Авторы: С.Ю. Агауров, И.Н. Ласкин (ООО «ХИММАШ-АППАРАТ»).
Опубликовано в журнале Химическая техника №4/2018
ООО «ХИММАШ-АППАРАТ» – ведущая производственно-инжиниринговая компания России, осуществляющая проектирование, производство и поставку высокоэффективного оборудования для нефтегазовой, нефтехимической, энергетической и атомной отраслей промышленности: емкостного, колонного, фильтрационного, станочного, массо- и теплообменного, перемешивающего, в том числе в блочномодульном исполнении. Отдельным направлением деятельности является разработка и поставка струйных вакуумных насосов, вакуумсоздающих систем, эжекторов, гидроэлеваторов и т.д.
Эжектор – гидро- или газодинамическое устройство, в котором высоконапорный (эжектирующий) поток подсасывает другой низконапорный (эжектируемый) поток, и в результате турбулентного перемешивания обоих потоков образуется смесь, полное давление которой меньше полного давления эжектирующего потока, но больше полного давления эжектируемого. Таким образом, в эжекторе вследствие передачи импульса низконапорному потоку его среда ускоряется, а при торможении в диффузоре приобретает повышенное давление.
Простота и эффективность устройства обусловила их широкое применение в авиационной и космической технике, холодильной и вакуумной аппаратуре, химической, нефтегазовой, металлургической и других отраслях промышленности.
Наиболее сложными в проектировании для газовых сред являются эжекторы со сверхзвуковым соплом Лаваля (сужение–расширение). Именно сверхзвуковое сопло позволяет достичь нужного уровня разрежения. Подачу высоконапорного газа можно осуществлять и через сужающееся сопло, однако в большинстве случаев использование сверхзвукового сопла выгоднее, поскольку не приводит к недорасширению («разбуханию») эжектирующего потока в начальной части камеры смешения.
В расчете эжекторов применяется квазиодномерная аналитическая теория, разработанная в ведущих НИИ аэрокосмической промышленности – ЦАГИ и ЦИАМ. Множество других упрощенных теорий эжекторов не используются. Прямая задача расчета эжектора сводится к решению системы нелинейных алгебраических уравнений [1] с определяющим уравнением эжекции:
где l – приведенная скорость (отношение скорости потока к ее критическому значению); g– показатель адиабаты; k – коэффициент эжекции; q– перепад энтальпий. g?, gc, – показатели адиабаты напорного и пассивного газа, l1, l3 – приведенные скорости в сопле и в камере смешения.
На практике актуальной, но гораздо более сложной в математическом плане является задача проектирования оптимального эжектора по некоторым параметрам. В частности, представляет интерес нахождение эжектора с максимальной степенью сжатия при заданной эжекции или эжектора с максимальным КПД. Данная задача была решена, на основе чего были разработаны алгоритм и программа расчета. Задача сводится к нахождению условного экстремума функционала с помощью метода множителей Лагранжа. В первом случае величина противодавления и есть функционал, а система нелинейных уравнений прямой задачи является ограничениями в вариационной задаче.
С учетом нелинейности ограничений решение получается численно с помощью метода сопряженных градиентов. Методика ограничена случаем идеального газа. Для поверочного расчета эжекторов с реальными газами, сложной геометрией привлекается CDF анализ или компьютерное моделирование. На рис. 1–3 представлены результаты математического моделирования газодинамических процессов в эжекторе в осесимметричной постановке. Интересным процессом является торможение сверхзвукового потока в камере смешения с переходом к дозвуковому режиму с повышением давления в диффузоре. При увеличении давления на выходе из диффузора (дросселирование эжектора) дозвуковая зона повышенного давления распространяется вверх по потоку навстречу сверхзвуковому потоку. Торможение в камере смешения сверхзвукового потока к дозвуковому происходит в так называемом псевдоскачке, месторасположение которого весьма чувствительно к изменению противодавления на выходе из диффузора.
Несмотря на кажущуюся простоту эжекторных устройств, их разработка требует высокого научного потенциала компаний-разработчиков, а также большого опыта применения эжекторов в различных процессах.
Эжекторы ООО «ХИММАШ-АППАРАТ» детально проработаны на высоком научном уровне. Сотрудничество с ведущими проектными институтами и крупнейшими машиностроительными заводами позволяет спроектировать, изготовить и поставить эжекторные системы любой сложности.
