Большая энциклопедия техники

Коллектив авторов

Водовоздушные эжекторы. Устройство и особенности работы водовоздушного эжектора. В водовоздушных эжекторах рабочей (эжектирующей) средой служит вода, подаваемая под давлением к суживающемуся соплу, на выходе из которого она приобретает большую скорость. Вытекающая из сопла в приемную камеру струя воды увлекает с собой поступающие через патрубок в камеру воздух или паровоздушную смесь, после чего поток попадает в камеру смешения и диффузор, где и происходит повышение давления. Наряду с традиционной формой проточной части применяются водовоздушные эжекторы, в которых рабочая жидкость подается в камеру смешения через несколько рабочих сопл или одно сопло с несколькими отверстиями (многоструйное сопло).

В результате увеличения поверхности контакта взаимодействующих сред такое сопло, как показали экспериментальные исследования, приводит к определенному увеличению коэффициента инжекции при прочих равных условиях.

Экспериментальные исследования показали также целесообразность увеличения длины камеры смешения до 40—50 вместо 8—10

калибров для однофазных струйных аппаратов. Это связано, по-видимому, с тем, что образование однородной газожидкостной эмульсии требует большей длины пути перемешивания, чем выравнивание профиля скоростей однофазного потока.

В исследовании, специально посвященном этому вопросу, авторы следующим образом показывают процесс разрушения рабочей струи. Струя рабочей жидкости в газовой среде разрушается в результате того, что капли выпадают из ядра струи. Разрушение струи начинается с появления ряби (волн) на ее поверхности на расстоянии нескольких диаметров от среза сопла. Затем амплитуда волн растет до тех пор, пока капли или частицы жидкости не начнут выпадать в окружающую среду. По мере развития процесса ядро струи уменьшается и в конце концов исчезает. Расстояние, на котором происходит разрушение струи, считается зоной перемешивания, в которой сплошной средой является инжектируемый газ. После скачкообразного повышения давления сплошной средой становится жидкость, в которой распределены пузырьки газа. Длина камеры смешения должна быть достаточной для завершения смешения. При недостаточной длине камеры смешения зона перемешивания переходит в диффузор, что снижает эффективность водовоздушного эжектора.

Для исследованного авторами диапазона геометрического параметра длина перемешивания составляла соответственно 32—12 калибров камеры смешения. По исследованиям авторов, оптимальной формой рабочего сопла является диффузия вакуума в различных емкостях и т. д. Водовоздушные эжекторы всегда выполняются одноступенчатыми. Предлагались конструкции двухступенчатых водовоздушных эжекторов или эжекторов с пароструйной и второй водоструйной ступенями, но они не получили распространения. В условиях конденсационных установок одноступенчатые водовоздушные эжекторы сжимают воздух, содержащийся в отсасываемой из конденсатора паровоздушной смеси, от давления 2—6 кПа до атмосферного или при расположении водовоздушного эжектора на некоторой высоте над уровнем воды в сливном баке – до давления меньше атмосферного на значение давления столба водовоздушной смеси в сливном трубопроводе.

Характерной особенностью условий работы водовоздушного эжектора является большая разница плотностей рабочей воды и эжектируемого воздуха. Отношение этих величин может превышать 10. Массовые коэффициенты инжекции водовоздушного эжектора имеют обычно порядка 10^{– 6}, а объемные коэффициенты инжекции 0,2—3,0.

Для проведении экспериментальных исследований водовоздушные эжекторы часто выполняют из прозрачного материала,чтобы иметь возможность наблюдать за характером движения среды.

Экспериментальные водовоздушные эжекторы ВТИ – с мерой смешения с входным участком, выполненным из плексигласа. В четырех точках по длине камеры смешения производится измерение давления. На основании визуальных наблюдений и измерения давления по длине течение в камере смешения представляется следующим образом. Струя воды поступает в камеру смешения, сохраняя свою первоначальную цилиндрическую форму. Примерно на расстоянии 2 калибров d₃ от начала камера смешения оказывается уже заполненной молочно-белой водовоздушной эмульсией (пеной), причем у стенок камеры смешения наблюдаются обратные токи водовоздушной эмульсии, которая снова захватывается струей и увлекается ею. Это возвратное движение обусловлено повышением давления по длине камеры смешения. При всех рассмотренных режимах давление в начале камеры смешения равно р в приемной камере. При низких противодавлениях повышение давления в цилиндрической камере смешения сравнительно невелико. Основное повышение давления происходит в диффузоре. При увеличении противодавления эта картина изменяется: повышение давления в диффузоре уменьшается, а в камере смешения резко увеличивается, причем оно происходит на сравнительно небольшом участке камеры смешения скачкообразно. Чем меньше отношение сечения камеры смешения и сопла, тем более резко выражен скачок давления. Место скачка хорошо различимо, так как после него движется не молочно-белая эмульсия, а прозрачная вода с пузырьками воздуха. Чем больше отношение сечений камеры смешения и сопла, тем более развиты обратные токи водовоздушной эмульсии. При увеличении противодавления скачок давления перемещается против течения струи и, наконец, при определенном противодавлении достигает начала камеры смешения. При этом эжекция воздуха водой прекращается, вся камера смешения заполнена прозрачной водой без пузырьков воздуха. Аналогичные явления имеют место, если при неизменном противодавлении снижается давление рабочей воды. Для расчета описанных типов струйных аппаратов весьма плодотворным оказывалось применение уравнения импульсов. Это уравнение учитывает основной вид необратимых потерь энергии, имеющих место в струйных аппаратах, – так называемые потери на удар. Последние определяются, главным образом, отношением масс и скоростей инжектируемой и рабочей среды. При работе водовоздушного эжектора масса инжектируемого

воздуха оказывается в тысячи раз меньше массы рабочей воды и не может поэтому в какой-либо степени изменить скорость струи рабочей воды.

Применение в данном случае уравнения импульсов для взаимодействующих потоков, как это было сделано при выводе расчетных уравнений для однофазных аппаратов, приводит к значениям достижимого коэффициента инжекции, в несколько раз превышающим опытные. Поэтому предложенные до настоящего времени различными авторами методы расчета водовоздушных эжекторов представляют собой, по существу, эмпирические формулы, позволяющие получить результаты, более или менее приближающиеся к опытным данным.

Экспериментальные исследования водовоздушных эжекторов показали, что при изменении в широких пределах параметров работы эжектора (давления рабочей, инжектируемой, сжатой среды, массового расхода воздуха) сохраняется достаточно стабильный объемный коэффициент инжекции. Поэтому в ряде методик расчета водовоздушных эжекторов предлагаются формулы для определения объемного коэффициента инжекции. В камере смешения благодаря большой поверхности контакта между водой и воздухом происходит насыщение воздуха парами воды. Температура пара в эмульсии практически равна температуре воды. Поэтому газовая фаза эмульсии представляет собой насыщенную паровоздушную смесь. Полное давление этой смеси в начале камеры смешения равно давлению инжектируемого сухого воздуха в приемной камере . Парциальное давление воздуха в смеси меньше этого давления на давление насыщенного пара при температуре рабочей среды. Поскольку сжимаемый в эжекторе воздух входит в состав паровоздушной смеси, то и в приведенном выше выражении для объемного коэффициента инжекции значение V представляет собой объемный расход паровоздушной смеси, равный, согласно закону Дальтона, объемному расходу воздуха при парциальном давлении р. Массовый расход инжектируемого воздуха при этом может быть определен из уравнения Клапейрона. При повышении давления в диффузоре пар, содержащийся в эмульсии, конденсируется. На основании результатов испытаний водовоздушного эжектора с одноструйным соплом и цилиндрической камерой смешения длиной около 10 калибров было предложено использовать для расчета водовоздушного эжектора формулы для водоструйного насоса, в которых массовый коэффициент инжекции и заменен объемным (скорость эжектируемой среды равна нулю), удельные объемы рабочей сжатой среды одинаковы.

Опыты показывают, что по мере увеличения G_B количество пара в отсасываемой смеси при данной температуре снижается вначале очень быстро, а затем медленнее. Соответственно характеристика р_а – f(G_B) при f_cм = const, начинающаяся на оси ординат в точке р_н = р_п (при G_B = 0), возрастает и асимптотически приближается к характеристике, отвечающей отсасыванию сухого воздуха при той же температуре рабочей воды t . Таким образом, характеристика водоструйного эжектора при отсасывании паровоздушной смеси заданной температуры существенно отличается от соответствующей характеристики пароструйного эжектора, представляющей собой (до точки перегрузки) прямую линию, которой отвечает G_n = const.

Можно ради простоты принимать с достаточной для практических целей точностью, что характеристика водоструйного эжектора при отсасывании паровоздушной смеси данной температуры состоит из двух участков, которые по аналогии с характеристикой пароструйного эжектора могут быть названы рабочим и перегрузочным. В пределах рабочего участка характеристики водоструйного эжектора для t_Н = const давление всасывания можно считать приблизительно постоянным и равным давлению насыщения при температуре отсасываемой смеси, увеличению расхода воздуха, содержащегося в описываемой смеси, здесь отвечает при t_v = const значительное уменьшение расхода содержащегося в смеси пара G.

При указанном допущении перегрузочный участок характеристики начинается при расходе воздуха G, которому отвечает в случае отсасывания сухого воздуха давление р, равное давлению р_п насыщенного пара при температуре отсасываемой смеси. Для перегрузочного участка, т. е для области G_B > G, можно принять, что характеристика эжектора при отсасывании паровоздушной смеси совпадает с его характеристикой на сухом воздухе при данной t.