Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 5
1.1 Струйные аппараты для систем глубокого вакуумирования 5
1.1.1 Типы струйных аппаратов для перекачки газов и вакуумирования 6
1.1.2 Схемы применения жидкостногазовых эжекторов 9
1.1.3 Конструкции жидкостногазовых струйных эжекторов 16
1.2 Краткий обзор научно технической литературы 19
Выводы по главе. Цель и задачи исследования 34
2. Рабочий процесс и характеристики жидкостногазового эжектора 36
2.1. Рабочий процесс жидкостногазового эжектора 36
2.1.1. Описание работы. Принципиальная схема 36
2.1.2. Основные параметры работы и расчетная модель 37
2.1.3. Состояния двухфазного потока в ЖГЭ
2.2. Рабочие характеристики ЖГЭ 41
2.3. Экстремальные характеристики ЖГЭ 46
2.4. Предельные по коэффициенту скольжения режимы работы ЖГЭ 51
2.5. Предельные по структуре потока режимы работы ЖГЭ 56
2.6. Анализ возможности реализации режима работы ЖГЭ 67
Выводы по главе 72
3. Экспериментальные исследования предельных режимов жидкостногазового эжектора 74
3.1. Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные В.Г. Цегельским (МГТУ им. Баумана) 74
3.2. Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные Н.М. Зингером и Е.Я Соколовым (ВТИ) 85
3.3. Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные Ю.Н. Васильевым и Е.П. Гладковым (ЦИАМ) 92
3.4. Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные Р.Ж. Каннингем и Допкиным 99
3.5. Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные А.П. Безуховым (ВТУЗ-ЛМЗ) 102
3.6. Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные Е.К. Спиридоновым
(ЮУрГУ) 107
Выводы по главе 115
4. Расчет жидкостногазового эжектора 117
4.1. Обоснование выбора водовоздушного эжектора 117
4.2. Область энергетически выгодных режимов работы ЖГЭ 122
4.3. Метод расчета ЖГЭ 131
4.4. Пример расчета ЖГЭ 134
Выводы по главе 144
Основные результаты и выводы 147
Список использованных источников
- Схемы применения жидкостногазовых эжекторов
- Состояния двухфазного потока в ЖГЭ
- Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные Н.М. Зингером и Е.Я Соколовым (ВТИ)
- Область энергетически выгодных режимов работы ЖГЭ
Схемы применения жидкостногазовых эжекторов
Первая разновидность по классификации Е.Я. Соколова и Н.М. Зингера относятся к струйным аппаратам с одинаковыми состояниями взаимодействующих сред с высокими степенями расширения и высокими степенями сжатия є52 2,5. В свою очередь в зависимости от типа активной среды газоструйные эжекторы могут быть газоструйными и пароструйными. В газоструйном эжекторе в качестве активной среды применяется газ (воздух). Сфера применения данных аппаратов — установки с небольшими разряжениями и относительно высокими потребными расходами откачиваемого газа. Пароструйные в зависимости от величины создаваемого аппаратом разряжения подразделяют на: эжекторные р2 =760-Ю-2 лт.рт.ст.; бустерные р2 =10-1 -10 4 лт.рт.ст.; высоковакуумные р2 ниже 10 4 мм.рт.ст. Пароструйные вакуумные насосы можно классифицировать по роду среды активного потока.
Пароструйные аппараты с активным потоком из паров ртути применяют: а) для перекачки редких и дорогостоящих газов из сосуда с низким давлением в сосуд с высоким давлением без риска загрязнения перекачиваемых газов или потерь в результате их растворения в парах активного потока; б) для перекачки радиоактивных газов без органического их загрязнения, в) для перекачки и сжатия газовых смесей при газовом анализе без загрязнения и потерь газов; г) в качестве вспомогательных насосов, выбрасывающих газ в атмосферу, в системах безмасляной откачки.
В паромасляных эжекторах в качестве активной среды используются пары специальных минеральных масел. Область применения: системы, создающие разряжения выше, чем в эжекторах, работающих на водяном паре, при высоких требованиях к безопасности (масляные пары в отличие от ртутных нетоксичны). Данный тип аппаратов способен работать при сравнительно высоких противодавлениях, имеет максимальную производительность в области давлений всасывания р2 =10" -\мм.рт.ст.
Пароводяные эжекторы получили наибольшее распространение по сравнению с другими типами пароструйных эжекторов. Это связано с тем, что водяной пар однороден по составу, не разлагается, не окисляется и т.д.
Пароструйные эжекторы применяют при необходимости создания высоких разряжений. При давлении всасывания р2 = 80 мм.рт.ст. и выше возможно применение данного типа аппарата по одноступенчатой схеме. При необходимости создания более глубокого вакуума систему вакуумирования выполняют многоступенчатой на основе нескольких пароструйных насосов. Важной особенностью пароструйных эжекторов, которую следует учитывать при выборе типа аппарата, является их высокая производительность (для примера, совокупная производительность по конденсирующимся и неконденсирующимся парам пароструйного эжектора ЗЭ 1000x40 составляет 1000кг/ч.) [79]. Следует отметить, что максимальные степени сжатия одной ступени пароструйного эжектора ограничены величиной є52 =10, так как при больших степенях сжатия затрудняется пуск эжектора [79, 87]. Жидкостногазовый эжектор (ЖГЭ) относится к двухфазным струйным аппаратам с неупругой активной средой. Теоретически данные аппараты способны создать любую степень сжатия, однако, применение ЖГЭ ограничено минимальной величиной давления всасывания, которая должна быть больше давления насыщенных паров активной жидкости р2 рн п .
Важной особенностью ЖГЭ является возможность конденсации паров, содержащихся в откачиваемом газе, на струе активной жидкости. Благодаря этому водовоздушные эжекторы (ВВЭ) применяются для вакуумирования конденсаторов паровых турбин. Наиболее эффективным представляется использование комбинированных систем вакуумирования, то есть совмещения в одной системе устройств разного типа. Так как максимальное разряжение пароструйных эжекторов в отличие от всех других типов зависит по существу от количества ступеней, которое ограничивается только экономическими факторами, при необходимости создания глубокого вакуума в качестве первой (первых) ступени (ступеней) следует использовать пароструйный эжектор, сжимающий откачиваемую смесь до 50 -100 мм.рт.ст. Дальнейшее сжатие газа можно осуществить механическим насосом или ЖГЭ (чаще всего ВВЭ). Таким образом, комбинированные системы могут быть по крайней мере двух типов. В установках первого типа начальная ступень — один или несколько пароструйных эжекторов, вторая механический (например, водокольцевой) насос. Такая компоновка системы применяется в случаях низкого располагаемого давления рабочего пара (около 100 КПа), при высоких потребных расходах откачиваемой смеси. Главный недостаток этой схемы -снижение надежности из-за наличия механического насоса.
В установках второго типа первая ступень - один или несколько пароструйных эжекторов, вторая водовоздушный эжектор.
При необходимости создания давления всасывания р2= 0,05-0,1 кг/см2 применяют многоступенчатые пароструйные установки, с промежуточными конденсаторами между ступенями. При необходимости получения больших разряжений первые несколько ступеней, поднимающие давление до 0,05 кг/ см2 (давление при котором можно использовать конденсатор) работают без промежуточной конденсации. В этом случае эжектор каждой последующей ступени должен откачивать кроме эжектируемого воздуха, остаточный пар предыдущих ступеней, что снижает эффективность работы установки.
Состояния двухфазного потока в ЖГЭ
В случае реализации критического режима в выходном сечении камеры смешения струйного аппарата образуется сверхзвуковой поток газожидкостной однородной смеси. Превращение дозвуковых потоков жидкости и газа в сверхзвуковой происходит за счет резкого падения скорости звука в смеси в процессе ее образования. Полному давлению изоэнтропического торможения сверхзвукового потока соответствует точка 4 на рис. 1.13 а). Сразу после образования сверхзвукового потока согласно теореме Вулиса происходит скачок уплотнения, переводящий сверхзвуковой поток в дозвуковой. Давление в выходном сечении уменьшается на величину потерь в скачке уплотнения на величину 4 — 2. Образованный дозвуковой поток смеси тормозится в диффузоре. При уменьшении противодавления скачок уплотнения смещается вниз по течению потока, а образованный в выходном сечении камеры смешения сверхзвуковой поток на начальном участке диффузора разгоняется. При этом давление смеси на выходе ЖГЭ падает из-за роста потерь в скачке уплотнения при повышении скоростей входящего потока. На этих режимах камера смешения заперта, т.е. возмущения, вызванные изменением давления не передаются против течения потока. Критическому режиму соответствует участок 2-3 дроссельной характеристики на рис. 1.13 а).
На режимах частичного распада жидкостная струя пробивает камеру смешения и распадается в диффузоре, что приводит к дополнительным потерям на внезапное расширение струи в сечении с площадью большей, чем площадь выходного сечения камеры смешения. Это вызывает падение полного давления смеси р5, которое будет тем больше, чем дальше от входа в диффузор осуществляется разрушение жидкостной струи. На этих режимах ЖГЭ не заперт (изменение противодавления р5 приводит к изменению коэффициента эжекции). Режимам частичного распада соответствует участок 2-5 дроссельной характеристики на рис. 1.13 б).
В работах [84, 85] описываются выполненные автором экспериментальные исследования, в которых доказывается существование упомянутых выше предельных режимов.
В работе А.П. Безухова [8], выполненной в Санкт-Петербургском институте машиностроения, исследуется зависимость характеристик водоструйного эжектора от угла раскрытия струи жидкости. Указывается, что недостаток информации о углах раскрытия струй ЖГЭ затрудняет выбор оптимального расстояния между соплом и входным сечением камеры смешения, неверный же выбор этого параметра приводит к эрозионному разрушению приемной камеры.
При выводе математической модели работы водовоздушного эжектора предполагается, что основной причиной распада водяных струй является выделение из жидкости растворенного в ней газа. Физическое представление течения струи воды в приемной камере автор основывает на следующих утверждениях. 1. В качестве основной причины увеличения поперечного сечения струи воды принимается выделение в струе растворенного воздуха, причем процесс газовыделения и падение давления в пузырях при удалении жидкости от сопла продолжается до тех пор, пока сумма парциальных давлений воздуха и насыщенного пара в пузырях не сравняется с давлением паровоздушной смеси за струей, т.е. в приемной камере аппарата. 2. Струя воды в приемной камере вплоть до линии соприкосновения поверхности струи с внутренней поверхностью камеры смешения делится на два участка: начальный и основной. Границей участков принимается сечение, к которому завершилось выделение из воды всего растворенного воздуха, соответствующего давлению в приемной камере. Предполагается, что на начальном участке сплошной средой является вода, в которой равномерно распределены пузыри с паровоздушной смесью, а на основном участке капли воды окружены паровоздушной смесью. 3. Тангенс угла раскрытия струи воды на начальном участке определяется отношением радиальной и осевой составляющих скорости, причем придание частицам струи радиальной составляющей скорости есть результат работы выделения и расширения пузырей паровоздушной смеси в процессе их перемещения вместе с водой на начальном участке. На основном участке разрушенная струя воды продолжает по инерции движение в осевом направлении с тем же углом раскрытия до места соприкосновения с цилиндрической камерой смешения. 4. Объемный коэффициент эжекции аппарата равен отношению объемов паровоздушной смеси и воды, заключенных в объеме усеченного конуса основного участка струи.
Математическая модель основана на уравнениях Клайперона-Менделеева, постоянства расходов, законах Дальтона и Генри, уравнениях закона сохранения и превращения энергии.
Предложенная автором математическая модель ВВЭ [б, 7, 8], может адекватно описывать рабочий процесс лишь при следующих условиях: 1. Интенсивное газовыделение при истечении воды из сопла в приемную камеру. 2. Равенство скоростей течения жидкости и паровоздушной смеси на основном участке струи, что соответствует значению коэффициента скольжения фаз у/ = \. Также следует отметить, предположение автора о том, что в приемной камере захват эжектируемого воздуха происходит только за счет массообмена между воздухом в приемной камере и в струе, не соответствует действительности, в противном случае струя дегазированной жидкости была бы лишена эжектирующей способности вообще.
Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные Н.М. Зингером и Е.Я Соколовым (ВТИ)
Без дополнительных побудительных устройств струя жидкости может сообщить спутному пассивному потоку скорости, не превышающие скорость струи. Причем, такие высокие скорости могут наблюдаться лишь вдали от стенки (около струи). Вблизи стенки скорости пассивного потока падают до нуля. Принимая степенной закон распределения скоростей у стенки камеры Ur = Уж(у1д)", где у — удаление точки от стенки; 8- расстояние от стенки до струи, связанное с относительной площадью сопла формулой: 5 = (l--jQ.m)D3/2; п — показатель степени, зависящий от числа Рейнольдса пассивного потока и относительной шероховатости стенки, можно найти среднюю скорость пассивного потока во входном сечении камеры Vn и, отнеся ее к скорости струи жидкости жз, получить предельный коэффициент скольжения, [і] V Vn УЖІ (и + ІХл + 2) nJQ (2.23) При турбулентном режиме течения показатель степени п=1/7...1/12. Тогда при относительной площади сопла QQ3 =0,06...0,50 предельный коэффициент скольжения у/, =0,84...0,91. Таким образом, дополнительным соотношением, характеризующим особенности рабочего процесса жидкостногазового струйного насоса, является неравенство ц/ ц/„ или: а203 ц/. (2.24)
Очевидно, что данное условие ограничивает диапазон изменения объемных коэффициентов эжекции максимальной величиной а,, при которой во входном сечении рабочей камеры аппарата скорости активного и пассивного потоков сближаются и коэффициент скольжения фаз достигает предельной величины Ц/.. Установим с помощью выражения для степени повышения давления в рабочей камере (2.17) и выражения (2.24) зависимость максимальных коэффициентов эжекции а, от параметров єЛ2 и Г для струйного насоса без диффузора. С этой целью выразим из формулы (2.24) относительную площадь сопла Q03 и подставим полученный результат в уравнение (2.17), в котором примем Кпз = Кпл =КТ=\. После преобразования получим: Выражения (2.25) и (2.26) позволяют построить кривую ограничения по предельному коэффициенту скольжения для струйного насоса без диффузора для фиксированного значения параметра Г и коэффициента сопротивления камеры смешения. Для ЖГЭ с диффузором данное ограничение рассчитывается численно, кривые ограничения строятся по системе уравнений (2.17-2.20) при подстановке в них выражения для относительной площади полученного из (2.24).
Кривые ограничений по предельному коэффициенту скольжения для струйного насоса без диффузора приведены на рис. 2.8, для ЖГЭ с диффузором на рис. 2.9.
При рассмотрении представленных на рисунках 2.8. и 2.9 семейств кривых видно, что каждая кривая имеет максимум и две ветви, следовательно, рабочая напорная характеристика рассчитанная по уравнениям (2.17-2.20) в зависимости от степени пологости (определяется значением Q03) может пересекаться с данными кривыми различными способами. Варианты взаимного пересечения рабочей характеристики и кривой предельного по коэффициенту скольжения представлены на рисунке 2.10. Таким образом, возможны следующие варианты. а) Рабочая характеристика пересекает только правую ветвь экстремальной характеристики (на рис.2.10 Q03 0,3). б) Рабочая характеристика пересекает обе ветви (на рис.2.10 Q03 = 0,6), в) Рабочая характеристика пересекает только левую ветвь экстремальной характеристики (на рис.2.10 Q03 = 0,8). В первом и третьем случаях единственная точка пересечения соответствует коэффициенту скольжения цг = 0,85. Во втором случае режиму с і// = 0,85 соответствует правая точка пересечения. Реализованы на практике могут быть режимы, соответствующие точкам рабочей характеристики левее точки пересечения с предельной кривой.
Анализ выражения (2.26) показывает, что с увеличением относительного динамического давления струи Г и уменьшением степени сжатия коэффициент эжекции а. растет и может достигать больших величин. Например, из рис.2.9 следует, что при степени повышения давления є52 = 6 начиная с Г«30объемный коэффициент эжекции а2 5 . Однако опытных данных подтверждающих это обнаружить не удалось. Следовательно, можно ожидать что условие (2.24), ограничивающее верхние значения коэффициента эжекции не является единственным.
Область энергетически выгодных режимов работы ЖГЭ
Испытания проводились для эжектора с двенадцатиструйным соплом для подачи жидкости, цилиндрической камерой смешения и- расширяющимся диффузором при изменении- полных давлений воды от 2 МПа- до 12 МПа и» воздуха.от 0,2 МПа до 0#МПа [17].
Принципиальная схема установки изображена на рис.3.25. Вода из градирни под давлением" 0,4 МПа поступает по трубопроводам 1 и 4, снабженным дроссельной задвижкой 2 и фильтром 3, в два центробежных насоса 5, которые приводятся газовыми турбинами 6, работающими на сжатом воздухе, поступающем от компрессорной станции по трубопроводам 7 и 8. воздухТрубопроводы 7 и 8 имеют дроссельные задвижки 9 и 10; которые позволяют регулировать режим работы турбин 6, а следовательно, и насосов 5. Из насосов 5 вода под требуемым давлением подается через трубопроводы 11 и 12 и мерную диафрагму 13 в сопло испытуемого эжектора 14. Воздух в приемную камеру эжектора 14 отбирается за дроссельной задвижкой 15 и подается по трубопроводу 16, имеющему сдвоенные мерные диафрагмы 17 и дроссельную задвижку 18.
Образующаяся в эжекторе 14 водовоздушная смесь по трубопроводу 19 с дроссельной задвижкой 20 отводится в градирню.
В камеру смешения 1 эжектора вода поступает через 12-ствольное сопло 2, а воздух из приемной камеры 3 по межструйному пространству. Расширяющийся диффузор 5 состоит из двух конических участков с полууглами раскрытия, равными 25Г для первого участка и 405 для второго, Диаметр выходного сечения диффузора равен 50 мм, а отношение площадей Q54 =16.
При проведении испытаний расход воды измерялся нормальной мерной диафрагмой, а расход воздуха из-за небольшой его величины - сдвоенными мерными диафрагмами, предварительно протарироваными при помощи ротаметра. Перепад давлений на диафрагме, измеряющей расход воды, регистрировался дифференциальным манометром, а на сдвоенных диафрагмах, измеряющих расход воздуха - U-образным пьезометром, залитым водой. Измерение температур воды и воздуха на входе в эжектор производилось термометрами сопротивления. Статические давления воды на входе в сопло эжектора и воздуха в приемной камере, а также статические давления по длине камеры смешения и диффузора измерялись пружинными манометрами [17].
В экспериментах Ю.Н. Васильева экспериментальные точки получены при нескольких параметрах Г. Для опытов при Г = 7,37 и Г = 16,5 точки получены для эжекторов при разных давлениях питания Р, и давлениях всасывания Р2 (см. рис. 3.27, 3.28). Экспериментальным точкам, нанесенным на график маркерами круглой формы, соответствуют значения: Р, = 2 МПа; Рг = 0,4 МПа при г = 7,37; Р2 = 0,2 МПа при Г = 16,5. Экспериментальным точкам нанесенным на график маркерами ромбической формы соответствуют значения Рх = 4 МПа; Р2 = 0,8 МПа При Г = 1,31 , Р2= 0,4 МПа при Г = 16,5. Остальные параметры: пю = о,ъ; п5А=\б. На поле данных точек также нанесены теоретические напорные характеристики дополненные кривыми предельных по структуре потока режимов, (см. рис. 3.26 - 3.29).
Сопоставляя опыты Васильева с расчетными напорными характеристиками, обнаруживаем их качественное согласие до участка резкого падения опытной степени сжатия. Отличие между экспериментальными характеристиками (см. рис. 3.27, 3.28) при одинаковых значениях Г объясняется разными значениями коэффициентов потерь смесительной камеры и диффузора. При расчете теоретической напорной характеристики их величины, за отсутствием точных данных, принимались ориентировочно (з4=056; 45=0,4), причем равными для всех величин давления питания и всасывания, что, несомненно, влечет некоторую погрешность.
Для режимов Г = 2,76; р2 = 800 кПа (рис.26) и Г = 7,37; рх -4МПа,р2 = 800 кПа; рх=2МПа, р2 = 400 кПа (рис.27) срыв рабочей характеристики определяется вторым предельным по структуре потока режимом. При рассмотрении графика изменения статических давлений вдоль проточной части ЖГЭ для режима Г = 2,76 (см. рис. 3.30) видно, что прыжок перемешивания располагается в начальном сечении диффузора. Это говорит о наличии спокойного течения в сечении 4.
Две рабочие напорные характеристики полученные на режиме Г = 7,37, (рх =4МПа, р2 = 400кПа) и (рх =2МПа, р2 =200кПа) (рис.3.28) имеют срыв в точке пересечения с кривой первого предельного по структуре потока режима. На рисунке 3.29 представлена рабочая характеристика для режима Г = 35, р2= 200 кПа, рх=4 МПа, соответствующий точкам характеристики график изменения давлений по длине ЖГЭ представлен на рис.3.30. Из рис.3.30 следует, что в сечении 4 квазигомогенный поток не сформировался. Рабочая характеристика имеет срыв в точке кривой левее пересечения с кривой первого предельного по структуре скольжения фаз режима. В данном случае также возможно объяснение срыва достижением предельного коэффициента скольжения.
Похожие диссертации на Исследование предельных режимов и разработка метода расчета жидкостногазового эжектора
