CC BY
80
Том І
УЧЕНЫЕ 3 А ПИ С К И Ц А Г И _
М 4
УДК 533.697.5
РАБОТА ГАЗОВОГО ЭЖЕКТОРА ПРИ НЕОДИНАКОВЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРАХ СМЕШИВАЕМЫХ ГАЗОВ
Ф. А. Куканов, И. И. Межиров
Приведены уравнения эжекции при неодинаковых значениях показателя адиабаты ■*., теплоемкости при постоянном давлении ср и температуры торможения Т0 смешиваемых газов. Показано, что при сохранении неизменными приведенных скоростей и давлений на входе в эжектор величина коэффициента эжекции изменяется обратно пропорционально параметрам
Ср 1 Гої
СРТО
и Ь —
Приведены результаты экспериментального исследования сверхзвукового газового эжектора при постоянной температуре торможения эжектирующего газа (То = 280°К) и различных значениях температуры торможения эжектируемого газа (Тох = 280 2000° К).
Установлено, что при Т01 = 1500 -ч- 2000° К характеристики эжектора значительно хуже расчетных.
Показано, что впрыск воды в струю низконапорного газа улучшает характеристики эжектора и приводит их в соответствие с расчетными.
1. Рассмотрим газовый эжектор, в котором смешиваются два потока совершенного газа, имеющие различные физические параметры (показатели адиабаты л удельные теплоемкости) и температуры торможения. Сделаем следующие предположения:
камера смешения цилиндрическая;
в камере смешения происходит полное перемешивание газов, которое не сопровождается химическими реакциями и изменением агрегатного состояния;
параметры газовых потоков, поступающих в камеру смешения и выходящих из нее, распределены равномерно по соответствующим сечениям;
трение на стенках камеры смешения и теплообмен с окружающей средой ■отсутствуют. ’
Использование уравнений механики для массы газа, находящегося в камере смешения, приводит к следующим соотношениям, связывающим параметры газов на входе в эжектор и на выходе из него:
чО-и *1) + 9 (*'. *') г (1)
е- (1+*)<?(*", х") *
(уравнение расхода с использованием уравнения сохранения энергии);
г (Х1) д х,) + ад г (X') д (У, х') _ (2>
Я(К>* 1) + аа <?(/.', х') ’1
(уравнение количества движения с использованием уравнения сохранения •энергии);
ъъь= (з>
аа<? (А. , х) ' '
(уравнение связи между параметрами газов, поступающих в камеру смешения).
__1_
Здесь: а=_^_; е=_^£-; д (X, х)=Х (> — х 1 [
Пл1 /)л« \ ‘
Л1 Р01
й:
' /-4ттУтттжг’'"1,+а,,,1+1-)
' ср 1 о
1 ср\ в1 Г 1
г(х)=х+~; с = —г*; 6 = ^! В = у 1 -
ДА =
г (») - 2 " V х' У 2 г (6) —2
г (Л»)+ 2 ’ — у-! и' В' [г(ксЬ) -|- 2] ‘г(Ы>)4- 2
Г
р—давление, Г — абсолютная температура, Х=-— — приведенная скорость,
Ср
ЙР—скорость, я* — критическая скорость, х=-—- — показатель адиабаты, с„ и
Су
/='
с у — удельные теплоемкости при постоянных давлении и объеме, а = -рг- ,
г.
г —площадь поперечного сечения струи, 6 =— коэффициент эжекции, (2 —
массовый расход. Штрих обозначает эжектирующий газ, два штриха — газовую смесь на выходе из эжектора, индекс „1“—эжектируемый газ, нуль — изоэнтро-пически заторможенный газ.
Соотношения (1) — (3) отличаются от соответствующих выражений для случая эжектора с одинаковыми значениями Т0, х, ср смешиваемых газов наличием множителя / в правой части уравнений (1) и (2) и некоторой зависимостью функции д от х (при дозвуковых и небольших сверхзвуковых значениях X эта зависимость весьма слабая). Эти факторы, как показывает анализ уравнений (1) и (2), при определенных соотношениях параметров на входе в камеру смешения могут привести к тому, что скорость смеси на выходе из эжектора будет звуковой. Такой режим работы ограничивает возможность дальнейшего повышения коэф фициента эжекции при уменьшении давления на выходе из эжектора и в. этом смысле является предельным. Однако пока этот режим не достигнут, влияние указанных факторов на работу эжектора во многих случаях невелико.
Другим возможным предельным режимом работы эжектора является, как: известно, так называемый .критический“ режим, обнаруженный М. Д. Миллион-щиковым и Г. М. Рябинковым, который соответствует разгону эжектируемого-газа в начале камеры смешения до звуковой скорости вследствие расширения сверхзвукового потока эжектирующего газа.
Дополнительное ограничение, которое критический режим накладывает на параметры газов на входе в камеру смешения, может быть выражено следующими приближенными соотношениями*:
2 (Къ) — г (к')
; (4>
~ г (^) - 2 ’
л а<7(1, Х])<7(Х', х')
?(1, *,)(!+„)-* (*!, х,) • <5>
* Ю. Н. Васильев. Теория сверхзвукового газового эжектора с цилиндрической камерой смешения. В сб. „Лопаточные машины и струйные аппараты“. Вып. 2. М., „Машиностроение“, 1967.
Здесь Х2 — среднее значение приведенной скорости эжектирующего газа в сечении, где в эжектируемом газе достигается скорость звука.
Из уравнений (3) и (4) следует далее, что различие параметров Г0, х, ср смешиваемых газов при любом режиме работы эжектора будет сказываться наиболее сильно на коэффициенте эжекции, так что в тех случаях, когда влияние параметров газа на величины д(к, х) и / невелико, можно считать, что
Величина kbb может быть названа приведенным коэффициентом эжекции. Из соотношения (6) вытекает, что если представить характеристики эжекторов,
Ро
имеющих одинаковые параметры а, А', •—тг, в виде зависимостей kbb — <р(з), то,
Р о
несмотря на различие параметров эжектирующего и эжектируемого газов, эти характеристики практически совпадут.
Такое положение сохраняется до тех пор, пока не будут нарушены условия, на основе которых получены приведенные выше соотношения. Главным из них является предположение о полном перемешивании газов в камере смешения эжектора.
2. Влияние различия температур торможения и физических свойств газов на работу эжектора исследовалось на модели эжектора с цилиндрической камерой смешения диаметром d = 294 мм. Газовая смесь выбрасывалась из эжектора в атмосферу через дозвуковой диффузор. В качестве эжектирующего газа использовался воздух (7’0з? 280°К, х'= 1,4), который поступал в эжектор через сверхзвуковое кольцевое сопло (I' ~ 1,88) по периферии камеры смешения.
Температура торможения эжектируемого газа, который поступал в эжектор от газогенератора по цилиндрическому каналу, могла изменяться в диапазоне 280-ь-2000° К (соответствующие значения показателя адиабаты хя:1,4-И ,33). Удельные теплоемкости"смешиваемых газов были примерно одинаковыми.
Приведенный коэффициент эжекции kbb определялся по формуле
т = Амяо^'
где А — постоянная, зависящая от физических констант газов и геометрических размеров эжектора.
При экспериментах осуществлялись все измерения, необходимые для определения основных характеристик эжектора.
Результаты экспериментов, полученные при полном давлении рр 5,7 ama, представлены на фиг. 1 в виде зависимостей é96 = tp(a). При указанном полном давлении высоконапорного газа и одинаковых температурах торможения смешиваемых газов эжектор работал на критическом режиме во всем исследованном диапазоне изменения коэффициентов эжекции.
Расчетная кривая, соответствующая критическому режиму работы эжектора, рассчитанная по формулам (3) — (5), нанесена на фиг. 1 в виде сплошной линии. Видно, что экспериментальные точки, полученные при одинаковых температурах торможения смешиваемых газов, хорошо согласуются с расчетными данными. Результаты, полученные при Г01 = 800° К, также близки к расчетным. Однако зависимости, соответствующие более высоким температурам эжектируемого газа (Т01 = 1500-i-2000° К), резко отклоняются от расчетной кривой при <з^5, эжектор переходит в этих двух случаях на докритический режим работы. Попытка улучшить характеристики эжектора путем увеличения длины камеры смешения от / = 5 диаметрам камеры до /=10 диаметрам не дала результатов (см. фиг. 1).
Такое противоречащее расчету изменение характеристик эжектора может быть объяснено ухудшением процесса перемешивания газов при повышении температуры низконапорного газа. На фиг. 2 представлена зависимость скорости эжектируемого газа а,.! в сечении, где при критическом режиме работы она достигает скорости звука, от температуры Т01. Здесь же отмечено среднее значение скорости эжектирующего газа в том же сечении 1^2 (при 7^ = 280° К). Видно, что с увеличением температуры Т01 разница в скоростях в этом сечении уменьшается и при ~ 1000° К они выравниваются.
Таким образом, проведенное экспериментальное исследование обнаруживает резкое ухудшение процесса смешения при выравнивании скоростей смешивающихся потоков в начале камеры эжектора.
Отметим, что равенство скоростей газов на входе в эжектор, а следовательно, и ухудшение смешения, может быть не только при различии температур торможения, но и при различии удельных теплоемкостей Ср и показателей адиабаты к. смешиваемых газов.
3. Одним из способов улучшения смешения струй при и?! = W' И высоких значениях 7oi является охлаждение низконапорного газа перед подачей его в камеру смешения, которое может быть осуществлено путем впрыска воды в низконапорный тракт.
Впрыск воды в струю горячего низконапорного газа влияет на процесс эжектирования следующим образом:
в результате испарения воды уменьшается температура торможения Г01, а следовательно, и критическая скорость а*х. Это способствует улучшению процесса смешения в эжекторе;
впрыск воды увеличивает весовой расход эжектируемого газа, повышает коэффициент эжекции к и, следовательно, способствует уменьшению степени
О ¿00 то л Гр Я]
Фиг. 3
О 500 1,ООО АТ [°Х]
Фиг. 4
понижение температуры Тй1 приводит к уменьшению параметра 9==
= "I/ —— , что в свою очередь приводит к увеличению степени сжатия.
V °р тт
Суммарное воздействие впрыска воды на степень сжатия при полном смешении определяется изменением приведенного коэффициента эжекции
На фиг. 3 представлена зависимость = / (Д7-), где — расход воды
на единицу массы низконапорного газа, потребный для снижения его температуры на ДТ [°К] при полном испарении воды. При расчетах было принято, что начальная температура газа равна 2023° К, а начальная температура воды 303°К. Некоторое представление о величине ДТ, потребной для восстановления хоро-
(2# |
шего смешения, дает фиг. 4, где приведена зависимость ^т-=/(ДГ)при тех же,
что и выше, исходных значениях температур газа и воды и при = 620 м1сек (Х' = 2при 7^ = 230° К). Влияние впрыска воды на приведенный коэффициент
к%Ь
эжекции иллюстрируется фиг. 5, где дана зависимость (£&6)о соот-
ветствует исходному состоянию газа без впрыска. При полном испарении воды приведенный коэффициент эжекции даже несколько снижается.
Опыты подтвердили эффективность впрыска воды в горячий эжектируемый газ для восстановления смешения в эжекторе. На фиг. 6 приведена экспериментальная зависимость (А96)0 = / (сг), полученная при впрыске в горячую струю
воды с относительным расходом -^- = 0,35-5-0,52. Исходная температура Т01 =
1 V]
= 1700° К, давление р0 х. 6,5 ата. Заштрихованной полосой показана экспериментальная зависимость для критического режима, полученная при 7'01 = Т'0. Видно, что впрыск воды привел к восстановле-
Данные получены при длине подводящего тракта паро-газовой смеси Ь = 5 м* и относительной длине камеры смешения эжектора ~ = 11,5, При этих экспериментах отмечено некоторое ухудшение характеристик эжектора в случае Тй1 = Т0 по сравнению с исходными характеристиками, что объясняется, по-видимому, увеличением неравномерности скоростей на входе в камеру смешения, вызванным удлинением подводящих каналов при организации впрыска воды (примерная длина подводящего низконапорного канала 30 калибров, а высоконапорного — 50 калибров). ’
В случае хороших полей на входе в эжектор следует ожидать еще большего улучшения его характеристик при впрыске воды в горячую струю низконапорного газа, т. е. уменьшения потребного давления р'0 при работе эжектора на критическом режиме.
* Полнота испарения воды определяется при заданной скорости газа абсолютной длиной трубопровода, в котором происходит испарение, т. е. временем пребывания капель воды в горячем газе.
Рукопись поступила 6'\Х 1969 г.
