CC BY
77
_____ УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Т ом XV 198 4
№ 3
УДК 533.697.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВАКУУМНОГО ВОДОВОЗДУШНОГО ЭЖЕКТОРА С МНОГОСТВОЛЬНЫМ СОПЛОМ ДЛЯ ПОДАЧИ ЖИДКОСТИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИМ ПОПАРНОЕ СОУДАРЕНИЕ СТРУЙ
Ю. Н. Васильев, Е. П. Гладков, Г. А. Горшкова
Приведены результаты экспериментального исследования вакуумного водовоздушного эжектора с цилиндрической камерой смешения и многоствольным соплом для подачи воды, оси соседних стволов которого наклонены друг к другу на небольшой угол, что обеспечивает попарное соударение струй в камере смешения и интенсифицирует процесс дробления их на капли. Сравнением полученных результатов с результатами испытаний эжектора, имеющего сопло с параллельными осями стволов, показано, что соударение струй приводит к существенному повышению эффективности эжектора.
При теоретическом исследовании характеристик двухфазного жидкостно-газового эжектора с цилиндрической камерой смешения [1] было установлено, что в широком диапазоне изменения параметров состояния смешиваемых сред наивыгоднейшим режимом его работы является специфический критический режим, характеризующийся возникновением сверхзвукового двухфазного потока в выходном участке камеры смешения при дозвуковых скоростях струй газа и жидкости на входе в нее. Было также показано, что на критическом режиме предельно достижимое значение скорости эжектируемого газа в некотором сечении запирания, расположенном в камере смешения, равно скорости эжекти-рующей ЖИДКОСТИ в ЭТОМ сечении (^Г2=^ж2). При максимально возможном значении коэффициента скольжения фаз в сечении запирания 0ф2= №г2/№ж2= 1) достигают предельных значений коэффициент эжек-ции /(=(?Г/(5Ш и КПД эжектора г], где № —скорость, й — массовый расход.
Испытания вакуумных водовоздушных эжекторов с многоствольными соплами для подачи жидкости [2] показали, что значения ф2, близкие к единице, реализуются в случае, когда геометрический параметр эжектора а = Г — !ж\)/(ж1 изменяется в пределах от 0 до 3,5, где Р и /—площади поперечных сечений камеры смешения и стуи. При дальнейшем увеличении параметра а коэффициент г|>2 монотонно уменьшается, что вызывает снижение КПД эжектора по сравнению с предельно достижимыми значениями.
Можно было предположить, что низкие значения коэффициента г|зг в области больших зна чений ~ла-р а метра а,- при которых велика доля площади камеры смешения, занятая газовой фазой, объясняются недостаточной степенью дробления струй жидкости на капли, несмотря на применение сопл с большим количеством стволов, достаточно равномерно распределенных по площади поперечного сечения камеры смешения. Поэтому с целью интенсификации процесса распада струй на капли, способствующей повышению коэффициентов г|з2 и г), нами предложено в эжекторе с большим геометрическим параметром а применить сопло, в котором оси соседних стволов при сохранении их расположения в плоскости, параллельной оси камеры смешения, наклонены друг к другу на небольшой угол, что обеспечивает попарное соударение струй жидкости на некотором расстоянии от среза сопла [3].
Эффективность этого мероприятия подтверждена испытаниями вакуумного водовоздушного эжектора с геометрическим параметром
а=10,2 при давлении эжектирующей воды рш о,,®* 103 кПа и нормальных температурах воды и воздуха в условиях горизонтального расположения эжектора (описание стенда см. [2]).
Исследованы два варианта эжектора (с дозвуковым расширяющимся и сверхзвуковым, имеющим горловину, диффузорами), которые могли быть собраны с шестью вариантами многоствольного сопла для подачи воды, отличающимися углами наклона стволов. Схемы и основные размеры исследованных вариантов эжектора и его элементов приведены на рис. 1.
Вариант «а» эжектора (см. рис. 1,а) выполнен с цилиндрической камерой смешения длиной /КсЛ4с= 17,3 и с расширяющимся коническим диффузором. В варианте «б» эжектора (см. рис. 1,6) уменьшена длина камеры смешения до 1КСМкс = 6,6 и применен сверхзвуковой диффузор, собранный из суживающегося конического начального участка, цилиндрической горловины (7горл = /горл//7 = 0,598) и расширяющегося конического выходного участка.
Ф т Ф
ммерч смешения ■£) и I
Рис. 1
Все варианты сопла для подачи воды (см. рис. 1,в) выполнены с одинаковым числом стволов, равным 33. Стволы всех вариантов имели одинаковую; конфигурацию: суживающийся конический участок, плавно переходящий В: выходное цилиндрическое отверстие диаметром 3,9 мм. Центры входных сечений стволов всех вариантов расположены на трех соосных окружностях с диаметрами 60, 40 и 20 мм, содержащих соответственно 18, 12 и 3 ствола, что обеспечивало приблизительно равномерное по площади размещение стволов по поперечному сечению камеры смешения. Во всех вариантах оси трех стволов, расположенных на окружности с диаметром 20 мм, выполнены параллельными оси камеры смешения.
В исходном варианте сопла (см. рис. 1, г, на котором показана развертка сечения этого варианта цилиндрической поверхностью диаметром 60 мм) оси остальных стволов также были параллельны оси камеры смешения (р = 0). В остальных вариантах сопла общая совокупность стволов, оси которых размещены на окружностях с диаметрами 60 и 40 мм, разбита на пары, составленные из рядом расположенных стволов (см. развертку для остальных вариантов на рис. 1,д). Оси стволов каждой такой пары размещены в плоскости, параллельной оси камеры смешения, и наклонены друг к другу на небольшой угол р (отсчитывается от меридианальной плоскости, проходящей через середину расстояния между осями стволов). В вариантах 1—5 угол р составлял соответственно ±1°, ±2°, ±3°, ±4° и ±6°. При выбранных значениях угла р попарное соударение струй воды обеспечивалось на расстояниях |/п от среза сопла, указанных в таблице:
Вариант сопла Р. град мм ¥ж.с
0 0 оо 0,976
1 + 1 291 0,935
2 ±2 ' 143 0,916
3 ±3 95 0,976
4 ±4. 68 0,916
5 +6 43 0,958
В результате испытаний установлено, что при одинаковых полных давлениях воды перед соплом и одинаковых площадях выходных сечений стволов массовые расходы воды для различных вариантов сопла из-за неточностей изготовления их входных участков оказались заметно различными. Эти различия проявляются в неодинаковости значений коэффициента скорости сопла срш. с, приведенных в таблице. При сравнении результатов испытаний различных вариантов эжектора необходимо учитывать эти отличия, так как очевидно, что при неизменных прочих условиях увеличение коэффициента фж. с приводит к улучшению характеристик эжектора.
При анализе результатов испытаний было установлено, что в исследованном диапазоне изменения параметров оптимальное значение угла р, при котором наблюдается наибольший выигрыш в эффективности эжектора, составляет ±4°. Поэтому ниже для иллюстрации сопоставлены результаты, полученные в вариантах с р = рор1—±4 и с р=±1°. Вариант с р=±1° может быть выбран для сопоставления вместо исходного варианта с р = 0, так как при р=±1° эффект от введения наклона стволов, как оказалось, еще не начинает заметно про-
являться. В то же время такой выбор позволяет свести к минимуму влияние отличий в значения фж. с-
На рис. 2 для вариантов 1—а) и 4—а) эжектора (с расширяющимся диффузором и соплами, оси соседних стволов которых наклонены друг к другу соответственно на угол р=±Р и р=±4°) приведены экспериментальные зависимости полного давления отсасываемого воз-
Л
ОЛ
0.1
2,21 Ю
Л0,М W
-Ч------1
SO WO 110 120 130 ПО 150 ISO Рис 2
духа Ргон и изотермического КПД эжектора г] от полного давления водовоздушной смеси за эжектором Рс 04, полученные при постоянных значениях полного давления эжектирующей воды перед соплом ртои и коэффициента эжекции /С[1—а)—светлые значки, 4—а) ■—темные значки, Ржон = 980 кПа]. Необходимо указать, что значения ргон и т], представленные на рис. 2 и ниже, являются значениями, приведенными к условиям, когда давление насыщенного пара воды ps-yQ
(Тж он-^-273 К)- Приведение этих величин, выполненное по измеренным значениям Ргонэ и Гжона с целью исключения отличия в экспериментальных характеристиках, вызванного изменением температуры воды в пределах 284—295 К, проведено по формулам
273 , ч /1ч
(Ртопэ-Р**)’ (])
г Г ОН Т
л жон э
_ /<Рж Rr 273 In (рс 04 Ip гон)
^жон Рс04
где р — плотность Rr — газовая постоянная.
Значения полного давления отсасываемого воздуха ртон 9j обеспечиваемые эжектором при температурах Тжоиэ , превышающих 273 К, могут быть вычислены с помощью (1) по известным приведенному значению /?гон, температуре ГЖ0Нэ и соответствующему этой температуре давлению р$э. КПД эжектора т%, обеспечиваемый при Тжон э > 273 К, может быть найден с помощью (2) при замене температуры 273 К на Гжон э и приведенного значения ртон на значение ргонэ, соответствующее температуре Гжонэ > 273 К.
На рис. 2 штриховыми линиями представлены также теоретические характеристики, рассчитанные по методике [1] при ф2т = 1, отсутствии потерь в диффузоре и значении <рж. с ■ т> равном экспериментальному для варианта 4—а).
Из рис. 2 следует, что только при малых значениях К экспериментальные зависимости ргон от рс о 4 по своему виду идентичны теоретическим: состоят из горизонтального участка критических режимов и наклонного участка допредельных режимов, на стыке которых располагается наивыгоднейший предельный критический режим. При /(>0,49 • 10"3 на участках критических режимов экспериментальных зависимостей, в отличие от теоретических, наблюдается постепенное повышение величины ргон при увеличении противодавления. Кроме того, появляются непредсказываемые теорией специфические нижние предельные критические режимы, левее которых снижение рс о 4 в небольшой области приводит к росту величины Pro,,. Искажения экспериментальных характеристик эжектора с расширяющимся диффузором при этих значениях К связаны, по-видимому, с недостаточно полным перемешиванием рабочих тел в камере смешения, в связи с чем на всем протяжении проточной части эжектора, даже при малых значениях противодавления (рсо4~Ю0 кПа), существуют непрерывные области дозвукового течения, через которые возмущения передаются из диффузора в форкамеру. Наличие этих областей объясняется неравномерным распределением жидкой фазы по поперечному сечению камеры смешения в выходном ее участке и вызванными этим неравномерностями распределения скорости звука и числа М двухфазной газопарожидкостной смеси [1].
Из приближенных соотношений, справедливых для критических режимов при условии Ps->0,
„ _ ^Г2 ____ Р— /ж 2 ^Г2 ^ Р — /ж 1 Н^Г2 __
^Ж! /ж 2 Гжг /ж!
?т~аФ2т = а> (4)
4—«Ученые записки» № 3
49
Яв _ Чт
От Рж
чфаі
0 Ож Рг 2
/Срж^?г273
*- « Ф*.,
АГрж 273
Л-он
<7т
«А.
(5)
(6) (7)
следует, что коэффициент скольжения фаз ч|з2э, равный отношению экспериментального и теоретического значений объемного коэффициента эжекции, может быть вычислен как отношение теоретического и экспериментального значений давления ртои. С учетом этого можно
‘НО к Па
пО*Ла
'ОРг^.кПа 0 №ргвИ,кПв Рис з
заключить, что значения на критических режимах работы эжектора с геометрическим параметром «=10,2 значительно ниже максимально возможного значения Їр2т=1, на что указывает значительное превышение экспериментальных значений ргон э над теоретическими. Видно также, особенно четко при /С<0,49- 10~3, что на критических режимах работы эжектора варианта 4—а) достигаются более высокие значения 1|)2э и, следовательно, г), чем для варианта 1—а), так как при одинаковых условиях вариант 4-а) обеспечивает более глубокий вакуум по отсасываемому воздуху.
О величине выигрыша от применения наклона стволов сопла на угол Р=±4° можно судить по данным рис. 3, на котором сопоставлены
экспериментальные значения параметров К, ^2, Я, т] ,*]э=4°/'»]р=1», полученные на вариантах 1—а) и 4—а) и перестроенные с рис. 2 для одинаковых условий работы эжектора, т. е. для одинаковых значений полного давления воды ртон, полного давления отсасываемого воздуха ргон и противодавления рс04 [сплошные линии — вариант 4—а), штриховые линии — вариант 1—а)]. Повышение эффективности эжектора выражается в увеличении коэффициента эжекции К и пропорциональном ему увеличении коэффициентов ф2, Ц И Т1 [см. выражения (7), (6) и (2)]. Как следует из рис. 3, в диапазоне изменения значения Ргон от 0 до 5—8 кПа применение в эжекторе с расширяющимся диффузором сопла с углом наклона стволов р=±4° вместо сопла с р= ± 1° приводит к возрастанию параметров К, %, я и КПД эжектора г] на 45—30% для противодавления 110—130 кПа. При более высоких значениях ргон выигрыш от указанной замены уменьшается и при рГон>20 кПа становится практически не ощутимым.
Как показано в [2], можно путем замены расширяющегося диффузора сверхзвуковым, имеющим горловину, существенно повысить максимальное противодавление, которое способен преодолеть эжектор, оставаясь на критическом режиме работы. Это мероприятие было проверено и на исследуемом эжекторе.
На рис. 4 для вариантов 1—6) и 4—б) эжектора со сверхзвуковым диффузором (/горл = 0,598) и соплами, оси соседних стволов которых наклонены друг к другу соответственно на угол р=±1° и р=±4°, представлены зависимости полного давления отсасываемого воздуха рГон и изотермического КПД эжектора г] от полного давления водовоздушной смеси за эжектором рс о4, полученные при Ржон = сог^ и /С=сопз1 [1—б)—светлые значки, 4—б)—темные значки ршон = 980 кПа]. На этом же рисунке штриховыми линиями приведены теоретические характеристики, рассчитанные по методике [1] при 1^2т=1, отсутствии потерь в расширяющейся части сверхзвукового диффузора и фж. с. т = фж. с. 3 = 0,916. Отметим, что при определении экспериментальных характеристик запуск сверхзвукового диффузора осуществлялся только изменением противодавления, начиная от рсв^ 100 кПа.
Сравнение экспериментальных характеристик, представленных на рис. 4 и 2, показывает, что во всем исследованном диапазоне изменения коэффициента эжекции замена обычно применяемого расширяющегося диффузора сверхзвуковым с горловиной отвечает своему основному назначению и для обоих вариантов сопла приводит к существенному увеличению протяженности участков критических режимов в сторону более высоких значений противодавления рс04. Например, при использовании сопла с р=±1° указанная замена диффузора вызывает увеличение преодолеваемого эжектором противодавления на предельном критическом режиме от 129 до 196 кПа при /С=0,23 - 10_3 и от 155 до 203 кПа при К— 1,43-10~3, что обеспечивает возрастание максимального КПД эжектора соответственно от 0,066 до 0,070 и от 0,2 до 0,236.
При сопоставлении характеристик вариантов 4—б) и 4—а) эжектора можно установить, что одновременно с ростом давления рс о 4 на предельных критических режимах применение сверхзвукового диффузора совместно с соплом, обеспечивающим попарное соударение струй (Р=±4°), приводит также к уменьшению наклона участков критических режимов зависимостей ргон от рсо4- Вследствие этого на наивыгоднейших предельных критических режимах снижается полное давление воздуха Ргон, т. е. эжектор со сверхзвуковым диффузором обеспечивает
более глубокий вакуум при более высоком противодавлении. Из сказанного можно заключить, что использование сверхзвукового диффузора усиливает эффект от введения наклона стволов сопла. Так, замена расширяющегося диффузора сверхзвуковым при использовании сопла с Р= ±4° обеспечивает на предельном критическом режиме увеличение рс о4 от 131 до 201 кПа при ІС=0,23 • 10_3 и от 138 до 182 кПа при К= = 1,41 «ГО-3 с одновременным снижением величины ргон от 3,5 до ЗкПа при /С=0,23 • 10_3 и от 32,5 до 23,5 кПа при /С —1',41 •-3. Оба фактора
Рис. 5
способствуют возрастанию максимального КПД эжектора при этих значениях К соответственно от 0,073 до 0,091 и от 0,193 до 0,287.
В усилении эффекта от соударения струй воды в эжекторе со сверхзвуковым диффузором можно убедиться также при сопоставлении характеристик вариантов 4—б) и 1—б) эжектора при одинаковых значениях давления ржон. Ргоя и рс о 4* Такое сопоставление выполнено на рис. 5, где для этих вариантов эжектора приведены зависимости параметров К, oJ)2, <7, г) и тг)э=4°/^=1° от полного давления воздуха ргон при рсо 4=const [сплошные линии — вариант 4—б), штриховые — вариант 1—б)]. Как следует из этого рисунка, выигрыш от введения наклона стволов сопла оказывается значительным до давления ргон=40кПа, тогда как для эжектора с расширяющимся, диффузором — только до Ргон^8 кПа (см. рис. 3). Так, в результате постановки сопла с р = ±4° вместо сопла с р=±1° в эжектор со сверхзвуковым диффузором параметры К, 'фг, Я и г] возрастают в случае рсо4=150 кПа на 43%' при Ргон = 8 кПа и на 29% при рГОн = 40 кПа, а в случае рсо4=190кПа — на 59—57% при ргон = 0-ь16 кПа.
В заключение для оценки совместного влияния на эффективность водовоздушного эжектора постановки сопла с попарно наклоненными друг к другу стволами и сверхзвукового диффузора сравним варианты 4—б) и 1—а) эжектора при одинаковых значениях коэффициента эжек-ции. Из рассмотрения рис. 4 и 2 следует, что по сравнению с эжектором, имеющим сопло с р=±1° и расширяющийся диффузор, эжектор с соплом, имеющим оптимальный угол наклона стволов р=±4°, и сверхзвуковым диффузором (/горл = 0,598) обеспечивает на режиме максимального КПД повышение преодолеваемого противодавления от 132, 128 и 155 кПа соответствено до 202, 198 и 182 кПа при значениях
К, равных 0,068-10^3; 0,49 • 10~3 и 1,42*10"'3, и снижение давления отсасываемого воздуха pro,, при этих значениях К от 1,1; 11 и 36,5 кПа соответственно до 0,8; 7,2 и 23,5 кПа. Максимальный КПД эжектора при этом возрастает соответственно от 0,026 до 0,031 (на 20%), от 0,111 до 0,155 (на 40%) и от 0,2 до 0,287 (на 43%).
Таким образом, в исследованной области параметров организация попарного соударения струй эжектирующей жидкости в камере смешения вакуумного жидкостно-газового эжектора приводит к значительному повышению его эффективности, особенно при применении сверхзвукового диффузора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев Ю. Н. Теория двухфазного газожидкостного эжектора с цилиндрической камерой смешения. — В кн.: Лопаточные машины и струйные аппараты, вып. 5, — М.: Машиностроение, 1971.
2. В а с и л ь е в Ю. Н., Гладков Е. П. Экспериментальное исследование вакуумного водовоздушного эжектора с многоствольным соплом. — В кн.: Лопаточные машины и струйные аппараты, вып. 5. — М.: Машиностроение, 1971.
3. А. с. 985462 кл. F04f. Жидкостно-газовый эжектор./Васильев Ю. Н., Гладков Е. П., Горшкова Г. А. —Опубл. в БИ, 1982, № 48.
Рдкопись поступила 9/ХИ 1982 г.
