способ сжатия сред в струйном аппарате и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ сжатия сред в струйном аппарате, заключающийся в том, что подают в аппарат активную и пассивную среды, смешивают среды в камере смешения с формированием двухфазной смеси, с разгоном смеси сначала до звуковой скорости, а потом в камере расширения - до сверхзвуковой скорости, организуют скачок уплотнения для торможения смеси с соответствующим ростом статического давления после скачка уплотнения и преобразованием потока в однофазный, после чего подают потребителю, причем статическое давление после скачка уплотнения должно быть меньше полусуммы давления торможения после скачка уплотнения и статического давления перед скачком уплотнения, отличающийся тем, что активную среду подают в аппарат со сверхзвуковой скоростью и статическое давление в камере смешения устанавливают меньше давления пассивной среды, кроме того, давление торможения после скачка уплотнения устанавливают большим давления потребителя.

2. Устройство для осуществления способа, содержащее камеру смешения, коаксиально ей установленные сопла для подвода газообразной и жидкой сред, камеру расширения и диффузор с горловиной, установленной на выходе камеры расширения, при этом горловина выполнена в виде цилиндрического патрубка, отличающееся тем, что камера смешения соединена с камерой расширения, сопло для подвода газообразной среды выполнено в виде геометрического сверхзвукового сопла, а диффузор с патрубком установлен с возможностью перемещения вдоль продольной оси.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что камеры смешения и расширения выполнены с соосным им центральным телом, установленным с возможностью перемещения вдоль оси.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что геометрическое сверхзвуковое сопло для подвода газообразной среды выполнено кольцевым с центральным телом, установленным соосно соплу с возможностью перемещения вдоль оси.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что геометрическое сверхзвуковое сопло для подвода газообразной среды выполнено прямоугольного сечения.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что геометрическое сверхзвуковое сопло для подвода газообразной среды выполнено эллиптического сечения.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что геометрическое сверхзвуковое сопло для подвода газообразной среды выполнено с косым срезом сверхзвуковой части сопла.

8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что геометрическое сверхзвуковое сопло для подвода газообразной среды выполнено в виде соплового блока с общим подводом газовой смеси.

9. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на боковой поверхности сверхзвуковой части геометрического сверхзвукового сопла для подвода газообразной среды выполнены отверстия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области струйной техники и может быть использовано в различных отраслях экономики: теплоэнергетике для систем теплоснабжения, горячего водоснабжения, химводоподготовки, дегазации воды, подготовки мазута к сжиганию; в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, а также в химической, пищевой, фармацевтической промышленности в качестве дозаторов, гомогенизаторов, стерилизаторов и т.д.

Известен способ сжатия сред в струйном аппарате [1], заключающийся в том, что в аппарат подают с дозвуковой скоростью активную и пассивную среды, смешивают среды в камере смешения с формированием двухфазной смеси, с разгоном смеси сначала до звуковой скорости, а потом в камере расширения - до сверхзвуковой скорости, организуют скачок уплотнения для торможения смеси с соответствующим ростом статического давления после скачка и преобразованием потока в однофазный, после чего подают его потребителю.

Из этого же патента известно устройство для осуществления способа сжатия сред в струйном аппарате, содержащее камеру смешения, коаксиально ей установленные сопла для подвода газообразной и жидкой сред, камеру расширения, размещенную на выходе камеры смешения и диффузор с горловиной, установленный на выходе камеры расширения, при этом горловина выполнена в виде цилиндрического патрубка.

Однако в известном способе сжатия сред в камере расширения поддерживается атмосферное давление, что снижает эффективность работы струйного аппарата, затрудняет его надежную работу, а в ряде случаев делает аппарат неработоспособным. Кроме того, конструкция аппарата довольно сложная, поскольку для увеличения эффективности торможения сверхзвукового двухфазного потока диффузор выполняют со сложным профилем и снабжают его центральным телом, установленным на демпфирующей пружине.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ сжатия сред в струйном аппарате и устройство для его осуществления [2], заключающийся в том, что подают в аппарат с дозвуковой скоростью активную и пассивную среды, смешивают среды в камере смешения с формированием двухфазной смеси с разгоном смеси сначала до звуковой скорости, а потом в камере расширения - до сверхзвуковой скорости, организуют скачок уплотнения для торможения смеси с соответствующим ростом статического давления после скачка уплотнения и преобразованием потока в однофазный, после чего подают его потребителю, при этом статическое давление после скачка уплотнения должно быть меньше полусуммы давления торможения после скачка и статического давления перед скачком. Кроме того, в зоне истечения в камере расширения статическое давление перед скачком уплотнения устанавливают меньшим давления окружающей среды, а статическое давление после скачка уплотнения устанавливают большим или равным давлению окружающей среды.

В камеру смешения может быть подведен дополнительный поток, после чего смесь сред разгоняют до ее собственной скорости звука. Кроме того, к смеси сред до достижения ею собственной скорости звука может быть подведено тепло и/или масса и от сверхзвукового потока смеси сред может быть отведено тепло и/или масса.

В этом же патенте описано устройство для реализации способа сжатия сред, содержащее камеру смешения, коаксиально ей установленные сопла для подвода газообразной и жидкой сред, камеру расширения, размещенную на выходе камеры расширения и диффузор с горловиной, установленный на выходе камеры расширения, при этом горловина выполнена конической, сужающейся по ходу потока смеси сред, камера расширения сообщена непосредственно с горловиной диффузора и снабжена выпускным патрубком с разгрузочным клапаном, причем диаметр горловины равен от 1 до 3 гидравлических диаметров выходного сечения камеры смешения. Кроме того, устройство может быть снабжено устройством подвода дополнительной среды в направлении движения потока среды в направлении движения потока смеси сред, расположенным до выходного сечения камеры смешения по ходу потока, горловина диффузора расположена соосно камере смешения, выходное сечение камеры смешения может быть выполнено в виде диафрагмы, а разгрузочный клапан может быть снабжен средством регулировки давления его открытия.

Однако в известном устройстве сжатия сред необходимо обеспечить значительный расход активной среды. Например, в трансзвуковом струйном аппарате - “Транссонике” и его дальнейшей модификации “Фисонике”, используемом в теплоэнергетике, расход дорогостоящего пара достигает 14% от расхода подаваемой холодной воды. Кроме того, конструкция такого аппарата не позволяет широко варьировать выходными параметрами горячей воды.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является исключение энергетических затрат на подачу пассивной среды и снижение расхода активной среды, а также регулирование характеристик активной и пассивной сред и расширение диапазона параметров среды, получаемой на выходе из аппарата: давление, температуры и скорости потока.

Указанная задача решается тем, что в способе сжатия сред в струйном аппарате, заключающемся в том, что подают в аппарат активную и пассивную среды, смешивают среды в камере смешения с формированием двухфазной смеси, с разгоном смеси сначала до звуковой скорости, а потом в камере расширения - до сверхзвуковой скорости, организуют скачок уплотнения для торможения смеси с соответствующим ростом статического давления после скачка уплотнения и преобразованием потока в однофазный, после чего подают потребителю, причем статическое давление после скачка уплотнения должно быть меньше полусуммы давления торможения после скачка уплотнения и статического давления перед скачком уплотнения, согласно изобретению активную среду подают в аппарат со сверхзвуковой скоростью и статическое давление в камере смешения устанавливают меньше давления пассивной среды, кроме того, давление торможения после скачка уплотнения устанавливают большим давления потребителя.

В части устройства струйный аппарат для реализации способа сжатия сред содержит камеру смешения, коаксиально ей установленные сопла для подвода газообразной и жидкой сред, камеру расширения и диффузор с горловиной, установленной на выходе камеры расширения, при этом горловина выполнена в виде цилиндрического патрубка, при этом камера смешения соединена с камерой расширения, сопло для подвода газообразной среды выполнено в виде геометрического сверхзвукового сопла, а диффузор с патрубком установлен с возможностью перемещения вдоль продольной оси.

Кроме того, камеры смешения и расширения могут быть выполнены с соосным им центральным телом, установленным с возможностью перемещения вдоль оси.

Геометрическое сверхзвуковое сопло для подвода газообразной среды может быть выполнено:

- кольцевым с центральным телом, установленным соосно соплу с возможностью перемещения вдоль оси;

- прямоугольного или эллиптического сечения;

- с косым срезом сверхзвуковой части сопла;

- в виде соплового блока.

Кроме того, что для дополнительного подвода газообразной среды на боковой поверхности сверхзвуковой части геометрического сверхзвукового сопла могут быть выполнены отверстия.

На фиг.1 представлен продольный разрез струйного аппарата для реализации способа сжатия сред; на фиг.2 - фрагмент струйного аппарата с центральным телом, соосным камерам смешения и расширения и установленным с возможностью перемещения вдоль оси; на фиг.3 - фрагмент струйного аппарата с геометрическим сверхзвуковым соплом для подвода газообразной среды, выполненным с центральным телом, установленным соосно соплу с возможностью перемещения вдоль оси; на фиг.4 - фрагмент струйного аппарата с сопловым блоком, обеспечивающим общий подвод активной среды, на фиг.5 - фрагмент струйного аппарата с отверстиями, выполненными на боковой поверхности сверхзвуковой части геометрического сверхзвукового сопла для подвода газообразной среды.

Устройство для осуществления способа сжатия сред содержит камеру смешения 1, коаксиально ей установленные: сопло 2 - для подвода пассивной среды, геометрическое сверхзвуковое сопло 3 - для подвода активной среды, камеру расширения 4, размещенную на выходе камеры, и диффузор с горловиной 5, установленный на выходе камеры расширения, при этом горловина выполнена в виде цилиндрического патрубка. Камера смешения 1 соединена с камерой расширения 4, а диффузор с патрубком 5 установлен с возможностью перемещения вдоль продольной оси. Кроме того, камеры смешения 1 и расширения 4 могут содержать центральное тело 6, установленное соосно с возможностью перемещения вдоль продольной оси.

Геометрическое сверхзвуковое сопло 3 может быть выполнено кольцевым с центральным телом 7, установленным соосно соплу с возможностью перемещения вдоль продольной оси.

Геометрическое сверхзвуковое сопло 3 может быть выполнено в виде соплового блока 8 с общим подводом газовой смеси.

Геометрическое сверхзвуковое сопло 3 может быть выполнено с отверстиями 9 на боковой поверхности сверхзвуковой части сопла.

Способ сжатия сред в струйном аппарате осуществляется следующим образом. Активную среду подают через геометрическое сверхзвуковое сопло 3, в результате чего образуется сверхзвуковая неизобарическая струя. Поскольку активную среду подают в аппарат со сверхзвуковой скоростью и статическое давление в камере смешения устанавливают меньше давления пассивной среды, струя вовлекает в движение массу пассивной среды, поступающей через патрубок 2, с образованием двухфазной смеси, которая поступает в соединенные между собой камеры смешения 1 и расширения 4, где образуется сверхзвуковая двухфазная струя. При воздействии струи на выходной патрубок диффузора 5, установленный с возможностью перемещения вдоль продольной оси, образуется скачок уплотнения, что сопровождается уменьшением скорости потока, но значительным возрастанием его давления и температуры; причем давление торможения после скачка уплотнения устанавливают большим давления потребителя.

Для регулирования выходных параметров двухфазной смеси камеры смешения 1 и расширения 4 могут быть выполнены с соосным им центральным телом 6, установленным с возможностью перемещения вдоль оси.

Для изменения характеристик газообразной среды геометрическое сверхзвуковое сопло 3 для ее подвода выполнено кольцевым с центральным телом 7, установленным соосно соплу с возможностью перемещения вдоль оси.

С целью повышения эжекционных свойств сверхзвуковой неизобарической струи активной среды сверхзвуковое сопло для подвода газообразной среды 3 может быть выполнено: прямоугольного или эллиптического сечения, с косым срезом сверхзвуковой части сопла, а также в виде соплового блока 8 с общим подводом газовой смеси.

Для улучшения смешения активной и пассивной сред на боковой поверхности сверхзвуковой части геометрического сверхзвукового сопла для подвода газообразной среды 3 выполнены отверстия 9.

Заявляемый способ сжатия сред в струйном аппарате и устройство для его осуществления позволит исключить энергетические затраты на подачу пассивной среды и снизить расход активной среды до 10%. Кроме того, в зависимости от значений параметров однофазного потока на выходе из аппарата, необходимых потребителю, они могут изменяться в более широких, чем ранее пределах: например, давление до 300 атм, а температура до 190°С.

Источники информации

1. Патент США № 3200764, кл. 417 - 185, 1965.

2. Патент Российской Федерации № 2016261, F 04 F 5/02, 1994.