Вихревые эжекторы

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

Ц, = (3,17 … 3,19) УХ (29)

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.