Пароводяной струйный аппарат

1 Изобретение относится к области струйной техники, преимущественно к пароводяным струйным аппаратам, используемым в системах отопления и подачи горячей воды. Известен газожидкостной струйный аппарат, содержащий активное сопло, камеру смешения и диффузор (SU, 38870, кл. F 04F 5/24,опубл. 30.09.34). Данный жидкостно-газовый эжектор имеет сравнительно низкий КПД. Известен другой, наиболее близкий к изобретению по технической сущности и достигаемому результату, пароводяной струйный аппарат, содержащий паровое сопло с входным сужающимся и выходным расширяющимся участками, приемную камеру для подвода жидкой среды, камеру смешения и диффузор (патент США 3200764, кл. F 04F 5/46, опубл. 17.08.1965). Однако данный струйный аппарат обладает недостаточно устойчивой работой и ограниченным диапазоном регулирования. Это приводит к необходимости устанавливать перепускной клапан для перераспределения смеси сред на выходе из камеры смешения, что усложняет конструкцию струйного аппарата. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение устойчивости работы струйного аппарата и расширение диапазона регулирования режима работы струйного аппарата. Указанная задача решается за счет того,что в пароводяном струйном аппарате, содержащем паровое сопло с входным сужающимся и выходным расширяющимся участками, приемную камеру для подвода жидкой среды и камеру смешения, где согласно изобретению выходной участок парового сопла образует с входным участком камеры смешения сужающееся по ходу движения жидкой среды сопло для ее подвода в камеру смешения, входной участок камеры смешения выполнен сужающимся и образован конической поверхностью, а выходной участок камеры смешения выполнен цилиндрическим,при этом отношение площади выходного сечения парового сопла (FA) к площади его наименьшего проходного сечения (FT) составляет от 2,98 до 4,99, отношение площади выходного сечения сопла для подвода жидкой среды (Fv) в перпендикулярном по отношению к конической поверхности камеры смешения направлении к площади поперечного сечения цилиндрического участка камеры смешения (Fs) составляет от 3,71 до 33,8, отношение площади наименьшего проходного сечения парового сопла (FT) к площади поперечного сечения цилиндрического участка камеры смешения (Fs) составляет от 0,51 до 4,63 и отношение длины цилиндрического участка камеры смешения (Ls) к диаметру этого участка камеры смешения составляет от 3 до 5. 2 Кроме того, струйный аппарат может быть выполнен с диффузором, расположенным за камерой смешения по ходу движения смеси сред, и отношение площади выходного сечения диффузора (Fp) к площади поперечного сечения цилиндрического участка камеры смешения (Fs) может составлять от 4,1 до 10,4, давление водяного пара на выходе из парового сопла может составлять от 0,85 до 0,9 давления жидкой среды на выходе из сопла для подвода жидкой среды, а отношение расхода (по массе) жидкой среды к расходу (по массе) пара может составлять от 5 до 29. Предпочтительно, чтобы образующая конической поверхности камеры смешения была наклонена к оси камеры смешения под углом от 13 до 16, паровое сопло в зоне его выходного расширяющегося участка с наружной стороны было снабжено теплоизолирующей рубашкой, выполненной в виде окружающего паровое сопло кожуха с образованием между кожухом и соплом просвета. При этом толщина стенки кожуха и высота просвета может составлять величину от 0,7 до 1,5 мм. Проведенные исследования работы пароводяных струйных аппаратов (их еще иначе называют как пароводяные инжекторы) показали,что можно добиться повышения устойчивости их работы путем выполнения элементов конструкции струйного аппарата со строго определенными соотношениями размеров. Были исследованы пароводяные струйные аппараты в достаточно широком диапазоне размеров при различных эксплуатационных режимах работы струйных аппаратов. В нижеследующих табл. 1 и 2 приведены наиболее оптимальные абсолютные и относительные размеры пароводяного струйного аппарата, которые получены при различных режимных параметрах эксплуатации пароводяного струйного аппарата. Таблица 1FT/FS FA/Fs Fv/Fs Ls (max) Ls (min) Fp/Fs 4,63 4,99 33,80 43,0 25,8 9,1 2,99 7,15 21,85 53,5 32,1 10,4 1,82 7,54 13,29 68,6 41,1 10,1 1,22 7,24 8,93 83,7 50,2 9,3 0,86 4,81 6,25 100,0 60,0 6,4 0,64 3,54 4,68 115,5 69,3 4,8 0,51 2,98 3,71 129,9 77,9 4,1 где U - коэффициент инжекции, равный отношению расхода жидкой среды к расходу параPV - давление жидкой среды на выходе из сопла (бар);PA - давление пара на выходе из сопла(бар); РP - давление смеси сред на выходе из струйного аппарата (бар);DA - диаметр выходного сечения соплаDS - диаметр цилиндрического участка камеры смешения (мм);TSM - температура смеси сред (С);Ls - длина цилиндрического участка камеры смешения (Ls (max) и Ls (min - максимальная и минимальная длины цилиндрического участка камеры смешения, при которых достигнута устойчивая работа струйного аппарата). Обработкой полученных в результате исследования данных получены следующие наиболее оптимальные соотношения размеров пароводяного струйного аппарата. При обработке полученных в ходе исследования данных было выявлено, что целесообразно для повышения устойчивости работы пароводяного струйного аппарата поддерживать давление пара на выходе из парового сопла на 10-15% ниже давления, которое получают при оптимальном режиме работы парового сопла,которое, в свою очередь, предпочтительно следует поддерживать равным давлению потока жидкой среды на выходе из сопла для подачи жидкой среды. Наибольшей эффективности работы пароводяного струйного аппарата удалось добиться при коэффициенте инжекции в диапазоне, равном 5-29, и наклоне образующей конической поверхности входного участка камеры смешения к оси камеры смешения под углом,равным 13-16. При выполнении конусной поверхности входного участка камеры смешения с углом наклона образующей конической поверхности входного участка камеры смешения более 16 указанный входной участок становится короче и процесс смешения парообразной и жидкой сред, сопровождающийся конденсацией парообразной фазы, обменом кинетической энергией между парообразной и жидкой средами и резкими изменениями режима течения сред, не успевает завершиться. В результате, в цилиндрический участок камеры смешения поступает двухфазный неоднородный поток, который не успевает преобразоваться в поток жидкой нагретой среды, что вызывает дополнительные потери энергии в трубопроводе за струйным аппаратом или в диффузоре (если последний будет установлен) с соответствующим снижением эффективности работы струйного аппарата. Выполнение камеры смешения с входным участком, образующая конической поверхности которого наклонена к оси камеры смешения под углом менее 13, приводит к неоправданному увеличению длины входного сужающегося уча 004392 4 стка, что в ряде случаев приводит к возникновению скачков давления в этом входном конусном участке. Как следствие этого, на входном сужающемся участке формируется дозвуковой жидкостной поток, растут потери энергии в скачке давления и эффективность работы струйного аппарата также падает. В ходе исследования было выявлено, что на величину входного конического участка оказывает влияние не только величина наклона образующей конической поверхности, но и величина соотношения размеров входного сечения камеры смешения и цилиндрического участка камеры смешения,указанного ранее на с. 2 и 4. Таким образом,была достигнута возможность оптимизировать соотношение указанных взаимосвязанных размеров камеры смешения парового сопла и сопла для подвода жидкой среды. Улучшения условий работы пароводяного струйного аппарата удалось добиться также за счет теплоизоляции выходного тонкостенного участка парового сопла. В результате, параметры жидкой среды, в первую очередь, ее температура, перестали оказывать влияние на режим течения пара в паровом сопле. Это особенно важно в том случае, если имеют место колебания температуры жидкой среды. Наиболее простой и эффективный результат был достигнут при выполнении теплоизоляции в виде кожуха,который окружает паровое сопло, а роль теплоизолятора выполняет газовое пространство между кожухом и паровым соплом. В этом случае кожух выполняется из тонкостенного материала, например из стального листа, и при этом толщина листа и величина просвета между кожухом и паровым соплом могут составлять величину от 0,7 до 1,5 мм. Выполнение просвета,или, другими словами, расстояния между наружной поверхностью сопла и внутренней поверхностью кожуха менее 0,7 мм не дает ожидаемого эффекта теплоизоляции, а выполнение просвета более 1,5 мм бесполезно, поскольку достигаемый результат не оправдывается ростом габаритов струйного аппарата. Следует отметить, что пароводяной струйный аппарат может быть выполнен как с диффузором, так и без диффузора. Установка диффузора за камерой смешения целесообразна, когда на выходе струйного аппарата необходимо получить более высокое давление. При этом было установлено, что для сохранения стабильного режима работы струйного аппарата целесообразно выполнять диффузор с отношением площади выходного сечения диффузора (Fp) к площади поперечного сечения цилиндрического участка камеры смешения (Fs), составляющим величину от 4,1 до 10,4. Из приведенного выше анализа видно, что для достижения устойчивой работы пароводяного струйного аппарата необходимо достаточно жесткое соотношение размеров между основными геометрическими параметрами, а в 5 ряде случае, и режимными параметрами работы этого струйного аппарата. В результате, достигнуто выполнение поставленной в изобретении задачи - повышение устойчивости работы пароводяного струйного аппарата при различных режимах его эксплуатации, а это, в свою очередь, позволяет регулировать режимные параметры работы пароводяного струйного аппарата без нарушения режима его эффективной и устойчивой работы. На фиг. 1 представлен продольный разрез пароводяного струйного аппарата, на фиг. 2 представлено выполнение парового сопла струйного аппарата с теплоизоляцией выходного участка парового сопла. Пароводяной струйный аппарат содержит паровое сопло 1 с входным сужающимся 2 и выходным расширяющимся 3 участками, приемную камеру 4 для подвода жидкой среды и камеру смешения 5. Выходной участок 3 парового сопла 1 образует с входным участком 6 камеры смешения 5 сужающееся по ходу движения жидкой среды сопло 7 для ее подвода в камеру смешения 5. Входной участок 6 камеры смешения 5 выполнен сужающимся и образован конической поверхностью. Выходной участок 8 камеры смешения 5 выполнен цилиндрическим. Отношение площади выходного сечения парового сопла 1 (FА) к площади его наименьшего проходного сечения (FT) составляет от 2,98 до 4,99. Отношение площади выходного сечения сопла 7 для подвода жидкой среды (Fv) в перпендикулярном по отношению к конической поверхности камеры смешения 5 направлении к площади поперечного сечения цилиндрического участка 8 камеры смешения 5 (Fs) составляет от 3,71 до 33,8. Отношение площади наименьшего проходного сечения парового сопла 1 (FT) к площади поперечного сечения цилиндрического участка 8 камеры смешения 5 (Fs) составляет от 0,51 до 4,63, и отношение длины цилиндрического участка 8 камеры смешения 5 к диаметру этого участка камеры смешения 5 составляет от 3 до 5. При выполнении струйного аппарата с диффузором 9 отношение площади его выходного сечения (Fp) к площади поперечного сечения цилиндрического участка 8 камеры смешения 5 (Fs) может составлять величину от 4,1 до 10,4. Кроме того, давление водяного пара на выходе из парового сопла 1 предпочтительно составляет от 0,85 до 0,9 давления жидкой среды на выходе из сопла 7 для подвода жидкой среды, отношение расхода (по массе) жидкой среды к расходу (по массе) пара составляет от 5 до 29. Образующая конической поверхности камеры смешения 5 наклонена к оси камеры смешения 5 под углом от 13 до 16. Паровое сопло 1 в зоне его выходного расширяющегося участка 3 с наружной стороны снабжено теплоизолирующей рубашкой 10, выполненной в виде 6 окружающего паровое сопло кожуха с образованием между кожухом и соплом просвета. Толщина стенки кожуха и высота просвета составляют величину от 0,7 до 1,5 мм. Запуск пароводяного струйного аппарата осуществляют путем подачи жидкой среды через приемную камеру 4 и сопло 7 подачи жидкой среды в камеру смешения 5. Затем, постепенно увеличивая расход, через паровое сопло 1 в камеру смешения 5 подают пар. После достижения режимных параметров расхода пара и жидкой среды струйный аппарат переходит в стационарный режим его эксплуатации. При этом на входном участке 6 камеры смешения 5 в процессе смешения потоков пара и жидкой среды образуется газожидкостная смесь, что приводит к конденсации парообразной среды и одновременно передаче кинетической и тепловой энергии среды жидкой среде. В зависимости от режима работы струйного аппарата, возможно формирование на входном участке 6 камеры смешения 5 парожидкостного потока со сверхзвуковым режимом течения среды. Далее, по мере конденсации пара и увеличения доли жидкой среды в смеси сред в потоке на цилиндрическом участке 8 камеры смешения 5 происходит скачок давления и поток переходит на дозвуковой режим течения. На цилиндрическом участке 8 камеры смешения 5 завершается процесс конденсации пара и формируется дозвуковой поток нагретой жидкой среды, который из камеры смешения 5 поступает потребителю, например,по напорному трубопроводу. В случае выполнения струйного аппарата с диффузором 9 в последнем поток нагретой жидкой среды дополнительно тормозится с соответствующим увеличением давления и с заданными скоростными и тепловыми параметрами поток нагретой жидкой среды поступает из диффузора 9 струйного аппарата потребителю, например, по напорному трубопроводу в систему водяного отопления здания. Данное изобретение может быть использовано в системах автономного или централизованного водяного отопления, а также во всех случаях, где требуется нагрев с помощью пара жидкой среды и подача под давлением различного рода нагретых жидких сред потребителю. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Пароводяной струйный аппарат, содержащий паровое сопло с входным сужающимся и выходным расширяющимся участками, приемную камеру для подвода жидкой среды и камеру смешения, отличающийся тем, что выходной участок парового сопла образует с входным участком камеры смешения сужающееся по ходу движения жидкой среды сопло для ее подвода в камеру смешения, входной участок камеры смешения выполнен сужающимся и образован конической поверхностью, а выходной участок камеры смешения выполнен цилиндрическим,при этом отношение площади выходного сечения парового сопла (FA) к площади его наименьшего проходного сечения (FT) составляет от 2,98 до 4,99, отношение площади выходного сечения сопла для подвода жидкой среды (Fv) в перпендикулярном по отношению к конической поверхности камеры смешения направлении к площади поперечного сечения цилиндрического участка камеры смешения (Fs) составляет от 3,71 до 33,8, отношение площади наименьшего проходного сечения парового сопла (FT) к площади поперечного сечения цилиндрического участка камеры смешения (Fs) составляет от 0,51 до 4,63 и отношение длины цилиндрического участка камеры смешения (Ls) к диаметру этого участка камеры смешения составляет от 3 до 5. 2. Струйный аппарат по п.1, отличающийся тем, что он содержит диффузор, расположенный за камерой смешения по ходу движения смеси сред, при этом отношение площади выходного сечения диффузора (Fp) к площади по 8 перечного сечения цилиндрического участка камеры смешения (Fs) составляет от 4,1 до 10,4. 3. Струйный аппарат по п.1, отличающийся тем, что давление водяного пара на выходе из парового сопла составляет от 0,85 до 0,9 давления жидкой среды на выходе из сопла для подвода жидкой среды, а отношение расхода (по массе) жидкой среды к расходу (по массе) пара составляет от 5 до 29. 4. Струйный аппарат по п.1, отличающийся тем, что образующая конической поверхности камеры смешения наклонена к оси камеры смешения под углом от 13 до 16. 5. Струйный аппарат по п.1, отличающийся тем, что паровое сопло в зоне его выходного расширяющегося участка с наружной стороны снабжено теплоизолирующей рубашкой, выполненной в виде окружающего паровое сопло кожуха с образованием между кожухом и соплом просвета. 6. Струйный аппарат по п.5, отличающийся тем, что толщина стенки кожуха и высота просвета составляют величину от 0,7 до 1,5 мм.