Рабочий процесс эжектора

Рабочий процесс эжектора сводится к следующему. Высоконапорный (эжектирующий) газ, имеющий полное давление р01, вытекает из сопла в смесительную камеру. При стационарном режиме работы эжектора во входном сечении смесительной камеры устанавливается статическое давление р2, которое всегда ниже полного давления низконапорного (эжектируемого) газа р02.

Рабочий процесс эжектораПод действием разности давлений низконапорный газ устремляется в камеру. Относительный расход этого газа, называемый коэффициентом эжекции n = О2/O1, зависит от площадей сопел, от плотности газов и их начальных давлений, от режима

Рис. 1. Изменение поля скоростей по длине камеры

Смешения.

Работы эжектора. Несмотря на то, что скорость эжектируемого газа во входном сечении W2 обычно меньше скорости эжектирующего газа W1, надлежащим выбором площадей сопел F1 и F2 можно получить сколь угодно большое значение коэффициента эжекцни п.

В камеру смешения эжектирующий и эжектируемый газы входят в виде двух раздельных потоков: в общем случае они могут различаться по химическому составу, скорости, температуре и давлению. Смешение потоков означает в конечном счете выравнивание параметров газов по всему сечению камеры.

Весь процесс смешения можно условно разделить на два этапа – начальный и основной. Соответственно выделяются два участка смесительной камеры (рис. 9.5). Течение в начальном участке камеры смешения с известным приближением можно уподобить турбулентной струе, движущейся в спутном потоке. Ввиду наличия поперечных пульсационных компонентов скорости, свойственных турбулентному движению, потоки внедряются в друг друга, образуя постепенно уширяющуюся зону смешения — пограничный слои струи. Вне пограничного слоя происходит плавное изменение параметров газовой смеси от значении их в эжектирующем газе до значений в эжектируемом газе. Вне пограничного слоя в начальном участке камеры смешения имеются невозмущенные потоки эжектируемого и эжектирующего газов.

См. также:  Расчет газового эжектора

В начальном участке камеры частицы эжектируемого газа непрерывно захватываются высоконапорной струей и увлекаются ею в зону смешения. Благодаря этому и поддерживается разрежение на входе в смесительную камеру, которое обеспечивает втекание низконапорного газа в эжектор. В зависимости от относительных размеров эжектора с удалением от сопла последовательно исчезают обе зоны невозмущенного течения газов; так, на рис. 1 первым ликвидируется ядро эжектирующей струи.

На некотором расстоянии от сопла, в сечении Г—Г, называемом граничным сечением, пограничный слой струи заполняет все сечение смесительной камеры. В этом сечении уже нет областей невозмущенных течений, однако параметры газа существенно различны по радиусу камеры. Поэтому и после граничного сечения в основном участке смесительной камеры продолжается выравнивание параметров потока по сечению. В конечном сечении камеры, отстоящем в среднем па расстоянии 8—12 диаметров камеры от начального сечения, получается достаточно однородная смесь газов, полное давление которой р03 тем больше превышает полное давление эжектируемого газа р02 чем меньше коэффициент эжекции n. Рациональное проектирование эжектора сводится к выбору таких его геометрических размеров, чтобы при заданных начальных параметрах и соотношении расходов газов получить наивысшее значение полного давления смеси, либо при заданных начальных и конечном давлениях получить наибольший коэффициент эжекции.

Описанная выше схема процесса смешения газов в эжекторе при дозвуковых скоростях принципиально ничем не отличается от процесса смешения несжимаемых жидкостей в жидкостном эжекторе. Как будет показано ниже, даже при больших докритических отношениях давлений не только качественные закономерности, но и многие количественные зависимости между параметрами газового эжектора практически не отличаются от соответствующих данных жидкостного эжектора.

Качественно новая картина течения наблюдается при сверхкритических отношениях давлений в сопле. При дозвуковом истечении давление газа на выходе из сопла равно давлению в окружающей среде, другими словами, статические давления газов на входе в камеру смешения р1 и р2 одинаковы. При звуковом или сверхзвуковом истечении эжектирующего газа давление на срезе сопла может существенно отличаться от давления эжектируемого газа.

См. также:  Дозвуковое и сверхзвуковое истечение эжектирующей струи

Если сопло эжектирующего газа выполнено нерасширяющимся, то при сверхкритическом отношении давлений статическое давление на срезе сопла превышает давление в окружающей среде – эжектируемом газе. Поэтому после выхода из сопла А струя эжектирующего газа В (рис. 1) , движущаяся со скоростью звука ƞ1=ƞ продолжает расширяться, скорость ее становится сверхзвуковой, а площадь сечения — большей, чем площадь выходного сечения сопла.

Рабочий процесс эжектораТочно так же ведет себя сверхзвуковая эжектирующая струя, вытекающая из сопла Лаваля, если в эжекторе применено сверхзвуковое сопло с неполным расширением. В этом случае скорость газа на срезе сопла соответствует λ1 = λ1р>1, где λ1р — расчетная величина скорости для данного сопла Лаваля, определяющаяся отношением площадей выходного и критического сечений.

Рисунок. Схема течения в начальном участке камеры смешения при сверхкритическом отношении давлений в сопле.

Таким образом, при отношениях давлений, больших расчетного для данного сопла, эжектирующий газ в начальном участке смесительной камеры представляет собой расширяющуюся сверхзвуковую струю. Поток эжектируемого газа на этом участке движется между границей струи и стенками камеры. Так как скорость эжектируемого потока в начальном участке дозвуковая, то при течении по суживающемуся «каналу» поток ускоряется и статическое давление в нем падает.

При дозвуковом истечении эжектирующей струи наибольшее разрежение и максимальные скорости потоков достигались во входном сечении камеры. В данном случае минимальная величина статического давления и максимальная скорость эжектируемого потока достигаются в сечении 1′, находящемся на некотором расстоянии от сопла, там, где площадь расширяющейся сверхзвуковой струи становится наибольшей. Это сечение принято называть сечением запирания.

Особенностью сверхзвуковой струи является то, что смешение ее, с окружающим потоком на этом участке проходит значительно менее интенсивно, чем смешение дозвуковых потоков. Это связано с тем, что сверхзвуковая струя обладает повышенной устойчивостью по сравнению с дозвуковой струей, и размывание границ такой струи происходит слабее. Физические основы этого явления легко уяснить на следующем примере. Если граница дозвукового потока в силу какой-либо причины (например, воздействия частиц газа спутного потока) искривлена, то в этом месте из-за уменьшения площади сечения уменьшается статическое давление и возникает сила внешнего давления, увеличивающая начальную деформацию границы: при взаимодействии с окружающей средой дозвуковая струя затягивает частицы внешнего потока и граница ее быстро размывается. В сверхзвуковом (относительно внешней среды) потоке аналогичное искривление границы и уменьшение сечения приводит к росту давления; возникающая сила направлена не внутрь, а наружу потока и стремится восстановить исходное положение границы струи, выталкивая частицы внешней среды.