Робочий процес і характеристики вихрової ежекторної ступені вакуумного агрегату

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. В наш час має місце інтенсивний розвиток підприємств у таких галузях народного господарства: харчовій промисловості (вакуумне охолодження рідини), металургійній промисловості (безмасляні засоби відкачування у вакуумних печах), енергетиці (відкачування неконденсованих газів з конденсаторів паротурбінних установок).

У харчовій промисловості заміна технології видалення рідинної фази шляхом її нагрівання і випаровування на більш низькотемпературні процеси в умовах вакууму, підвищує якість продукції. При цьому у виробника відпадає необхідність щодо придбання складних систем тепло- і парогенерації. У металургійній промисловості за останній час сформувалися нові вимоги до вакуумного обладнання. У першу чергу це стосується ступеня екологічної чистоти вакууму, що одержується. В енергетиці ставляться такі вимоги до систем вакуумного охолодження: висока надійність і безвідмовність, додержання необхідних технологічних режимів за продуктивністю та тиском всмоктування, простота експлуатації і керування. Найбільш повно вимогам, що ставляться до вакуумного обладнання у вищезазначених технологіях, відповідають рідинно-кільцеві вакуумні насоси (РКВН). Однією з основних проблем, що стоїть перед виробниками вакуумної техніки, є підвищення ефективності РКВН у зв'язку з тим, що одноступінчасті вакуумні насоси мають деякі істотні недоліки, а саме: відносно низьку енергоефективність через втрати потужності за рахунок обертання рідинного кільця; високий рівень залишкового тиску, що регламентується тиском насичених парів робочої рідини.

Проблема зменшення тиску всмоктування РКВН вирішується декількома способами, одним із яких є перехід на багатоступінчасте стиснення, у тому числі агрегатування насоса повітряними ежекторними пристроями. Вакуумний агрегат з ежекторним пристроєм найбільш ефективний при використанні його в області всмоктування менше 10 кПа.

На даний час немає інформації про особливості роботи вихрового ежектора як передвключеної ступені вакуумного агрегату, недостатньо досліджені проблеми співузгодження характеристик компонентів вакуумного агрегату. Відсутні методики розрахунку вихрової ежекторної ступені, що працює як ступень вакуумного насосу.

Таким чином, дослідження робочого процесу, отримання характеристик і створення методики розрахунку вихрової ежекторної ступені вакуумного агрегату є актуальними і практично значущими.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є експериментальне і теоретичне виявлення впливу геометричних параметрів проточної частини вихрової ежекторної ступені (ВЕС) на витратні і енергетичні характеристики як самого ежектора, так і на характеристики вакуумного агрегату в цілому, створення методики розрахунку ежекторної ступені вакуумного агрегату.

Для реалізації поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- визначити особливості робочого процесу ВЕС, що працює як перед-включена ступінь вакуумного агрегату;

- розробити математичну модель руху робочого середовища у проточній частині ВЕС вакуумного агрегату;

- виконати експериментальні і теоретичні дослідження впливу геометричних параметрів проточної частини ВЕС на характеристики ежектора і РКВН;

- виконати математичне моделювання руху і взаємодії потоків у проточній частині ВЕС за допомогою програмного комплексу FlowVision на основі експериментальних даних;

- розробити методику розрахунку ВЕС вакуумного агрегату.

1. Результати інформаційно-аналітичного огляду сучасного стану проблеми, пов'язаної з роботою вакуумних агрегатів на базі РКВН

Виконано огляд опублікованих праць з дослідження робочого процесу ежекторних пристроїв.

Сучасний стан дослідження вакуумних агрегатів на базі 2-ступеневих РКВН найбільш повно висвітлено у працях В.Д. Лубенця, І.В. Автономової, Ю.М. Вертепова. Характеристики вакуумних агрегатів прийнято зображувати у вигляді залежності відносної об'ємної продуктивності від відносного тиску всмоктування , параметри потоків “а”, “п”, “с” належать до активного, пасивного і змішаного потоку відповідно.

Послідовним включенням РКВН (характеристика 1) з повітряним ежектором (характеристика 2) можливе одержання регламентованого рівня

під керівництвом Л.Т. Караганова.

Існуючі конструкції ежекторних пристроїв, що використовуються в промисловості, можна розрізнити за такими категоріями:

- принцип ежекції;

- робоче середовище і його термодинамічні параметри;

- призначення пристрою.

За принципом ежекції виділяють прямоструминні і вихрові ежекторні пристрої. Як робоче середовище може використовуватися як повітря з атмосферним тиском, так і стиснене середовище. Класифікація ежекторних пристрів за призначенням відбувається за величиною ступеня стиснення і за властивістю взаємодіючих середовищ.

Робочий процес прямоструминного ежекторного пристрою давно і досить докладно досліджено такими авторами, як: С.А. Христіанович, Ю.Н. Васильєв, Г.Н. Абрамович, Є.Я. Соколов, Н.М. Зінгер та інші. Виявлено, що для ефективної роботи ежекторного пристрою необхідно використовувати спеціально спрофільоване надзвукове сопло Лаваля. Крім того, виявлено, що існує досить вузька область ефективної роботи ежекторного пристрою в надзвуковому режимі, а також відносно великі масогабаритні показники, за рахунок використання осерадіального дифузора.

Інший тип ежекторного пристрою, що відрізняється за принципом ежекції - вихровий ежектор. Під керівництвом М.Г. Дубинського створено та досліджено вихрові вакуумні насоси. Виявлено, що при подачі в тангенціально розташовані канали підводу активного потоку, в приосьовій області приймальної камери утворюється зона зниженого тиску, так званий ефект Ранка, яка сприяє ежектуванню пасивного потоку з відкачуваної ємності.

Під керівництвом В.С. Мартиновського проведені дослідження щодо підвищення ефективності вихрових апаратів. В.М. Бродянським та А.В. Мартиновим проведені дослідження щодо охолоджуваних вихрових пристроїв. А.П. Меркуловим, А.Д. Сусловим і В.І. Метєніним виявлено основні закономірності роботи вихрового ежектора і виявлено вплив режимних і конструктивних параметрів на коефіцієнт ежекції. Подальший розвиток теорії вихрового ежектора отримано в МВТУ ім. М.Е. Баумана у працях В.І. Єпіфанової. Особливістю запропонованої моделі вихрового ежектора, є те, що в потоці, який обертається, виділяються дві області:

- область з постійною циркуляцією (вільний вихор);

- область з постійною кутовою швидкістю обертання (вимушений вихор, що підпорядковується закону обертання твердого тіла).

Вивчаючи процеси в ежекторних пристроях, дослідники дійшли висновку, що найбільш ефективним є пристрій, що комбінує в собі прямоструминні і вихрові потоки. Так, в ЦАГІ ім. М.Є. Жуковського під керівництвом Ю.К. Аркадова розроблено ежекторний пристрій, в якому сопла активного потоку розташовано по спіралі вздовж змішувальної камери, що підвищило ефективність ежекторного пристрою.

У дисертаційній роботі наводиться аналіз області використання вихрових апаратів. Це вихрові апарати для фазового розділення компонентів, що конденсуються у газорідинних сумішах, вихрові сепаратори газової суміші, вихрові ректифікатори, вихрові апарати абсорбційного очищення газу, циклонні й вихрові пиловловлювачі, повітроохолоджувачі, вихрові холодильники, вихрові переносні й пересувні кондиціонери, вихрові ежектори.

Основні конструктивні й геометричні фактори, що впливають на ефективність роботи вихрового ежектора: кількість, тип і форма каналів введення активного потоку; діаметр і довжина приймальної камери; довжина і діаметр трубки введення пасивного потоку; вид розкруткового дифузора; ширина щілини і діаметр щілинного дифузора.

Крім того, існують технологічні параметри, що також впливають на ефективність вихрового ежектора. Певний ступінь закручення активного потоку, що можна оцінити відношенням обертального імпульсу до осьового імпульсу в масштабі характерного лінійного розміру, може помітно підвищити рівень турбулентності і якість змішування взаємодіючих потоків і тим самим сприяти поліпшенню робочих характеристик ежектора.

У першому розділі формулюються мета і задачі дослідження. Описані методи і засоби для досягнення поставленої мети.

2. Основні відмінності роботи ВЕС від автономно працюючого ежекторного пристрою, розрахункова модель взаємодії потоків у ВЕС вакуумного агрегату

Використання закономірностей, співвідношень, методик, що описують процеси в автономно працюючому ежекторі, не завжди є обґрунтованим і правильним для ежекторної ступені вакуумного агрегату. Принципова відмінність ежекторної ступені вакуумного агрегату від самостійного функціонуючого ежектора будь-якого типу полягає в існуванні примусового відкачування потоків через передбачені конструкцією соплові вводи або канали, що і визначає основні відмінності у робочому процесі. При роботі ВЕС у складі вакуумного агрегату відсутня приосьова область незруйнованого вихрового шнура, що характерно для автономно працюючого вихрового ежектора. Здебільшого, як робоче середовище активного потоку в ежекторній ступені використовується атмосферне повітря без зовнішніх впливів на його термічні параметри. Для подібних умов при підтримці в змішувальній камері тиску нижче атмосферного, за рахунок роботи вакуум-насоса, через активне сопло буде відбуватися втікання повітря з навколишнього середовища всередину вихрового апарата. Масова витрата такого потоку залежить від продуктивності вакуум-насоса і обмежена умовами досягнення критичних параметрів.

Загальні положення моделі взаємодії потоків у ВЕС базуються на ряді припущень і обмежень: робоче середовище розглядається в ідеально-газовому наближенні; потік у всіх циліндричних порожнинах - осесиметричний; радіальна складова абсолютної швидкості дорівнює нулю; переміщення потоків в осьовому напрямку відбувається по всьому об'єму вихрової камери та патрубка дифузора (відсутня область незруйнованого вихрового шнура); відсутня поворотна осьова течія газу; пасивний потік підводиться без закручення і змішування потоків починається з перетину II на поверхні течії з радіусом та проявляється в передачі моменту кількості руху від активного потоку до пасивного.

Наведена розрахункова модель вихрової ежекторної ступені базується на використанні закону збереження імпульсу потоку в межах перетинів II та III. У перетині II розглядається сума імпульсів активного та пасивного потоків, у перетині III потоки та їх імпульси не розділяються.

Рівняння збереження імпульсу потоку з урахуванням втрат і реакції стінки має вигляд:

, (1)

де -модифікований імпульс змішаного потоку в перетині ІІІ, що враховує імпульс, обумовлений реакцією стінки приймальної камери; - приведена швидкість; - коефіцієнт, що враховує зменшення швидкості через втрату імпульсу.

Рівняння (1), перетворене відносно коефіцієнта ежекції з використанням газодинамічних функцій, є основним рівнянням, що описує взаємодію потоків:

, (2)

де - складна газодинамічна функція (ГДФ); - відношення добутку газових сталих і температур гальмування пасивного і активного потоків; k-показник ізоентропи для повітря; - модифікована ГДФ, що визначає закон розподілу приведеної швидкості і кута нахилу по радіусу вихрової камери.

На відміну від прямоструминних ежекторів, у ВЕС існують два розділених неспівосних соплових підводи - для активного та пасивного потоків. У цьому випадку, використовуючи рівняння витрат, виражені через газодинамічну функцію , можна отримати таке рівняння для коефіцієнта ежекції:

, (3)

де - ступінь розширення активного потоку; , - приведена масова швидкість (приведена витрата) пасивного потоку в перетині ІІ і активного потоку в перетині І; N-кількість каналів вводу активного потоку.

Для задач, що пов'язані із знаходженням характеристики ступеня стиснення пасивного потоку, яка визначає максимально досяжний вакуум на всмоктуванні агрегату, використовується рівняння нерозривності для ежектора у вигляді:

, (4)

де - коефіцієнт відновлення тиску в розрахунковому перетині ІІІ; - площа перетину ІІІ; - площа зрізу каналу вводу активного потоку; - витратна ГДФ змішаного потоку в перетині ІІІ.

Алгоритм розв'язання задачі з визначення коефіцієнта ежекції при заданих параметрах РКВН (,) та заданому тиску всмоктування вакуумного агрегату зводиться, як і для прямоструминних ежекторів, до звернення до граничних режимів за пасивним потоком. Граничний режим, що визначає максимальний коефіцієнт ежекції настає за умови досягнення критичних параметрів пасивного потоку , що виражається таким рівнянням:

, (5)

де ; ;.

У дисертації наводяться розрахункові рівняння для осереднених газодинамічних функцій, що використовуються у рівняннях наведеної газодинамічної моделі.

3. Результати розрахункового експерименту, що проводився за допомогою програмного комплексу FlowVision, методика розрахунку характеристик ВЕС, оцінка енерго-ефективності вакуумного агрегату з використанням ВЕС, а також концепція розрахунку системи вакуумного охолодження рідини

Процес розрахунку течії взаємодіючих потоків у проточній частині вихрової ежекторної ступені складався з декількох етапів: побудови твердотільної параметричної моделі ВЕС з виділенням області розрахунку та її імпортування у FlowVision; вибору математичної моделі; задання граничних умов; задання початкової розрахункової сітки та критеріїв її адаптації; проведення розрахунку; перегляду результатів розрахунку у графічній формі та збереження даних у файлі. Особливістю проведеного розрахункового моделювання є те, що вхідні й вихідні граничні умови задавалися згідно з отриманими експериментальними даними на стенді дослідження вакуумних агрегатів. У результаті розрахункового моделювання отримано дані розподілу тангенціальної і осьової складових приведеної швидкості потоку по радіусу камери в характерних перетинах проточної частини ВЕС.

Проаналізувавши результати розрахункового моделювання зроблено висновок, що течія потоків у вихровій камері ВЕС підпорядковується законам вільного і вимушеного вихорів; форма епюр тангенціальної і осьової складової швидкості практично не залежить від режимних параметрів роботи ежекторної ступені, а залежить більшою мірою від геометричного співвідношення елементів проточної частини; оптимальне число каналів уведення активного потоку дорівнює двом при симетричному розташуванні каналів щодо осі приймальної камери; оптимальний кут нахилу каналів уведення активного потоку щодо осі вихрової камери становить 60°; показано, що відсутня приосьова область незруйнованого вихрового шнура, відсутні зворотні течії газу.

У дисертаційній роботі наведено методику розрахунку характеристики ВЕС, яка базується на системі рівнянь, що зв'язують режимні і геометричні параметри всіх взаємодіючих потоків у вигляді залежності:

,

де - відношення площин вихідних перетинів сопел пасивного та активного потоків.

Запропоновано степеневий закон розподілу тангенціальної складової швидкості по радіусу вихрової камери в перетині І:

,

де - відносний радіус сопла пасивного потоку; n-показник степеня функції.

Шляхом введення степеневого закону розподілу тангенціальної складової швидкості вдалося досягти задовільних результатів збігання експериментальних і розрахункових залежностей (рис.6). У середньому величина неузгодженості становить 6%.

Обробка результатів досліджень дозволила отримати рівняння, що встановлює залежність показника функції n від коефіцієнта ежекції U при постійному ступені розширення активного потоку П:

при П=6 n=3,37exp(-2,39U);

при П=7 n=2,56exp(-2,23U);

при П=8 n=1,61exp(-1,78U);

при П=9 n=1,29exp(-1,62U).

Проведено оцінку енергоефективності як вакуумного агрегату в цілому, так і його складових компонентів. У зв'язку з тим, що середовище активного потоку як потоку атмосферного повітря не є енергоносієм через нульовий ексергетичний потенціал, стає некоректним розгляд енергетичної ефективності ежекторної ступені у вигляді співвідношення перепадів ентальпії пасивного й активного потоків для представлення адіабатного коефіцієнта корисної дії (ККД). У цьому випадку коректніше виконувати оцінку енергоефективності вакуумного агрегату на базі ексергетичного аналізу.

Виконується відкачування газоподібного середовища з параметрами в точці 1П (пасивний потік). Активним потоком ежекторної ступені є атмосферне повітря з параметрами в точці 1А. Рідина, що необхідна для роботи рідиннокільцевого вакуум-насоса, надходить із системи водопостачання з параметрами 1f. У віддільнику рідини відбувається сепарація рідини від газового потоку, що залишає систему з параметрами в точці 2, а вода відводиться з параметрами 2f. Необхідно виділити контур розрахункової схеми з вхідними і вихідними потоками, що враховують потоки “палива” і потоки “продукту”, згідно із схемами, що наведено на рис. 7.

Для кожної із розрахункових схем побудовано схеми ексергетичних перетворень: для вакуумного агрегату, для вакуумного насоса і для вихрової ежекторної ступені. Зазначені на схемах величини Е відповідають значенням ексергії матеріальних потоків газових і рідинних середовищ на вході і виході з контура. Величина ED+EL характеризує потоки деструкції і втрат ексергії. Для будь-якої системи ексергетичних перетворень ексергетична ефективність визначається як відношення ексергетичного потоку продукту EР до ексергетичного потоку палива (ексергоносія) EF. Ексергетична ефективність (ексергетичний ККД) у загальному вигляді визначається залежністю:

.

Проаналізувавши залежність можна відзначити, що для постійного відносного тиску всмоктування вакуумний агрегат з ВЕС має більше значення ексергетичної ефективності, ніж вакуумний агрегат без використання ежектора (штрихпунктирна лінія). Показник ексергетичного ККД, що дорівнює 0,26, виявлено у вакуумного агрегату з вихровою ежекторною ступінню для геометричного виконання . ВЕС має більший ексергетичний ККД в порівнянні з вакуумним агрегатом в цілому. Найбільший ексергетичний ККД ВЕС, що отриманий дорівнює 0,6 при значенні коефіцієнта ежекції 1,25. Причому ексергетична ефективність не залежить від геометричного виконання проточної частини ВЕС, а залежить від параметрів взаємодіючих потоків.

У даному розділі наведено методику розрахунку системи вакуумного охолодження водних розчинів, що дозволяє визначати мінімальну об'ємну продуктивність вакуум-насоса або вакуумного агрегату, а також визначати час охолодження розчину.

Висновки

ежекторний вакуумний вихровий рідинний

У дисертаційній роботі розв'язана науково-технічна задача дослідження робочого процесу вихрової ежекторної ступені вакуумного агрегату на базі рідинно-кільцевого вакуум-насоса.

За результатами виконаної роботи можна зробити такі висновки:

1. Виявлено основні відмінності автономно працюючого ежектора від ежекторної ступені вакуумного агрегату.

Розв'язана комплексна задача взаємовпливу компонентів вакуумного агрегату (ежекторної ступені і вакуум-насоса), що раніше не виконувалася.

2. Розглянуто робочий процес і запропоновано модель взаємодії потоків у проточній частині вихрової ежекторної ступені. Модель течії базується на законі збереження імпульсів потоку в межах характерних перетинів.

Отримано основне розрахункове рівняння, що об'єднує три режимних параметри вихрової ежекторної ступені (ступінь розширення активного потоку, ступінь стиснення пасивного потоку, коефіцієнт ежекції) з геометричними параметрами проточної частини ежекторної ступені.

3. Проведено комплексні експериментальні дослідження робочого процесу вихрової ежекторної ступені і отримано витратні характеристики вакуумного агрегату.

Виявлено, що використання ВЕС дозволяє розширити діапазон роботи вакуумного агрегату за тисками всмоктування і за об'ємною продуктивністю в даному діапазоні, а саме збільшується рівень досяжного вакууму на 5-8,5% залежно від геометричних співвідношень проточної частини.

4. Отримано дані розподілу тангенціальної та осьової складових компонентів швидкості в характерних перетинах проточної частини ежекторної ступені і розподіл поля тиску на основі розрахункового експерименту за допомогою програмного комплексу FlowVision.

Показано, що відсутня приосьова область незруйнованого вихору, відсутні поворотні течії газу в проточній частині ВЕС; оптимальний кут нахилу каналу введення активного потоку відносно осі приймальної камери становить 600.

5. Виконано перевірку запропонованої моделі взаємодії потоків у проточній частині вихрової ежекторної ступені шляхом зіставлення розрахунково-теоретичних залежностей з експериментальними даними. Шляхом введення в закон взаємодії потоків показника степеня n вдається досягти задовільного збігання експериментальних і теоретичних результатів. Проведені експериментальні і теоретичні дослідження покладені в основу методики розрахунку вихрової ежекторної ступені вакуумного агрегату.

6. Вперше проведено ексергетичний аналіз енергоефективності складових компонентів вакуумного агрегату. Виявлено, що вакуумний агрегат з вихровою ежекторною ступінню має більше значення ексергетичного ККД, що дорівнює 0,26, ніж вакуумний агрегат без використання ежектора.

7. Результати дисертаційної роботи впроваджено на Охтирському сиркомбінаті (Сумська обл.) для використання вакуумного агрегату на базі РКВН у системі вакуумного охолодження молока; в Інституті садівництва Української академії аграрних наук (Київська обл.) як методика розрахунку системи зберігання плодів під вакуумом технологічному процесі зберігання і переробки плодів; у навчальному процесі СумДУ.

Література

1. Арсеньев В.М., Мелейчук С.С. Методика выбора водокольцевого вакуумного агрегата для систем вакуумного охлаждения водных растворов// Збірник наукових праць Міжнародної науково-технічної конференції.

2. Мелейчук С.С. Техническое содержание и задачи экспериментальных исследований вакуумных агрегатов на базе жидкостно-кольцевых машин// Вісник Сумського державного університету.-2004.-№13.- С.80-85.

3. Мелейчук С.С., Арсеньев В.М. Экспериментальные исследования воздушной эжекторной ступени жидкостно-кольцевой машины// Холодильна техніка і технологія.-2005.-№6.-С.45-49.

4. Мелейчук С.С., Арсеньев В.М. Повышение эффективности жидкостнокольцевых машин в системах конденсации// Праці 11-ї Міжнародної науково-технічної конференції “Герметичність, вібронадійність та екологічна безпека насосного і компресорного обладнання”-“Гервікон-2005”.-Суми, 2005.-Т.3.-С.146-150.

5. Арсеньев В.М., Мелейчук С.С., Кочевский А.Н. Исследование взаимодействия потоков газа в воздушном вихревом эжекторе// Вісник Сумського державного університету.-2006.-№10.- С.143-153.

6. Арсеньев В.М., Мелейчук С.С. Анализ возможности создания вакуумных агрегатов на базе жидкостно-кольцевых вакуум-насосов с предвключенной вихревой эжекторной ступенью// Компрессорное и энергетическое машиностроение.-2006.-№3(5).-С.27-32.

7. Арсеньєв В.М., Мелейчук С.С. Рідиннокільцевий вакуумний насос: Патент на винахід №75212 Україна; МПК (2006) F04c7/00; F04c19/00; Опубл. 15.03.2006; Бюл. №3.

Размещено на Allbest.ru