Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

Д.т.н., проф. Лагуткин М.Г., аспирант Исаев С.В.

Московский государственный университет инженерной экологии, Россия

Исследование влияния конструктивных и режимных параметров работы вихревого эжектора на коэффициент инжекции

В процессах инжекции газа в промышленности применяется ряд аппаратов. Наибольшую популярность приобрели струйные аппараты, что объясняется наличием методики их расчета, которая закрепляется надежной экспериментальной базой. В то же время существуют аппараты, которые имеют ряд преимуществ по отношению к струйным аппаратам. Например, вихревым эжекторам характерна более простая конструкция, но использование таких аппаратов в промышленности тормозится отсутствием единой надежной методики расчета. Такие аппараты изучались ранее, но результаты, полученные в ходе проведенных исследований, оставались справедливыми только для экспериментальных образцов, то есть не было дано никаких рекомендаций при выходе на промышленные установки. Поэтому в настоящее время остается актуальным поиск единого уравнения для расчета вихревых эжекторов.

Активный (рабочий) поток газа подается в цилиндрический корпус 1 аппарата тангенциально. Патрубок входа инжектируемого потока 3 расположен коаксиально с корпусом аппарата со стороны входа рабочего потока. Внутри аппарата потоки газа смешиваются, двигаясь по направлению к выходному патрубку, расположенному тангенциально с противоположной стороны аппарата. Аппарат схематически изображен на рис. 1.

Рис.1. Вихревой эжектор. 1 – корпус; 2 – патрубки входа рабочего потока; 3 – патрубок входа инжектируемого потока; 4 – выходной патрубок.

Подсос газа становится возможным за счет создания разряжения на оси аппарата при увеличении давления во вращающемся потоке газа по направлению к стенкам корпуса 1. Основной характеристикой работы вихревого эжектора является коэффициент инжекции u, представляющий собой отношение расхода инжектируемого (пассивного) потока газа к расходу рабочего (активного) потока.

Коэффициент инжекции можно представить в виде функциональной зависимости от конструктивных и аэродинамических характеристик аппарата (при свободном выходе смешанного потока):

, (1)

где - диаметр патрубка входа инжектируемого потока 3, - диаметр аппарата, - суммарная площадь сечения патрубков входа рабочего потока 2, - площадь сечения цилиндрического корпуса 1 аппарата, - длина цилиндрического корпуса 1 аппарата, - площадь сечения патрубка входа инжектируемого потока 3, - площадь сечения выходного патрубка, - давления потока газа на выходе из аппарата, - число Маха в патрубках входа рабочего потока.

Исследовательская часть работы проводится в среде CosmosFlowWorks, являющимся программным компонентом SolidWorks. Создание математической модели строится путем покомпонентного исследования влияния геометрических и аэродинамических характеристик на эффективность работы аппарата.

В первую очередь необходимо установить границы возможных размеров некоторых геометрических параметров аппарата. Особый интерес здесь вызывает влияние на величину коэффициента инжекции отношения высоты выходного патрубка a к диаметру аппарата при неизменности площади выходного сечения и отношения длины аппарата к диаметру цилиндрического корпуса 1. Полученные результаты представим в виде следующих зависимостей: a/D=0,4, L/D=1,7.

Исходя из представленной выше функциональной зависимости (1), связывающей эффективность работы аппарата с его основными характеристиками, коэффициент инжекции можно представить в виде уравнения:

(2)

Построение математической модели сводится к поиску значений показателей степеней n₁, n₂, n₃, и n₄. Для этого необходимо исследовать влияние каждого приведенного параметра на коэффициент инжекции аппарата, что может быть реализовано путем построения графиков зависимости коэффициента инжекции от каждого подстепенного отношения в логарифмической системе координат. Значение степени будет представлять собой тангенс угла наклона полученной прямой к ординате.

Проведенные исследования позволили нам получить математическую зависимость для расчета величины коэффициента инжекции вихревого эжектора в следующем виде:

(3)

Уравнение (3) позволяет рассчитать не только коэффициент инжекции для конкретного аппарата, но и подобрать по заданным расходам рабочего и инжектируемого потоков геометрические размеры вихревого эжектора.