1.2 Рабочий процесс эжектора

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

Под действием разности давлений низконапорный газ устремляется в камеру. Относительный расход этого газа, на­зываемый коэффициентом эжекции, зависит от пло­щадей сопел, от плотности газов и их начальных давлений, от режима работы эжектора. Несмотря на то, что скорость эжек­тируемого газа во входном сечении обычно меньше скоростиэжектирующего газа , надлежащим выбором площадей сопел иможно получить сколь угодно большое значение коэф­фициента эжекции n.

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. 5). Течение в начальном участке камеры смешения с известным приближением можноуподобить турбулентной струе, движущейся в спутном потоке. Ввиду наличия поперечных пульсационных компонентов скорости, свойственных турбулентному движению, потоки внедряются друг в друга, образуя постепенно уширяющуюся зону смеше­ния - пограничный слой струи. В пределах пограничного слоя происходит плавное изменение параметров газовой смеси от значений их в эжектирующем газе до значений в эжектируемом газе. Вне пограничного слоя в начальном участке камеры сме­шения имеются невозмущенные потоки эжектируемого и эжектирующего газов.

В начальном участке камеры частицы эжектируемого газа непрерывно захватываются высоконапорной струей и увлекаютсяею в зону смешения. Благодаря этому и поддерживается разрежение на входе в смесительную камеру, которое обеспечивает втекание низконапорного газа в эжектор.

В зависимости относительных размеров эжектора с удалением от сопла последовательно исчезают обе зоны невозмущенного течения газов; так, на рис. 5 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 на расстоянии 8 - 12 диаметров камеры от начального сечения, получается доста­точно однородная смесь газов, полное давление которойбольше превышает полное давление эжектируемого газа , чем меньше коэффициент эжекции п. 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.

Рис. 5. Изменение поля скоростей по длине камеры смешения.

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.

Если сопло эжекти­рующего газа выполненонерасширяющимся, то при сверхкритическом отношении давлений стати­ческое давление на срезесопла превышает давление в окружающей среде - эжектируемом газе.

Рис. 6. Схема течения в начальном участке камеры смешения при сверхкритическом отношении давлений в сопле

Поэтому после выхода изсопла А струя эжектитирующего газа В (рис. 6),движущаяся со скоростью звука , продолжает расширяться, скорость ее становится сверхзвуковой, а площадь сечения - большей, чем площадь вы­ходного сечения сопла.

Точно 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, где-расчетная величина скорости для данного сопла Лаваля, опре­деляющаяся отношением площадей выходного и критическогосечений.

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 некоторомрасстоянии от сопла, там, где площадь расширяющейсясверхзвуковой 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 (рис. 7).

Рис. 7. Схема силового воздействия газа на тело, искривляющее границу дозвукового (а) и сверхзвукового (б) потоков.

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 «втягивает»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 положениеграницы струи, выталкивая частицы внешней среды.

Интересно отметить, что это различие в свойствах дозвуковой и сверхзвуковой струй можно наблюдать буквально на ощупь. Дозвуковая струя втягивает внутрь поднесенный к границе легкий предмет, сверхзвуковая струя на расстоянии нескольких калибров от сопла имеет «жесткую» границу; при попытке ввести в струю извне какой-либо предмет ощущается заметное сопротивление резко выраженной границы струи.

Рис. 8. Шлирен - фотография потока в камере смеше­ния плоского эжектора при дозвуковом режиме истече­ния газа из сопла; ,, р₁=р₂.

Рис. 9. Шлирен - фотография потока в камере смеше­ния плоского эжектора при сверхкритическом отно­шении давлений в сопле П₀=3,4.

На рис. 8 и 9 приведены фотографии течения в начальном участке смесительной камеры при дозвуковом и сверхзвуковом истечении эжектирующей струи. Фотографии получены на пло­ской модели эжектора, режим изменялся путем увеличения пол­ного давления эжектирующего газа перед соплом при по­стоянном давлении эжектируемого газа и постоянном давлениина выходе из камеры.

На фотографиях видно различие между двумя рассмотрен­ными режимами течения в начальном участке камеры.

При анализе процессов и расчете параметров эжектора на сверхкритических отношениях давлений в сопле будем пола­гать, что до сечения запирания (рис. 6) эжектирующий и эжектируемый потоки текут раздельно, не смешиваясь, а интенсивное смешение происходит за этим сечением. Это весьма близко к действительной картине явления. Сечение запирания является характерным сечением начальногоучастка смешения, а параметры потоков в нем, как будет показано ниже, существенно влияют на рабочий процесс и параметры эжектора.

С удалением от сопла граница между потоками размывается, сверхзвуковое ядро эжектирующей струи уменьшается, происходит постепенное выравнивание параметров газа по сечениюкамеры.

Характер смешения газов в основном участке смесительной камеры практически такой же, как и при докритических отношениях давлений в сопле, скорость смеси газов в широком диапазоне начальных параметров газов остается меньшей скоростизвука. Однако при увеличении отношения начальных давлений газов сверх некоторой определенной для каждого эжектора величины поток смеси в основном участке камеры стано­вится сверхзвуковым и может остаться сверхзвуковым до конца смесительной камеры. Условия перехода от дозвукового к сверх­звуковому режиму течения смеси газов, как будет показано ниже, тесно связаны с режимом течения газов в сечении запи­рания.

Таковы особенности протекания процесса смешения газов при сверхкритических отношениях давлений газов в эжектирующем сопле. Заметим, что под отношением давлений в сопле мыподразумеваем отношение полного давления эжектирующего газа к статическому давлению эжектируемого потока вовходном сечении смесительной камеры , которое зависит отполного давления и приведенной скорости .

Чем больше , тем больше (при постоянном отношении полных давлений газов) отношение давлений в сопле:

Здесь - известная газодинамическая функция.

Таким образом, сверхкритический режим истечения эжекти­рующего газа из сопла может существовать и тогда, когда отношение начальных полных давлений газов ниже критического значения.

Независимо от особенностей течения газов при смешении происходит выравнивание скорости газов по сечению камеры путемобмена импульсами между частицами, движущимися с большей и меньшей скоростью. Этот процесс сопровождается потерями. Помимо обычных гидравлических потерь на трение о стенки сопел и камеры смешения, для рабочего процесса эжекторахарактерны потери, связанные с самим существом процессасмешения.

Определим изменение кинетической энергии, происходящее при смешении двух газовых потоков, секундный массовый расход и начальная скорость которых равны соответственно G₁, G₂, и . Если предположить, что смешение потоков происходит припостоянном давлении (это возможно либо при специальной про­филировке камеры, либо при смешении свободных струй), токоличество движения смеси должно быть равно сумме начальных количеств движения потоков:

(1)

Откуда

Кинетическая энергия смеси газов равна

Легко убедиться, что эта величина меньше суммы кинетических энергий потоков до смешения, равной

на величину

. (2)

Величина представляет собой потери кинетической энергии, связанные с процессом смешения потоков. Эти потери аналогичны потерям энергии при ударе неупругих тел. Независимо от температуры, плотности и других параметров потоков потери, как показывает формула (2), тем больше, чем больше разностьскоростей смешивающихся потоков. Отсюда можно сделать вы­вод, что при заданной скорости эжектирующего газа и задан­ном относительном расходе эжектируемого газа (коэффициенте эжекции) для получения наименьших потерь, т. е. наибольшей величины полного давления смеси газов, желательноувеличивать так, чтобы возможно более приблизить скоростьэжектируемого газа к скорости эжектирующего газа при входе в камеру смешения. Как увидим ниже, это действительно приводит к наивыгоднейшему протеканию процесса смешения.

Рис. 10. Изменение статического давления по длине камеры смешения при дозвуковом течении газов.

При смешении газов в цилиндрической смесительной камере эжектора статическое давление газов не остается постоянным. Для того чтобы определить характер изменения статического давления в цилиндрической смесительной камере, сравним параметры потока в двух произвольных сечениях камеры 1 и 2, находящихся на различном расстоянии от начала камеры (рис. 10). Очевидно, что в сечении 2, находящемся на больше расстоянии от входного сечения камеры, поле скоростей более равномерно, чем в сечении 1. Если принять, что для обоих сечений (для основного участка камеры, где статическое давление изменяется незначительно, это приближенносоответствует действительности), то из условия равенства секундных расходов газа

следует, что в сечениях 1 и 2 сохраняет постоянное значение средняя по площади величина скорости потока

.(3)

Рассмотрим далее величину

. (4)

Легко убедиться, что при , т.е. в случае равномерногополя скорости в сечении F, величина равна единице. Во всехдругих случаях числитель в (4) больше знаменателя и .

Значение величины может служить характеристикой степени неравномерности поля скоростей в данном сечении: чем более неравномерно поле , тем больше. Будем называть величинукоэффициентом поля.

Возвращаясь к рис. 10, теперь нетрудно заключить, что величина коэффициента поля в сечении 1 больше, чем в сечении 2. Количества движения в сечениях 1 и 2 определяются интегралами

.

Так как , то отсюда следует

(5)

Итак, количество движения в потоке при выравнивании поля скоростей в процессе смешения уменьшается, несмотря на то, что суммарный расход и средняя по площади скорость остаются постоянными.

Запишем теперь уравнение импульсов для потока между сечениями 1 и 2:

.

На основании неравенства (5) левая часть данного уравнения всегда положительна. Отсюда следует, что т. е. выравнивание поля скоростей в цилиндрической смесительной камере сопровождается возрастанием статического давления; во входном сечении камеры существует пониженное давление по сравнению с давлением на выходе из камеры. Это свойство процессанепосредственно используется в простейших эжекторах, состоящих из сопла и одной цилиндрической камеры смешения, как, например, показано на рис. 10. Благодаря наличию разреженияна входе в камеру, этот эжектор подсасывает из атмосферывоздух, а затем смесь выбрасывается вновь в атмосферу. На рис. 10 также показано изменение статического давления по длине камеры эжектора.

Полученный качественный вывод справедлив в тех случаях, когда изменение плотности газа в рассматриваемом участке процесса смешения незначительно, вследствие чего можно приближенно считать . Однако в некоторых случаях присмешении газов существенно различной температуры, когда имеется большая неравномерность плотности по сечению, а также при сверхзвуковых скоростях в основном участке смешения,когда плотность заметно изменяется по длине камеры, возможны режимы работы эжектора, при которых статическое давление газа в процессе смешения не возрастает, а снижается.

Если смесительная камера не цилиндрическая, как предполагалось выше, а имеет переменную по длине площадь сечения, то можно получить произвольное изменение статического давления по длине.

Основным геометрическим параметром эжектора с цилиндрической смесительной камерой является отношение площадейвыходных сечений сопел для эжектирующего и эжектируемого газов

,

где F₃ - площадь сечения цилиндрической смесительной ка­меры.

Эжектор с большим значением , т. е. с относительно малойплощадью камеры, является высоконапорным, но не может работать с большими коэффициентами эжекции; эжектор с малым позволяет подсосать большое количество газа, но мало повышает его напор.

Вторым характерным геометрическим параметром эжектора является степень расширения диффузора- отношениеплощади сечения на выходе из диффузора к площади на входе в него. Если эжектор работает при заданном статическом давлении на выходе из диффузора, например при выхлопе в атмосферу или в резервуар с постоянным давлением газа, то степень расширения диффузора f существенно влияет на все пара­метры эжектора. С увеличениемfв этом случае снижается статическое давление в камере смешения, растет скорость эжектирования и коэффициент эжекции при не очень значительном изменении полного давления смеси. Разумеется, это справедливо лишь до того момента, когда в каком-либо сечении эжектора будет достигнута скорость звука.

Третий геометрический параметр эжектора - относительная длина камеры смешения - в обычные методы расчета эжектора не входит, хотя и существенно влияет на параметры эжектора, определяя полноту выравнивания параметров смеси по сечению. Ниже будем полагать, что длина камеры достаточно велика и коэффициент поля в ее выходном сечении близок к единице.