Инжектор

Инжектор

Инжектор (термин происходит от фр. injecteur, а оно, в свою очередь, от лат. injicio – «вбрасываю»):

  1. Ускоритель, причем обыкновенно линейный ускоритель, который используется с целью введения заряженных частиц внутрь основного ускорителя. При этом энергия, которая сообщается всем частицам внутри инжектора, должна быть больше минимальной, необходимой для начала действия основного ускорителя.

  2. Струйный насос, который предназначен для сжимания газа или пара, а также для нагнетания жидкостей в разнообразные аппараты или резервуар. Инжекторы применяют на паровозах, а также внутри локомобилей и на котельных установках небольшого размера с целью подачи питательной воды внутрь парового котла. Достоинство инжекторов состоит в том, что у них нет каких-либо подвижных частей, а обслуживание весьма простое. В основе действия инжектора лежит преобразование кинетической энергии, которой обладает струя пара, в другой вид энергии – в потенциальную энергию воды. При этом внутри общей камеры инжектора размещают на одной оси три конуса. К первому паровому конусу при помощи паропровода из котла подается пар, у которого развивается в устье первого конуса большая скорость, происходит захват воды, которая подводится по трубе из бака. Впоследствии образующаяся смесь, состоящая из воды и конденсированного пара, прогоняется внутрь водяного (или конденсационного) конуса, из него же – внутрь нагнетательного конуса, потом – через обратный клапан внутрь парового котла. Расширяющийся конус уменьшает скорость тока воды в нем, поэтому давление растет и в итоге становится вполне достаточным для того, чтобы преодолеть давление внутри парового котла и нагнетать питательную воду в котел. Избыток воды, который образуется в самом начале работы инжектора, сбрасывается затем через клапан «вестовой» трубы. Следует также учитывать, что температура воды, которая поступает в инжектор, должна быть не больше 40 °С, высота же всасывания не должна превышать 2,5 м. Инжектор можно установить как вертикально, так и горизонтально.

Пароводяные инжекторы. Особенности процесса в пароводяном инжекторе. В пароводяных инжекторах осуществляется повышение давления жидкости за счет кинетической энергии струи пара, который в процессе смешения с жидкостью полностью конденсируется в ней.

Особенностью этого процесса, в отличие от процессов в других струйных аппаратах, является возможность при определенных условиях повышения давления инжектируемой воды до значения, превышающего давление рабочего пара. Благодаря этому пароводяные инжекторы еще с середины XIX в. получили широкое распространение в качестве питательных насосов для небольших котельных. Низкий КПД этих аппаратов при этом не имел особого значения, так как теплота рабочего пара с питательной водой возвращалась в котел. Как показал проведенный анализ, при обратном соотношении давление смешанного потока, в принципе, может быть получено из любого из взаимодействующих потоков только в том случае, когда прямая обратимого смешения проходит области более высоких изобар по сравнению с изобарами состояния взаимодействующих сред.

В струйных аппаратах при наличии необратимых потерь на удар при взаимодействии потоков личными скоростями имеет место увеличение энтропии потока по сравнению с обратимым смешением, что приводит к изменению давления смешанного потока. Применительно к пароводяным инжекторам реализована на практике возможность получения давления, превышающего давление действующих сред. Эта возможность существует благодаря балансу работы, получаемой из рабочего пара и сжатия инжектируемой воды. В последнее время в связи с разработкой магнитогидродинамического способа получения электроэнергии, а также тепловых циклов с новыми рабочими телами усилился интерес к применению в этих установках инжекторов в качестве струйных конденсаторов и насосов. Появились многочисленные исследования этих аппаратов, направленные на повышение их КПД путем снижения потерь в элементах проточной части инжектора, изучения условий их запуска и т. д. Многие из этих работ обобщены. Достаточно сложные конструкции промышленных инжекторов подробно описаны.

Во всех конструкциях подвод инжектируемой воды осуществляется через узкую кольцевую щель, окружающую рабочее сопло, с тем чтобы вода поступала в камеру смешения с большой скоростью, направленной параллельно скорости рабочего пара, поступающего из расположенного на оси инжектора центрального сопла Лаваля. Камера смешения имеет, как правило, коническую форму. При проведении исследований пароводяных инжекторов не ставилась задача разработки оптимальной формы проточной части. Была разработана методика расчета пароводяного инжектора простейшей формы (с цилиндрической камерой смешения), результаты расчета по этой методике были сопоставлены с результатами экспериментального исследования такого инжектора. Струя рабочего пара, выходящая из сопла, расположенного на некотором расстоянии от цилиндрической камеры смешения, при достаточной разности температур пара и воды конденсируется в инжектируемой воде до поступления в камеру смешения, повышая температуру инжектируемой воды до tc и сообщая ей определенную скорость.

Это представление хорошо согласуется с опубликованными теоретическими и экспериментальными исследованиями конденсации струи пара в пространстве, заполненном жидкостью. При поступлении воды в камеру смешения ограниченного сечения скорость воды возрастает, а давление ее соответственно снижается. Если р больше давления насыщенного пара при определенной температуре, то в камере смешения движется жидкость и процесс в камере смешения и диффузоре аналогичен процессу в водоструйном насосе. В этом случае в камере смешения происходит повышение давления и за счет выравнивания профиля скоростей, имеющего в начале камеры смешения значительную неравномерность. Затем в диффузоре давление воды повышается до ?_с. При этом режимные или конструкционные факторы оказывают на характеристику пароводяного инжектора такое же влияние, как и на характеристику водоструйного насоса.

Существенные отличия наступают при малых коэффициентах инжекции. При снижении расхода инжектируемой воды и неизменном С-плоде рабочего пара температура воды повышается до величины, предшествующей температуре насыщения при давлении в камере смешения, и наступает срыв работы инжектора из-за недостатка воды и конденсации всего поступающего рабочего пара. Этот режим определяет минимальный коэффициент инжекции.

При увеличении коэффициента инжекции, когда расход инжектируемой воды в результате снижения противодавления увеличивается, температура воды в камере смешения падает. Одновременно из-за изменения скорости воды в камере смешения снижается давление.

При увеличении расхода инжектируемой воды до определенной границы давление ? во входном сечении камеры смешения понижается до давления насыщения при температуре нагретой воды t.

Снижение противодавления не приводит к увеличению рапида, а дальнейшее падение давления в камере смешения невозможно и, следовательно, не может увеличиться перепад давлений, определяющий расход инжектируемой воды. Понижение противодавления в этом случае приводит лишь к вскипанию воды в камере смешения. Этот режим аналогичен кавитационному режиму водоструйного насоса. Вскипание воды в камере смешения обусловливает, таким образом, максимальный (предельный) коэффициент инжекции. Следует отметить, что именно этот режим является рабочим для питательных инжекторов. Он позволяет объяснить обнаруженную из опытов независимость производительности инжектора от противодавления при работе на кавитационном режиме. Ниже приводится вывод основных расчетных уравнений для пароводяного инжектора с простейшей цилиндрической формой камеры смешения.

Уравнение характеристики. Уравнение импульсов можно написать в следующем виде: f₂ (G_pW_pi + G_KW_HI) – (G_P + G_H) W₃ = fp1 + fnl, где p1 – давление пара в выходном сечении рабочего сопла; W_pi – действительная скорость пара в выходном сечении сопла; W_pi – скорость пара при адиабатном истечении; W_HI – скорость инжектируемой воды в кольцевом сечении fnl в плоскости выходного сечения сопла; W₃ – скорость воды в конце камеры смешения. Примем следующие допущения:

  1) сечение в плоскости выходного сечения сопла настолько велико, что скорость инжектируемой воды в этом сечении близка к нулю и количеством движения инжектируемой воды G_KW_HI по сравнению с количеством движения рабочего пара G_pW_pi . можно пренебречь;

  2) сечение приемной камеры в плоскости выходного сечения рабочего сопла значительно превышает сечение цилиндрической камеры смешения.

Снижение давления от р₁ до р₂ происходит в основном в конце входного участка камеры смешения. Когда выходное сечение сопла близко к значению сечения камеры смешения, давление после инжектора не зависит от давления инжектируемой воды. Отношение сечений оказывает на характеристики пароводяного инжектора такое же влияние, как и на характеристики других типов струйных аппаратов: пароструйных компрессоров, водоструйных насосов. Увеличение показателя приводит к увеличению коэффициента инжекции и снижению давления воды после инжектора р. Как уже отмечалось, в пароводяном инжекторе максимальный и минимальный коэффициенты инжекции ограничиваются условиями вскипания воды в камере смешения. Вскипание воды в камере смешения станет ниже давления насыщения (кавитации) при температуре воды в камере смешения t_z. Оба эти давления (р₁ и р₂) зависят при заданных параметрах рабочего пара и инжектируемой воды и размерах инжектора от коэффициента инжекции u. Температура воды в камере смешения определяется из теплового баланса. При этой температуре по таблицам насыщенного пара определяется соответствующее значение р_к. Давление воды в начале цилиндрической камеры смешения р₂ зависит от скорости, которую получит масса инжектируемой воды до поступления в камеру смешения в результате обмена импульсами между инжектируемой и рабочей средами. Если считать, что после конденсации рабочего пара образуется струя рабочей жидкости, движущаяся с очень большой скоростью и занимающая вследствие этого весьма малое сечение, а также что основной обмен импульсами между этой струей и инжектируемой водой происходит в цилиндрической камере смешения, то средней скоростью, которую приобретает инжектируемая вода при давлении р, можно пренебречь. В этом случае давление воды в начале камеры смешения может быть определено по уравнению Бернулли. Снижение давления инжектируемой воды при неизменной ее температуре (t = const) приводит к сокращению рабочего диапазона инжектора, так как при этом сближаются значения инжекции. К аналогичному эффекту приводит повышение давления рабочего пара. При неизменном давлении ? и температуре t инжектируемой воды увеличение давления рабочего пара ? до определенного значения приводит к срыву работы инжектора. Так, при УД = 1,8, давлении инжектируемой воды ? = 80 кПа и ее температуре t = 20 °С срыв работы инжектора наступает при повышении давления рабочего пара р до 0,96 МПа, а при t = 40 °С давление рабочего пара не может быть поднято выше 0,65 МПа. Таким образом, имеют место зависимости предельных коэффициентов инжекции от основного геометрического параметра инжектора, а также от условий работы.

Достижимые коэффициенты инжекции. Для того чтобы определить достижимый коэффициент инжекции при заданных условиях работы инжектора: параметрах рабочего пара р и t_?, параметрах инжектируемой воды и требуемом давлении воды после инжектора, следует решить совместно уравнение характеристики и уравнение предельного коэффициента инжекции. Существенное влияние оказывает положение сопла на предельный коэффициент инжекции: чем меньше расстояние сопла от камеры смешения, тем меньше предельный коэффициент инжекции. Это можно объяснить тем, что при малых расстояниях сопла от камеры смешения рабочий пар не успевает полностью конденсироваться в приемной камере и занимает часть входного сечения камеры смешения, уменьшая тем самым сечение для прохода воды. При увеличении расстояния сопла от камеры смешения предельный коэффициент инжекции увеличивается, но это увеличение постепенно замедляется. При максимальном расстоянии сопла от камеры смешения (36 мм) предельный коэффициент инжекции близок к расчетному. Можно предполагать, что дальнейшее его увеличение не приведет к заметному увеличению предельного коэффициента инжекции.

Такая же закономерность наблюдалась при различных давлениях рабочего пара и различных диаметрах выходного сечения сопла. Исходя из полученных результатов, все опыты с другими камерами смешения и рабочими соплами проводились при максимальном расстоянии сопла от камеры смешения. Лишь при р = 0,8 МПа и показателе 1,8 повышение давления инжектируемой воды меньше р четного, что объясняется, по-видимому, тем, что при этих условиях режим работы инжектора близок к срыву. Действительно, при 1,8 и р = 0,8 МПа расчетное минимальное давление инжектируемой воды составляет около 0,6 атм. При 1,8 и р = 0,8 МПа давление инжектируемой воды близко к минимальному. На этом режиме инжектор работ с предельным коэффициентом инжекции, почти равным расчетному, но не создает расчетного повышения давления инжектируемой воды. Такое явление наблюдалось и в других опытах, когда инжектор работал в режиме, близком к срывному. Для того чтобы при этих условиях реализовать теоретически возможные повышения давления воды в инжекторе, необходимо, по-видимому, более тщательное выполнение проточной части, точный выбор расстояния между камерой смешения и т. п. При расчете струйных аппаратов для пневмотранспорта абсолютное давление р обычно равно 0,1 МПа, если только в приемной камере аппарата не создается искусственно вакуум. Значение ?, как правило, равно потере давления в сети после аппарата. Эта потеря давления зависит, главным образом, от диаметра трубы трубопровода после струйного аппарата и плотности транспортируемой среды. Для расчета параметров потока в характерных сечениях струйных аппаратов для пневмотранспорта могут быть использованы те же уравнения, что и для газоструйных инжекторов. При сверхкритической степени расширения рабочего потока основные размеры рабочего сопла рассчитываются по тем же формулам, что и для струйных компрессоров. При докритической степени расширения рабочие сопла имеют коническую форму, а сечение сопла рассчитывается. Расход через сопло при докритической степени расширения определяется по формулам, как и определяется осевой размер аппарата.

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.

При отсасывании водоструйным эжектором сухого воздуха его производительность G_H при определенном давлении всасывания р может быть увеличена, или при данном G давление всасывания может быть понижено как путем увеличения давления рабочей воды р_р так и путем уменьшения противодавления, т. е. давления за диффузором рс. Уменьшить рс можно, например, путем установки водоструйного эжектора на определенной высоте над уровнем воды в сливном баке или колодце. Благодаря этому давление после диффузора снижается на величину давления столба в сливном трубопроводе. Правда, при том же насосе рабочей воды это повлечет за собой некоторое уменьшение давления воды перед рабочим соплом р_р, но это лишь частично снизит положительный эффект, достигающийся в результате уменьшения р.

При установке водоструйного эжектора на высоте Н над уровнем воды в сливном колодце давление после диффузора составит Р_с = Р_б + А_р. При отсасывании водоструйным эжектором паровоздушной смеси уменьшение р_с указанным выше путем также благоприятно сказывается на характеристике эжектора, но уже не столько вследствие уменьшения давления всасывания в пределах рабочего участка характеристики, сколько вследствие увеличения при этом протяженности рабочего участка характеристики (т. е. увеличения G).

Данный текст является ознакомительным фрагментом.