Содержание к диссертации
Условные обозначения 4
ВВЕДЕНИЕ 7
1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ГАЗОВЫХ ЭЖЕКТОРОВ 13
1.1. Назначение и анализ элементов эжектора 13
1.2. Рабочий процесс и анализ критических режимов работы эжектора. 17
1.3. Расчёт газовых эжекторов 21
1.3.1. Анализ допущений... 21
1.3.2. Двухмерные модели 22
1.3.3. Одномерные модели. Изоэнтропное течение.. 23
1.3.4. Одномерные модели. Течение с трением 28
1.4. Определение оптимального положения сопла относительно камеры смешения 34
1.5. Выводы и задачи исследования 38
2. ТЕОРИЯ ГАЗОВОГО ЭЖЕКТОРА С ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КАМЕРОЙ СМЕШЕНИЯ 40
2.1. Модель эжектора 40
2.2. Основная система уравнений. 43
2.3. Потери в элементах эжектора 47
2.3.1. Сопло рабочего потока 47
2.3.2. Камера смешения 49
2.3.3. Входной участок 49
2.3.4. Диффузор 50
2.3.5. Определение коэффициентов вязкости 51
2.4. Определение физических свойств эжектируемого газа при работе эжектора в КЦ ЭХГ 53
2.5. Оптимальное расстояние сопла до камеры смешения... 54
2.6. Оптимальная степень расширения сопла рабочего потока 56
2.7. Проверка теоретической модели 62
2.8. Выводы... 65
3. ОПЫТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОНАПОРНЫХ ЭЖЕКТОРОВ 66
3.1. Стенд для исследования низконапорных эжекторов 66
3.2. Опытный эжектор 69
3.3. Методика и схема измерений 74
3.4. Методика проведения опытов... 76
3.5. Тарировка расходомеров 78
3.6. Анализ погрешностей измерений 84
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЖЕКТОРОВ 87
4.1. Исследование поля скорости в камере смешения 87
4.2. Влияние положения сопла на коэффициент сопротивления входного участка.. 92
4.3. Потери в соплах и диффузорах 99
4.4. Характеристики низконапорных эжекторов 104
4.4.1. Работа эжектора в условиях КЦ ЭХГ 104
4.4.2. Сопоставление опытных и расчётных характеристик воздухо-воздушных эжекторов 4.5. Исследование регулятора давления... 117
4.6. Выводы 124
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 126
СПИСОК ОСНОВНОЙ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 128
ПРИЛОЖЕНИЯ 142
Введение к работе
Водородно-кислородные(воздушные) ЭХГ, в которых химическая энергия топлива непосредственно и с высоким к.п.д. преобразуется в электрическую, являются перспективными источниками электрической энергии космического и наземного назначения / 68 - 70,82,85,87 /. Расширение областей применения и улучшение характеристик существующих ЭХГ связано с совершенствованием отдельных его систем, в частности, системы удаления воды.
Одной из наиболее удачных, обеспечивающих высокие массо-габаритные характеристики, является динамическая система, в которой образующаяся в результате электрохимической реакции вода испаряется в поток одного или двух рабочих газов, проходящих через электродные камеры ТЭ. Практическое применение нашли системы с циркуляцией пароводородной смеси, создаваемой вентилятором / 68,85,87/.
Применение механических нагнетателей существенно снижает надёжность ЭХГ и связано с потреблением на привод до 5...10 % вырабатываемой электроэнергии / 87 /. Для устранения этих недостатков в последних разработках ЭХГ / 70 / используются статические системы удаления воды, не содержащие движущихся частей, но вследствие малой интенсивности процессов диффузии имеющие большие поверхности массообмена, увеличивающие массу и объём ЭХГ.
Улучшение характеристик, ив первую очередь, надёжности динамических систем удаления воды в ЭХГ, где реагенты подводятся под давлением, может быть достигнуто применением эжекторов (эжекцион-ных циркуляторов) в качестве побудителей циркуляции / 82 /.В этом случае система не имеет движущихся частей и нет потребления электроэнергии. Схема циркуляции в водородно-кислородном ЭХГ с использованием эжекторов представлена на рис. BI.
Эжекторы для ЭХГ отличаются небольшими размерами, обусловлен
От системы хранения рабочих газов
Кислородный контур
Водородный контур
Рис. BI. Принципиальная схема циркуляции рабочих газов водородно-кислородного электрохимического генератора I - регулятор давления, 2 - водородный эжектор, 3 -конденсатор, 4 - конденсатоотводчик, 5 - батарея топливных элементов, б - кислородный эжектор ными малыми расходами рабочего газа - водорода, идущего на реакцию, и должны обеспечивать большие коэффициенты эжекции.
Первое позволяет отнести такие эжекторы к малоразмерным или микроэжекторам. Например, для описанного в / 68 / ЭХГ мощностью 32 кВт диаметр критического сечения сопла рабочего потока не превысил бы 1,2 мм. Для ЭХГ меньшей мощности, в настоящее время наиболее распространённых, диаметр критического сечения будет ещё меньше.
Большие коэффициенты эжекции и связанные с ними кратности циркуляции (A =LL+1 ) характерны для низконапорных эжекторов. В существующих ЭХГ рабочие значения кратностей циркуляции изменяются в пределах 10...60 и в среднем составляют величину порядка 20 / 68,87 /, что обеспечивает устойчивую работу ЭХГ / 30 /. Гидравлическое сопротивление КЦ водорода при этом не превышает І кіїа (соответствует степени повышения давления 1,002...1,01) /82,87/, а параметры хранения реагентов обеспечивают характерное отношение давлений больше критического.
Известен ряд патентов / 4,92 /, в которых для создания циркуляции в ЭХГ предлагается использовать эжектор с регулятором давления. Однако существующие конструкции обеспечивают низкие (до 13 / 82 /) кратности циркуляции, недостаточные для удаления воды. Практическое применение эжекторы нашли лишь для увлажнения кислорода, при этом к = 2...8 / 68,87 /.
В литературе отсутствуют данные по иссследованию малоразмерных низконапорных эжекторов с указанными параметрами. Применение таких эжекторов помимо ЭХГ целесообразно в различного рода циркуляционных системах с источниками сжатого газа. Методики расчёта низконапорных эжекторов / 76,110 / подтверждены при сравнительно небольших коэффициентах эжекции и характерньк отношениях давлений (U 7, ро . 5). Опытные данные получены либо для микроэжекторов, обеспечивающих небольшие коэффициенты эжекции (Ц 5) /53,89, 115,116,126 / и имеющих худшие характеристики по сравнению с большими эжекторами, либо для больших эжекторов, позволивших достичь коэффициентов эжекции U = 15...45 / 78,121,142 /, но провести сопоставление с расчётом по / 76,110 / не представляется возможным.
В существующих методиках расчёта эжекторов не учитывается влияние положения сопла на характеристики эжектора и достижимые коэффициенты эжекции, хотя такое влияние, как показывают опыты / 56,98,110,116 / и другие, весьма существенное.
Предварительное исследование малоразмерного низконапорного эжектора в условиях, моделирующих его работу в КЦ ЭХГ / 28 /, показало возможность достижения больших коэффициентов эжекции и использования таких эжекторов в ЭХГ, а также заметное (до 30%) различие опытных и расчётных по / НО / результатов. Использование методики / НО / для расчёта эжекторов ЭХГ может привести к тому, что реальные эжекторы, имеющие более низкие коэффициенты эжекции по сравнению с расчётными, на которые должна проектироваться система термостатирования, не обеспечат устойчивую работу ЭХГнавсех режимах, так как с уменьшением коэффициентов эжекции уменьшается допустимый диапазон колебаний температур в ЭХГ / 30 /.
Перспективность применения эжекторов в динамических системах удаления воды и отсутствие данных по таким эжекторам, а также некоторые пробелы в существующих теориях определило цель работы -теоретическое и опытное исследование низконапорных газовых эжекторов малых размеров и разработка регулятора давления для работы эжектора в контуре циркуляции электрохимического генератора.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
I. Использование при записи уравнения сохранения количества движения минимального (сжатого) сечения эжектируемого потока во входном участке позволяет более точно учитывать потери смешения в
газовых эжекторах.
2. Уменьшение сжатого сечения при приближении сопла к камере смешения увеличивает скорость эжектируемого потока и, с одной стороны, снижает потери смешения, увеличивая коэффициент эжекции, с другой стороны, увеличивает потери во входном участке, уменьшая коэффициент эжекции. Противоречивое влияние этих двух факторов определяет оптимальное положение сопла.
Исследования проводились расчётно-теоретическим и опытным путём. Получены следующие основные научные и практические результаты:
1. Одномерная модель и методика расчёта низконапорных газовых эжекторов, более точно учитывающие потери смешения и потери в отдельных элементах эжектора.
2. Данные по определению оптимальных степеней расширения сопл рабочего потока.
3. Данные по влиянию полоткения сопла, числа Рейнольдса в сжатом сечении и формы образующей на коэффициент сопротивления входного участка эжектора.
4. Опытные характеристики низконапорных малоразмерных и микроэжекторов для широкого диапазона изменения параметров состояния смешиваемых газов и геометрических размеров.
5. Программа расчёта низконапорных газовых эжекторов на основе разработанной методики.
6. Конструкция блока эжектора с регулятором давления для создания циркуляции в водородно-кислородных(воздушных) ЭХГ.
Результаты выполненных исследований использовались во Всесоюзном научно-исследовательском и проектно-технологическом институте электроугольных изделий, Центральном аэрогидродинамическом институте им. проф. Н. Е. Жуковского, предприятии п/я В-2572.
Материалы диссертационной работы докладывались на:
1. 6-й Всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в элементах энергетических машин и аппаратов. Ленинград, 1978.
2. 19-й научно-технической конференции молодых учёных и специалистов ЭНИНа им. Г. М. Кржижановского. Москва, ЭНИН, 1979.
3. 41-й...52-й научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников ОТИХП. Одесса, ОТИХП, 1972...1983 гг.
Основные результаты работы изложены в 7-й публикациях.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов и приложений, изложенных на 175 с. машинописного текста, включая34 рисунка, 10 таблиц, список основной использованной литературы (142 источника) на 14 с. и 34 с. приложений.
В 1-й главе проведен анализ литературных данных по газовым эжекторам и сформулированы задачи исследования. Во 2-й главе изложены теория газового эжектора с цилиндрической камерой смешения, вопросы выбора оптимальных режимов работы и апробация разработанной методики расчёта газовых эжекторов. В 3-й главе описан стенд для исследования низконапорных газовых эжекторов, его некоторые элементы, результаты тарировок расходомеров, проведена оценка погрешностей измерений. 4-я глава посвящена результатам опытного исследования эжекторов, сопоставлению расчётных и опытных характеристик, а также разработке регулятора давления. В приложении приведены программа расчёта газовых эжекторов, опытные данные (вграфической форме) по сопротивлению ВУ и характеристикам эжекторов,а также справки об использовании результатов диссертационной работы.
Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры тепломассообмена 0. А. Чулкину и В. Н. Бузу за помощь, оказанную при проведении опытов.