Теория винтовых и вихревых потоков жидкости в струйных аппаратах

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. История появления струйного аппарата и области его применения

Струйными аппаратами называются устройства, в которых осуществляется процесс инжекции, заключающийся в передаче кинетической энергии одного потока другому путем непосредственного контакта (смешения). инжекция струйный поток

Струйные аппараты используются уже почти два столетия, однако уровень знаний об их функциональных возможностях вряд ли можно назвать достаточным.

Данные аппараты появились в первой четверти XIX века, их родиной принято считать Англию. Своим появлением они обязаны бурному развитию паровых котлов и обслуживающих их вспомогательных систем, а также - поискам технических средств, способных повысить эффективность термодинамического цикла «пар - конденсат». Первые подобные аппараты применялись для воды и водяного пара (Цейнер и Ренкин). Стоит отметить, что интенсивные теоретические исследования и широкое практическое внедрение струйных аппаратов отмечены в периоды экономических спадов: они позволяют более рационально использовать энергию - и, следовательно, сократить потребление ресурсов.

Наряду с простотой конструкции, надежностью работы и легкостью обслуживания существенным достоинством струйных аппаратов является отсутствие электрооборудования, а также движущихся и вращающихся узлов и деталей. И хотя коэффициент полезного действия аппаратов не очень высок, явные преимущества перед другими устройствами аналогичного назначения позволяют применять их во многих отраслях техники и промышленности.

Первые сто лет своего существования струйные аппараты применялись только для повышения эффективности термодинамического цикла «пар - конденсат». Однако по мере развития промышленности диапазон их практического использования стал расширяться. Сейчас струйные аппараты приготавливают пеновоздушные и пеноводяные огнегасящие смеси, транспортируют воду, удаляют воду, повышают эффективность эксплуатации нефтяных и газовых скважин, транспортируют сыпучие и жидкие среды, подают смазку и топливо в машинах и механизмах и выполняют много других функции.

2. Принципиальная схема струйного аппарата

В струйном аппарате смешиваемые потоки могут находиться в одной и той же фазе (жидкой, паровой, газовой) или в разных фазах (например, пар и жидкость, газ и твердое тело и др.). В процессе смешения фазовое состояние смешиваемых потоков может оставаться неизменным или же изменяться (например, пар может превратиться в жидкость). Поток, вступающий в процесс смешения с большей скоростью, называется рабочим, с меньшей скоростью - инжектируемым.

Как правило, в струйных аппаратах происходит сначала преобразование потенциальной энергии и теплоты в кинетическую энергию. В процессе движения через проточную часть струйного аппарата происходит выравнивание скоростей смешиваемых потоков, а затем обратное преобразование кинетической энергии смешанного потока в потенциальную энергию или теплоту.

Обычно давление смешанного потока на выходе из струйного аппарата выше давления инжектируемого потока перед аппаратом, но ниже давления рабочего потока.

Принципиальная схема струйного аппарата показана на рис.1.1. Основные элементы аппарата: рабочее сопло, приемная камера, камера смешения, диффузор. Потоки рабочей и инжектируемой сред поступают в камеру смешения, где происходит выравнивание скоростей, сопровождающееся, как правило, повышением давления. Из камеры смешения поток поступает в диффузор, где происходит дальнейший рост давления. Давление смешанного потока на выходе из диффузора выше давления инжектируемого потока, поступающего в приемную камеру.

Рисунок 1. - Схема струйного аппарата: А - рабочее сопло; В - приемная камера; С - камера смешения; D - диффузор

Повышение давления инжектируемого потока без непосредственной затраты механической энергии является основным, принципиальным качеством струйных аппаратов. Благодаря этому качеству использование струйных аппаратов во многих отраслях техники позволяет получать более простые и надежные технические решения по сравнению с применением механических нагнетателей (компрессоров, насосов, газодувок, вентиляторов и др.).

Простота схем включения струйных аппаратов в различные установки

наряду с исключительной простотой их конструкции, а также несложностью их изготовления обеспечили широкую область использования этих аппаратов в технике.

3. Классификация струйных аппаратов

В литературе струйные аппараты одного и того же типа встречаются под самыми различными названиями, например инжекторы, компрессоры, эжекторы, элеваторы, насосы и др.

Процессы, характерные для всех без исключения струйных аппаратов, описываются тремя законами:

1) Сохранения энергии:

, (1.1)

где ,, - энтальпии рабочего и инжектируемого потоков до аппарата и смешанного потока после аппарата, кДж/кг; - коэффициент инжекции, т.е. отношение массового расхода инжектируемого потока к массовому расходу рабочего потока;

2) Сохранения массы:

, (1.2)

где ,, - массовые расходы рабочего, инжектируемого и смешанного потоков, кг/с;

3) Сохранения импульса, который для камеры смешения произвольной формы записывается так:

, - импульс рабочего и инжектируемого потоков во входном сечении камеры смешения; - импульс смешанного потока в выходном сечении камеры смешения; - интеграл импульса по боковой поверхности камеры смешения между сечениями 1-1 и 3-3. В цилиндрической камере смешения .

Импульс потока в любом сечении:

, (1.4)

где - массовый расход, кг/с; - скорость, м/с; - давление, Па (Н/); - сечение, .

В зависимости от свойств и условий взаимодействия рабочего и инжектируемого потоков в струйных аппаратах возникает ряд дополнительных процессов, которые специфичны только для аппаратов определенного типа. Эти процессы существенно отражаются на работе аппаратов данного типа и должны учитываться при их расчете.

Процессы происходящие в струйных аппаратах, зависят в первую очередь от агрегатного состояние взаимодействующих сред.

С этих позиций можно все струйные аппараты разбить на следующие три группы:

1) Аппараты, в которых агрегатное состояние рабочей и инжектируемой сред одинаково;

2) Аппараты, в которых рабочий и инжектируемый потоки находятся в разных агрегатных состояниях, не изменяющихся в процессе смешения этих потоков,;

3) Аппараты с изменяющимся агрегатным состоянием сред. В этих аппаратах рабочий и инжектируемый потоки до смешения находятся в разных фазах, а после смешения в одной фазе, т.е. в процессе смешения изменяется агрегатное состояние одного из потоков.

К первой группе относятся газо(паро)струйные компрессоры, эжекторы и инжекторы, а также струйные насосы.

Ко второй группе относятся струйные аппараты для пневмотранспорта, воздушные эжекторы и струйные аппараты для гидротранспорта.

К третьей группе относятся пароводяные инжекторы и струйные подогреватели.

Условия работы струйных аппаратов зависят также от упругих свойств взаимодействующих сред. Под упругими свойствами или сжимаемостью понимается значительное изменение удельного объема среды при изменении ее давления. На практике применяются струйные аппараты, в которых: а) обе среды упруги; б) одна из сред упруга; в) обе среды неупругие.

Работа равнофазных аппаратов с упругими средами зависит в значительной мере от степени сжатия инжектируемой среды, а также от степени расширения рабочей среды. Здесь и далее для краткости степенью сжатия называется отношение давления , т.е. отношение конечного давления сжатия к начальному. Аналогично под степенью расширения рабочего потока понимается отношение давлений , т.е. отношение начального давления перед соплом к конечному за соплом.

По степени сжатия и степени расширения равнофазные струйные аппараты для упругих сред можно классифицировать следующим образом:

1) Аппараты с большой степенью расширения и умеренной степенью сжатия. Такие аппараты в дальнейшем будем называть газоструйными или пароструйными компрессорами. Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах является пар или газ. Степень расширения рабочего потока в компрессорах велика. Отношение давлений рабочего и инжектируемого потоков перед компрессором во много раз больше критического отношения давлений. Степень сжатия, развиваемая такими аппаратами, обычно находится в пределах . К ним относятся аппараты для повышения давления отработавшего пара в сети и др.;

2) Аппараты с большой степенью расширения и большой степенью сжатия. Такие аппараты обычно применяются в установках, где требуется поддерживать глубокий вакуум. В дальнейшем будем называть их газоструйными или пароструйными эжекторами. Степень расширения рабочего потока в эжекторах также весьма значительна. Отношение давлений рабочего и инжектируемого потоков перед эжектором также во много раз больше критического отношения давлений. Степень сжатия, создаваемая такими аппаратами, ;

3) Аппараты с большой степенью расширения и малой степенью сжатия. Такие аппараты в дальнейшем будем называть газоструйными или пароструйными инжекторами. Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах является пар или газ. Степень расширения рабочего потока в инжекторах значительна, но степень сжатия мала: . Поскольку степень сжатия мала, упругие свойства инжектируемого и смешанного потоков проявляются слабо. Поэтому при расчете таких аппаратов в основных расчетных уравнениях могут не учитываться свойства сжимаемости инжектируемого и смешанного потоков. К таким аппаратам относятся: паровоздушные дутьевые инжекторы топочных устройств котлов и котельных установок, воздушные обдувочные инжекторы, газовые инжекционные горелки и др. На практике применяются также равнофазные струйные аппараты, в которых свойства сжимаемости рабочего и инжектируемого потоков не проявляются. Такие аппараты в дальнейшем будем называть струйными насосами.

Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах в большинстве случаев является жидкость. К таким аппаратам относятся водоструйные насосы для откачки воды из скважин и колодцев; элеваторы, широко используемые в теплофикационных системах для присоединения отопительных установок к водяным тепловым сетям, и др.

Рабочей и инжектируемой средой в струйных насосах может быть также газ или пар, но в этом случае степень расширения рабочего тела должна быть значительно меньше критического отношения давления; должна быть также мала и степень сжатия ().

Разнофазные струйные аппараты в зависимости от упругих свойств взаимодействующих сред можно разделить на три типа:

1) Аппараты с упругой рабочей и неупругой инжектируемой средами; к ним относятся пневмотранспортные струйные аппараты (газ инжектирует сыпучее твердое тело или жидкость);

2) Аппараты с неупругой рабочей и упругой инжектируемой средами; к ним относятся жидкостно-газовые эжекторы, например водо-воздушные эжекторы;

3) Аппараты, в которых обе среды неупругие; к ним относятся аппараты для гидротранспорта твердых сыпучих сред, в которых жидкость инжектирует сыпучее твердое тело.

Струйные аппараты, в которых полностью изменяется агрегатное состояние одного из взаимодействующих потоков, можно разделить на два типа.

К первому типу относятся аппараты, в которых рабочей средой является пар, а инжектируемой жидкость (парожидкостные инжекторы).

Ко второму типа относятся аппараты, в которых рабочей средой является жидкость, а инжектируемой пар (струйные подогреватели).

Указанная классификация струйных аппаратов приведена в таблице 1. В названии аппарата вначале, как правило, указывается вид рабочей среды (газ, пар, вода). В этих названиях учтена установившаяся терминология.

Каждый из указанных типов струйных аппаратов имеет свои характерные особенности, которые должны учитываться при его расчете.

В то же время все струйные имеют много общего, поскольку процесс их работы описывается уравнениями (1.1) - (1.3).

Таблица 1. - Классификация струйных аппаратов

4. Принципиальная схема и процесс работы струйного компрессора

Наиболее общим случаем расчета струйных аппаратов, в которых не происходит изменения агрегатного состояния, является расчет однофазных струйных аппаратов с большой степенью расширения и умеренной степенью сжатия. Такие газоструйные аппараты обычно называют струйными компрессорами. Рассмотрим работу струйных компрессоров с цилиндрической камерой смешения, получивших наибольшее распространение на практике (см. рисунок 1).

Рабочий газ с давлением и скоростью подводится к рабочему соплу, которое имеет форму сопла Лаваля с расширяющейся входной частью. Рабочий газ, выходящий из сопла в приемную камеру со скоростью подсасывает из приемной камеры газ, который поступает в приемную камеру с давлением .

По мере удаления от сопла массовый расход движущегося потока непрерывно увеличивается за счет присоединения массы инжектируемой среды, а поперечное сечение движущегося потока непрерывно растет. На некотором расстоянии от выходного сечения сопла поток, движущийся по направлению к камере смешения, заполняет все сечение приемной камеры. Сечение является конечным сечением приемной камеры и начальным сечением камеры смешения. Во входном сечение 2-2 цилиндрического участка камеры смешения давление инжектируемого потока равно . В цилиндрической камере смешения это давление увеличивается до . Далее поток поступает в диффузор, где давление продолжает увеличиваться до с одновременным уменьшением скорости от до . При давлении со скоростью смешанный поток выходит из струйного аппарата.

Размещено на Allbest.ru