Принцип работы эжектора Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.691:620.9

Н. С. ЛУПОВ

Омский государственный технический университет

ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЖЕКТОРА_

Работа посвящена описанию принципа работы эжектора классической схемы. Приводится обоснование энергообмена между газовыми потоками в эжекторе за счет сил вязкости. Показана нецелесообразность описания принципа работы эжектора с точки зрения идеальной жидкости.

Ключевые слова: эжектор, газовые потоки, энергообмен, силы вязкости.

Современное состояние вопроса расчетов струйных аппаратов, а в частности эжекторов, обходится без математического описания процесса энергетического обмена между газовыми потоками, основанного на силах вязкости. Это приводит к большим затратам на проведение экспериментов при определении оптимальных геометрических параметров эжектора (рис. 1).

На основании вышеизложенного основной задачей данной работы является приведение обоснования энергообмена между газовыми потоками в эжекторе за счет сил вязкости.

Объектом исследования эжектор стал благодаря одновременно и узкой, и широкой области применения, так как решает задачи локального характера, но применяется во многих отраслях, таких как энергетическая, авиационная и химическая промышленности, сельское хозяйство и так далее. По существу, эжектором можно назвать любое устройство, принцип работы которого заключается в том, что полное давление одного (эжектируемого) потока увеличивается за счёт смешения его с другим (эжектирующим) потоком, имеющим более высокое полное давление.

На рассмотрение возьмем эжектор классической схемы, так как он характеризуется наличием большого количества экспериментальных данных, возможностью легкого регулирования параметров, путем изменения положения эжектирующего сопла относительно входа камеры смешения или изменения давления эжектирующего воздуха. Выбранный эжектор прост по конструкции, надежен в работе, не требует высококвалифицированного обслуживающего персонала, имеет малый срок окупаемости, монтируется на открытой площадке, работает в широком диапазоне изменения параметров газа, легко переходит с одного режима работы на другой. Кроме того, газовый эжектор может компримировать газообразные среды в широком диапазоне изменения температуры и состава, в том числе взрывоопасные, серо-водородсодержащие, с твердыми и жидкими частицами. Основными параметрами эжектора, являющимися показателями эффективности работы, являются коэффициент эжекции, степень сжатия и отношение полных давлений. Основная трудность теоретического определения характеристик эжектора состоит в сложности описания самого процесса турбулентного смешения струй, их взаимодействие в пространстве, ограниченном жёсткими стенками так называемой «камеры смешения».

Рассмотрим один из примеров классического описания принципа работы эжектора.

Как правило, в струйных аппаратах происходит сначала преобразование потенциальной энергии

Всасывающая

Рис. 1. Принципиальная схема эжектора

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. Хотя иногда в пароводяных инжекторах давление смешанного потока может превышать давление рабочего потока. Потоки рабочей и инжектируемых 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 [1, с. 4].

Расчет, основанный на вышеизложенном описании, струйного эжектора производят в следующей последовательности [1, с. 16].

Определяют критические скорости рабочего и инжектируемого потоков по формуле:

2 к к+Г

ЯТп

1

к+1

2 к Р'0_

к+1Р о

где Р0 — давление потока торможения, Па;

У"0 — удельный объем потока торможения, м3/кг;

р 0 — плотность потока торможения, кг/м3.

Рассчитывают относительную температуру потоков и относительное давление по формулам:

Т , к-1,2 Р

т=— = 1--12 П =— =

к+1

Р0

1-—12 к+1

к/(к-1)

По найденному значению относительного давления определяют газодинамические функции — приведенную скорость потоков 1 и приведенное попе-

ц. =

+v

9V, 8t

-+Vr

8_K + Vj 8V_

8r r 8j

_Fz -P8P +

p 8z

-+VZ

8z

8 2Vz 1 8 2Vz 8 V 1 8Vz 1 8Vz

8r r 8ф2 8z r 8r r j J'

Рис. 2. Изменение статического давления по длине камеры смешения

речное сечение потоков д. Проводят проверку области значений приведенного поперечного сечения потоков, в которой работа эжектора невозможна. При этом 1е £1 тах , где 1е — приведенная скорость потока при заданной относительной плотности е, 1 тах — приведенная скорость потока при истечении потока в абсолютный вакуум.

Рассчитывают методом последовательного приближения достижимое значение коэффициента эжекции.

Определяют методом последовательного приближения достижимое давление сжатия Рс или достижимую степень повышения давления Рс/р . Рассчитывают геометрические размеры струйного аппарата.

Как видно, наличие в расчетах методов последовательного приближения подразумевает последующую доводку аппарата в ходе испытаний и экспериментов и несовершенство описания принципа работы эжектора.

В связи с этим рассмотрим рабочий процесс эжектора относительно влияния вязкости на процесс энергообмена.

Высоконапорный (эжектирующий) газ, имеющий полное давление Р*1, вытекает из сопла в смесительную камеру. При стационарном режиме работы эжектора во входном сечении смесительной камеры устанавливается статическое давление Р2, которое всегда ниже полного давления низконапорного (эжектируемого) газа Р*2. Дальше, по тракту, статические давления потоков газов будут выравниваться между собой в результате смешения (рис. 2).

Пусть частицы газа после прохождения входного сопла эжектора движутся вдоль камеры смешения. Каждая частица газа будет иметь три составляющие абсолютной скорости V: осевую У7 , радиальную Уг и окружную Vф [2]. Так как движение газа имеет только линейный (вдоль оси) характер, радиальная и окружная составляющие абсолютной скорости исключаются из рассмотрения. Таким образом, для обоснования энергообмена в эжекторе производится исследование влияния изменения осевой скорости по ее радиусу и длине. Движение жидкости считается стационарным, а внешние силы отсутствующими.

Составляем уравнение движения вязкой жидкости в цилиндрических координатах [3, с. 395]:

В ходе несложных преобразований получаем окончательное выражение скорости:

V = -Л- (г2 - г2 ) [2, с. 430].

4 тд^ '

Далее, описывая составляющие тензора напряжений в цилиндрических координатах, получаем [3, с. 395] :

дVr

ргг =-Р+, дг

Л 1 д^ V ^ Р ,ф=-Р+2ц[ —ф+ I,

Pzz _-p+2m-

r 8ф r

8Vz

8r

p _ml 1V.+V

j r 8ф 8r r

_(8Уф + 1 8Vz ^ j \ 8 z r 8ф 0'

8V, 8Vr

Prz _m

8r 8z

Затем мы рассматриваем часть цилиндра, вдоль которого движутся внешние слои осевого потока газа, а также часть цилиндра, вдоль которого движутся внутренние слои периферийного потока газа. Элементы этих частей поверхностей действует сила трения Ршг11{ дф . Анализ показывает, что силы трения прямо пропорциональны вязкости газа, так как

дV

=-Р + ^

А также результатом взаимодействия периферийного и осевого потоков в эжекторе является работа, которая прямо пропорциональна силам трения и вязкости газа.

Следовательно, если описывать принцип работы эжектора с точки зрения идеальной жидкости, то в этом случае вязкость газа равна нулю, соответственно, силы трения равны нулю и передаваемая энергия равна нулю, эффективность эжектора, соответственно, также будет равна нулю.

Библиографический список

1. Софронов, B. Л. Расчет струйных аппаратов : учеб. пособие/ B. Л. Софронов, И. Ю. Русаков, Т. В. Ощепкова. — Северск : СТИ НИЯУ МИФИ, 2011. - 33 с.

2. Кузнецов, В. И. Теория и расчет эффекта Ранка : науч. изд. / В. И. Кузнецов. - Омск : ОмГТУ, 1994. - 217 с.

3. Кочин, Н. Е. Теоретическая гидромеханика. В 2 ч. Ч. II / Н. Е. Кочин, И. А. Кибель, Н. В. Розе. — М. : Физматгиз, 1963. - 728 с.

ЛУПОВ Никита Сергеевич, аспирант кафедры авиа-и ракетостроения.

Адрес для переписки: nikitalupov@mail.ru

Статья поступила в редакцию 23.03.2015 г. © Н. С. Лупов