Диффузор

Принципиальная схема и процесс работы струйного эжектора

Рассмотрим газоструйный аппарат, в котором не происходит изменение агрегатного состояния, т.е. рабочим телом является газ, эжектируется тоже газ. Аппараты с большой степенью расширения рабочего тела и умеренной степенью сжатия называются струйными эжекторами (эти же устройства являются ступенями вакуумного насоса).

Рассмотрим аппарат с цилиндрической камерой смешения. Эти устройства получили наибольшее распространение на практике. Экспериментально установлена эффективность цилиндрических и конических камер смешения: для умеренных степеней сжатия – цилиндрические, для повышенных – конические (это следует из закона обращения воздействий: ).

На рис. 6 представлена принципиальная схема струйного эжектора с цилиндрической камерой смешения. Рабочий газ с давлением Р_р и скоростью W_р подводится к рабочему соплу. Поскольку W_р в подводящем трубопроводе, как правило невелика, то Р_р ≈ давлению торможения. Рабочее сопло имеет форму сопла Лаваля, т.е. с критическим сечением и с расширяющей выходной частью. Степень расширения газа в сопле Р_р/Р_н.

Давление газа в сопле снижается от Р_р до Р_р1 = Р_н, а скорость увеличивается от W_p до W_p1. Рабочий газ, выходящий из сопла в приемную камеру со скоростью W_p1, подсасывает из приемной камеры газ, который поступает в приемную камеру с давлением Р_н.

По мере удаления от сопла массовый расход движущего потока непрерывно увеличивается за счет подсасываемого газа, а поперечное сечение потока растет и на некотором расстоянии от сопла поток касается стенок приемной камеры. В этом сечении 4-4 (f₄) массовый расход G = G_p + G_н, где G_p – расход рабочего газа, G_н - расход эжектируемого газа. В этом сечении профиль скоростей имеет большую неравномерность по радиусу потока: на границе скорость мала, по оси она близка к скорости истечения из сопла W_p1.

Сечение f₄ является конечным сечением приемной камеры и начальным сечением камеры смешения. Т.к. f₄ > f₂, то скорость на этом участке растет (аналог сужающего сопла), а давление падает.

На рис. 7 показан профиль скоростей в двух крайних сечениях цилиндрической камеры смешения. Можно условно представить поток во входном сечении состоящем из двух соосных потоков: центрального с массовым расходом G_p и средней скоростью W_p2 и периферийного с массовым расходом Gн и скоростью Wн₂, причем W_p2 >> W_н2.

В выходном сечении камеры смешения поток имеет достаточно равномерный профиль скоростей (W₃).

Основными характеристиками струйного эжектора являются коэффициент эжекции (ν) и степень сжатия .

На рис.8 схематически изображен профиль проточной части эжектора с коническим участком камеры смешения и указаны основные составляющие (элементы) эжектора.

Назначение диффузора состоит в преобразовании динамического напора потока в статическое давление. Здесь работают два фактора: закон обращения воздействий (геометрическое воздействие на поток) и закон сохранения энергии в форме уравнения Бернулли .

Диффузор, как и любой канал, характеризуется гидравлическими потерями, выражающиеся через коэффициент сопротивления диффузора:

, (2)

где q - угол раствора (угол раскрытия диффузора), F₁, F₂ - площади входного и выходного сечений, М₁ – число Маха на входе в диффузор.

Рис.9. Диффузор

Коэффициент трения может быть представлен суммой потерь: , где x_тр – потери на трение, x_р – потери, связанные с расширением потока (учитывают и отрывные эффекты в диффузоре), x_вых – потери с выходной скоростью.

Для оценки сопротивления диффузоров, т.е. оценки их гидравлического качества, пользуются коэффициентом восстановления давления: , где и - полное давление на входе и выходе (; ).

Характеристики j и x взаимно связаны. Для расчетов дозвуковых диффузоров удобно пользоваться формулой

, (3)

где l₁ - газодинамическая функция: ;

- критическая скорость, Т_кр – температура газа в критическом сечении.

Критической скоростью называется такая скорость течения газа, которая равна местной скорости звука. Для расчета а_кр нужно знать Т_кр. Ее можно определить с помощью уравнения сохранения энергии:

, (4)

или , где Т* - температура торможения.

Так как , то .

Основной характеристикой газоструйного эжектора как компримирующего устройства является зависимость коэффициента эжекции от степени сжатия. Эта характеристика представлена на рис.10. По рисунку можно определить влияние на эту характеристику диффузора и формы камеры смешения.