Научная статья на тему 'Работа газового эжектора при неодинаковых физических параметрах смешиваемых газов'

Работа газового эжектора при неодинаковых физических параметрах смешиваемых газов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
397
79
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Куканов Ф. А., Межиров И. И.

Приведены уравнения эжекции при неодинаковых значениях показателя адиабаты χ, теплоемкости при постоянном давлении cp 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 ϑ=(cp1T01/cp'T0')1/2 и b = ((1-1/κ12)/(1-1κ'2))1/2. Приведены результаты экспериментального исследования сверхзвукового газового эжектора при постоянной температуре торможения эжектирующего газа (T'0= 280 К) и различных значениях температуры торможения эжектируемого газа (Т01 = 280 2000 К). Установлено, что при Т01= 1500 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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Работа газового эжектора при неодинаковых физических параметрах смешиваемых газов»

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]

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

= 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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.