![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Струйные насосы
Способ действия. Основные понятия Струйные насосы из числа насос-аппаратов имеют наиболее широкую область применения и наибольшее разнообразие конструкций. Одним из них является водоструйный насос, действие которого состоит в основном из трёх процессов - преобразования потенциальной энергии рабочей жидкости в кинетическую (в коническом сходящемся насадке), обмена количеством движения между частицами рабочей жидкости и подаваемой среды (в камере смешения), а также перехода кинетической энергии смеси рабочей и транспортируемой жидкостей в потенциальную (в диффузоре). Благодаря этому в камере смешения создаётся разрежение, что обеспечивает всасывание подаваемой среды. Затем давление смеси рабочей и транспортируемой жидкостей значительно повышается в результате снижения скорости движения, что делает возможным нагнетание. Струйные насосы просты по устройству, надёжны и долговечны в эксплуатации, но их кпд не превышает 30%. В струйных насосах (рис. 9.10, а), называемых также инжекторами, эжекторами, гидроэлеваторами, поток полезной подачи Qo перемещается и получает энергию благодаря смешению с рабочим потоком Q1 обладающим большей энергией. Полная подача на выходе из насоса Q2 = Q1 + Q0 (9.2) Энергия этого потока больше энергии потока полезной подачи Qo,, но меньше энергии рабочего потока Q1 перед входом в насос. Струйный насос состоит из рабочего сопла 3 с подводом 2 рабочего потока, камеры 5 смешения, диффузора 6 и подвода 1 потока полезной подачи с входным кольцевым соплом 4 камеры смешения. Режим работы струйного насоса характеризует четыре приведенных ниже и показанных на рис. 9.10, а параметра (их выражения даны для наиболее простого и распространенного случая, когда плотности смешиваемых потоков одинаковы, т. е. ρ 1 = ρ 0):
Рис. 9.10. Струйный насос а – схема и распределение напоров в проточной части б – схема процесса смешения
1) рабочий напор, затрачиваемый в насосе и равный разности напоров рабочего потока на входе в насос (сечение b - b) и на выходе из него (сечение с - с),
2) полезный напор, создаваемый насосом и равный разности напоров подаваемой жидкости за насосом (сечение с - с) и перед ним (сечение а - а),
3) расход рабочей жидкости
4) полезная подача
КПД струйного насоса равен отношению полезной мощности к затраченной:
Его максимальное значение невелико и составляет Невысокое значение КПД струйных насосов обусловлено значительными потерями энергии, сопровождающими рабочий процесс. Их можно разделить на два вида.
Рис. 9.11.Схема установки для подачи Рис. 9.12. Схема бустерной установки жидкости струйным насосом. со струйным насосом.
1. Потери в камере смешения, состоящие, во-первых, из энергии, рассеиваемой при вихреобразовании, сопровождающем передачу энергии от рабочего потока к подаваемому, и, во-вторых, из потерь на трение жидкости о стенки камеры. 2. Потери в элементах насоса, подводящих и отводящих жидкость. К ним относятся (см. рис. 9.10, а): а) потери hД в диффузоре, обеспечивающем повышение давления от р2 до рс путем преобразования большого скоростного напора б) потери в рабочем сопле
где в) потери во входном сопле
где В этой группе наибольшее значение имеет потеря hд в диффузоре 6. Характеристика струйного насоса (рис. 9.13, а)описывает его работу на переменных режимах. Ее получают обычно при условии Соответственно условию Более удобно характеристику струйного насоса представлять в относительной безразмерной форме, как совокупность зависимостей (см. рис. 9.13, б) h = f (q), η = f (q) и μ р.с = f(q): относительный напор h = Hп/(Hп + Hр); (9.11) относительный расход q = Qo/Q1; (9.12) коэффициент расхода рабочего сопла
Выражение для КПД, получаемое путем преобразования зависимости (9.7) с применением выражений (9.11) и (9.12), имеет вид η = qh/(l-h). (9.14) Размеры проточной части в относительной форме характеризуются относительной площадью
которая представляет отношение площади входа в камеру смешения к площади рабочего сопла. Величина К определяет также отношение диаметра d0 входа в камеру смешения к диаметру d1 рабочего сопла.
Рис. 9.13. Характеристика струйного насоса: а – при переменных режимах работы и условии б – в относительной безразмерной форме
Все множество размерных характеристик, полученных при разных значениях 1) кроме равенства величины К соблюдено геометрическое подобие для всех элементов проточной части; 2) значения относительной шероховатости стенок проточной части должны быть приблизительно одинаковыми; 3) на кинематически подобных режимах работы, характеризуемых условием q = const, соблюдено также подобие по числам Рейнольдса Re ≈ const. При выполнении этих условий подобия постоянным значениям относительных расходов q = const будут соответствовать постоянные значения относительных напоров h = const и безразмерные характеристики подобных насосов с К = const будут одинаковы. Удобной формой записи числа Re для струйных насосов является
Подобие по числу Рейнольдса нужно соблюдать при Re < 106. В зоне Re ≥ 106 автомодельности влияние Re на форму характеристики прекращается и она зависит только от относительных размеров проточной части, выражаемых значением К. Так, безразмерная характеристика на рис. 9.13, б выражает свойства насосов с К = 2 в зоне автомодельности и включает в себя обе характеристики, изображенные на рис. 9.13, а. С изменением величины К форма безразмерной характеристики должна изменяться. Это можно видеть из рассмотрения рабочего процесса в камере смешения (рис. 9.10, 6). При истечении рабочей жидкости со скоростью Внутренняя, не участвовавшая еще в смешении область рабочей струи, ее ядро, и внешняя область невозмущенной подсасываемой жидкости непрерывно утоняются. На расстоянии L в рабочей струе не остается частиц, обладающих начальным запасом энергии, а в сечении 1'-1', где пограничный слой достигает стенки камеры, заканчивается вовлечение новых частиц из внешнего невозмущенного потока. Участок 1’-1' назовем участком вовлечения. Далее на участке 1’ - 2 стабилизации в струе происходит только выравнивание распределения скоростей и соответственно выравнивание энергий вследствие смешения частиц из внутренней области струи, где их энергия выше, с периферийными слоями. При этом скорости в струе приближаются к среднему значению Чаще всего в струйных насосах применяют цилиндрические камеры смешения (d0 = d2). Они просты в изготовлении и позволяют получать относительно хороший КПД. В таких камерах, как показано на рис. 9.10, а, энергия перекачиваемого потока увеличивается по длине камеры за счет прироста кинетической энергии и давления. Однако доля кинетической энергии на выходе из камеры еще недопустимо велика и ее дальнейшее преобразование в давление производится, как указывалось, в диффузоре. Для получения максимального КПД насоса важен рациональный выбор длины LK камеры смешения. При длинной камере поле скоростей в потоке перед входом в диффузор хорошо выровнено и преобразование кинетической энергии в нем будет происходить с малыми потерями. Однако при этом велики потери в камере смешения. При короткой камере процесс смешения в ней не завершится и слабая выровненность поля скоростей в сечении 2 - 2 приведет к увеличению потерь в диффузоре, хотя потери в самой камере смешения уменьшатся. Оптимальная длина LK камеры определяется экспериментально. Ее величина, как и форма характеристики насоса, зависит от параметра К. Насосы с малым К, у которых, согласно выражению (9.15), диаметр сопла d1 близок к диаметру камеры d0, будем называть высоконапорными. В них площадь S0, пропускающая подсасываемый поток, относительно мала. Малым будет и относительный расход q. Зато каждая единица массы перекачиваемой жидкости получит здесь большую энергию и относительный напор h будет велик. В таком насосе согласно рис. 9.10, 6 участки вовлечения и стабилизации должны быть короткими и оптимальная длина LK камеры малая. Напорная характеристика насоса будет иметь форму круто падающей кривой. Низконапорный насос, у которого d0 > > d1, и параметр К велик, может иметь большую подачу, но сообщает жидкости малые напоры Hп. Для него диапазон q велик, а величины h малы и характеристика имеет пологую форму. Камера смешения такого насоса должна иметь большую длину из-за протяженности участков вовлечения и стабилизации. Если безразмерные характеристики насосов с различными К нанести на общее поле, то по ним можно построить огибающую (рис.9.14) соприкасающуюся с каждой из возможных характеристик К = const в одной точке (разработка и использование огибающей характеристик для расчета струйных насосов предложены Л. Г. Подвидзом). Для любого значения q огибающая указывает наибольший относительный напор h. Значит, согласно выражению (9.14) огибающая объединяет режимы наивысшей возможной экономичности для струйных насосов. Так как в каждой точке огибающей ее касается одна характеристика К = const, насос с этим значением К будет оптимальным для сочетания параметров q и h в этой точке. Левая часть поля под огибающей занята крутыми характеристиками высоконапорных насосов (например, К = 0, 5). В правую часть поля вытянуты пологие характеристики низконапорных насосов (например, К = 10). Взаимосвязанные величины q и h в точках огибающей определяют наивысшие возможные значения КПД насосов. Их можно вычислить по выражению (9.14). Совокупность характеристик на одном поле и соответствующую им огибающую надо строить для одного диапазона значений Re. Например, характеристики на рис. 9.14 соответствуют Re ≥ 106. На рис. 9.14 вместе с огибающей h = f (q) напорных характеристик представлены также вспомогательные зависимости, необходимые для определения соотношений размеров проточной части оптимальных насосов. Кривая К = f (q) связывает точки огибающей со значениями К = const характеристик, касающихся огибающей в этих точках. Кривая LK /d2 = f (К) позволяет определить оптимальную длину камеры смешения, соответствующую каждому К.
Рис. 9.14. Огибающая безразмерная характеристика струйных насосов с цилиндрическими камерами смешения
По кривым h0 = f (K) и q0 = f (K) можно найти начальную и конечную точку любой характеристики К = const и приближенно построить любую характеристику К = const по трем точкам - значениям h0, q0 и координатам q и h точки касания с огибающей (см. характеристику К = 5 под огибающей на рис. 9.14). С уменьшением Re потери в насосах возрастают. При этом полезный напор Hп и соответствующий ему согласно выражению (9.11) относительный напор h уменьшаются по сравнению со своими предельными значениями в зоне Re > 106. Опытами установлено, что с уменьшением Re относительное уменьшение h не зависит от q и для получения желаемого h нужно в таких случаях применять насосы с большим диаметром сопла, т. е. с меньшим К. Для определения значений h* и K *, представляющих относительные напор и площадь, соответствующие заданному q при Re < 106, на рис. 9.15 приведены экспериментальные зависимости где h и К представляют значения, соответствующие заданному q по огибающей нарис. 9.14 приRe ≥ 106. По характеристикам, данным на рис. 9.14 и 9.15, можно легко найти основные размеры проточной части требуемого струйного насоса по значениям его четырех основных рабочих параметров, приведенным в начале параграфа. Если задано не более трех параметров, а четвертый может варьировать, это означает, что задано либо h либо q. В этом случае недостающую относительную величину выбирают по огибающей на рис. 9.14 и с ее помощью уточняют нужное значение четвертого параметра. Далее, соответственно известному q по графику К = f (q) определяют требуемую относительную площадь К и по графику LK/d2 = f(К) необходимую относительную длину камеры смешения.
Рис. 9.15. Зависимость относительных параметров струйных насосов от числа.. ……… Рейнольдса
Диаметр d1 рабочего сопла насоса можно определить из выражения (9.5), если известна скорость
Решая совместно уравнения (9.5), (9.6), (9.11) и (9.14), получим
Совместное решение уравнений (9.16) и (9.17) позволяет определить скорость
В выражении (9.18) величина После определения по уравнениям (9.5) и (9.18) диаметра d1 сопла, из выражения (9.14) находят диаметр d2 = d0 камеры смешения и, пользуясь найденным относительным размером Lk / d2, ее длину LK. Рекомендуется применять диффузоры с углами раскрытия 6 - 8°. Рабочее сопло и кольцевое входное сопло камеры смешения (рис. 9.10, 6) выполняют обычно в виде плавно сходящихся коноидальных насадков. Кромку рабочего сопла делают по возможности тонкой с относом Lc от начала камеры (сечение 1 -1 нарис.9.10, б)на Жесткое задание четырех основных параметров [формулы (9.3) - 9.6)] означает, что заданы q и h. Они определяют точку на поле огибающей (см. рис. 9.14). Если она лежит над огибающей, то создание такого насоса невозможно и требуется корректировка задания. Если точка лежит под огибающей, то тип нужного насоса, характеризуемый величиной К, находят подбором. Для этого, подбирая взаимосвязанные значения h0 и q0 покривым h0 = f (К) и q 0 = f (К) на рис. 9.14, строят приближенно характеристику, проходящую через данную точку под огибающей и касающуюся огибающей. Пользуясь значением q для точки касания определяют по кривой К = f (q) величину К нужного насоса. Далее, пользуясь найденным значением К, определяют размеры его проточной части так же, как было описано выше. Приведенные характеристики и расчеты, связанные с ними, действительны, если обеспечена бескавитационная работа струйного насоса. При чрезмерно малом давлении p1 (рис. 9.10, а) у входа в камеру смешения, в месте контакта двух потоков, кавитация возникает в струйном пограничном слое, где из-за интенсивного вихреобразования образуются области наименьшего давления рmin = pн.п (pнп - давление паров жидкости). Процесс смешения из-за интенсивного выделения парогазовых пузырьков нарушается, и полезный напор Нп резко снижается по сравнению с нормальным. Понижение давления в пограничном слое по сравнению с окружающим его невозмущенным потоком пропорционально скорости этого потока:
Используя это уравнение для условий возникновения кавитации (Pmin = Рн.п) и решая его совместно с уравнением Бернулли для сечений а - а и 1 - 1 перекачиваемого потока, получим критический напор на входе в насос:
Из этого уравнения можно выделить критический запас давления сверх давления насыщенных паров, соответствующего началу кавитации. Соответствующий этому запасу давления напор
Критический запас напора можно представить в относительной форме. Используя выражения (9.17) и (9.18), получим
Опытами установлено, что величина и для всех струйных насосов, работающих на оптимальных режимах, соответствующих точкам огибающей (см. рис. 9.14), изменяется мало:
Это обусловлено тем, что для однотипных по форме входов в камеру, выполненных в виде плавных сходящихся насадков, С ≈ const. Мало изменяется для оптимальных режимов и величина μ р.с. Следовательно, по выражению (9.19) легко найти
|