3.2.12. Эжекторы

Газовым эжектором называется устройство, в котором энергия «эжек-тируемого» газового потока увеличивается струей другого потока, имеющего больший напор. Простота конструкции и удобство регулирования рабочего про-цесса эжектора обусловливают его широкое применение в различных областях техники. В частности, в вакуумной технике эжекторы, работающие на парах жид-костей с малым давлением насыщения, позволяют достигать глубоких разре-жений. При эксплуатации газовых месторождений низконапорные скважины подключают в газосборную сеть с помощью эжектора, в котором давление низ-конапорного газа повышается за счет энергии эжектирующего газа из высоко-напорных скважин. Таким путем удается одновременно увеличить производи-тельность низконапорных скважин и повысить давление газа в сети.

Основные элементы эжектора: сопло высоконапорного (эжектирующего) газа, сопло низконапорного (эжектируемого) газа, смесительная камера и диффузор. Назначение сопел - подвод газов к смесительной камере с минимальными поте-рями. Если падение давления в соплах превышает критическое, то для эжектиру-ющего газа целесообразно применять сопло Лаваля. Но и при сверхкритических отношениях давления часто используют эжектор с обычным (сужающимся) соплом.

В камере смешения происходит обмен энергией между потоками в турбу-лентном пограничном слое, разделяющем их. Камера может быть цилиндричес-кой или иметь переменное по длине сечение. В цилиндрической камере давление нарастает вниз по потоку, в то время как давление торможения (т. е. полная механическая энергия) уменьшается за счет потерь. При правильно выбранной длине камеры у ее выходного сечения процесс смешения потоков заканчивается, эпюра скоростей выравнивается.

Назначение диффузора, устанавливаемого на выходе из камеры смешения, - повышение статического давления выходящей из эжектора смеси газов или понижение давления в камере смешения.

Статическое давление р₁ на срезе сопла эжектирующего газа ниже полного давления эжектируемого газа р₂*, который под действием этой разности давлений течет в камеру смешения. Обозначим массовый расход эжектирующего газа через G₁, эжектируемого – через G₂. Отношение G₂/G₁ = n называется коэффициентом эжекции. Его величина зависит от площадей сопел и давлений р₁* и p₂*. Смешиваемые в эжекторе газы могут первоначально различаться по температуре и химическому составу. Поперечные пульсационные компоненты скорости в пограничном слое на границе потоков приводят к перемешиванию, и на выходе из камеры смешения состояние смеси близко к однородному.

Процесс смешения потоков сопровождается потерями энергии. Помимо потерь на трение у стенок камеры смешения имеют место потери, связанные с вихревой структурой потоков в турбулентном слое на границе струй. Они опреде-ляются по разности кинетических энергий: суммарной энергии эжектирующего и эжектируемого потоков во входном сечении и энергии на выходе. Потери увеличиваются с возрастанием разности скоростей смешивающихся потоков.

Если эжектор работает при различных соотношениях исходных параметров газов, то его расход и коэффициент эжекции n = G₂/G₁ могут меняться. Зави-симости между переменными параметрами эжектора называются его характерис-тиками. Характеристики показывают зависимость степени сжатия эжектируемого газа от коэффициента эжекции n при нескольких значениях отношений p₁*/p₂*. При критическом режиме, когда скорость эжектируемого газа достигает скорости звука, коэффициент эжекции становится максимальным и не изменяется с дальнейшим понижением давления на выходе из эжектора.

3.3.13. Турбулентные струи

Струйные потоки жидкостей и газов широко применяется в технике, в част-ности, в металлургии – в печных факелах, при струйном нагреве и охлаждении металла, при продувке жидкого металла газами и т.д. Практически всегда струйные потоки являются турбулентными.

Простейший случай – свободная турбулентная струя, распространяющаяся вдали от твердых стенок (рис. 3.5а). Если свободная струя вытекает в среду с такими же физическими свойствами, то она называется затопленной средой. На-чиная со среза сопла, на границе струи образуется турбулентный пограничный слой (заштрихованная зона на рис. 3.5), в котором происходит поперечный перенос импульса. Пограничные слои с противоположных сторон струи смыка-ются в конце начального участка струи (зона I). На переходном участке II продолжается перестройка профиля скоростей в струе. На основном, автомо-дельном участке струи III профиль скоростей в струе, представленный в безразмерных координатах w/w_max = f(y/R), где R – радиус струи в данном сечении, не зависит от расстояния х. Это свойство называется свойством подобия струй.

а)

б)

в)

Рис. 3.5. Турбулентные струи: а – свободная, б – настильная, в – ограниченная

Согласно опытным данным, на автомодельном участке диаметр струи нара-стает по длине по линейному закону, а скорость уменьшается обратно пропорци-онально расстоянию от сопла. Расход струи линейно нарастает по длине вслед-ствие подсоса окружающей среды.

На рис. 3.5б показана схема настильной плоской струи, вытекающей из щеле-вого сопла вдоль плоской стенки. По сторонам струи образуются два пограни-чных слоя: на наружной границе струи и у стенки. На некотором расстоянии от среза сопла оба пограничных слоя сливаются. Расход через поперечные сечения в настильной струе растет медленнее, чем в свободной струе. Расчет струй ведется с использованием теории пограничного слоя.

На рис. 3.5в показана схема течения и распределение давления в ограни-ченной струе, которая наблюдается в цилиндрической камере. Если диаметр камеры намного больше диаметра сопла (D/d₀ ≥ 8), можно рассматривать ограниченную струю как свободную. Данные по теплообмену в струях представлены в источнике [7].

Вопросы для самоконтроля по теме 3.3

1. Как устроены циклонные аппараты для очистки газа?

2. Что такое пограничный слой?

3. Что такое лопаточная решетка?

4. Какие способы распыливания жидкостей Вам известны?

5. Назовите виды турбулентных струй.