В центральной области закрученного потока возможно возникновение зоны пониженного давления. Это свойство потока используют в аппаратах, называемых вихревыми эжекторами и используемых для эжекции газовых потоков и вакуумирования замкнутых объемов.
Впервые в СССР вихревой эжектор (ДКМ) создан группой исследователей во главе с М. Г. Дубинским. Сжатый (эжектирующий) газ через сопловой ввод 2 (рис. 39) поступает в камеру 1, где образуется вращающийся поток с приосевой областью пониженного давления. В эту область через трубку 3 подсасывается эжек — тируемый газ. Обоазующаяся в камере смесь через втулку 4 поступает в диффузор 6 и улитку 5, где тормозится с повышением давления. На стенке диффузора расположен регулирующий клапан 7. Выходящий из улитки поток газа подается в технологический трубопровод или сбрасывается в атмосферу (при вакуумиро — вании замкнутых объемов).
Основные характеристики, определяющие эффективность работы вихревого эжектора,— коэффициент эжекции п и степень повышения давления эжектируемого газа а3
(24)
П = GJGC; Ч Рис. 39. Вихревой эжектор ДКМ |
= Рсм/Рэ»
Где Gc, G3 — расход соответственно эжектирующего и эжектируемого газа, кг/с; рсм, рэ — давление соответственно) смеси на выходе из эжектора и эжектируемого газа, Па.
Показателем эффективности работы может быть адиабатный КПД, представляющий собой отношение адиабатной работы сжатия эжектируемого газа к адиабатной работе расширения эжектирующего газа
= пТМ"-1),к — — е-<*-ч/% (26)
Где Тс, Тэ — температура соответственно эжектирующего и эжектируемого газа; е = р0/Рсм— степень расширения эжектирующего газа (рс — давление эжектирующего газа).
|
До настоящего времени наименьшее остаточное давление 0,001, МПа при вакуумировании объема 0,04 м3 достигнуто с помощью эжектора ДКМ (рис. 40, кривая 1). При вакуумировании объема 0,5 м3 последовательно двумя эжекторами ДКМ в течение 17 мин достигнуто остаточное давление 2,5 кПа (рис. 40, кривая 2). Эжектор имел размеры (см. рис. 39) Д> = 0,05 м, £> = 0,025, м, L = 0,075 м, / = 0,038 м. При вакуумировании объема 0,5 м3 сначала работал эжектор с D — = 0,009 м, а затем с D=0,004 м. Давление сжатого газа рс = 0,3 МПа. Адиабатный КПД эжектора достигал 10%. Кривая 3 получена М. М. Бесединым и И. В. Левиче — вым при исследовании работы вихревого вакуум-насоса, предназначенного для транспортирования сыпучих веществ. Вакуум-насос имел камеру постоянного сечения диаметром Do= 0,05 м и длиной L = = 0,0425 м, непосредственно переходящую в щеле-
Рис. 40. Зависимость остаточного давления от времени откачки при вакуумном объеме W
(25) |
Кв = 0,04 м3; 2—VB = 0,5 м3; 3— = 8 м3
Рис. 41. Зависимость максимальной степени повышения давления от давления сжатого газа при вакуумировании замкнутых объектов
Рис. 42. Зависимость коэффициента эжекции от давления эжекти-
Рующего газа
Вой диффузор. Давление сжатого газа составляло рс — = 0,2 МПа. Как показали исследования по оптимизации основных геометрических размеров аппарата, наибольшее разрежение при вакуумировании объема 8 м3 достигается при диаметре d—0,6 Do и ширине щели диффузора Ад = 0,08 D0.
Разрежение, создаваемое вихревым эжектором, в значительной степени зависит от давления сжатого газа. При исследовании самовакуумирующейся вихревой трубы [16], действие которой можно рассматривать как предельный случай работы вихревого эжектора, получена зависимость (рис. 41), по которой можно оценить максимально возможное разрежение в вакуумируемом объеме при заданном давлении сжатого газа.
Современные вихревые эжекторы для прокачки газа имеют, как правило, камеру постоянного сечения, непосредственно переходящую в диффузор. Сопловой ввод прямоугольного сечения имеет входную спиральную улитку. При первом исследовании вихревого эжектора, проведенном А. П. Меркуловым [16], установлены основные закономерности работы эжектора и выявлено влияние режимных и конструктивных параметров на коэффициент эжекции (рис. 42, кривая /). Дальнейшие исследования были направлены на оптимизацию гео
метрии эжектора. Они привели к существенному повышению коэффициента эжекции. Н. Д. Колышев с соавторами [19] исследовал работу вихревого эжектора с камерой диаметром А) = 0,03 м и длиной L=1,5D0, снабженной щелевым диффузором. На рис.1 42 (кривая 2) Дана характеристика этого эжектора. Авторы исследования установили, что при давлении сжатого воздуха рс = 0,2…0,4 МПа наибольшие значения коэффициента эжекции достигаются при относительном диаметре отверстия трубки ввода эжектируемого газа 3=D/D0 = 0,9, причем оптимальная длина трубки 1= (1,00…1,25) Do. Исследовано также влияние ширины щели диффузора. В условиях эксперимента ее оптимальное значение Ад = = (0,16…0,2)D0. Наиболее полное исследование по оптимизации геометрии вихревого эжектора проведено В. Г. Воловым. Постановкой эксперимента, спланированного на поиск оптимальных условий работы эжектора [8], удалось получить наибольшие значения коэффициента эжекции (рис. 42, кривая 3). Найденные оптимальные геометрические размеры элементов вихревого эжектора указаны ниже при описании методики расчета вихревых эжекторов.
При использовании вихревого эжектора в технологических схемах необходимо учитывать гидравлические сопротивления трубопроводов для, эжектируемого газа и смеси на выходе из эжектора, наличие которых приводит к росту аэ и уменьшению п [16] (рис. 43). Приведенные на1 рис. 43 характеристики позволяют выбирать параметры вихревого эжектора на различных режимах его работы.
|
Исследования вихревых аппаратов, проводимые под руководством В. И. Метенина, привели к созданию про — тивоточного вихревого эжектора (рис. 44). При истечении эжектирующего газа из соплового аппарата 3 в конической камере смешения 2 образуется вихревой поток, имеющий в
Рис. 43. Зависимость коэффициента эжекции и от степени расширения
Є эжектирующего газа: 1 ~ <тэ—1.1; 2-сгэ=1,2; 3 — <Т8=1,4; 4- (Гэ=1,6; 5 — <тэ=1,8
|
Приосевой зоне область пониженного давления, причем минимальное статическое давление устанавливается в сечениях, близких к широкому торцу камеры. В область разрежения через соплсвой насадок 1 вводится зжек- тируемыйгаз. Смесь газов из камеры смешения поступает в осевой 4, а затем и в щелевой 5 диффузоры, где кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию давления.
В. В. Бобров, исследуя противоточный эжектор при П = 0, получил зависимости степени повышения давления от давления сжатого газа и давления смеси на выходе эжектора (рис. 45). Эти характеристики можно
Рис. 46. Зависимость степени по — & вышения давления от коэффициента эжекции (1>о=0,03 м; рс = . =0,3_ МПа; рсм=0,103 МПа): 6 1 — d3=0,067; 2 — d3=0,133; J —
-0,166; 4 — 0,233; 5 — 0,333 6
H
Рассматривать как предельные при вакуумировании 2 замкнутых объемов испы — 1 танными модификациями эжектора.
По способности к вакуумированию противоточные эжекторы близки к эжекторам М. Г. Дубинского. При давлении рс=0,3 МПа остаточное давление в зоне разрежения камеры смешения с Do = 0,3 м составило рэ= = 2,6 КПа. Основное преимущество противоточных эжекторов — способность обеспечивать высокие значения стэ даже при значительном противодавлении на выходе (рис. 45, б). К недостаткам таких эжекторов следует отнести малый коэффициент эжекции при прокачке газа (рис. 46).
Из I приведенных экспериментальных материалов следует, что область применения противоточных эжекторов ограничена вакуумированием камер с небольшими натеканиями воздуха из атмосферы и газовыделениями от расположенных в них объектов. Противоточные эжекторы можно использовать для вакуумирования замкнутых объемов, когда отсасываемый газ используют в технологических схемах. В остальных случаях предпочтительнее применение прямоточных эжекторов.
Расчет вихревого эжектора, как и других вихревых аппаратов, базируется на экспериментальных материалах, однако их недостаточно. Рекомендации по выбору основных геометрических размеров и режимных параметров получены при испытаниях ограниченного числа образцов. В связи с этим может возникнуть необходимость экспериментальной доводки аппарата, если размеры разрабатываемого эжектора существенно отличны от размеров опытных образцов. Порядок расчета зависит от назначения аппарата.
|
При использовании вихревого эжектора для прокачки потока газа, например, в режиме вентилирования,
предпочтительно применение, прямоточного эжектора (по типу ДКМ — см. рис. 39), обеспечивающего наибольший коэффициент эжекции. Исходными данными являются расход G3 эжектируемого газа, давление рс эжектирующего газа, гидравлическое сопротивление Дрэ по тракту эжектируемого газа и смеси на выходе АрСм. Степень повышения давления эжектируемого газа аэ= (ро + Арсм)/(рэ — Арэ) и располагаемая степень расширения эжектирующего газа е = рс/(ро + Арсм), где Ро — давление окружающей среды.
По кривым, приведенным на рис. 43, находят коэффициент эжекции п. Тогда расход эжектирующего газа Gc=G3/n. По найденному расходу Gc, используя выражения, приведенные в п. 2.2, определяют площадь сечения соплового ввода Fc, его высоту H и ширину Ь.
Максимальные коэффициенты эжекции получены В. Г. Воловым для вихревых эжекторов, относительная площадь сечения соплового ввода которых Fc=0,03…0,04 (меньшие значения Fc соответствуют большим п). Следовательно, диаметр камеры
£>, = / 4Fc/(NFe) =(5,1 . . . 6, 6) VFC. (27)
В. Г. Волов рекомендует принимать длину камеры L = = Д), диаметр отверстия трубки для ввода эжектируемого газа d = 0,9D0, максимальный диаметр диффузора Dn = 5D0, ширину диффузора Ад= (0,15…0,25)Д,, радиус сопряжения камеры с диффузором і? д=0,20£>0 при е<2 и Яд=0,35£>о при е>2.
В ряде случаев применения вихревого эжектора расход эжектирующего газа Gc может быть ограничен, на при этом имеется возможность выбора его давления рс И известен коэффициент эжекции п. По рис. 43 находят степень расширения е; искомое давление сжатого газа Рс = е(р0 + Арсм). Дальнейший расчет выполняют по изложенной выше методике.
При использовании вихревого эжектора для ваку- умирования замкнутого объема исходным параметром является остаточное давление рэ вакуумируемой среды объемом VB. В работе [16] рекомендуется следующий порядок расчета прямоточного эжектора.
По выражению (25) определяют степень повышения давления 0Э, затем по рис. 41 находят необходимое давление сжатого газа рс. Наиболее сложно определить
расход сжатого газа, так как коэффициент эжекции п есть величина переменная во времени вакуумирования т.
Средний коэффициент эжекции
Ncp = Mj(GcT), (28)
Где Мэ=Ув(рнэ-ркэ)/(^7,э)—масса удаляемого из ва- куумируемого объема газа, кг (7Э — температура ва — куумируемой среды, К; р"Э и ркЭ — начальное и конечное давление в вакуумируемом объеме, Па).
Экспериментальная зависимость пср от ркэ приведена на рис. 47. Если задано время вакуумирования, то> расход сжатого воздуха GC=MB[(псрт). Если задан расход, то время вакуумирования х=Мэ/(NcpGc). При найденном расходе сжатого газа вычисляют площадь, ширину и высоту соплового ввода эжектора (см. п. 2.2).
Установлено, что для каждого давления сжатого газа рс существует определенная относительная площадь сечения соплового ввода эжектора Fc opt, обеспечивающая минимальное давление рэ (рис. 48). Тогда диаметр* цилиндрической втулки эжектора
D = V 4Fj(nFC0Pt) .
|
При расчете эжектора на минимально возможное остаточное давление рэ диаметр отверстия трубки ввода эжектируемого газа принимают d<0,2D. При вакуумировании больших объемов с относительно высоким конечным остаточным давлением (рэ<0,05 МПа)
|
Рис. 47. Зависимость среднего коэффициента эжекции от остаточного давления в вакуумируемом объеме (рс = 0,3 МПа, рс„=»
=0,103 МПа)
Рис. 48. Зависимость оптимальной относительной площади сечеиия соплового ввода от давления сжатого газа (рсм=0,1 МПа)
Время вакуумирования минимально при d = 0,6D. Для уменьшения времени вакуумирования трубку для всасывания эжектируемогц газа целесообразно выполнять с регулируемым диаметром отверстия. При этом с течением времени диаметр отверстия должен уменьшаться.
При необходимости обеспечения высоких степеней повышения давления эжектируемого| газа при малых коэффициентах эжекции может быть рациональным использование противоточного эжектора. Как и в предыдущих случаях, в начале расчета по исходным данным вычисляют, Оэ■ Далее выбор режимных и конструктивных параметров выполняют в соответствии с рекомендациями В. В. Боброва. По рис. 45 и 46 выбирают давление эжектируемого газа рс и коэффициент эжекции п. По заданному расходу эжектируемого газа рассчитывают расход эжектирующего газа. Определяют суммарную площадь сечения сопловых вводов Fc. Выбирают число т сопловых вводов (по данным исследования эффективность эжектора возрастает с увеличением т) и ■определяют площадь сечения соплового ввода Fcm= = Fc/M, его высоту H = Y 0,275Fcm и ширину B = Fcm/H.
Для противоточного эжектора оптимальная относительная ) площадь соплового ввода Fc opt = 0,125…0,127. Следовательно, диаметр камеры смешения
Длина камеры смещения L = 3D0; угол конусности а = = 3°40’…4°40′.
По рис. 46 выбирают относительный диаметр соплового ввода эжектируемого газа D3 и определяют его абсолютный диаметр D3 = D3D0.
Рекомендуется сопловой насадок выполнять в виде конического тела с углом конусности 40—60°, имеющего у) основания цилиндрический участок. Геометрические размеры осевого диффузора: начальный диаметр *йд = 0,445£>0; длина 1= (2,2…2,8)D0; угол конусности ад = 5…7°. Геометрические размеры щелевого диффузора: диаметр Д, = (3,0…3,5) D0; ширина Дд= (0,10…0,15) D0; радиус сопряжения с осевым диффузором RA = (0,20… …0,25) D0.
Пример 1. Рассчитать прямоточный вихревой эжектор для эжек — тирования низконапорного потока. Исходные данные: расход эжектируемого воздуха G3 = 0,15 кг/с; давление и температура эжектирующего воздуха рс = 0,3 МПа и Тс = 288 К; давление и температура окружающей среды р0=0,1 МПа и 7"0=293 К; гидравлическое сопротивление по тракту эжектируемого воздуха Дрэ = 0,01 МПа.
1. Степень повышения давления [формула (25)] аэ = 0,1/(0,1— -0,01) = 1,11.
2. Степень расширения є=0,3/0,1 = 3.
3. Согласно рис. 43 коэффициент эжекции л=0,89.
4. Расход эжектирующего воздуха Gc = 0,15/0,89=0,168 кг/с.
5. Площадь проходного сечения соплового ввода
0,1681/288 , „ ,
Р —————- ^—— 10—4 = 2,5-10—4 м2; высота соплового ввода h =
0,38-3
= V 2,5-10—4/2 = 1,12 -10 2 м; ширина соплового ввода Ь= 2,5-10"4/(1,12-10~2)=2,23-10~2 м.
6. Диаметр камеры Д,=6У2,5■ 10-4=9,5 • 10-2 м.
7. Длина камеры L=9,5-10~2 м.
8. Диаметр отверстия трубки ввода эжектируемого воздуха d= = 0,9-9,5-10-2=8,55-Ю-2 м.
9. Максимальный диаметр диффузора £)д = 5-9,5- 10~2=47,5Х Х10-2 м.
10. Ширина диффузора Дд = 0,25-9,5.10-2=2,4-10~2 м.
11. Радиус сопряжения диффузора Яд=0,35-9,5-10~2=3,3-10~2 м. Пример 2. Рассчитать прямоточный вихревой эжектор по исходным данным к примеру 1, но при расходе Gc эжектирующего воздуха не более 0,15 кг/с и давлении рс до 0,6 МПа.
1. Коэффициент эжекции «=0,15/0,15=1.
2. Степень расширения (см. рис. 43) е=4.
3. Давление эжектирующего воздуха рс = роЄ=0,1 -4=0,4 МПа.
4. Площадь проходного сечения соплового ввода
0,151/288
Fc = ——————— Ю-4 = 1,67- Ю-4 м2: высота соплового ввода h —
0,38-4
= "^/l,67-10—4/2 = 0,91 • Ю-2 м; ширина соплового ввода Ь= 1,67-10-*/(0,91 • 10-2)= 1,83-10~2 м.
5. Диаметр камеры £>0=6,6У1,67-10~4=8,52-10~2 М.
6. Длина камеры L=8,52-10"2 м.
7. Диаметр отверстия трубки ввода эжектируемого воздуха d= = 0,9-8,52-Ю-2=7,67-10"2 м.
8. Максимальный диаметр диффузора £)д = 5-8,52- 10~2=42,6Х XI О-2 м.
9. Ширина диффузора Дд = 0,25-8,52-10-2=2,13-Ю"2 м.
10. Радиус сопряжения диффузора Яд = 0,35-8,52-10-2=2,98Х Х10-2 м.
Пример 3. Рассчитать прямоточный вихревой эжектор для вакуумирования камеры стенда проверки срабатывания датчиков абсолютного давления. Исходные данные: объем вакуумируемой камеры FB = 0,5 м3; давление срабатывания датчиков рэ = 0,02 МПа; врем*г вакуумирования не более т=120 с; температура сжатого воздуха 7"с = 288 К; давление и температура окружающей среды р0= = 0,1 МПа и 70=293 К-
1. Степень повышения давления стэ=0,1/0,02=5.
2. По рис. 41 давление сжатого воздуха рс = 0,25 МПа.
‘3. Средний коэффициент эжекции (см. рис. 47) яср = 0,037.
4. Расход сжатого воздуха
0,5(1—0,2) Ю-1 л, ,
■Gc =——— ———— ——— — = 0,1 кг/с.
0,037-29,3-293.120
5. Площадь проходного сечения соплового ввода
0,11^288
Fc = —————- Ю-4 = 1,79-10-4 ма;
0,38-2,5 ________
Высота соплового ввода А = ,79Л0~4/2 =0,94-10-» м; ширина соплового ввода &= 1,79-10-4/(0,94-10~2) = 1,9-10~2 м.
6. Согласно рис. 48 оптимальное значение относительной площади сечения соплового ввода ^с. орг = 0,11.
7. Диаметр цилиндрической втулки Z)=|’4-1,79-10~4/(3,14-0,11) = = 4,55-Ю-2 м.
8. Длина втулки L=4,55-10~2 м.
9. Диаметр отверстия трубки ввода эжектируемого воздуха d= = 0,2-4,55-10-2=0,91-Ю-2 м.
10. Длина трубки 1,5-4,55-10-2=6,82-Ю-2 м.
11. Диаметр камеры £>0=2-4,55-10-2=9,1 • 10~2 М.
12. Максимальный диаметр диффузора £>„ = 5-4,55- 10-2=22,75х ХІ0-2 м.
13. Ширина диффузора Дд = 0,25-4,55-10-2= 1,14-10~2 м.
14. Радиус сопряжения диффузора і? д = 0,35-4,55-10_2= 1,59х
Х10-2 м
Пример 4.
Рассчитать противоточный вихревой эжектор для вакуумирования камеры с постоянным натеканием воздуха из атмосферы. Исходные данные: рабочее тело — воздух; расход и давление эжектируемого газа Ga=0,0005 кг/с и рэ = 0,02 МПа; температура эжектирующего газаГс = 288К; давление смеси на выходе рсм = 0,11 МПа.
1. Степень повышения давления стэ=0,11/0,02=5,5.
2. Давление эжектирующего воздуха (см. рис. 45) рс=0,22 МПа.
3. Коэффициент эжекции (см. рис. 46) а=0,0045.
4. Расход эжектирующего воздуха Gc = 0,0005/0,0045=0,11 кг/с.
5. Суммарная площадь сечения сопловых вводов
0,11 У 288 0,38 2,2
6. Принимаем число сопл т=6.
7. Площадь СЄЧЄНИЯ СОПЛОВОГО ВВОД 3 г С2,23- 10~4/6=0,37х Х10-" м2; высота соплового ввода /і=У0,275-0,37-10-4=0,32-10~2 м; ширина соплового ввода & = 0,37-10-4/(0,32-10~2) = 1,15-Ю"2 м.
8. Диаметр камеры смещения
D0 =3,17]/" 2,23-10~4 =4-73-10-» м.
9. Длина камеры смешения і=3-4,73-10"2=14,2-10-2 м.
10. Угол конусности а—4°.
11. Относительный диаметр соплового ввода эжектируемого газа (см. рис. 46) dl=0,133.
12. Диаметр соплового ввода эжектируемого газа d3= = 0,133 • 4,73 • 10~2=0,63 • 10-2 м.
13. Начальный диаметр осевого диффузора d„ = 0,445-4,73X Х10-2=2,1-10-2 м.
14. Длина осевого диффузора /=2,8-4,73-10~2= 13,2-10~2 м.
15. Угол конусности осевого диффузора ад = 6°.
16. Диаметр щелевого диффузора Dn = 3 -4,73 -10~2= 14,2 -10-2м.
17. Ширина диффузора Дд=0,15-4,73-10_2=0,71 ■ Ю-2 м.
18. Радиус сопряжения диффузора #д = 0,2-4,73- 10_2=0,95Х XI О-2 м.
Один отзыв на Вихревые эжекторы