоким содержанием абразивных и механических примесей. Таким образом, в случаях, где обычные насосы могут выйти из строя в процессе перекачки или сломаться раньше назначенного срока службы, возможно применение эжектора, конструкция которого позволяет создать вакуум без использования сложных внутренних устройств. Задачей заявленного изобретения является более простое конструктивное исполнение способа откачки среды из заглубленного оборудования путем подключения к трубопроводу откачки. Основным преимуществом изобретения, создающего вакуум для целей откачки сред, заключается в простоте его конструкции в отношении способа подключения к трубопроводу откачки, а особенности конструктивного исполнения струйного аппарата значительно повышают его коэффициент полезного действия за счет использования авторегулируемого свободновихревого активного сопла. Использование данного изобретения позволит снизить эксплуатационные затраты на ремонт насосного оборудования, при том что себестоимость изготовления струйного насоса значительно меньше изготовления стандартного насоса. 1 ил.

Эжектор со щелевым свободновихревым активным соплом и прямолинейной камерой смешения, содержащий щелевое свободновихревое активное сопло с распределением скорости на срезе по закону свободного вихря (С_u⋅R=const), камеру смешения, отличающийся тем, что щелевое свободновихревое активное сопло выполнено в виде радиально изогнутой щели, перегораживающей прямолинейную камеру смешения на входе, внешняя стенка которой изогнута по радиусу R₁', а внутренняя имеет радиус R₁→0, при этом вход активного потока присоединяется с помощью фланца к насосу активной жидкости, вход пассивного потока и конец камеры смешения присоединяются с помощью фланцев к трубопроводу или оборудованию.