Повышение энергоэффективности ступени конфузорного эжектора с пульсирующим движением активного потока в составе жидкостно-кольцевого вакуум-насоса Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 532.5:536.2

А. И. Рудаков, М. С. Нурсубин, Н. В. Роженцова, А. Р. Денисова

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СТУПЕНИ КОНФУЗОРНОГО ЭЖЕКТОРА С ПУЛЬСИРУЮЩИМ ДВИЖЕНИЕМ АКТИВНОГО ПОТОКА В СОСТАВЕ ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВОГО ВАКУУМ-НАСОСА

Ключевые слова: струйный аппарат, эжектор, пульсация, нестационарный процесс, расчет.

В статье рассматриваются нестационарные процессы эжекторной ступени жидкостно-кольцевого вакуумного насоса с пульсирующим движением активного потока газа. Расчетная модель учитывает потери количества движения на трение (путевые потери), а также потери давления в областях изменения сечения потока (местные потери). Определение геометрических и режимных параметров рабочего и откачиваемых потоков проводится с использованием газодинамических функций.

Keywords: jet device, ejector, pulsation, non-stationary process, calculation.

Accounting model of non-station process ejection stage liquid-recirculating vacuum pump are considered in article with pulsing moving the active flow of the gas. The Accounting model takes into account the loss an amount motion on friction (the travel losses), as well as loss of the pressure in area of the change(modification) the section of the flow (the locall losses). The determination geometric and operation parameters of worker and pumped flows was conducted with use gas-dynamic functions.

Как отмечено в работе [5], в случае протекания технологических процессов без изменения их структуры или качества (транспор-тирование вещества, течение жидкости или газа без изменения их параметров и т.д.), учитываются лишь затраты энергии. В этом случае повышенную эффективность имеют нестационарные процессы.

Нестационарные процессы являются неотъемлемой частью работы различных технических устройств [3,4]. В ряде случаев нестационарные режимы создаются целенаправленно, например, с целью интенсификации теплоотдачи и взаимодействия потоков активного и пассивного газов в эжекторе и т. п.

Источниками пульсаций может являться как периодическое изменение конфигурации элементов тракта эжектора, например, использование прерывателей потока активного газа [4], так и турбулизация потока [1,2]. Пульсирующие течения связаны с повышенным числом параметров, определяющих пульсирующее течение. Так если для стационарного потока достаточно использование чисел Маха и Рейнольдса, то для пульсирующих течений к ним добавляются еще относительная частота и амплитуда пульсаций.

Отметим, что нестационарные режимы для жидкой среды воспроизводятся в суживающихся соплах. Сверхзвуковые перепады давлений, возникающие лишь в газах, реализуются в соплах Лаваля.

Как правило, расчетная схема принимается из условия того, что выходные сечения активного и пассивного сопел и входное сечение камеры смешения совпадают (рисунок 1). Проведенные нами исследования и результаты работ Г.Н. Абрамовича, Ю.Н. Васильева и некоторых других исследователей [1] показали, что расположение активного сопла на некотором расстоянии от входа в камеру смешения (внутрь пассивного сопла), увеличивает эффективность работы струйного аппарата. Проведенные нами эксперименты только подтвер-ждают сказанное и приводят к повышенной эффективности аппарата

по сравнению с эжектором, имеющим цилиндрическую камеру смешения.

В сверхзвуковом потоке уменьшение площади поперечного сечения приводит к снижению сверхзвуковой скорости и, соответственно, потерь на трение. Расчеты и эксперименты показывают, что эффективность сверхзвуковых эжекторов с конической сужающейся камерой на 10 - 15 % больше, по сравнению с цилиндрической. В них на движущийся поток действует сила реакции стенок Я, которая учитывается в основном уравнении эжекции.

Расчетная схема такого аппарата представлена на рис. 1.

....—— 3

12

Рисунок 1 - Расчетная схема эжектора с Рис. 1 - Расчетная схема эжектора с конической камерой смешения (устройство создания пульсации на рисунке не показано)

При равенстве давлений на срезе сопла Ла-валя в потоках рабочего и сжимаемого газов процесс смешения начинается сразу за срезом сопла Лаваля. Если же давление в потоке рабочего газа больше, чем в потоке сжимаемого газа, то рабочий газ продолжает расширяться за пределами сопла Лаваля до сечения, которое называется сечением запирания и обозначается индексом '. В этом сечении давление в обоих потоках выравнивается, при этом скорость пассивного потока становится равной

скорости звука Л = 1.

Основное уравнение эжекции для струйных аппаратов с конфузорной камерой смешения имеет вид:

(Л )(и +1)(1 + ив + Э) = z(\)

ujezfa ) + {k +1 ^ k -

R

(1)

^ 2 ) р1^(Х)

Нами принято распределение давления такое же, как в работе [1].

Р 2 +Р 3

Р = ——— (2)

иср 2 ^

Действительное распределение давления вдоль камеры может отличаться от рср. Нами было проведено определение действительного давления вдоль камеры смешения. Превышение действительного давления по сравнению с теоретическим составило 5-10 %, на такую же величину повышается подача струйного аппарата. Общее повышение подачи аппарата достигает 15-20%, что учтено дополнительным коэффициентом ркс в расчетных формулах.

Основное уравнение эжекции для струйного аппарата с конфузорной (конической) камерой смешения имеет вид:

Ф3 = Ф1 + Ф2 - Р2 + Рз

( + S 2 - S 3 )

(3)

k +1

k +1

M з akp зz (лз )= —;—M 1akp1z (л1) +

k

+ M2ap2z(ЛbA,,^1 (s¡ -S2 -S3).

(4)

~k 2 kp 2 ^ v ¿s s i л.о. 2

или

7(1 + u) + ви )(Л3) = z (л ) + ил/вz(á2 )

((2 + P 3 ) . S1 + S2 - S3 (5)

-A

2

M xa

'2 ^3 k +1 .

kp

k

-7(1 + и )1 + ви )z (Л3 )= z (Л) +

+ и

Vв. (Я )-4 2 + 2 - * 3 ) .

4 Р1 Ч (Я1

(6)

Так как для эжектора с конфузорной камерой смешения не соблюдается условие равенства площадей (Б3 + Б2), уравнение (6) примет вид:

Рз = Р^(1 + « )(1 + ви )| ЧЯ). (7)

Откуда

Р3

Р1 "/(ттйх^в*1^!' (8)

Для увеличения коэффициента эжекции и сохранения высокой степени сжатия в струйных

аппаратах, камера смешения в них в ряде случаев выполняется из двух частей: развитой конической сужающейся части (конфузора) и последующей цилиндрической горловины (рис. 2).

РИ&ШШ

——..__} i

----" J 2 (Ш щ щ т

Снешшяш

Рис. 2 - Принятая форма конфузорной камеры смешения

*

Приравняв полное давление рх и рср, уравнение (8) можно записать как:

*

Рз_

Рос

•7(п + 1X1 + ив + Э) д(л) '

(9)

1 + 1/а q(A3) Используя дополнительный член, учитывающий пульсацию потока в эжекторе Ар sin (2^fz + (0), уравнения (9) запишется как:

Pñé = P1 =

P3

■yj(u +1)1 + ив + Э) qfa) 1 + 1/а q(l3)

(10)

+

Ap sin(2я/т + (0)

На рис. 3 приведена одна из теоретических зависимостей изменения пульсирующего давления в конфузорной эжекторной ступени ЖКВН. На нем значение Рср представляет прямую горизонтальную линию, отстоящую от нуля на величину расстояния Рср - 0, численное значение которой определяется по выражению (9). Прирост давления, обусловленного правой частью уравнений (.7), представлен амплитудой А р и частотой со = ж.

' $ Па

V 4

Рср 4

ST с

Ж 271 Ш

Рис. 3 - Теоретический график изменения пульсирующего давления эжекторной ступени ЖКВН

z

2

Применение конфузорной камеры смешения и пульсирующего движения потока, повышает коэффициент эжекции ступени жидкостно-кольцевого вакуумного насоса и, соответственно КПД на 15 - 20%.

Литература

1 Абрамович, Г. Н. Прикладная газовая динамика. /Г.Н.Абрамович// В 2-х ч. 4.2: Учеб. рук. для втузов М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 2011.- 304 с.

2 Давлетшин, И.А. Гидродинамические и тепловые процессы в пульсирующих турбулентных потоках. /

И.А. Давлетшин// Автореф. дисс. на соискан. уч. степени д-ра техн. наук. - Казань, 2009. - 42 с.

3 Нурсубин, М.С. Газодинамическая теория эжекторной ступени ЖКВН с пульсирующим движением активного потока. /М.С. Нурсубин, А.И. Рудаков, И.Р. Нафи-ков, Б. Л. Иванов// Вестник КНГХТУ, 2014, №4 с.121-124

4 Рудаков, А.И. Струйные низковакуумные аппараты. / А.И. Рудаков// Изд - во Казанского ГАУ, Казань, 2008. - 387 с.

5 Рудаков, А. И. Современные технические средства повышения энергоэффективности водокольцевых машин. /А.И. Рудаков, Роженцова Н.В., Денисова А.Р.// Ж. Промышленная энергетика №5, 2014. - с. 27-30.

© А. И. Рудаков - д.т.н., профессор каф. электрооборудования и электрохозяйства предприятий, организаций и учреждений, КГЭУ, [email protected]; М. С. Нурсубин - доцент каф. ИПМ, КНИТУ, [email protected]; Н. В. Роженцова - к.т.н., доцент кафедры электрооборудования и электрохозяйства предприятий, организаций и учреждений, КГЭУ, [email protected]; А. Р. Денисова - к.т.н., доцент каф. электрооборудования и электрохозяйства предприятий, организаций и учреждений, КГЭУ, [email protected].

© A. I. Rudakov - Dr.Sci.Tech., professor of "Electric Equipment and Electrical Facilities of the Enterprises, Organizations and Establishments" chair of KSPEU, [email protected]; M. S. Nursubin - Cand.Tech.Sci., assistant professor of the pulpit of the informatics and applied mathematicians KNRTU, [email protected]; N. V. Rozhentsova - Cand.Tech.Sci., associate professor "Electric equipment and electrical facilities of the enterprises, organizations and establishments" KSPEU, [email protected]; A. R. Denisova - Cand.Tech.Sci., associate professor "Electric equipment and electrical facilities of the enterprises, organizations and establishments" KSPEU, [email protected].