автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Исследование предельных режимов и разработка метода расчета жидкостногазового эжектора

На правах рукописи

Школин Сергей Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЖИДКОСТНОГАЗОВОГО ЭЖЕКТОРА

Специальность

05.04 13 - " Гидравлические машины, гидропневмоагрегаты "

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2009

003473498

Работа выполнена на кафедре «Гидравлика и гидропневмосистемы» Южно-Уральского государственного университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Спиридонов Евгений Константинович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Носков Александр Семенович,

кандидат технических наук, доцент. Михайлов Андрей Гаррьевич.

Ведущая организация ОАО «Государственный ракетный

центр имени академика В.П. Макеева»

Защита состоится 2 июля 2009 года, в 14-00, на заседании диссертационного совета Д 212.178.09 в Омском государственном техническом университете по адресу 644050, г Омск, пр. Мира, д. 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

Автореферат разослан «25"» мая 2009 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета _

доктор технических наук, профессор ГС.Аверьянов

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Жидкостногазовые эжекторы на сегодняшний день находят широкое применение во многих отраслях народного хозяйства. Данные струйные аппараты используются в энергетике, металлургии, химической, нефтяной и газовой промышленности в качестве газоотводящих аппаратов, вакуумных насосов, насосов-смесителей газовых, жидких и газообразных сред, гидрокомпрессоров.

В технике существует целый ряд производств, проведение технологического процесса в которых возможно только при условии применения струйных насосов. Например, в химической промышленности они используются для удаления газов из вакуум-холодильных и вакуум-кристаллизационных аппаратов при осуществлении процессов дистилляции, процессов сушки и выпарки, в системах улавливания легких фракций в процессе транспортировки и распределения бензинов. Широко применяются струйные аппараты в энергетике при вакуумировании конденсаторов паровых турбин. С развитием вакуумной металлургии возникло новое направление - метод внепечной обработки жидкого металла. Проведение процесса дегазации металла в ковше стало возможным благодаря разработке и применению в промышленных дегазационных установках вакуумных эжекторов большой производительности.

Столь широкое распространение струйных насосов в технике обусловлено их конструктивной простотой, отсутствием подвижных частей, возможностью размещения в труднодоступных местах.

Исследования по совершенствованию эжекционных устройств различного назначения (гидро- и пневмотранспорта, вакуумирующих и компрессорных устройств и пр.), проводимые в течение ряда лет на кафедре гидравлики и гидропневмосистем ЮУрГУ, свидетельствуют о том, что эжекционные устройства, обладая высокой надежностью, во многих случаях потребляют неоправданно высокие расходы рабочей среды и энергии. Это обусловлено тем, что КПД современных систем на основе жидкостногазовых эжекторов весьма невысок. Существующие методы расчета не позволяют в полной мере выявить потенциальные возможности струйного аппарата, и, следовательно, спроектировать эжекторную установку с минимальным энергопотреблением. Следовательно, вопрос повышения эффективности работы и расширения диапазонов рабочих режимов жидкостногазовых струйных насосов и систем на их основе является актуальным.

Цель исследования

Выявление предельно достижимых характеристик ЖГЭ и разработка метода расчета данных струйных аппаратов для систем различного назначения.

Задачи исследования 1 Расчет и анализ экстремальных характеристик ЖГЭ 2. Выявление 01раничительных условий (предельных режимов) анализом кинематики потоков и структуры течения.

3 Подтверждение экспериментальными исследованиями существования предельных по структуре потока режимов, выявление условий реализации данных ограничений.

4 Создание метода расчета ЖГЭ на основе экстремальных характеристик и предельных режимов.

5 Выработка принципов оптимального синтеза установок на основе ЖГЭ

Метод исследования

Заключается в аналитическом исследовании рабочего процесса ЖГЭ на основе уравнений состояния, сохранения массы, количества движения и энергии, рассмотрении и анализе рабочих характеристик, рассчитываемых с применением численных методов, и сравнении полученных результатов с экспериментальными данными ЮУрГУ и других организаций.

Основные защищаемые положения

1 Область режимов, достижимых с точки зрения законов сохранения, ограничивается экстремальной характеристикой ЖГЭ, представляющей собой огибающую семейства рабочих характеристик. Данное ограничение, отдельно рассмотренное, допускает достижение высоких, не подтверждающихся практикой значений производительности аппарата по газу

2. Реально достижимый коэффициент эжекции может быть меньше, чем рассчитанный по уравнениям сохранения. Это обусловлено тем, что производительность ЖГЭ ограничивается:

а) условием сближения скоростей активной жидкости и пассивного газа (т.е. скорость пассивного потока без дополнительных устройств не может превышать скорость активного).

б) Предельными структурами двухфазного потока: смыканием капель жидкости в камере смешения; и смыканием пузырьков газа в пенистом бурном потоке.

3. Расширение диапазонов реализуемых режимов работы и повышение производительности ЖГЭ возможно за счет повышения предельного коэффициента скольжения при разгоне пассивного потока дополнительными побудительными устройствами.

4 Метод расчета ЖГЭ на основе экстремальных характеристик и предельных по достижимому коэффициенту эжекции и структуре двухфазного потока режимов.

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов подтверждается применением в качестве базовой общеизвестной системы уравнений на основе уравнений сохранения массы, энергии и количества движения, а также использованием для проверки сделанных предположений большого количества опытных данных. При этом рассматриваются результаты экспериментов, полученные учеными различных отечественных научных школ (ВТИ, МГТУ, ЩАМ, ЮУрГУ, ВТУЗ-ЛМЗ) и зарубежными учеными (Каннингем и Допкин).

Научная новизна результатов

1 Выявлены физически достижимые параметры, которые отражаются экстремальной характеристикой. Эти физические ограничения определяются сопротивлением проточной части ЖГЭ и отражаются базовыми уравнениями.

2. Выявлены особенности состояния двухфазного потока в проточной части ЖГЭ, установлены реальные ограничения производительности ЖГЭ.

3 Разработан метод расчета ЖГЭ на основе экстремальных характеристик и предельных режимов.

Практическая ценность работы

1 Рассчитаны и проанализированы предельные режимы в поле рабочих напорных характеристик для практически значимых диапазонов основных параметров его работы.

2. Предложены направления дальнейших исследований способов расширения диапазона достижимых параметров ЖГЭ

3 Метод расчета ЖГЭ дополнен номограммами, что облегчает первоначальный выбор основных параметров струйного аппарата.

4 Выполнено сопоставление энергетической эффективности работы систем глубокого вакуумирования, скомпонованных только на основе пароструйных эжекторов, и установок, в которых одна или несколько ступеней заменены на ЖГЭ Показано, что применение ЖГЭ в определенных интервалах параметров энергетически целесообразно. Предложены рекомендации по оптимальному синтезу систем на основе ЖГЭ

Апробация работы

Основные результаты исследований, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на:

- IV Международной научно-технической конференции «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» г Санкт-Петербург 2006.

- Всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов» г Челябинск 2007

- Международной и научно-методической конференции «Гидрогазодинамика, гидравлические машины и гидропневмосистемы» г Москва 2006, 2008.

- 61-й научной конференции Южно-Уральского государственного университета, секция гидравлики и гидропневмосистем г Челябинск 2009

- 1-й научной конференции аспирантов и докторантов ЮжноУральского государственного университета г Челябинск 2009.

Публикации и личный вклад автора

По теме диссертации опубликованы 7 печатных работ, из них: 3 - тезисы докладов, 3 - статьи из них 2 - статьи в журнале из перечня ВАК, 1 - отчет по НИР

Автором выполнено-

• выявление предельных структур двухфазного потока в проточной части ЖГЭ

• уточнение физико-математической модели и ее численный анализ.

• анализ обширного поля опытных данных различных авторов с целью проверки адекватности модели.

• формулировка рекомендаций по выбору диапазона параметров энергетически выгодной работы ЖГЭ на основе положений оптимального синтеза систем с ЖГЭ

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, включающего 101 наименование. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 91 рисунок, 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определено место данной работы в цикле исследований, проводимых кафедрой гидравлики и гидропневмосистем ЮУрГУ, а также приводится краткая характеристика диссертации.

В первой главе рассматриваются известные на данный момент типы струйных аппаратов для перекачки газов и вакуумирования, приводятся условия, при которых их применение экономически оправдано, описываются распространенные в промышленности и встречающиеся в научной литературе типовые схемы применения ЖГЭ Показано, что ЖГЭ может быть использован в качестве средства для получения глубокого вакуума, гидрокомпрессора, смесителя сред, теплообменника и т д. Наибольшая эффективность использования ЖГЭ достигается в случаях выполнения струйным аппаратом нескольких функций одновременно. Кроме того, в работе рассматривается типовая схема ЖГЭ и наиболее известные способы ее реализации, т.е. конструкции двухфазных струйных насосов.

Наиболее весомый вклад в исследование рабочего процесса ЖГЭ был сделан в работах, Н.М. Соколова, ЕЯ. Зингера, Л.Д. Бермана, Г.И. Ефимоч-кина (ВТИ), Ю.Н. Васильева и Е.П. Гладкова (ЦИАМ), В.Г Цегельского, В.А. Чернухина (МГТУ), B.C. Елизарова, А.П. Безухова (ВТУЗ-ЛМЗ), В.К. Темнова, Е.К. Спиридонова, A.B. Подзерко (ЮУрГУ), Витге, Каннин-гем, Допкин.

В работах Е.Я. Соколова и Н.М. Зингера, Л.Д. Бермана, Г.И. Ефимочки-на рабочие напорные характеристики эжекторов рассчитываются по зависимостям, которые получены обработкой результатов экспериментов, выполненных авторами. При помощи исследования на максимум этих характеристик получают экстремальные характеристики ЖГЭ. Применение экстремальных характеристик позволяет более точно оценить предельные возможности ЖГЭ на этапе проектирования.

В работах Ю.Н. Васильева, Каннингем, Допкина, В.Г Цегельского рабочий процесс ЖГЭ описывается на основе совместного решения уравнений сохранения массы, количества движения и энергии при различных допущениях и дополнительных полуэмпирических зависимостях. В работах этих авторов отмечается, что рабочие характеристики большинства жидкостногазо-

вых струйных аппаратов имеют срыв, причины существования которого объясняются ими по-разному При этом экспериментально подтвержденные случаи подобных срывов зачастую не согласуются с расчетами, что говорит о наличии дополнительных ограничительных условий.

Таким образом, существующие эмпирические методы расчета ЖГЭ зачастую верно описывают режимы, соответствующие срыву рабочей напорной характеристики, и позволяют производить выбор основных параметров струйного аппарата на основе экстремальных характеристик. Их основным недостатком является ограниченность диапазонов рабочих параметров применимости, кроме того, данные методы зачастую дают неверные значения достижимых степеней повышения давлений на участках до срыва напорной рабочей характеристики.

Известные аналитические методы расчета (в том числе учитывающие срывы характеристик, возникающие при запирании камеры смешения и недостаточной ее длине) дают верные значения степеней повышения давления аппарата, но не позволяют определить реально достижимые коэффициенты эжекции, которые бы согласовались с экспериментальными данными. Что, в свою очередь, не позволяет определить экстремальные характеристики и спроектировать установку с минимальным энергопотреблением.

Из сказанного выше следует, что вопрос совершенствования методов расчета и расширения диапазонов рабочих режимов жидкостногазовых струйных насосов и систем на их основе требует приоритетного решения.

Глава завершается формулировкой цели и постановкой задач исследования.

Во второй главе вводятся основные размерные и безразмерные параметры работы ЖГЭ, описывается рабочий процесс, приводится математическая модель ЖГЭ на основе уравнений состояния, сохранения массы, количества движения и энергии, которая дополняется введением ограничений по коэффициенту скольжения и структуре двухфазного потока. Проводится численный анализ возможности реализации режимов работы эжектора.

Принципиальная схема ЖГЭ показана на рис. 1 Струя жидкости, формируемая соплом, с большой скоростью устремляется в рабочую камеру и увлекает за собой газ из приемной камеры. По мере продвижения вдоль рабочей камеры струя частично или полностью дробится на капли, которые, обмениваясь количеством движения с эжектируемым газом, распределяются по поперечному сечению камеры.

В этом двухфазном бурном потоке сплошной средой является газ, а дискретной - струи и капли жидкости, причем скорости движения жидкости и газа различные. На этом начальном участке смесительной камеры давление постепенно нарастает по длине потока.

При некотором противодавлении за эжектором в газожидкостном потоке на небольшой длине русла происходит внезапное изменение структуры течения. Это структурное изменение двухфазного потока, называемое прыжком или скачком перемешивания, сопровождается резким возрастанием давления, снижением средней по сечению скорости, диссипацией энергии. За скачком

перемешивания сплошной средой в потоке уже является жидкость, а дискретной - газ. Причем скольжение между ними практически отсутствует После рабочей камеры пузырьковый двухфазный поток поступает в диффузор, где часть кинетической энергии потока смеси преобразуется в потенциальную.

Рис. 1 Схема жидкостногаэового струйного насоса с одноструйным соплом: 1 - сопло; 2 - приемная камера; 3 — камера смешения; 4 - диффузор. Сечения: 1-1 - подвод активной жидкости; 2-2 - подвод пассивного потока газа; 3-3 - входное сечение камеры смешения; 4-4 - входное сечение диффузора; 5-5 - выходное сечение аппарата.

P¡,T¡,m¡,Q¡ - давление, температура, массовый и объемный расходы в 1-м сечении

Двухфазный поток, в зависимости от энергетического состояния, в фиксированном сечении проточной части эжектора может быть бурным, критическим и спокойным. В бурном потоке главной составляющей удельной энергии сечения (Е = Еп +ЕК) является кинетическая энергия (Ек), в спокойном потоке - потенциальная Еп, в критическом состоянии Еп = Ек До прыжка перемешивания жидкостногазовый поток в ЖГЭ бурный, за скачком - спокойный.

Поскольку удельная энергия потока в сечении при постоянной геометрии и расходах сред является функцией давления, критерием, определяющим энергетическое состояние газожидкостных потоков, принимается критическое давление рк Данное давление соответствует минимуму зависимости Е = Е(р). Так потоки находятся в бурном состоянии при давлениях р<рк, в спокойном состоянии, когда р > рк и критическом состоянии при равенстве давлений: р = рк

Базовая система уравнений получена на основе уравнений сохранения массы, энергии и количества движения в предположении, что статическое давление, скорость и площадь нормальных сечений струи жидкости изменяются незначительно; сужения газа и жидкости в соплах осуществляется плавно; потоки жидкости и газа полностью перемешиваются в пределах камеры смешения; течение смеси в диффузоре безотрывное; массовый расход газа на несколько порядков меньше массового расхода жидкости. В безразмерных координатах базовая система уравнений имеет вид:

з

4

£пх=1 + Г Пм(1-с-Пи), с = 1 + 0,5 ¿¡м,

а, . Г " Кт 52 2

К1 2

1 + -

а,

а, , Г О., 42 Кт 42 2

1 +

^52 КП> Кт.

а,

^42 ^774

Г 774

(2) (3)

(4)

р ?

Здесь. £■„ = — (е43 = —) - степень повышения давления (степень сжа-Р2 Р2

тия) для эжектора с диффузором (без диффузора); аг = ^^ - объемный ко-

0-ж

Р V 2

эффициент эжекции; Г = ———— относительное динамическое давление

Рп

А, А

струи; П03 = — - относительная площадь сопла; Пи = — - относительная

площадь диффузора; Кт = 1 —- поправочный коэффициент на давление

насыщенных паров жидкости в г -м сечении (см. рис. 1); Рн п - давление на-

Т

сыщенных паров при температуре рабочей жидкости; Кт =—- поправоч-

Тж

ный коэффициент на различие температур газа Тг и жидкости Тж перед их поступлением в эжектор; и ¿¡и — коэффициенты сопротивления камеры смешения и диффузора.

Для оценки потенциально возможных режимов работы жидкостногазо-вого эжектора в работе рассматриваются экстремальные характеристики, устанавливающие взаимосвязь между предельно достижимыми параметрами струйного аппарата.

Экстремальные характеристики получены путем исследования на максимум выражений (1) - (4), причем для насоса без диффузора это можно сделать аналитически, для ЖГЭ с диффузором ввиду громоздкости выражений только численно. Экстремальная характеристика, как показано на рис. 2, делит все поле а2 - еп на две области, ниже ее область принципиально достижимых режимов, выше недостижимых.

Однако практика свидетельствует, что для ЖГЭ не все режимы, соответствующие точкам экстремальной характеристики, могут быть реализованы. Следовательно, существуют иные ограничения поля достижимых параметров струйного аппарата.

Без дополнительных побудительных устройств струя жидкости может сообщить спутному пассивному потоку скорости, не превышающие скорость

струи. Исходя из этого условия, отношение скоростей жидкости и газа (ко-

V

эффициент скольжения - у/ =—) ограничено предельной величиной ц/.

= Уп = 2 Уж) (и+ !)(«+2)

1 +

1+-ДГ.

(5)

«=1/7...1/12 (при турбулентном течении). Тогда при относительной площади сопла Пм =0,06...0,50 предельный коэффициент скольжения у/, =0,84...0,91

Таким образом, дополнительным соотношением, характеризующим особенности рабочего процесса жидкостногазового струйного насоса, является неравенство у/ < у/, или:

-—-(6)

КПуКт(1-Пвз)

Кроме ограничения по коэффициенту скольжения рассматриваются ограничительные условия по структуре двухфазного потока.

Из условия заполнения цилиндрического пространства камеры жидкими шариками приходим к следующему соотношению объемных расходов газа {2Г4 и жидкости ()ж за прыжком перемешивания:

Ог_,_ 27

а»

+

А2

-1

(7)

При этом предполагается: а) струя дробится на капли равного диаметра; б) капли жидкости и пузырьки газа имеют сферическую форму в) структура упаковки капель жидкости кубическая.

Кубической структурой задаемся из следующих соображений. На сегодняшний день нет математических доказательств единственности существования известных структур возможного максимального или минимального заполнения пространства сферами равного диаметра. По данным академика Н.В. Белова при укладке шаров случайного гранулометрического состава коэффициент заполнения колеблется в

х §

к

5 Г

I

3

В

&

5,5

4,5

3,5

Облает > недост режимов ижимых

Л-0.4 Экстрамюни

Обл СТЬ ДОС' 'ижимых режимо NN

2,5

0 0,5 1 1.5 2 Объемный коэффициент эжекции (а2) Рис. ¿Рабочие напорные и экстремальная характеристики ЖГЭ

(Г = 14,8 пи = 4,25, = 0,4, = 0,3, Кт = 1. КП) =1, КПА =1, К„5 =1)

пределах 0,58-0,62, т.е. близок к значениям для кубической упаковки. Траектории капель жидкости направлены главным образом вдоль оси смесительной камеры и их взаимное влияние несущественно, поэтому образование сложноорганизованных структур (например, ГЦК) маловероятно. Также следует учесть, что кубическая упаковка обеспечивает коэффициент заполнения ■с «0,51 примерно соответствующий середине интервала возможных значений.

Предположение о сферической форме капель и пузырьков обосновано тем, что такая форма соответствует минимуму энергии сил поверхностного натяжения, следовательно, является наиболее вероятной.

Исследуя зависимость (7) на участке ЫЮ} <0,1 получим соотношение объемных расходов равное 0,43 При изотермическом сжатии объемный расход на входе в приемную камеру <2Г2 = ()ГА еа Отсюда

а.. = 0,43

(8)

При давлениях за камерой смешения р4 меньше критического рк в ней по всей длине наблюдается бурное течение газожидкостной среды. В этих условиях при достаточной длине камеры вероятно существование пенистого потока, в котором сплошной фазой также является жидкость. В таком потоке предельной структурой может быть плотная упаковка пузырьков газа, окруженных жидкостью. В этом случае предельный коэффициент эжекции

«.".=¿^=2,33^ (9)

0,43

Объединяя формулы (8) и (9), приходим к неравенству

а2<а„=у еп (10)

Примеры графического представления данных ограничений в координатах рабочих характеристик представлены на рис. 3

£

♦

г „=о.з:

Обмнныи коэффициент м»1ции (а,)

а)

Объемный коэффициент ажшрш (а,) б)

Рис. 3 Кривые первого - а) и второго - б) предельных по структуре потока режимов при различных значениях относительной площади сопла ЖГЭ (при Г = 15, =4,25, Сзч =0,4, =0,3)

В поле рабочих и экстремальной характеристики ЖГЭ кривые предельных по структуре режимов ограничивают область достижимых параметров ЖГЭ.

Рис. 4. Области возможных режимов работы ЖГЭ

На рис. 4 приведен пример наложения всех перечисленных выше ограничений на поле рабочих характеристик с соответствующей этому семейству экстремальной характеристикой.

При рассмотрении рис. 4 видно, что при условии действительности всех ограничивающих условий область реализуемых режимов весьма мала (зона I на рис. 4).

Вместе с тем, эффективным способом повышения показателей работы ЖГЭ представляется расширение диапазонов возможных для реализации режимов. Одним из способов преодоления ограничения по предельному коэффициенту скольжения фаз может быть разгон потока пассивного газа с помощью механического приспособления (крыльчатки). Благодаря такому устройству представляется возможным повысить скорость пассивного потока в области свободной поверхности активной струи без существенного изменения давления всасывания. Теоретически, при значениях скоростей жидкости порядка нескольких десятков метров, при помощи вращающейся крыльчатки возможно получить коэффициенты скольжения выше единицы.

Это означает сдвиг кривой ограничения по коэффициенту скольжения вправо и удлинение реализуемой части рабочей напорной характеристики ЖГЭ Пример такого расширения области достижимых параметров можно видеть на рис. 4, дополнительная область II соответствует ^ = 1, область III -у/ = 2. Видно, что при степени сжатия около 12,5 при коэффициенте скольжения у/= 2 коэффициент эжекции увеличивается вдвое.

Так как наиболее эффективная работа ЖГЭ (высокие КПД и производительность) соответствуют участкам рабочих характеристик с высокими значениями а2, преодоление ограничений, рассмотренных выше, существенно повышает область реализуемых режимов и эффективность работы ЖГЭ.

В третьей главе рассматриваются результаты более трехсот опытов, выполненных различными авторами (Н.М. Зингер, В.Г. Цегельский, Ю.Н. Васильев, Каннингем, Е.К. Спиридонов, А.П. Безухов).

Экспериментальные исследования проводились с целью выявления критических и докритических режимов работы струйных аппаратов. По результатам экспериментов строились рабочие напорные характеристики и на их

поле наносились кривые предельных по коэффициенту скольжения и структуре двухфазного потока.

Экспериментальная и теоретическая рабочие характеристики с соответствующими кривыми ограничений для ЖГЭ с относительной площадью сопла С203 = 0,072 при Г = 18,7 (опыты Н.М. Зингера) показаны на рис. 5.

„ 5

Кряк« -ГО ПРМ1 V. ^ пьного у / л шпр«л ■на у* шьнога 0,11

Р«ШН1 по струг гр* пето /

0 о / 1

/ О __•

-- — 1 1И1М2-Г 1НМ1 п лр«д*л струп« нога • лотом

Рис. 5 Рабочая характеристика, эксперимен- Рис. 6. Рабочая характеристика, экспериментальные точки, кривые ограничений по коэф- тальные точки, кривые ограничений по коэффициенту скольжения и структуре потока фициенту скольжения и структуре потока

(Г = 18,7, Пи =0,072, =16) (Г =6,84, Пи =0,17, Пи =10,33)

Видно, что срыв экспериментальной характеристики (резкое уменьшение степени сжатия) и отклонение от теоретической характеристики происходит в точке пересечения с кривой первого предельного по структуре потока режима.

На рис. 6, 7, и 8 представлены аналогичные наборы характеристик двухфазных струйных аппаратов с параметрами Г = 6,84; П03=0,17 и .Г = 4,25; О03 = 0,27 (опыты ВТ Цегельского); а также Г=35, Г2Ш=0,3 (опыты Ю.Н. Васильева).

2

'•(С -

\ О» О*

""""" «РЯП ^

О*

""" 1-г» пр« '"И """"

(<1а) (а*> Рис. 7 Рабочая характеристика, эксперимен- Рис. 8. Рабочая характеристика, экспериментальные точки, кривые ограничений по коэф- тальные точки, кривые ограничений по коэффициенту скольжения и структуре потока фициенту скольжения и структуре потока

(Г = 4,25, О01 =0,27, П54 =12,37) (Г=35, П03 =0,3, =16)

Срыв характеристики на данных графиках также соответствует точке пересечения теоретической характеристики и кривой первого предельного по структуре потока режима.

Некоторые результаты экспериментов сведены в табл. 1 Опыты сгруппированы по интервалам значений относительной площади сопла, при этом указывается, какой из режимов реализуется, и местоположение прыжка перемешивания.

При рассмотрении данных в табл. 1 видно, что при значениях относительной площади сопла до С203 = 0,225-0,27 при любых рассматриваемых величинах относительного давления Г реализуются ограничения, определяемые первым предельным по структуре двухфазного потока режимом (смыкание капель жидкости).

Таблица 1

Результаты экспериментов _

Г 1-й 2-й Положение скачка перемешивания (№ сечения) Автор

0,072-0,1 13 + - После 4 Зингер Н.М,

14 + -

18 + -

0,165-0,178 4,65 + - В4 Цегельский В.Г

6,84 + - После 4

8,63 + - В4

7.84 + - После 4 Зингер Н.М,

10,24 + -

16,28 + -

25 + - До 4 Спиридонов Е.К.

34 + - Безухое А.П.

0,225-0,27 4,25 + - В4м Цегельский В.Г

7,14 + -

8,71 + -

12 + -

18 + -

20 + -

22 + -

16,4 + - До 4 Спиридонов Е.К.

0,29-0,3 7,37 + + - Васильев Ю.Н.

7,5 + - До 4 Спиридонов Е.К.

14,8 + - В 4 и после Каннингем

29 - + До 4 Спиридонов Е.К.

2,76 - + - Васильев Ю.Н.

35 + - До 4

При значениях П03 = 0,29 - 0,3 также преимущественно реализуется первый режим, в некоторых случаях опытными данными не опровергается второй предельный по структуре потока режим.

Сопоставление результатов с теорией позволяет заключить, что физико-математическая модель удовлетворительно описывает явления, происходящие в жидкостногазовых эжекторах как на допредельных, так и на предельных режимах (экспериментальные точки удовлетворительно укладываются на теоретические кривые напорных характеристик). Область достижимых режимов сужается из-за ограничения по предельному коэффициенту скольжения фаз.

Достижение срыва характеристик по коэффициенту скольжения в большинстве рассмотренных опытов не наблюдалось, что обусловлено более ранним достижением предельной структуры пенистого потока, или струюуры, образованной плотной упаковкой капель жидкости.

Влияние первого предельного по структуре потока режима подтверждается опытными данными. В отдельных случаях при высоких значениях относительной площади сопла возможно достижение второго предельного по структуре потока режима. Выявление условий реализации второго предельного по структуре потока режима требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

В четвертой главе формулируются рекомендации по обоснованию решения о применении ЖГЭ в технической системе, разрабатывается метод расчета ЖГЭ и приводится пример такого расчета.

Для того чтобы определиться с выбором конкретного типа струйного аппарата в технической системе, необходимо провести экономическое обоснование. Данное обоснование должно базироваться преимущественно на сопоставлении энергетических затрат на эксплуатацию системы при её реализации различными способами.

В главе выявляются интервалы параметров, обеспечивающих энергетически выгодные режимы работы ЖГЭ

Для этого исследуется КПД струйного насоса в составе установки. В условиях циркуляции активной жидкости по замкнутому контуру выражение для КПД

тг /?ГТЖ -1п—

9--=-(11)

вж(Р,~Р,) КТ(е12-еа)

Численный анализ экстремальных напорных характеристик эжектора на основе формулы (11) показывает, что на каждой из них имеется точка с максимальным КПД, причем с увеличением коэффициента эжекции аг точка экстремума смещается в сторону больших значений относительного динамического давления струи Г. Соединяя соответствующие точки плавной линией, можно получить семейство кривых, экстремальных по КПД. Они устанавливают такую зависимость между достижимой степенью сжатия е52, коэффициентом эжекции а2, им соответствующей относительной площадью

сопла П03 и параметром струи Г, при которых струйный насос достигает наивысшего КПД.

Наибольшей эффективностью (?/ > 35%) отличается работа жидкостно-газового струйного насоса при небольших степенях повышения давления (е!2 < 6). С увеличением последней площадь сопла, соответствующая режиму максимального КПД, уменьшается, потери энергии в прыжке перемешивания растут и, как следствие этого, достижимый КПД падает. Поэтому схема эжекторной установки с повышением давления в одном струйном насосе может быть экономичной лишь при умеренных степенях сжатия газа. При высоких же степенях повышения давления, например, при создании глубокого вакуума эжекторную установку целесообразно компоновать из нескольких струйных аппаратов, включенных последовательно.

Кроме общих положений синтеза сформулированы рекомендации и для систем на основе водовоздушных эжекторов (ВВЭ), применяемых для вакуу-мирования конденсаторов паровых турбин, систем внепечной обработки стали, и пр.

Установлено, что для реализации энергетически выгодных режимов ВВЭ необходимо ограничение величины давления питания < 0,4...0,6 МПа поскольку завышение энергетических параметров потока активной среды влечет повышение затрачиваемой мощности (мощность питающего центробежного насоса). Кроме того, данное условие позволит при модернизации эжекторной системы путем замены части пароструйных эжекторов водоструйными, использовать для создания активного потока ВВЭ, имеющуюся в системах конденсации пара между ступенями, высоконапорную воду.

Ограничение по давлению активного потока также влечет за собой необходимость ограничивать интервал производительности ВВЭ Влияние подачи активного потока в совокупности с диаметром сопла с1й и давлением в приемной камере р2 на состояние эжектирующей струи выражается параметром

г=Рж Л

4-й

Я J

Для оценки этого влияния рассмотрим экстремальные ха-

рактеристики, дополненные кривыми ограничения по коэффициенту скольжения, для обеспечения нескольких величин коэффициента эжекции при фиксированных величинах сопротивлений проточной части и поправочных коэффициентов.

Повысить производительность ВВЭ можно либо за счет повышения энергетических параметров струи, либо за счет параллельного включения эжекторов при неизменном давлении питания.

( Г Л

При увеличении Г, учитывая, что рх= -- + 1 р2, или приблизи-

\2 <Р

тельно р{= Г , давление питания возрастает пропорционально. Из ана-2-<р

лиза рис. 9 и рис. 10 следует, что приращению коэффициента эжекции на

единицу соответствует увеличение энергетического параметра струи Г примерно на 10 Это означает, что при увеличении аг с 2 до 3 необходимо повысить давление рх примерно на 25%. Кроме того, при повышении Г и неизменной степени сжатия рабочая точка существенно сдвигается вправо (см. рис. 9), и может быть достигнута только при малых относительных площадях Ои (<0,1). Работа ВВЭ с малыми О03 сопровождается высокими потерями энергии в проточной часта, при этом необходимая длина смесительной камеры резко возрастает. Таким образом, коэффициент эжекции и производительность ВВЭ следует ограничивать величиной, соответствующей максимально допустимой величине Г

§

1 15

^г-ш

ч \ 1 Ч 2 \ 4

о г * б I ю Объемный коэффициент эжекции (а2)

Рис. 9 Экстремальные характеристики ВВЭ дополненные кривыми предельными по коэффициенту скольжения

(£2И= 4,25, £<=0,4; £,=0,3, Кт =1, Кп3 = 1, КП4 =1, КП5 =1)

Рис. 10. Величина потребного параметра Г в зависимости от коэффициента эжекции ВВЭ при £я = 10 (Ом =4,25,^=0,4; £,=0,3, кт = 1, Кпз = 1, Кп( = 1, Кщ = 1)

Предлагаемый метод расчета ЖГЭ основан на экстремальных характеристиках струйного насоса, дополненных ограничениями по коэффициенту скольжения и предельной структуре двухфазного потока.

Целью расчета является по заданным параметрам (давление всасывания, противодавление, максимальное давление активной среды, масса откачиваемого газа) определить необходимые энергетические параметры активного потока (расход жидкости, скорость на срезе сопла), основной геометрический параметр струйного насоса - П03, прочие размеры.

Расчет параметров ЖГЭ выполняется в следующей последовательности. С учетом положений оптимального синтеза по необходимой степени сжатия установки принимается решение о количестве ступеней. По давлениям питания и всасывания определяется величина параметра Г = 2<р1(еп -1), где

= — - степень понижения давления, ф = 0,95 — коэффициент скорости Рг

сопла.

Далее, задаваясь в первом приближении коэффициентами сопротивления камеры смешения и диффузора , а также поправочным коэффициентом К„з, строятся экстремальная характеристика с нанесенными ограничениями по коэффициенту скольжения и предельной структуре смыкания капель в двухфазном потоке. В работе приведены подобные семейства характеристик (глава 2) при некоторых величинах сопротивлений проточной части, данные графики возможно использовать в качестве номограмм для расчета. Пример построения экстремальной характеристики с ограничениями можно видеть на рис. 11

/ 1 1 / Крит 1-го прмелыгого |

/ пп по структуре Iитго а

Эгспюияым

/1 / карактдриспт

/ 1 ' 1

/ 1 1 \ Криви предельного

1 1 рсжм»

1 1 1 1 1 1 1 1

На графике по известной степени сжатия (е„ =—) опреде-Рг

ляется рабочая точка, коэффициент эжекции аг, и на графике зависимости

соответствующей данной экстремальной характеристике, находится значение относительной площади сопла. С учетом вышеприведенных рекомендаций корректируются а, и результате чего может быть принято решение о проектировании установки по многопоточному варианту.

Затем по известному Г, давлению всасывания и коэффициенту эжекции аг

Объемный коэффициент эжекции (а]) Рис. 11. Экстремальная характеристика ЖГЭ дополненная кривыми предельных по коэффициенту скольжения и структуре режимов

= 4,25, = 0,4, = 0,3, Кт = 1 Кпг = 1, КП1 =1, Кп,= 1)

определяют скорость на срезе сопла у0 =

Рг Г

, необходимый расход ак-

тивного потока = Qг / а2, вычисляют общую площадь проходных сечений

I 4 А

сопла Ац=(),/со0, а также диаметр камеры смешения Д = I—

V * • Чя

Выбор числа N отверстий в сопловом устройстве и расчет длины камеры смешения осуществляются по методике Спиридонова Е.К.

В качестве примера расчета ЖГЭ рассмотрен случай возможного усовершенствования типовых многоступенчатых систем ваккумирования на ос-

нове пароструйных эжекторов путем внедрения в их состав водовоздушных эжекторов.

Технические характеристики рассматриваемых промышленных многоступенчатых систем вакуумирования на основе пароструйных эжекторов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Технические характеристики многоступенчатых систем вакуумирования

Номер системы 1 2 3 4

Наименование ЭП 11x10 42x0.5 ЭПМ 56x175 ЗЭ 1000x40

Число ступеней 3 4 3 3

Давление всасывания, 10 0,5 175 40

мм рт.ст., (Па) (1334,2) (66,71) (23348) (5337)

Противодавление (абсолютное), кПа 120 101 130 105

Давление пара, МПа (абсолютное) 1,1 1,1 1,1 1,2

Степень сжатия 89,9 1514 5,6 19,7

Степень расширения 824,5 16489 47,1 224,9

Количество откачиваемых га-

зов, кг/ч неконденсирующихся конденсирующихся 10 21 43 600

1 - 12 400

Температура рабочего пара, К 493 493 493 493

Расход пара, кг/ч 140 160 205 4000

Расход воды, М3/с 3,1-10"3 0,02 1,7- 10Г3 0,04

Анализ представленных в табл. 2 технических характеристик свидетельствует, что системы №3 и №4 возможно полностью заменить водовоздуш-ными струйными насосами, поскольку давление всасывания р2 выше давления насыщенных паров воды: рг < рнп, (при температуре воды =25° С рнп =3,16кПа).

В системах №1 и №2 давление всасывания меньше давления насыщенных паров воды, следовательно, водовоздушным струйным насосом возможно заменить только одну или несколько последних пароструйных ступеней. Для того чтобы решить после какой ступени возможно применить ВВЭ, рассмотрим степени сжатия и давление на выходе для каждой ступени.

Таблица 3

Параметры пароструйных ступеней для системы №1

№ ступени Степень сжатия Давление на выходе, кПа

1 7,5 10,01

2 4 40,03

3 3 120

Таблица 4

Параметры пароструйных ступеней для системы №2

№ ступени Степень сжатия Давление на выходе, кПа

1 8 0,53

2 5,52 2,59

3 5,9 17,38

4 5,73 99,59

Из табл. 3 и 4 видно, что в системе №1 на ВВЭ можно заменить последние две ступени и таким образом исключить конденсаторы вообще, так как пар, поступивший после первой ступени, будет конденсироваться на струе воды ВВЭ. В системе №2 установка ВВЭ возможна лишь на выходе третьей ступени.

В табл. 5 представлено сопоставление мощностей исходных и усовершенствованных систем.

Таблица 5

Сравнение затрат мощности систем вакуумирования с пароструйными эжекторами и с ВВЭ_____

Номер системы 1 2 3 4

Наименование ЭП 11x10 42x0.5 эпм 56x175 зэ 1000x40

Мощность активного потока ВВЭ Ыввз, кВт 3,16 2,61 6,14 534

Суммарная мощность системы с пароструйными эжекторами Ыпс, кВт 10,24 7,21 7,5 581,1

Экономия мощности Л/У, кВт 7,08 4,6 1,36 47,1

Экономия мощности Д/У, % 69,14 63,8 18,13 8,1

Таким образом, схема эжекторной установки с повышением давления в одном струйном насосе может быть высокоэкономичной лишь при умеренных степенях сжатия газа. При больших степенях повышения давления эжек-торную установку целесообразно компоновать из нескольких струйных насосов включенных последовательно.

Для реализации эффективных режимов работы ВВЭ коэффициент эжек-ции следует ограничивать величиной соответствующей максимально допустимой величине Г, которая определяется по максимально допустимой величине давления питания.

Во всех случаях, рассмотренных в примере расчета ВВЭ, основанного на экстремальных характеристиках и предельных режимах, замена пароструйных эжекторов на ВВЭ энергетически выгодна.

Наиболее выгодным оказывается применение ВВЭ после пароструйной ступени установки. При этом для создания активного потока ВВЭ может быть использована вода, имеющаяся в системах конденсации и насосы, предназначенные для ее подачи в конденсаторы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Физико-математическая модель жидкостногазового эжектора, основанная на уравнениях состояния, сохранения массы, количества движения и энергии и дополненная ограничительными условиями по кинематике и структуре потока в камере смешения, позволяет выявить предельно достижимые характеристики струйного аппарата.

2. Рассчитаны и проанализированы экстремальные характеристики жидкостногазового эжектора, представляющие собой границу области режимов, достижимых с точки зрения законов сохранения. В действительности, точки экстремальной характеристики могут быть реализованы лишь в области, ограниченной кривыми предельных по кинематике и структуре потока режимов.

3 Анализом экспериментальных исследований подтверждено существование первого предельного по структуре двухфазного потока режима (структуры, образованной плотной упаковкой капель жидкости). В отдельных случаях, при высоких значениях относительной площади сопла и при чрезмерно завышенной длине камеры смешения, возможно достижение второго предельного по структуре потока режима (смыкание пузырьков газа).

4 Выработаны положения оптимального синтеза систем с жидкостнога-зовыми эжекторами. Эжекторная установка с повышением давления в одном струйном насосе может быть экономичной лишь при умеренных степенях сжатия газа (е,2 <6). При высоких степенях повышения давления эжектор-ную установку целесообразно компоновать из нескольких струйных аппаратов, включенных последовательно.

Для реализации энергетически выгодных режимов жидкостногазовых струйных насосов целесообразно ограничение величины давления питания, а коэффициент эжекции следует ограничивать величиной, соответствующей максимально допустимой величине относительного динамического давления струи рабочей жидкости.

5 Предложен метод расчета жидкостногазовых эжекторов, построенный на экстремальных характеристиках и предельных по кинематике и структуре двухфазного потока режимах.

6. Способом повышения показателей работы жидкостногазовых эжекторов является расширение диапазонов возможных для реализации режимов путем преодоления ограничения по предельному коэффициенту скольжения фаз. Например, разгоном потока пассивного газа с помощью дополнительного устройства.

7. Проанализировано применение водовоздушного струйного насоса в известных многоступенчатых воздухоотсасывающих установках с пароструйными эжекторами для вакуумирования конденсаторов паровых турбин. Установлено, что в большинстве случаев замена пароструйных эжекторов на водовоздушные эжекторы энергетически выгодна, наиболее выгодным оказывается применение водоструйных аппаратов после пароструйной ступени установки.

Список работ по теме диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК

1 Спиридонов, Е.К. Исследование предельных режимов работы двухфазного эжектора / Е.К. Спиридонов, С.Б. Школин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Машиностроение». - 2008. - Вып. 11 - №10(110). - С. 55 - 61.

2. Спиридонов, Е.К. Применение водовоздушых струйных насосов в системах глубокого вакуумирования / Е.К. Спиридонов, С.Б. Школин // Вестник ЮУрГУ Сер. «Машиностроение» - 2009 - Вып. 13. - №11(144). - С. 18 -27

В других изданиях

3 Спиридонов, Е.К. Предельные режимы работы жидкостногазового струйного насоса / Е.К. Спиридонов, С.Б. Школин // Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития: тр. IV Международной научно-технической конференции. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2006. - С. 186 - 187.

4. Спиридонов, Е.К. О предельных режимах работы двухфазного водо-воздушного эжектора / Е.К. Спиридонов, С.Б. Школин // Гидрогазодинамика, гидравлические машины и гидропневмосистемы: Тр. Междунар. и науч.-метод. конф. - М.. Издательство МЭИ, 2006. - 256 с.

5 Спиридонов, Е.К. Предельные режимы работы двухфазного струйного эжектора / Е.К. Спиридонов, С.Б. Школин //Динамика машин и рабочих процессов: сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007 - С. 167 - 172.

6. Спиридонов, Е.К. Использование водоструйных эжекторов в составе систем глубокого вакуумирования / Е.К. Спиридонов, С.Б. Школин // Гидрогазодинамика, гидравлические машины и гидропневмосистемы: тр. Междунар. и науч.-метод, конф. — М.. Издательство МЭИ, 2008. — 118 с.

7. Научные основы расчета и синтеза систем глубокого вакуумирования со струйными аппаратами: отчет о НИР / Южно-Уральский государственный университет (ЮУрГУ); рук. Е.К. Спиридонов; исполн.. A.B. Подзерко, A.A. Пантюхин, С.Б. Школин. № гос. регистрации 01.200611167, Инв. № 02200801510

Школин Сергей Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЖИДКОСТНОГАЗОВОГО ЭЖЕКТОРА

Специальность

05.04 13 - " Гидравлические машины, гидропневмоагрегаты "

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 18.05.2009 Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1 Тираж 100 экз. Заказ 164/205

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1 Струйные аппараты для систем глубокого вакуумирования.

1.1.1 Типы струйных аппаратов для перекачки газов и вакуумирования.

1.1.2 Схемы применения жидкостногазовых эжекторов.

1.1.3 Конструкции жидкостногазовых струйных эжекторов.

1.2 Краткий обзор научно технической литературы.

Выводы по главе. Цель и задачи исследования.

2. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖИДКОСТНОГАЗОВОГО ЭЖЕКТОРА.

2.1. Рабочий процесс жидкостногазового эжектора.

2.1.1. Описание работы. Принципиальная схема.

2.1.2. Основные параметры работы и расчетная модель.

2.1.3. Состояния двухфазного потока в ЖГЭ.

2.2. Рабочие характеристики ЖГЭ.

2.3. Экстремальные характеристики ЖГЭ.

2.4. Предельные по коэффициенту скольжения режимы работы ЖГЭ.

2.5. Предельные по структуре потока режимы работы ЖГЭ.

2.6. Анализ возможности реализации режима работы ЖГЭ.

Выводы по главе.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЖИДКОСТНОГАЗОВОГО ЭЖЕКТОРА.

3.1. Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные В.Г. Цегельским (МГТУ им. Баумана).

3.2. Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные Н.М. Зингером и Е.Я Соколовым (ВТИ).

3.3. Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные Ю.Н. Васильевым и Е.П. Гладковым (ЦИАМ).

3.4. Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные Р.Ж. Каннингем и Допкиным.

3.5. Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные А.П. Безуховым (ВТУЗ-ЛМЗ).

3.6. Экспериментальные исследования ЖГЭ, выполненные Е.К. Спиридоновым

ЮУрГУ).

Выводы по главе.

4. РАСЧЕТ ЖИДКОСТНОГАЗОВОГО ЭЖЕКТОРА.

4.1. Обоснование выбора водовоздушного эжектора.

4.2. Область энергетически выгодных режимов работы ЖГЭ.

4.3. Метод расчета ЖГЭ.

4.4. Пример расчета ЖГЭ.

Выводы по главе.

Струйные аппараты в силу простоты конструкции, многофункциональности и надежности широко распространены в современной технике. Существующие методы расчета не позволяют в полной мере выявить потенциальные возможности струйного аппарата, и, следовательно, спроектировать эжекторную установку с минимальным энергопотреблением. Нужны специальные теоретические и экспериментальные исследования процессов распада струй, смешения и энергообмена потоков в рабочей камере аппарата, анализ его предельных режимов работы.

Представленная диссертация является одним из результатов цикла научных исследований, проводимых кафедрой «Гидравлика и гидропневмосистемы» Южно-Уральского государственного университета, посвященных совершенствованию методов расчета жидкостногазовых струйных насосов и систем на их основе. Диссертация состоит из четырех глав основных выводов и списка литературы.

В первой главе рассматриваются существующие жидкостногазовые эжекторы и системы на их основе, приводятся известные конструкции и схемы применения, выполняется краткий обзор способов расчета эжекторов, формулируются цель и задачи исследования. Во второй главе приводится описание рабочего процесса жидкостногазового эжектора и математическая модель данного струйного аппарата, вводятся дополнительные ограничения на величины реально достижимых коэффициентов эжекции, приводится анализ возможности осуществления достижимых режимов эжектора на основе предельных состояний и экстремальных характеристик. Третья глава посвящена анализу соответствия усовершенствованной математической модели экспериментальным данным. Доказывается существование предельных по структуре двухфазного потока режимов, признаки их реализации. В четвертой главе вырабатываются рекомендации по выбору типа аппарата и компоновке установки с жидкостногазовым насосом, представлен метод расчета жидкостногазового эжектора и приведен пример подобного расчета.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Физико-математическая модель жидкостногазового эжектора, основанная на уравнениях состояния, сохранения массы, количества движения и энергии и дополненная ограничительными условиями по кинематике и структуре потока в камере смешения, позволяет выявить предельно достижимые характеристики струйного аппарата.

2. Рассчитаны и проанализированы экстремальные характеристики жидкостногазового эжектора, представляющие собой границу области режимов, достижимых с точки зрения законов сохранения. В действительности, точки экстремальной характеристики могут быть реализованы лишь в области, ограниченной кривыми предельных по кинематике и структуре потока режимов.

3. Анализом экспериментальных исслЗедований подтверждено существование первого предельного по структуре двухфазного потока режима (структуры, образованной плотной упаковкой капель жидкости). В отдельных случаях, при высоких значениях относительной площади сопла и при чрезмерно завышенной длине камеры смешения, возможно достижение второго предельного по структуре потока режима (смыкание пузырьков газа).

4. Выработаны положения оптимального синтеза систем с жидкостногазовыми эжекторами. Эжекторная установка с повышением давления в одном струйном насосе может быть экономичной лишь при умеренных степенях сжатия газа (е52 <6). При высоких степенях повышения давления эжекторную установку целесообразно компоновать из нескольких струйных аппаратов, включенных последовательно.

Для реализации энергетически выгодных режимов жидкостногазовых струйных насосов целесообразно ограничение величины давления питания, а коэффициент эжекции следует ограничивать величиной, соответствующей максимально допустимой величине относительного динамического давления струи рабочей жидкости.

5. Предложен метод расчета жидкостногазовых эжекторов, построенный на экстремальных характеристиках и предельных по кинематике и структуре двухфазного потока режимах.

6. Способом повышения показателей работы жидкостногазовых эжекторов является расширение диапазонов возможных для реализации режимов путем преодоления ограничения по предельному коэффициенту скольжения фаз. Например, разгоном потока пассивного газа с помощью дополнительного устройства.

7. Проанализировано применение водовоздушного струйного насоса в известных многоступенчатых воздухоотсасывающих установках с пароструйными эжекторами для вакуумирования конденсаторов паровых турбин. Установлено, что в большинстве случаев замена пароструйных эжекторов на водовоздушные эжекторы энергетически выгодна, наиболее выгодным оказывается применение водоструйных аппаратов после пароструйной ступени установки.

1. Акимов, М.В. Экспериментальное исследование жидкостно-газовых струйных аппаратов с активным двухфазным потоком / М.В. Акимов, В.Г. Цегельский // Изв. вузов. Машиностроение. 2002. —№5. - С. 21 — 34.

2. Александров, А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. Рек. Гос. Службой стандартных справочных данных. ГСССД Р-776-98 / А.А. Александров, Б.А. Григорьев. М.: Издательство МЭИ. 1999. - 168 е.; ил.

3. Атнабаев, З.М. Совершенствование эксплуатации скважин установками электроцентробежных насосов с эжекторами на месторождениях западной Сибири: автореф. дисс. канд. техн. наук: 25.00.17 / Атнабаев Зуфар Магданович. Уфа, 2007. - 25 с.

4. Баженов, М.И. Исследование работы двухфазных струйных аппаратов / М.И. Баженов // Электрические станции, 1967. №4. - С. 39 - 41

5. Баженов, М.И. Повышение экономичности водовоздушной струйной установки путем увеличения числа ступеней / М.И. Баженов, А.В. Извеков // Известия вузов. Энергетика. 1972. - №7. - С. 139 - 143

6. Безухов, А.П. Расчет рабочей характеристики водовоздушного эжектора на основе угла раскрытия струи воды / А.П. Безухов //Проблемы современного энергомашиностроения. Сборник трудов молодых ученых. Выпуск 1. С-Пб. 1999. С. 12 13

7. Безухов, А.П. Теоретические и экспериментальные исследования струи водовоздушного эжектора и их использование для совершенствованиярасчета его характеристик: дисс.канд.техн.наук. : 05.04.12 / Безухов Андрей Павлович. Санкт-Петербург, 2003. - 149 с.

8. Белов, Н.В. Структурная кристаллография / Н.В. Белов. М.: Машиностроение, 1951.

9. Берман, JI.Д. Выбор производительности водовоздушных насосов для конденсационных установок / Л.Д. Берман. // Электрические станции. 1966 №12. С. 30-35

10. Берман, Л.Д. Методика расчета водоструйного эжектора / Л.Д. Берман, Г.И. Ефимочкин // Теплоэнергетика, 1964. №8. - С. 92 - 94

11. Берман, Л.Д. Расчетные зависимости для водовоздушных эжекторов / Л.Д. Берман, Г.И. Ефимочкин // Теплоэнергетика. 1964 №7. С. 44 48

12. Болдырев, А.К. Кристаллография / А.К. Болдырев. Л.: Кубуч, 1930. -331 с.

13. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. 13-е изд., исправленное. — М.: Наука, 1986. - 544 с.

14. Вайнштейн, Б.К. Современная кристаллография Т.1. Симметрия кристаллов. Методы структурной кристаллографии / Б.К. Вайнштейн. М.: Наука, 1979. - 383 с.

15. Васильев, Ю.Н. Теория двухфазного газожидкостного эжектора с цилиндрической камерой смешения / Ю.Н. Васильев // Лопаточные машины и струйные аппараты. — М. : Машиностроение. — 1980.

16. Васильев, Ю.Н. Экспериментальное исследование вакуумного водовоздушного эжектора с многоствольным соплом / Ю.Н. Васильев, Е.П. Гладков // Лопаточные машины и струйные аппараты. М.: Машиностроение. - 1971. - Вып. 5. - С. 262-306.

17. Васильев, Ю.Н. Экспериментальное исследование напорного водовоздушного эжектора при высоких давлениях рабочих тел / Ю.Н. Васильев, Е.П. Гладков // Труды ЦИАМ. Центральный институт авиационного моторостроения. 1980.

18. Гильберт, Д. Наглядная геометрия / Д. Гильберт, С. Кон-Фоссен.—М.: Наука, 1981.-302 с.

19. Дейч, М.Е. Гидрогазодинамика / М.Е. Дейч, А.Е. Зарянкин.: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 384 с.

20. Елизаров, B.C. Модернизация схемы включения водоструйных эжекторов на блоке турбины К 300-240 /B.C. Елизаров, А.П. Безухов, Панова О.В. // Машиностроение и автоматизация производства: Межвузовский сборник. Выпуск 10. С-Пб. 1998. - С. 76 - 84

21. Емцев, Б.Т. Техническая гидромеханика / Б.Т. Емцев: Учебник для вузов по специальности «Гидравлические машины и средства автоматики». — 2-е изд., перераб. и доп. / Б.Т. Емцев. -М.: Машиностроение, 1987. 440 с.

22. Ефимочкин, Г.И. Исследование и выбор водоструйных эжекторов с удлиненной камерой смешения / Г.И. Ефимочкин, Б.Е. Кореннов // Электрические станции. 1976. — №4. - С. 46-49.

23. Ефимочкин, Г.И. Конструкции и расчет водоструйных эжекторов с удлиненной камерой смешения / Г.И. Ефимочкин // Теплоэнергетика. — 1982. -№12.-С. 48-51.

24. Ефимочкин, Г.И. Методика расчета водовоздушного эжектора с удлиненной камерой смешения / Г.И. Ефимочкин, Б.Е. Кореннов // Теплоэнергетика. 1976. — №1. - С. 84-86

25. Ефимочкин, Г.И. Реконструкция водоструйных эжекторов на турбинах К-3 00-240 ЛМЗ / Г.И. Ефимочкин, Б.Е. Кореннов, А .Я. Кроль // Электрические станции. — 1974. №2. - С. 43-49.

26. Ефимочкин, Г.И. Сравнение и выбор воздухоудаляющих устройств для конденсаторов паровых турбин / Г.И. Ефимочкин // Электрические станции. 1976 №10. С. 28 33

27. Ефимочкин, Г.И. Сравнительные испытания основных водоструйных эжекторов турбин К-300-240 JIM3 / Г.И. Ефимочкин, Б.Е. Кореннов // Электрические станции. 1975. - №2. - С. 21-23.

28. Зингер, Н.М. Исследование водовоздушного эжектора / Н.М. Зингер // Теплоэнергетика. -1958.-№8.

29. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение 1992.-672с.: ил.

30. Каннингем, Р.Ж. Длины участка разрушения струи и смешивающей горловины жидкостноструйного насоса для перекачки газа / Р.Ж. Каннингем, Р.И. Допкин // Теоретические основы инженерных расчетов. М.: Мир. — 1974.-№3.-С.128-141.

31. Каннингем, Р.Ж. Сжатие газа с помощью жидкоструйного насоса / Р.Ж. Каннингем // Теоретические основы инженерных расчетов. М.: Мир. -1974.-№3.-С. 112-127.

32. Конвей, Дж. Упаковки шаров, решетки и группы / Дж. Конвей, Н. Слоэн. В 2х. т. Т.П. Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 367 с. ил.

33. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа / Л.Г. Лойцянский. М.: Наука, 1987.-840 с.

34. Лось, В.Ю. Экспериментальные исследования жидкостногазового струйного компрессора / В.Ю. Лось. Харьк. авиац. ин-т. - Харьков, 1996. — 11 е.: ил.

35. Лямаев, Б.Ф. Гпдроструйные насосы и установки / Б.Ф. Лямаев. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1988. - 256 е., ил.

36. Нурмухаметов, Г.З. Опыт применения новой технологии создания вакуума на установке АВТ-3,5 предприятия S.C. Petrotel — Lukoil S.A., Румыния / Г.З. Нурмухаметов // Нефтепереработка и нефтехимия. 2002. - С. 14-16.

37. Подвидз, Л.Г. Расчет оптимального струйного насоса для работы на разнородных и однородных жидкостях / JI. Г. Подвидз, Ю.Л. Кирриловский // Тр.ВИГМ, 1963. Вып 32. — С. 114-128

38. Подвидз, Л.Г. Расчет струйных насосов и установок / Л. Г. Подвидз, Ю.Л. Кирриловский // Тр. ВИГМ, 1968. Вып 38. - С. 44 - 97

39. Подвидз, Л.Г. Эжектирование жидкости при импульсном периодическом течении активной струи / Л.Г. Подвидз, В.В. Калачёв // Динамика пневмогидравлических систем: Темат. Сб. науч. тр. — Челябинск: ЧПИ. 1985.-С. 52-62.

40. Роджерс, К. Укладки и покрытия / К. Роджерс. Москва, изд. Мир, 1968.

41. Смолдырев, А.Е. Гидро- и пневмотранспорт в металлургии (техника и технология, инженерные расчеты) / А.Е. Смолдырев. М.: Металлургия, 1985.-280 с.

42. Соколов, Е.Я. Струйные аппараты 3-е изд., перераб. / Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 352 с.

43. Соколов, Е.Я. Струйные аппараты / / Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер. 2-е изд. - М.: Энергия, 1970. -288 с.

44. Спиридонов, Е.К. Конструкции жидкостногазовых струйных насосов. Состояние и перспективы / Е.К. Спиридонов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». Выпуск 1. №10(110) - Челябинск, 2005. - С. 55 - 61.

45. Спиридонов, Е.К. Баланс энергии в жидкостногазовом эжекторе / Е.К. Спиридонов, В.К. Темнов // Гидравлические машины и средства гидроавтоматики.: Межвузовский сб. научн. трудов. Пермь: ППИ. 1991. — С. 30-33.

46. Спиридонов, Е.К. Испытание водовоздушного струйного насоса ЮУрГУ в системах вакуумирования паровых турбин / Е.К. Спиридонов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». Выпуск 1. №10(110) -Челябинск, 2005. С. 61 - 70.

47. Спиридонов, Е.К. Исследование предельных режимов работы двухфазного эжектора / Е.К. Спиридонов, С.Б. Школин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Машиностроение». 2008. - Вып. 11. - №10(110). - С. 55 - 61.

48. Спиридонов, Е.К. Исследование экстремальных характеристик водовоздушного эжектора / Е.К. Спиридонов, В.К. Темнов // Динамика пневмогидравлических систем: Тем. сб. науч. тр. Челябинск: ЧПИ, 1983. — С. 62-75.

49. Спиридонов, Е.К. К определению длины смесительной камеры двухфазного струйного насоса / Е.К. Спиридонов // Гидромеханика, гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика: Сб. докл. Междунар. научно-техн. конф.Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 1999. С 23-24.

50. Спиридонов, Е.К. Математическое моделирование нестационарной эжекции в струйном насосе / Е.К. Спиридонов // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Машиностроение». 2003. - Т. 17, вып. 3. - С. 151 - 155.

51. Спиридонов, Е.К. О предельных режимах работы двухфазного водовоздушного эжектора / Е.К. Спиридонов, С.Б. Школин // Гидрогазодинамика, гидравлические машины и гидропневмосистемы: Тр. Междунар. и науч.-метод. конф. М.: Издательство МЭИ, 2006. - 256 с.

52. Спиридонов, Е.К. О рациональной длине смесительной камеры вакуумного водовоздушного эжектора / Е.К. Спиридонов // Теплоэнергетика. 1982.-№7.-С. 69-70.

53. Спиридонов, Е.К. О рациональной длине смесительной камеры вакуумного водовоздушного эжектора / Е.К. Спиридонов // Теплоэнергетика. -1982.-№7.-С. 69-70.

54. Спиридонов, Е.К. Предельные режимы работы двухфазного струйного эжектора / Е.К. Спиридонов, С.Б. Школин //Динамика машин и рабочих процессов: сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции Челябинск: Изд-во ЮУрГУ,2007. - С. 167 - 172.

55. Спиридонов, Е.К. Применение водовоздушых струйных насосов в системах глубокого вакуумирования / Е.К. Спиридонов, С.Б. Школин // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Машиностроение». 2009. - Вып. 13. - №11(144). -С. 18-27.

56. Спиридонов, Е.К. Разработка новых систем вакуумирования турбоустановок на Кармановской ГРЭС / Отчет о научно-исследовательской работе. № государственной регистрации ГР 01.88.0006638, Инв. № 02900042016. Челябинск: ЧПИ, 1990. - 74 е.: ил.

57. Спиридонов, Е.К. Теоретические основы расчета и проектирования жидкостногазовых струйных насосов: дис.д.т.н. : 05.04.13 / Спиридонов Евгений Константинович. — Челябинск, 1996. — 292 с.

58. Спиридонов, Е.К. Теоретические положения оптимального синтеза жидкостногазовых струйных аппаратов и систем на их основе / Е.К. Спиридонов // Наука и технологии: Труды XXIII Российской школы. М.: РАН, 2003.-С. 414-431.

59. Спиридонов, Е.К. Энергетический анализ жидкостногазовых течений / Е.К. Спиридонов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». — Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2003. Выпуск 3. - №1(17). - С. 141-150.

60. Спиридонов, Е.К., Подзерко А.В, Пантюхин А.А., Школин С.Б. Научные основы расчета и синтеза систем глубокого вакуумирования со струйными аппаратами / Отчет о научно-исследовательской работе. № государственной регистрации 01.200611167.

61. Сурин, В.А. Массо- и теплообмен, гидрогазодинамика металлургической ванны / В.А. Сурин, Ю.Н. Назаров. — М.: Металлургия, 1993.-352 с.

62. Темнов, В.К. Основы теории жидкостных эжекторов / В.К. Темнов. — Челябинск.: ЧПМ, 1971.

63. Темнов, В.К. Расчет и проектирование жидкостных эжекторов: учебное пособие. / В.К. Темнов, Е.К. Спиридонов. Челябинск: ЧПИ, 1984. — 44 с.

64. Успенский, В.А. Струйные вакуумные насосы / В.А. Успенский, Ю.М. Кузнецов. -М. «Машиностроение» 141 с.

65. Фридман, Б.Э. Гидроэлеваторы / Б.Э. Фридман. М.: Машгиз, 1960. -320 с.

66. Цегельский, В.Г. Выбор оптимальной длины камеры смешения жидкостногазового струйного аппарата / В.Г. Цегельский // Известия вузов. Машиностроение. 1988. - №9. - С. 69 - 73.

67. Цегельский, В.Г. Двухфазные струйные аппараты / В.Г. Цегельский. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 408 с.

68. Цегельский, В.Г. К расчету оптимальной длины камеры смешения жидкостногазового струйного аппарата / В.Г. Цегельский // Известия вузов. Машиностроение. 1988. - №7. - С. 61 - 67.

69. Цегельский, В.Г. К расчету характеристик жидкостногазового струйного аппарата / В.Г. Цегельский // Известия вузов. Машиностроение. — 1984. -№3.- С. 63-68.

70. Цегельский, В.Г. К теории двухфазного струйного аппарата / В.Г. Цегельский // Известия вузов. Машиностроение. 1977. - №6. — С. 79 — 85.

71. Цегельский, В.Г. Определение режимов работы жидкостногазового струйного аппарата / В.Г. Цегельский // Известия вузов. Машиностроение. — 1977.-№5.-С. 60-65.

72. Цегельский, В.Г. Применение теорем термодинамики необратимых процессов в определении режима работы двухфазного струйного аппарата / В.Г. Цегельский // Известия вузов. Машиностроение. 1976. — №5. - С. 98 — 103.

73. Цейнтлин, А.Б. Пароструйные вакуумные насосы / А.Б. Цейнтлин. -М. JL, издательство «Энергия» - 1965. - 400 с.

74. Чернухин, В.А. О расчете жидкостногазовых струйных аппаратов / В.А Чернухин, В.Г. Цегельский, С.И. Глубоковский // Известия вузов. Машиностроение. 1977. - №8. - С. 81 - 86.

75. Чернухин, В.А. О режимах работы жидкостно-газового струйного аппарата / Чернухин В.А., Цегельский В.Г., А.А. Дорофеев, и др. // Вопросы двигателестроения: Тр. МВТУ им. Н.Э. Баумана; №290. М., 1979. - С. 35 -46.

76. Чернухин, В.А. Экспериментальное исследование жидкостногазовых струйных аппаратов / В.А Чернухин, В.Г. Цегельский, А.А. Дорофеев // Известия вузов. Машиностроение. 1980. - №3. - С. 48 - 52.

77. Чернухин, В.А. Экспериментальное исследование режимов работы жидкостно-газового струйных аппаратов / В.А Чернухин., В.Г. Цегельский, С.И. Глубоковский // МВТУ им. Н.Э. Баумана.- М., 1979. 16 с. - Деп. в ВИНИТИ 2.04.76, № 1014-76.

78. Шаманов, Н.П. Двухфазные струйные аппараты. / Н.П. Шаманов, Н.А. Дядик, А.Ю. Лабинский. Л.: Судостроение, 1989. - 240 с.

79. Шушин, Н.А. К расчету струйных насосов / Н.А. Шушин // Авиационная техника. №3. — С. 68 - 71.

80. Щепин, С.Л. Улавливание паров бензина из резервуаров с использованием жидкостногазовых эжекторов: автореф. дисс. канд. техн. наук: 25.00.19 / Щепин Сергей Леонидович. Уфа, 2007. - 23 с.

81. Witte, J.H. Efficiency and design of liquid-gas ejectors. / J.H. Witte // British Chemical Engineering. 1965, Vol. 10. Part 9,- P.602 - 607.

82. Witte, J.H. Mixing Shocks in Two Phase Flow // The Journal of Fluid Mechanicks. Vol. 36. - Part 4. - 1969. -P.639-655.

83. Патент 2070670 РФ. МПК F04F5/02. Жидкостногазовый эжектор/ Е.К. Спиридонов, А.В. Воронков (РФ). №94026814/06. Заявлено 18.07.94. Опубл. 20.12.96. Бюл. №35.

84. Патент 2072454 РФ. МПК F04F/02. Жидкостногазовый эжектор/ Е.К. Спиридонов, (РФ). №94037902/06. Заявлено 22.09.94. Опубл. 27.01.97. Бюл. №13.

85. А.с. 1483106 СССР, МКИ F04F 5/02. Эжектор/ Е.К. Спиридонов, В.К. Темнов, А.П. Спиридонов, В.В. Шмаков, М.А. Чепкасов (СССР). -№4170435/25-29. Заявлено 30.12.86. Опубл. 30.05.89. Бюл. №20. •

86. А.с. 684162 СССР, МКИ F04F5/0. Водоструйный эжектор / Г.И. Ефимочкин (СССР). №2597729/25-06; Заявлено 28.03.78; Опубл. 05.09.79, Бюл. №33.

87. А.с.1038618 СССР, МКИ F04F5/04 Жидкостногазовый эжектор/ Ю.Н. Васильев, Е.П. Гладков, Г.А. Горшкова (СССР). №3381175/25-06; Заявлено 08.01.82; Опубл. 30.08.83, Бюл. №32.

88. А.с. 1041766 СССР, МКИ F04F5/02. Струйный аппарат / Я.С. Теплицкий П.Е. Коршунов, Г.М. Бахронова, Д.М. Горловский, О.С. Чехов (СССР). -№2883717/25-06; Заявлено 19.02.80; Опубл. 15.09.83, Бюл. №34.

89. А.с. 1386752 СССР, МКИ F04F5/04 Эжектор/ И.И. Рошак, А.В. Городивский, П.В. Косяков, JI.B. Городивский (СССР). №4133772/25-06; Заявлено 14.10.86; Опубл. 07.04.88, Бюл. №13.

90. А.с. 1418498 СССР, МКИ F04F5/04 Эжектор/ А.В. Городивский, А.В. Бакин, И.И. Рошак, П.В. Косяков, Л.В. Городивский (СССР). №4154374/2506; Заявлено 01.12.86; Опубл. 23.08.88, Бюл. №31.

91. А.с. 1483106 СССР, МКИ F04F5/02. Эжектор / Е.К. Спиридонов, В.К. Темнов, А.П. Спиридонов, В.В. Шмаков, М.А. Чепкасов (СССР). -№4170435/25-29; Заявлено 30.12.86; Опубл. 30.05.89, Бюл. №20.

92. А.с.681228 СССР, МКИ F04F5/04 Жидкостногазовый эжектор/ Ю.Н. Васильев, Е.П. Гладков, Г.А. Горшкова (СССР). №2394169/25-06; Заявлено 02.08.76; Опубл. 25.08.79, Бюл. №31.

93. А.с.985462 СССР, МКИ F04F5/04 Жидкостногазовый эжектор/ Ю.Н. Васильев, Е.П. Гладков, Г.А. Горшкова (СССР). №3324816/25-06; Заявлено 24.07.81; Опубл. 30.12.82, Бюл. №48.