Рабочий процесс эжектора

Рабочий процесс эжектора сводится к следующему. Высоконапорный (рабочий или активный) газ, имеющий полное давление p_0,1, вытекает из сопла 3 в сборную камеру 1 и далее в канал смешения 5. В зависимости от конструкции сопла и давления рабочего газа на выходе из сопла в сечении b-b устанавливается давление р₁, которое может не совпадать с давлением в сборной камере. К сборной камере по оси или сбоку через канал 4 подается низконапорный (эжектируемый или пассивный) газ, статическое давление которого во входном сечении с-с равно р₂. За счет высокой скорости рабочего газа во входном сечении канала смешения устанавливается статическое давление р₃, которое меньше полного давления торможения р_2,0. Выходной участок сборной камеры 1 образует сопло низконапорного газа с коническим или криволинейным профилем. За счет разности давлений низконапорный газ устремляется в канал смешения.

Одной из характеристик эжектора является отношение количества эжектируемого газа G₂ к количеству эжектирующего (рабочего) газа G₁, называемое коэффициентом эжекции

. (24.2)

В канал смешения рабочий и эжектируемый газы входят в виде двух раздельных потоков. В общем случае они могут различаться по химическому составу, скорости, температуры и давлению. Смешение потоков означает выравнивание параметров по всему сечению канала.

Весь процесс смешения условно можно разделить на два участка, как показано на рис.24.2.

На первом участке от входного сечения до сечения А-А происходит нарастание зоны смешения высоконапорной и низконапорной струй с плавным изменением параметров газовой смеси. На некотором расстоянии от начального сечения в сечении А-А, называемом граничным сечением, струи полностью проникают друг в друга, однако здесь параметры газа все еще значительно различны по радиусу канала. Поэтому и после граничного сечения в канале смешивания происходит выравнивание профиля скоростей. Только в конечном сечении канала, отстоящем от входного сечения на расстояние 8…10 диаметров канала происходит полное выравнивание профиля, сохраняющего свой вид в дальнейшем. Статическое давление смеси газов в этом сечении становится равным р₄, а полное давление р_3,0. Если не учитывать потери на трение в диффузоре, то это же давление будет и в выходном сечении диффузора.

Рациональное проектирование эжектора сводится к выбору таких геометрических размеров, при которых при заданных начальных параметрах р_1,0, р_2,0 и заданном значении коэффициента эжекции n получить наибольшее давление р_3,0 или при заданных р_1,0, р_2,0 и р_3,0, обеспечить наибольший коэффициент эжекции.

Представленная схема процесса смешения газов в полной мере соответствует дозвуковому течению сжимаемых газов в газовом эжекторе и несжимаемых жидкостей в жидкостном эжекторе.

Качественно иная картина наблюдается при сверхкритическом перепаде в сопле рабочего газа. При дозвуковом истечении давление газа на выходе из сопла равно давлению в окружающей среде: р₁ = р₂. Если сопло рабочего газа выполнено сужающимся, то при сверхкритическом перепаде давления статическое давление в выходном сечении сопла будет больше давления окружающей среды: р₁ > р₂. Поэтому, как показано на рис.24.3, струя рабочего газа, выходящая из сопла со скоростью звука, будет расширяться за пределами сопла и площадь сечения канала смешения, занятая струей рабочего газа, будет больше площади выходного сечения сопла.

Поток эжектируемого газа между сечениями а-а и b-b движется между стенками канала и границей струи рабочего газа. Из-за уменьшения площади проходного сечения для дозвукового потока эжектируемого газа скорость его увеличивается, а статическое давление снижается.

Точно такая же картина наблюдается при истечении сверхзвуковой струи из сопла Лаваля при неполном расширении в струе. Особенность сверхзвуковой струи состоит в том, что смешение ее с дозвуковым потоком происходит менее интенсивно. Это связано с тем, что сверхзвуковая струя обладает повышенной устойчивостью по сравнению с дозвуковой струей, и размывание ее границ происходит слабее. Физика этого явления достаточно проста. Допустим, как показано на рис.24.4, граница струи вследствие различных причин искривляется внутрь струи.

При дозвуковой струе уменьшение площади сечения приводит к увеличению скорости потока в месте деформации и снижению в этом месте статического давления. Внешнее давление р_в увеличивает начальную деформацию струи. Дозвуковая струя втягивает в себя газ из окружающей среды, и границы струи быстро размываются.

В сверхзвуковой струе уменьшение сечения приводит к снижению скорости потока и увеличению статического давления, которое становится выше давления окружающей среды. Струя стремится восстановить прежнюю форму, выталкивая из себя частицы окружающей среды.

Эти явления можно легко наблюдать: дозвуковая струя втягивает внутрь поднесенные легкие предметы, сверхзвуковая струя их отталкивает.

При сверхзвуковом перепаде давления минимальная величина статического давления достигает в сечении b-b, где площадь сечения расширяющейся струи рабочего газа максимальна. Это сечение называется сечением запирания. В дальнейшем будем считать, что до сечения запирания рабочий и эжектируемый потоки газа движутся раздельно, а их интенсивное смешение начинается после.

Смешение на основном участке при сверхзвуковой струе остается таким же, как и при дозвуковой. Однако при увеличении отношения давления торможения рабочего газа к статическому давлению эжектируемого газа в основном участке канала смешения может сохраниться зона сверхзвуковой скорости.

В качестве характеристики перепада давления при расчете эжектора рассматривается отношение давлений в сопле

, (24.3)

где ₂ – приведенная скорость эжектируемого газа в сборной камере.

При смешении потоков происходит выравнивание скорости газов по сечению канала за счет обмена импульсами между частицами, двигающимися в канале с различными скоростями. Этот процесс сопровождается дополнительными потерями кинетической энергии.

Обозначим скорости рабочего, эжектируемого газов и их смеси соответственно через w₁, w₂. и w₃. Если предположить, что смешение потоков происходит при постоянном давлении, то количество движения смеси должно быть равно сумме количеств движений потоков:

. (24.4)

Отсюда скорость смеси

. (24.5)

Кинетическая энергия смеси газов равна

. (24.6)

Изменение кинетической энергии

Потери при смешении аналогичны потерям энергии при ударе неупругих тел. Часть кинетической энергии потоков переходит в тепловую энергию смеси. Эти потери тем выше, чем больше разность скоростей смешиваемых газов, поэтому для повышения эффективности процесса надо стараться по возможности добиваться увеличения скорости эжектируемого газа на входе в канал смешения.

При смешении газов в цилиндрическом канале статическое давление по длине камеры возрастает. Это явление объясняется следующим образом. Рассмотрим, как показано на рис.24.5, два сечения канала: первое у входа в канал, а второе – ближе к выходу из канала.

В сечении 1-1 поле скоростей неравномерно: на оси канала скорость потока близка к скорости рабочего газа, выходящего из сопла; в периферийной области у стенок канала скорость потока соответствует скорости эжектируемого газа.

В сечении 2-2 после смешения скорости газов выравниваются, хотя вследствие трения о стенки скорость на оси несколько выше скорости на периферии.

Так как в канале смешения статическое давление изменяется незначительно, то можно принять, что плотность газа остается постоянной. Средняя по площади скорость газа равна

. (24.8)

Эта величина одинакова для сечений 1-1 и 2-2.

Рассмотрим величину

. (24.9)

При полностью равномерном потоке  = 1, во всех других случаях  > 1. Таким образом, параметр  характеризует степень неравномерности поля скоростей: чем более неравномерно поле, тем выше значение . Параметр  называется коэффициентом поля.

В сечении 1-1- поле скоростей более неравномерно, чем в сечении 2-2, поэтому . Через любое сечение площадью dS проходит масса газа , ее количество движения . Общее количество движения газа в сечении площадью S

.

Если пренебречь изменением плотности газа по сечению и по длине канала, то можно записать

.

Так как , то при неизменных значениях массового расхода G и средней скорости количество движения в сечении 1-1 больше, чес в сечении 2-2.

Уравнение импульсов для потока между сечениями 1-1 и 2-2

. (24.10)

Отсюда следует, что , т. е. выравнивание поля скоростей в цилиндрическом канале приводит к возрастанию статического давления.

Это свойство процесса используется в простейших эжекторах без диффузора.

Основным геометрическим параметром эжектора с цилиндрическим каналом смешения является отношение площадей выходных сечений сопел рабочего и эжектируемого газа

, (24.11)

где S₃ – площадь сечения цилиндрического канала смешения.

Эжектор с большим значением  является высоконапорным, но обеспечивает малый коэффициент эжекции. Эжектор с малым значением  позволяет подсосать большое количество газа, но мало повышает его давление.

Второй конструктивной характеристикой эжектора является степень расширения диффузора

, (24.12)

где S₄ – площадь выходного сечения диффузора. Если эжектор работает при заданном статическом давлении на выходе, то степень расширения существенно влияет на все параметры эжектора. С увеличением параметра f снижается статическое давление в канале смешения, возрастает скорость эжектируемого газа и несколько увеличивается коэффициент эжекции.

Третьей конструктивной характеристикой эжектора является относительная длина канала смешения . Эта величина обычно не учитывается при расчете и принимается, что в выходном сечении канала параметр  близок к единице. Относительную длину канала смешения выбирают в диапазоне . Здесь следует иметь в виду, что при коротком канале смешение потоков не будет закончено, и давление газа на выходе из эжектора будет заниженным. С другой стороны, излишне длинный канал увеличивает потери на трение и также способствует снижению давления газа.