Процессы в эжекторе
Эжектор в общем виде состоит из трех частей: сопла (С), камеры смешения (КС) и диффузора (Д) - рис.21.3.
Сопла крупных эжекторов изготавливают из стали с высокой точностью обработки внутренней поверхности; камера смешения может быть изготовлена любым способом, при этом к обработке внутренней поверхности высоких требований не предъявляют; диффузор изготавливают от листовой стали путем сварки конусной конструкции с последующей точной обработкой внутренней поверхности. При современных технологиях производства и обработки возможно использовать и другие конструкционные материалы, особенно для малых эжекторов.
Теория расчета и проектирования эжектора разработана достаточно давно и хорошо известная специалистам[65].
Первоначально рассмотрим идеализированный эжектор, в котором отсутствуют теплообмен между потоками и необратимости при превращениях кинетической энергии в потенциальную и наоборот, а также необратимости, связанные с трением и завихрениями потоков.
Поток рабочего вещества на выходе из генератора[66] при высоком давлении, соответствующем рг, в количестве а условных кг (или МаР) обладает большой потенциальной энергией. При прохождении через сопло скорость потока увеличивается, следовательно, наблюдается преобразование потенциальной энергии в кинетическую. На выходе из сопла давление рассматриваемого потока становится несколько ниже ро, что дает возможность за счет образовавшегося разрежения подсасывать в камеру смешения пар из испарителя, находящийся при давлении р0 (расход этого потока принимают 1 ус-
Рис.21.3. Условное изображение эжектора (а); график распределения давлений (б) и скоростей (в) в характерных точках (точки на рис.21.3 соответствуют точкам на схеме машины - рис.21.1)
Ловный кг или Мао6р). Поток рабочего вещества, образовавшийся в камере смешения, в количестве (1 +а) кг обладает высокой кинетической энергией. При прохождении через диффузор, скорость движения потока уменьшается, следовательно, кинетическая энергия переходит в потенциальную и давление потока повышается до рк (Рг<Рк<Роу
Величина а называется кратностью циркуляции и определяет количество рабочего вещества, которое должно быть подано в сопло, чтобы 1 условный кг рабочего вещества был сжат от р0 до рк.
Величиной, характеризующей эффективность эжекторной холодильной машины (теплового насоса) является величина, обратная кратности циркуляции - коэффициент эжекции
М=-. (21.1).
А
Отношение давлений рк/ро является величиной постоянной для каждой конструкции эжектора. Отклонение параметров потоков, входящих в эжектор, от расчетных, приводит к нарушению законов сплошности потока и, как следствие этого, к непрогнозируемым характеристикам потока на выходе их эжектора, а также к пульса - ционной работе эжектора, что еще более понижает его эффективность.
Следует указать на тот факт, что эжектор может работать в области влажного пара, ему не свойственны негативные последствия гидравлического удара и влажного хода, однако такие режимы работы обязательно отразятся на эффективности процессов, происходящих в эжекторе (работа пульсациями), что повлечет за собой дополнительные необратимости и связанное ними понижение эффективности.
Рис.21.4. Изображение реальных процессов в эжекторе в диаграмме состояний h-s
Рассмотрим процессы в действительном эжекторе (рис.21.4) с предположением, что все процессы происходят в области перегретого пара. Состояние рабочего вещества высокого давления после генератора как и ранее определяется точкой 2 (рг> Т2, h2). Состояние рабочего вещества после испарителя - точкой 8 (ра Т8, й«).
Состояние рабочего вещества после расширения в сопле характеризуется точкой А (р^ Та, hA), процесс 2-А - политропный, происходящий в условиях теплообмена с рабочим веществом находящимся в камере смешения. В результате превращения части потенциальной энергии потока (h2+h2)<Pc в кинетическую, скорость потока на входе в камеру смешения достигает значения w2
W*2 =k-<pc-yjw2_A, (21.2)
Где (рс - коэффициент местного сопротивления в сопле, к - коэффициент, учитывающий свойства рабочего вещества (например, к - 91,5 для воды), w2.A - работа расширения в процессе 2-А.
Поток рабочего вещества, направляющийся из испарителя, при входе камеру смешения расширяется от ро до рл, его состояние описывается точкой В. Для определения скорости потока в точке В необходимо использовать уравнение, аналогичное ур.(21.2).
В камере смешения происходит выравнивание скоростей и повышение давления перемешиваемых потоков одновременно с теплообменом (процесс С-5). На выходе из камеры смешения поток обладает некоторой средней скоростью w5 и давлением р5. Далее рассматриваемый поток направляется в диффузор, на выходе из
которого состояние потока определяется точкой 3 (рк, Т3, Нз), а его скорость определяется как
Wj = — 'Jw5_3 , (21.3)
Где фд - местное сопротивление по длине диффузора, W5.3 - работа сжатия в процессе 3-5.
На основании Первого закона термодинамики запишем уравнение сохранения энергии в эжекторе
Mn/h2 + Mfh8 = (лс + М? р )h3, (21.4)
Где Маобр - массовый расход рабочего вещества, проходящий через испаритель (осуществляющий обратный термодинамический цикл), Мапр - массовый расход рабочего вещества, проходящий через генератор (осуществляющий прямой термодинамический цикл).
На основании ур.(21.4) выражение для определения коэффициента эжекции имеет вид
И-Щг-ЬсЬ, (21.5)
М°6р h3-h8 '
Или
И =( |
Wi |
W
Фс'Фд' J — 1 • (21-6)
5-3
Для определения характеристик рабочего вещества на выходе из теоретического эжектора (точка 3*) используют графический метод построений в диаграмме h-s. Точка 3* определяется на пересечении изобары рк и прямой, соединяющей точки 2 и 8. Видно, что расхождение в положении действительной точки на выходе из эжектора 3 и теоретической 3* существенно, чем и иллюстрируется высокая степень необратимости комплексных процессов в действительном эжекторе и связанное с этим низкое значение КПД самого эжектора.
Как указывалось ранее, на реальное прохождение процессов расширения в сопле и смешения в камере смешения оказывает влияние внутренний теплообмен в эжекторе. Если вход потока из испарителя в камеру смешения эжектора происходит перпендикулярно оси эжектора, то тем самым снижается тепловой контакт между потоками,
А) б) Рис.21.5. Моделирование процессов в камере смешения эжектора: а) при перпендикулярном входе потоков; б) при параллельном входе потоков |
Однако, в этом случае наблюдается наибольшая необратимость в процессе смешения, связанная со взаимным торможением потоков. Эта необратимость является наиболее значимой среди других необратимостей в эжекторе, поэтому в современных конструкциях используют введение потока при р0 в камеру смешения параллельно оси эжектора.
На рис.21.5 представлены результаты моделирования процессов в различных камерах смешения в эжекторе*.
Более подробный анализ процессов, происходящих в элементах эжектора, определение критических режимов работы эжектора, определение оптимальных геометрических характеристик сопла, камеры смешения и диффузора рассмотрено в специальной литературе.