Общие сведения о струйных аппаратах

Устройства, в которых путем непосредственного контакта (смешения) осуществляется процесс передачи кинетической энергии одного потока другому, называют струйными аппаратами (СА).

СА используются в разнообразных технологических процессах. Широкое их применение обусловлено рядом достоинств: простотой конструкции и технологии изготовления; малыми габаритами и массой; отсутствием подвижных рабочих органов; полной герметичностью; легкостью совмещения с другим технологическим и лабораторным оборудованием; надежностью в эксплуатации и долговечностью. Эти достоинства, несмотря на весьма низкий КПД СА, обеспечили им применение в самых различных областях техники.

СА используются в качестве:

- паро-воздушного эжектора для обеспечения высокого вакуума [10], в том числе в конденсационных установках паровых турбин ТЭС и АЭС [11];

- газового эжектора для повышения эффективности эксплуатации систем нефтегазосбора [12];

- паро-воздушного компрессора в холодильных установках [13]; для охлаждения воды в системе кондиционирования воздуха;

- паро-воздушного дутьевого инжектора в котельных установках [13, 14];

- газовой инжекционной горелки в печах [13] и сушилках [31];

- паро-жидкостного инжектора в роли питательного насоса в энергетических установках [10, 14, 16];

- тягового органа для реактивных двигателей самолетов [28], а также судовых движителей [16, 29];

- диспергатора в системах жидкость—жидкость [17];

- элеватора для присоединения отопительных установок к тепловым сетям [14];

- гидроструйного насоса для перемещения жидкостей и суспензий [14, 18–20];

- водогазового эжектора (гидроструйного эжектора или компрессора) для отсасывания газов и создания вакуума в различных емкостях [14];

- для сбора и транспорта нефтяных газов [21];

- диспергирования и смешения газа в жидкости [14, 18, 22];

- побудителя тяги для пневмотранспорта [14, 23–26] и пылеуборки [27].

Следует отметить, Что Струйные Ааппараты относятся к нестандартному оборудованию. Это в какой-то мере объясняет появление в технической литературе различных названий одного и того же типа СА и появление ошибок при их проектировании.

Классификация СА, а также теория и основные задачи, которые приходится решать при разработке различных типов СА, наиболее полно изложены в [14].

Струйные аппараты

Общие вопросы расчета и проектирования струйных аппаратов

Смешиваемые в СА потоки могут относиться к одной и той же фазе или к разным фазам. Фазовое состояние смешиваемых потоков может оставаться неизменным или же изменяться (например, пар может превратиться в жидкость). Поток, вступающий в процесс смешения с большей скоростью, называют рабочим (активным), с меньшей скоростью — инжектируемым (пассивным). Обычно давление смешанного (сжатого) потока на выходе из СА выше давления инжектируемого потока перед аппаратом, но ниже давления рабочего потока р_н  р_с  р_р. Это связано с выравниванием скоростей потоков в камере смешения, а также с преобразованием кинетической энергии в потенциальную в диффузоре.

Схемы конструктивного исполнения СА весьма разнообразны. На рис. 4.1 приведены схемы наиболее известных и распространенных конструкций нерегулируемых СА, а на рис. 4.2 — СА с регулируемыми геометрическими параметрами. Несмотря на разнообразие конструкций СА, можно выделить следующие основные элементы: активное (рабочее) сопло, камеру смешения (горловину), диффузор, входной участок горловины для пропуска пассивного потока, выполняемый, как правило, в виде конфузора (приемная камера). В зависимости от конфигурации рабочего сопла (насадка), исполняемого в виде конфузора, сопла Лаваля, сопла Вентури или кольца, его устанавливают соосно (по центру) с камерой смешения (рис. 4.1, а), либо по периферии камеры смешения (рис. 4.1, б) или комбинированно (рис. 4.1, в). В некоторых случаях применяют многосопловые СА (рис. 4.1, г).

Одним из основных показателей СА является коэффициент инжекции u, представляющий собой отношение массового расхода инжектируемого потока G_н к массовому расходу рабочего потока, т. е. :

. (4.1)

Как следует из перечня областей применения СА, свойства и условия взаимодействия рабочего и инжектируемого потоков существенно отличаются друг от друга в аппаратах различного типа. При этом в СА могут возникать различные сопутствующие смешению процессы, например конденсация, кавитация, инверсия фаз и т. д. Они существенно отражаются на работе аппаратов данного типа и должны учитываться при их расчете.

Рис. 4.1. Схемы нерегулируемых СА:
а) — с центральным соплом; б) — с кольцевым соплом;
в) — с центральным и кольцевым соплом; г) — многосопловый;
1 — сопло; 2 — конфузор;
3 — камера смешения (горловина);
4 — диффузор

Рис. 4.2. Принципиальные схемы СА
с регулируемыми геометрическими параметрами:
а) — с регулируемой площадью выходного сечения сопла;
б) — с регулируемой площадью поперечного сечения камеры смешения;
1 — сопло; 2 — конфузор; 3 — камера смешения (горловина);
4 — диффузор; 5 — «игла» для регулирования площади
выходного сечения сопла; 6 — дополнительная полость
для изменения площади поперечного сечения камеры смешения;
7 — переточная трубка

Агрегатное состояние среды определяет ее упругие свойства или сжимаемость. Однако сжимаемость в движущемся потоке проявляется лишь при достаточно большой скорости, сравнимой со скоростью звука. В случае достижения потоком скорости звука все его параметры — плотность, скорость, давление, температуру, а также площадь сечения, занимаемую потоком, называют критическими и обозначают соответственно: r _*, w_*, р_*, Т_* и f_*. При этом происходит значительное изменение давления, а значит и удельного объема или плотности среды. Поэтому для СА с упругими средами существенное значение имеют такие показатели работы, как степень сжатия инжектируемой среды (более строго — степень повышения давления), и т. е. отношение давлений , а также степень расширения рабочего потока (более строго — степень снижения давления), т. е. отношение давлений . Здесь р_с, р_н, р_р — абсолютные давления в смешанном, инжектируемом и рабочем потоках соответственно.

В случаях большой степени расширения рабочего потока (сверхкритического)

, (4.2)

где — относительное давление в критическом сечении, т. е. отношение давления в критическом сечении р_* к давлению торможения р₀ (давление, соответствующее покоящейся среде), на сопле устанавливают расширения в виде диффузора либо сопла Лаваля.

Если в этих условиях рабочее сопло выполнить сужающимся, то в выходном сечении сопла установится критическое давление р_р*  р_н и дальнейшее расширение рабочего потока от р_р* до р_н будет происходить за соплом с повышенными потерями. При этом расход рабочего потока G_р не зависит от давления в приемной камере р_н.

СА с большой степенью расширения рабочего потока и умеренной степенью сжатия , согласно [14], называют газоструйными или пароструйными компрессорами. Их применяют, в частности, для повышения давления газа (пара) в сети.

При малых степенях сжатия инжектируемый и смешанный потоки можно условно считать неупругими. Удельный объем газа мало меняется. Тем не менее, небольшая неточность в определении степени сжатия приводит к существенной ошибке в определении достижимого коэффициента инжекции. Поэтому в качестве расчетного показателя целесообразно принять не степень сжатия , а перепад давлений D р_с = р_с – р_н или относительный перепад давлений инжектируемой среды . Это позволяет избежать существенных ошибок в определении достижимого коэффициента инжекции.

Аппараты, в которых степень расширения может быть как сверхкритической, так и докритической, называют инжекторами. В соответствии с этим конфигурация сопла имеет форму сопла Лаваля и конфузора.

В случае малой степени расширения рабочего потока можно пренебречь свойствами упругости всех потоков. Это присуще как однофазным, так и разнофазным СА. При этом расход рабочего потока G_р зависит не только от давления перед соплом р_р, но и от давления в приемной камере р_н.

Однофазные СА, в которых рабочей и инжектируемой средой является жидкость, называют струйными однофазными насосами (СОН). Рабочее сопло, как правило, имеет форму конфузора. Однако с целью интенсификации целого ряда технологических процессов посредством наложения на струйные течения кавитации рабочее сопло может быть выполнено в форме трубы Вентури [32].

Принципиальные расчетные схемы СА с упругой и неупругой рабочей средой несколько отличаются обозначениями друг от друга (см. рис. 4.3, а и 4.3, б).

Рис. 4.3. Принципиальные расчетные схемы СА с центральным соплом:
а) расширяющееся сопло (сопло Лаваля) ;
б) коническое сопло

К разнофазным относятся СА для пневмотранспорта зернистых материалов и жидкости, СА для гидротранспорта зернистых материалов и жидкостно-газовые СА (ЖГСА).

Рабочими характеристиками СА являются зависимости типа р_с /р_н = f(u, р_р /р_н), р_н /р_р = f(u, р_с /р_р), Dр_с /р_н = f(u, р_р /р_н), Dр_с /Dр_р = f(u) и др., получаемые на основе законов сохранения импульса и массы. При этом важно отметить, что любая из характеристик зависит не от абсолютных геометрических размеров аппарата f_p*, f_p1 и f₃, а от отношения f₃ /f_p* и f₃ /f_p1 (см. рис. 4.3, а) или от отношения f₃ /f_p1 (см. рис. 4.3, б). Эти отношения являются геометрическими параметрами подобия СА. Аппараты, имеющие различные абсолютные размеры, но одинаковое отношение размеров, имеют одинаковые характеристики. СА с малым отношением f₃ /f_p* или f₃ /f_p1 создают более высокую степень сжатия, но не могут развивать больших коэффициентов инжекции. При увеличении f₃ /f_p* или f₃ /f_p1 степень сжатия падает, а коэффициент инжекции растет.

Для расчета указанных типов струйных аппаратов, кроме ЖГСА, наиболее приемлемой является полуэмпирическая методика ВТИ [14], основой которой являются известные законы сохранения массы, импульса и энергии.