Струйные насосы Лекция 10 1 06 02 2018

Струйные насосы Лекция 10 1 06. 02. 2018

Введение l Струйными называют насосы, у которых приращение энергии перекачиваемой жидкости происходит за счет кинетической энергии струи жидкости того же или другого рода. Лекция 10 2 06. 02. 2018

Повестка дня Принцип действия l Процессы в основных элементах струйного насоса l Основное энергетическое уравнение, параметры и характеристики жидкостных струйных насосов l Лекция 10 3 06. 02. 2018

Принцип действия l В трубопровод 2 в количестве G 1, кг/с, подается капельная или газообразная рабочая жидкость, которая, вытекая из сопла 3 со скоростью u 0, образует рабочую струю. Величина кинетической энергии струи определяется давлением р1 жидкости в трубопроводе 2. Перекачиваемая жидкость в количестве G 2 по всасывающему трубопроводу подводится к всасывающему патрубку 1 струйного насоса и дальше к сечению III – III, в котором располагается выходное отверстие сопла и начинается камера смешения 5. Лекция 10 5 06. 02. 2018

l Скорость потока перекачиваемой жидкости u 3 в сечении III – III значительно меньше скорости рабочей струи u 0. Совместное движение этих двух потоков в направлении оси камеры смешения будет сопровождаться взаимным трением, вследствие чего скорость рабочей струи будет уменьшаться, а перекачиваемой жидкости – увеличиваться.

l В слое, непосредственно окружающем рабочую струю, происходит интенсивный обмен энергией перекачиваемой и рабочей жидкости. Кинетическая энергия струи в продольном и поперечном направлениях уменьшается, а перекачиваемой жидкости – увеличивается. Таким образом, при помощи струи рабочая жидкость непосредственно передает свою энергию перекачиваемой жидкости; следовательно, в струйном насосе «рабочим органом» является струя рабочей жидкости.

l Движение двух рассматриваемых потоков жидкости сопровождается выравниванием поля скоростей и в некотором сечении х–х горловины 6, достаточно удаленном от выходного сечения сопла, завершается образованием смеси примерно однородной концентрации. При этом рабочая струя теряет свою индивидуальность, существенно деформируется и здесь заканчивается ее всасывающее действие.

l За сечением х–х следует диффузор 7, в котором происходит преобразование кинетической энергии получившейся смеси жидкостей в потенциальную. В результате этого процесса в выходном сечении диффузора IV–IV устанавливается величина скорости, допустимая для движения в нагнетательном трубопроводе или для выхода в атмосферу.

Словарь терминов Струйные насосы работают либо как эжекторы, либо как инжекторы. l Эжектором называют насос, приспособленный для выкачивания жидкости (воздуха, воды, масла и др. ). Для этого всасывающий патрубок насоса присоединяется к обслуживаемому объекту. l Инжектором называют насос, накачивающий жидкость под давлением в резервуар. В этом случае к обслуживаемому объекту присоединяется нагнетательный патрубок насоса. Лекция 10 10 06. 02. 2018

Процессы в основных элементах струйного насоса В сопле водоструйного насоса происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую, что сопровождается гидравлическими потерями, величина которых зависит от формы и качества изготовления сопла. На рисунке сечением I – I обозначено начало сопла, в котором устанавливается абсолютное давление р1 и скорость u 1, а сечением III – III выходное отверстие сопла, где устанавливается абсолютное давление р3. Допуская, что гидравлическое сопротивление сопла может быть оценено коэффициентом zс=(0, 05 – 0, 1), найдем действительную скорость истечения жидкости из сопла u 0. Лекция 10 11 06. 02. 2018

Лекция 10 12 06. 02. 2018

Для этого используем уравнение Бернулли для сечений I – I и III – III в виде откуда

l Экспериментальные исследования показывают, что в выходном сечении сопла скорость u 0 практически постоянна; на расстоянии, равном (4 – 5)∙d 0 от сопла, начинается деформация струи, которая выражается в уменьшении осевой скорости струи, а также скоростей частиц, располагающихся на ее поверхности, что видно из эпюры скоростей для сечения А–А камеры смешения.

В камере смешения происходит процесс всасывания рабочей струей перекачиваемой жидкости, сопровождаемый значительными гидравлическими потерями. Полагают, что между движущимися потоками жидкости происходит турбулентный обмен импульсами, вследствие чего скорость перекачиваемой жидкости увеличивается, а струи – уменьшается.

Словарь l Одним из наиболее важных параметров струйного насоса является коэффициент всасывания, или коэффициент эжекции, который представляет собой отношение секундного количества засасываемой жидкости G 2 к соответствующему количеству рабочей жидкости G 1, т, е. Лекция 10 17 06. 02. 2018

l Для составления основного уравнения струйного насоси, определения его КПД и решения других задач необходимо знать величину потерь энергии в камере смешения. Эти потери имеют гидравлический характер и возникают вследствие трения жидкости о стенки камеры смешения и трения в вихревом слое, отделяющем поверхность струи от потока перекачиваемой жидкости. Величина гидравлических потерь в вихревом слое может составлять до 70% всех гидравлических потерь струйного насоса.

l Гидравлические потери в камере смешения определяют как разность полных энергий в начальном и конечном сечениях камеры смешения. Для расчетного режима работы, когда р3 = рх, получим

l Как было уже отмечено, при р3 = рх в водоструйных насосах достигаются минимальные потери энергии, что возможно при длине камеры смешения и длине горловины где dx – диаметр горловины.

l Таким образом, при соблюдении рекомендованных линейных размеров l 1 и l 2, которые обычно уточняются путем испытаний на стенде, последнее уравнение можно записать следующим образом l Это уравнение соответствует минимальным потерям энергии, уменьшение которых невозможно для данного типа насоса.

l При отсутствии соосности сопла и камеры смешения, при слишком длинной или слишком короткой камере смешения, или неудачно выбранном соотношении диаметров сопла и горловины, эти потери могут значительно возрасти.

l В диффузоре струйного насоса происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную – до пределов, обусловливаемых допустимой величиной скорости u 4 в нагнетательном патрубке насоса (сечение IV–IV).

l В диффузоре также происходят гидравлические потери энергии, которые увеличиваются, при прочих равных условиях, с увеличением неравномерности распределения скоростей по поперечному сечению потока.

l Если бы в сечении x–x сразу же начинался диффузор, то в нем возникли бы большие гидравлические потери. Для уменьшения потерь в диффузоре надо дать возможность потоку произвести выравнивание скорости, что достигается увеличением длины горловины l 2. При этом, чем больше предполагается коэффициент всасывания, тем большей длины должна быть горловина. Таким образом, наличие горловины способствует более полному использованию всасывающей поверхности струи и улучшает распределение скоростей в потоке перед вступлением его в диффузор.

l Коэффициент потерь энергии в диффузоре в зависимости от степени равномерности распределения скоростей перед входом в него находится в пределах

l Применяя к сечениям х–х и IV–IV закон сохранения энергии, получим

l Из рассмотрения этого уравнения и рисунка следует, что при больших величинах рв, z 2 или значительных потерях напора в нагнетательном трубопроводе Sh 2 необходимо иметь большую величину давления р4, что возможно только за счет большой скорости в горловине uх.

l Увеличение же этой скорости может вызвать увеличение коэффициента кинетической энергии a и коэффициента неравномерности распределения скоростей по поперечному сечению b, т. е. существенное увеличение потерь энергии в диффузоре. Поэтому водоструйные насосы нецелесообразно применять в качестве высоконапорных насосов.

l Во всасывающей полости или головке 4 водоструйного насоса происходят гидравлические потери, величина которых не больше, чем в соответствующих криволинейных каналах. Однако при чрезмерной высоте всасывания насоса в его головке может возникнуть явление кавитации.

l Кавитация может возникнуть и в горловине 6, если давление в ней рх будет равно упругости паров жидкости рs при данной ее температуре. Для устранения этого явления необходимо, чтобы давление в начале камеры смешения р3 было больше упругости паров перекачиваемой жидкости примерно на (10… 15) к. Па.

l Пользуясь рисунком для всасывающей стороны водоструйного насоса, можно написать закон сохранения энергии сначала для уровня А–А и сечения II–II, а затем для сечений II–II и III-III в таком виде

l Преобразовав эти уравнения, получим где можно рассматривать как динамическое падение давления в полости всасывания.

l Допустимое разряжение на входе в водоструйный насос

l Так как то окончательно получим

Основное энергетическое уравнение, параметры и характеристики жидкостных струйных насосов l Для проектирования и эксплуатации струйного насоса необходимо знать зависимость между его рабочими параметрами и степень полезного использования энергии рабочей жидкости. Как эти, так и некоторые другие задачи решаются при помощи основного энергетического уравнения, которое получают из уравнений энергий для головки, сопла, камеры смешения и диффузора водоструйного насоса. Лекция 10 36 06. 02. 2018

l Если в этих уравнениях полный запас удельной энергии жидкости обозначить как: сопла; – для рабочей жидкости во входном сечении – для перекачиваемой жидкости во всасывающем патрубке струйного насоса; – для выходного сечения

то основное энергетическое уравнение будет иметь такой вид:

Левая часть этого уравнения представляет собой мощность, затрачиваемую на действие струйного насоса. l Сумма первых трех членов правой части уравнения является полезной мощностью струйного насоса, работающего в качестве эжектора l l При этом, четвертый и последующие слагаемые этой же части уравнения являются потерями энергии.

l Если струйный насос используется в качестве инжектора, то полезной является мощность

l Общая оценка потерь энергии может быть дана полным КПД насоса, который является отношением его полезной мощности к мощности, потребляемой насосом. Из рассмотренного характера потерь энергии следует, что КПД струйного насоса является гидравлическим КПД.

Величина его может быть определена по уравнениям: - для эжектора - для инжектора

l Из ранее установленного понятия эжектора и инжектора следует и различная количественная оценка их эффективности. Из всех параметров струйного насоса наиболее важными являются коэффициент всасывания q и напор Hэ, взаимная связь которых с другими величинами может быть получена при помощи уравнения энергии насоса.

Разделив это уравнение на G 1, получим где

l Таким образом, при заданном напоре рабочей жидкости Н 1 и определенных потерях энергии, что оценивается суммой последних членов уравнения, изменение коэффициента всасывания q возможно только за счет напора Hэ. Из этого же уравнения следует, что, например, высоконапорные струйные насосы не могут иметь большого коэффициента всасывания.

l Для заданных параметров Н 1 и Hэ действительная величина коэффициента всасывания может быть определена только при помощи КПД струйного насоса. Величину коэффициента всасывания можно вычислить при помощи уравнения

которое, после подстановки соответствующих выражений для скоростей, преобразуется к виду

l Следовательно, коэффициент всасывания зависит от многих величин (a, b, zc, zд и zгол), которые в свою очередь зависят от конструктивных особенностей насоса и его режима работы, т. е. от числа Рейнольдса. Из этого уравнения видно, что при заданном давлении р1 рабочей жидкости коэффициент q уменьшается при совместном или раздельном увеличении высоты нагнетания H 4 и высоты всасывания. Увеличение q с уменьшением вакуумметрической высоты всасывания объясняется возможностью увеличения при этом u 3.

Теоретическая напорно-расходная характеристика эжектора, получаемая при условии, что в насосе потери энергии отсутствуют, имеет вид гиперболы

l Наличие гидравлических потерь для высоконапорных насосов существенно изменяет количественные соотношения между этими параметрами, что иллюстрируется группами графиков а и b. Показанное здесь значительное отличие основных характеристик водоструйных насосов объясняется существенным взаимным влиянием геометрических размеров на потери энергии и коэффициент всасывания.

Выводы Лекция 10 51 06. 02. 2018

Источники дополнительных сведений Лекция 10 52 06. 02. 2018