5
5. Основні теоретичні відомості
про струминні апарати.
5.1. Класифікація струминних апаратів.
В літературі струминні апарати одного і того ж типу зустрічаються під самими різними назвами, наприклад інжектори, компресори, ежектори, елеватори, насоси тощо. В дипломній роботі прийнята класифікація струминних апаратів, що враховує сутність процесів, які проходять в апараті.
Процеси, характерні для всіх без виключення струминних апаратів, списуються трьома законами:
збереження енергії
, (5.1)
де hp, hH, hc - ентальпії робочого та інжектованого потоків до апарата і змішаного потоку після апарату, кДж/кг; u=GH/Gp – коефіцієнт інжекції, тобто відношення масової витрати інжектованого потоку до масової витрати робочого потоку;
збереження маси
Gc=Gp + GH , (5.2)
де Gp, GH, Gc – масові витрати робочого, інжектованого та змішаного потоків, кг/с;
збереження імпульсу, який для камери змішування довільної форми записується так:
, (5.3)
де Ip1, Ip2 – імпульс робочого та інжектованого потоків у вихідному січенні камери змішування, Н ; Ic3 - імпульс змішаного потоку у вихідному січенні камери змішування, Н ; - інтеграл імпульсу по бічній поверхні камери змішування між січеннями 1-1 і 3-3. В циліндричній камері змішування .
Імпульс потоку у будь-якому січенні
I=G w + hf, (5.4)
де G-масова витрата, кг/с; w-швидкість, м2/с; р-тиск, Па (Н/м2).
В залежності від властивостей та умов взаємодії робочого і інжектованого потоків в струминних апаратах виникає ряд додаткових процесів як і специфічні тільки для апаратів певного типу. Ці процеси суттєво відображаються в роботі апаратів даного типу і повинні враховуватись при їх розрахунку.
Процеси, які виникають в струминних апаратах, залежать в першу чергу від агрегатного стану середовищ, що взаємодіють.
З цих міркувань можна всі струминні апарати розділити на слідуючі три групи: 1) апарати, в яких агрегатний стан робочої та інжектованої середовищ однаковий; 2) апарати, в яких агрегатний та інжектований потоки знаходяться у різних агрегатних станах, які не змінюються в процесі змішування цих потоків; 3) апарати із змінними агрегатними станами середовища. В цих апаратах робочі та інжектовані потоки до змішування – в одній фазі, тобто в процесі змішування змінюється агрегатний стан одного з потоків.
До першої групи відносяться газо (паро) струминні компресори, ежектори та інжектори, а також струминні насоси.
До другої групи відносяться струминні апарати для пневмотранспорту, водоповітряні ежектори та струминні апарати для гідротранспорту.
До третьої групи відносяться пароводяні інжектори та струминні підігрівачі.
Умови роботи струминних апаратів залежать також від пружніх властивостей середовищ, що взаємодіють між собою. Під пружними властивостями або стисливістю розуміють значну зміну питомого об’єму середовища при зміні його тиску. На практиці використовуються струминні апарати в яких: а) обидва середовища (робоче та інжектоване) пружні; б) одне з середовищ пружнє; в) обидва середовища непружні.
Робота рівнофазних апаратів із пружними середовищами залежить в значній мірі від ступеня стиску середовища, що інжектується, а також від ступеня розширення робочого середовища. Тут та в подальшому для зручності ступень стиску називається віднощення тисків pc/pм, тобто відношення кінцевого тиску стисливості до початкового. Аналогічно під ступенем розширення робочого потоку тут розуміють відношення тисків pp/pн, тобто відношення початкового тиску перед соплом до кінцевого за соплом.
За ступенем стисливості та ступенем розширення рівнофазні струминні апарати для пружних середовищ можна класифікувати слідуючим чином:
апарати із великим ступенем розширення та помірним ступенем стисливості. Такі апарати в подальшому будемо називати газоструминними або пароструминними компресорами. Робочим та інжектованим середовищем в них є пара або газ. Ступінь розширення робочого потоку у компресорах значна. Відношення тисків робочого та інжектованого потоків перед компресором у багато разів більше критичного відношення тисків. Ступінь стисливості розвинута такими апаратами знаходиться в межах 2,5pc/pн1,2. До них відносяться апарати для підвищення тиску відпрацьованої пари, газу в мережі та ін.;
апарати з великим ступенем розширення та великим ступенем стисливості. Такі апарати звичайно використовуються в установках, де потрібно підтримувати глибокий вакуум. В подальшому будемо називати їх газоструминними або пароструминними ежекторами. Ступінь розширення робочого потоку в ежекторах також значна. Відношення тисків робочого та інжектованого потоків перед ежектором pc/pн також у багато разів більше критичного відношення тисків. Ступінь стисливості, що створюється такими апаратами, pc/pн2.5;
апарати з великим ступенем розширення та малим ступенем стисливості. Такі апарати в подальшому будемо називати газоструминними або пароструминними інжекторами. Робочим та інжектованим середовищем в цих апаратах є пара або газ. Ступінь розширення робочого потоку в інжекторах значна, але ступінь стисливості мала: pc/pн1.2. Поскільки ступінь стисливості мала, пружні властивості інжектованого та зміщаного потоків проявляються повільно. Внаслідок чого при розрахунках таких апаратів в основних розрахункових рівняннях можуть не враховуватись властивості стисливості інжектованого та змішаного потоків. До таких апаратів відносяться: пароповітряні інжектори обладнання котлів, газові інжекційні горілки та ін. На практиці застосовуються також рівнофазні струминні апарати у яких властивості стисливості робочого та інжектованого потоків не проявляються. Такі апарати в подальшому будемо називати струминними насосами.
Робочим та інжектованим середовищем в цих апаратах в більшості випадків є рідина. До таких апаратів відносяться водоструминні насоси для відкачки води з свердловин та колодязів.
Робочим та інжектованим середовищем в струминних насосах може бути також газ або пара, але в цьому випадку ступінь розширення робочого тіла повинна бути значно менша критичного тиску; повинна бути також і ступінь стисливості (pc/pн1.2).
Різнофазні струминні апарати в залежності від пружинних властивостей середовищ, що взаємодіють між собою, можна розподілити на три типи:
апарати з пружними робочим та інжектованим середовищами, до яких відносяться пневмотранспортні струминні апарати (газ інжектує синуче тверде тіло