Об энерго- и ресурсосбережении при эксплуатации водовоздушных струйных насосов

Водовоздушные струйные насосы (эжекторы) и системы на их основе находят широкое применение в энергетике, на транспорте, химической, нефтяной и газовой промышленности в качестве газоотводящих аппаратов, вакуумных насосов, насосов-смесителей жидких и газообразных сред, гидрокомпрессоров. Широкое распространение струйных насосов в технике обусловлено их конструктивной простотой, отсутствием подвижных частей, возможностью размещения в труднодоступных местах, а также возможностью использования различных вариантов компоновки. Например, на тепловых электростанциях водовоздушные насосы используют для отсоса воздуха из конденсатора и уплотнений паровой турбины, а также из циркуляционной системы [1].

При использовании водоструйных эжекторов обычно реализуется следующая схема работы (рис. 1): насос, чаще всего центробежный, подает активную среду - воду на эжектор. Далее струя воды, формируемая соплом 1, с большой скоростью устремляется в рабочую камеру 3 и увлекает за собой воздух из приемной камеры 2, соединенной, например, с конденсатором паровой турбины. По мере продвижения вдоль рабочей камеры струя частично или полностью дробится на капли, которые, обмениваясь количеством движения с эжектируемым воздухом, распределяются по поперечному сечению камеры. После рабочей камеры квазиоднородная водовоздушная смесь поступает в диффузор 4, где часть кинетической энергии потока смеси преобразуется в потенциальную. После диффузора смесь подается в сливную линию.

Как правило, работа струйного насоса характеризуется безразмерными параметрами. Среди них основным и являются: объемный коэффициент эжекции а = Q _г2 / Q _в; степень сжатия е₅₂ = p ₅ / p ₂; степень падения давления на сопловом устройстве s₁₂ = p 1 / p ₂; динамический параметр струи г = (Р ж U жо ²) / p 2 = 2ф²(е₁₂ - 1); коэффициент скольжения фаз у = U _г3 / U ж ₃ и КПД эжектора п. Здесь Q _г2 и Q _в - объемные расходы воздуха при давлении всасывания p ₂ и воды соответственно;

Расчет и конструирование

p i – абсолютные давления в i -м сечении ( i – номер сечения на принципиальной схеме); ρ ж – плотность воды; U ж0 , U ж3 и U г3 – скорости потока воды в сечениях 0–0 и 3–3, а также потока воздуха в сечении 3–3; φ = 0,9…0,95 – коэффициент скорости сопла.

Коэффициент скольжения фаз ψ не превышает предельной величины ψ * , которая зависит от конструкции струйного насоса, а также наличия или отсутствия какого-либо дополнительного побудителя фаз. Так, при отсутствии побудителя фаз коэффициент скольжения меньше предельной величины, равной ψ * = 0,84…0,91 [2]. В гидросистеме с циркуляцией жидкости п о замкнутому контуру эффективность работы водовоздушного эжектора оценивают по формуле:

a • In e„

П =-------52—, kT " (^12 - ^52)

где kt – поправочный коэффициент на различие температур газа и жидкости перед их поступле- нием на эжектор.

Среди геометрических безразмерных параметров важными являются относите л ьная площадь сопла Ω 03 = A 0 / A 3 ; относительное расширение диффузора Ω 54 = A 5 / A 4 и относительная длина рабочей камеры L 34 / d 3 , где A 0 , A 3 , A 4 , A 5 – площади выходного сечения сопла 0–0, нормальных сечений на входе 3–3 и выходе 4–4 из рабочей камеры, выходного сечения д иффузора 5–5; L 34 – длина рабочей камеры; d 3 – диаметр рабоч е й камеры. Для цилиндрической рабочей камеры A ₃ = A ₄.

Сливная линия

Рис. 1. Принципиальная схема работы водовоздушного струйного насоса:

1 – сопло; 2 – приемная камера; 3 – рабочая камера; 4 – диффузор

На промышленных установках рабочий процесс водовоздушного эже к тора сопровождается, как правило, большими расходами воды и энергии. Анализ их работы на основе экстремальных характеристик показал, что на многих из них потенциальные возможности воздухоотсасывающих струйных насосов не исчерпаны [2]. Одним из путей повышения эффективности рабочего процесса водовоздушного струйного насоса является модернизация проточной части аппарата с таким расчетом, чтобы реализовать все потенциальные возможности рабочего процесса. Основными направлениями данного пути являются:

• 1)    модернизация соплового блока в приемной камере и выбор рациональной относительной длины камеры смешения. Такое мероприятие было осуществлено путем ув е личения числа струй воды, формируемых сопловым устройством, и сокр а щением числа поверхностей, оказывающих влияние на соосность сопловых отверстий и камеры смешения [3]. Это позволило ми н имизировать расходы воды и энергии. Так, в результате усов е ршенствования конструкции расход воды на эжектор уменьшился на 25 % [4];

• 2)    применение диффузора на выходе из рабочей камеры эжектора. Обычно в промышленных струйных насосах отсутствует диффузор (например, водовоздушный струйный насос ЭВ-7-1000 ВТИ [3]), однако использование диффузора позволит увеличить эффективность работы эжекто р а. Об этом свидетельствует график на рис. 2, показывающий за в исимость КПД водовоздушного эжектора η от степени сжатия ε₅₂. Из графика видно, что при об ъ емном коэффициенте эжекции равном α = 4 и степени сжатия ε 52 = 3,2 КПД эжектора с диффузором (η = 0,46) превыш а ет КПД эжектора без диффузора (η = 0,37) на 9 %.

Рис. 2. Влияние наличия диффузора на КПД работы водовоздушного эжектора

Рис. 3. Предельно достижимые степени сжатия и оптимальные относительные площади сопла в зависимости от динамического параметра струи для эжектора с диффузором без него

Вместе с тем, наличие диффузора позволяет при в ы соких степенях сжат и я ε 52 заметно экономить расходы воды и энергии. Так, при е₅₂ = 24 (рис. 3) динамический параме т р струи Г = 160 для эжектора с диффузором и Г = 173,8 для эжектора без диффузора, тогда е₁₂ = 99,8 и е_{1 2} = 108,3 соответственно. Это означает, что для эжектора с диффузором при одинаковых показателях режима работы ( Q _г, p ₂, p 5 ) давление питания p 1 будет м е ньше, чем для эжектора без диффузора и,

Расчет и конструирование

следовательно, расход воды Q в будет меньше. Спрямленным горизонтальным участкам кривых Ω 03 = f (Γ) на рис. 3 соответствует предельный коэффициент скольжения фаз, равный ψ * = 0,85.

Кривые на рис. 2 и 3 являются собирательными в том смысле, что каждой режимной точке (α = const, ε 52 = const) соответствуют оптимальные значения относительной площади сопла Ω 03 и динамического параметра струи Γ, при которых КПД эжектора η максимальный. Графики Ω 03 = f (Γ), ε 52 = f (Γ) и η = f (ε 52 ) на рис. 2, 3 рассчитывались при постоянных значениях ξ 34 = 0,4; ξ 45 = 0,3; k t = 1; k п 3 = 1; k п 4 = 1; k п 5 = 1; Ω 54 = 4, α = 4, где ξ 34 и ξ 45 – коэффициенты сопротивления рабочей камеры 3 и диффузора 4; k п 3 , k п 4 , k п 5 – поправочные коэффициенты на давление насыщенных паров жидкости в сечениях 3–3, 4–4 и 5–5.

В системах вакуумирования энергетических установок потребные степени сжатия ε 52 = p 5 / p 2 достаточно велики и составляют ε 52 = 20…30. При таких степенях сжатия ε 52 КПД эжектора η не велик. Об этом свидетельствует график (см. рис. 2), из которого следует, что уменьшением степени сжатия ε 52 можно повысить КПД аппарата η. Поэтому еще одним путем повышения эффективности рабочего процесса является уменьшение противодавления за струйным насосом. Эффект этого мероприятия показан на рис. 4 и 5, где m в = ρ ж Q в и m г = ρ г Q г – массовые расходы воды и воздуха. Семейства кривых α max = f ( p 5 ) и m в = f ( p 5 ) построены при Ω 54 = 1 и давлениях питания p 1 = 300 кПа; 400 кПа; 500 кПа; давлении всасывания p 2 = 3,5 кПа и массовом расходе газа m г = 30 кг/ч.

Рис. 4. Влияние давления питания на экстремальные характеристики эжектора

Сравнительный анализ кривых на рис. 2, 4 и 5 показывает, что при постоянных давлениях всасывания p 2 и питания p 1 с уменьшением противодавления p 5 степень сжатия ε 52 уменьшается, КПД установки η и достижимый объемный коэффициент эжекции α возрастают, а массовый расход воды на эжектор уменьшается (см. рис. 5). Причем эта закономерность справедлива и при других давлениях питания p 1 .

На графиках (см. рис. 4, 5) изображены кривые ограничительных условий по предельному объемному коэффициенту эжекции α*. Рабочие параметры установки будут достижимыми, если кривая α = f ( p 5 ) будет ниже кривой ограничительного условия (рис. 4), а кривая m в = f ( p 5 ) – выше (рис. 5) [5].

Давление за эжектором р5, Па

Рис. 5. Массовый расход воды на эжектор в зависимости от противодавления при нескольких давлениях питания

Уменьшить противодавление p ₅ можно, например, установив за эжектором вертикальный участок сливного трубопровода (рис. 6). Тем самым н а выходе из эжектора возникнет столб водовоздушной смеси с плотностью чуть меньшей плотности воды и противодавление уменьшится на величину, равную несколько меньшему весовому давлению столба во д овоздушно й смеси. В котлотурбинных цехах теплоэлектростанций обычн о высота помещения позволяет установить вертикальный участок сливного трубопровода длиной 2^2,5 м. В этом случае противодавление p ₅ уменьшится на 17,5... 24,5 кПа.

Так, при абсолютном давлении питания p 1 = 40 0 кПа, при снижении противодавления p ₅ с атмосферного давления 100 кПа на 17,5 кПа (рис. 7) м ассовый расход жидкости уменьшится на Am _в = 100 т/ч или в процентном соотношении на 26 %.

При всех численных расчетах предельный коэффициент скольжения фаз приним а лся равным у* = 0,85, при котором активная среда увлекает пассивный поток со с к оростью, не превышающей скорости активного потока. Если увеличить с к орость пассивного потока, сделав ее больше скорости активного потока, то эффективность эжектора заметно станет выше. Увеличить скорость пассивного потока можно, например, установив в струйный насос побудитель пассивного потока, который повысит коэффициент скольжения фаз до величины, большей предельного значения у* [6]. Результаты численных расчетов, наглядно демонстрирующие преимущество такого исполнения, изображены на рис. 7 и 8. Расчеты проводились для водовоздушного эжек т ора при постоянных параметрах, равными: ^₃₄ = 0,4; ^₄₅ = 0,3; k t = 1; к п ₃ = 1; к п ₄ = 1; к п ₅ = 1; Q ₅₄ = 4, а = 4.

На рис. 7 изображены кривые n = f (s₅₂) при коэффициентах скольжения фаз: у <  у * = 0,85 (без побудителя пассивного потока) и у < 2 (с побудителем). Сопоставление кривых по к азывает, что наличие побудителя позволит значительно повыси т ь эффективность раб о чего процесса водовоздушного эжектора при высоких значениях степеней сжатия е₅₂. Так, при об ъ емном коэффициенте эжекции, равном а = 4, и степени сжатия е ₅₂ >  8 КПД эжектора увеличится на > 40 %. Анализ графиков на рис. 3 и 8 показывает, что при е₅₂ = 24 динамический параметр с труи Г при наличии побудителя пассивного потока уменьшится со 160 (при у <  0,85) до 104 (при у <  2).

Увеличение величины коэффициента скольжения фаз путем введения в струйный насос дополнительного побудителя фаз является перспективным и не до конца иссле д ованным направлением по увеличению эффективности работы струйных насосов.

Расчет и конструирование

Рис. 6. Схема водовоздушного эжектора с вертикальным участком трубы: а – без трубы; б – с трубой

Сливная линия

Рис. 7. Разница между эффективностью рабочего процесса эжектора при наличии диффузора с побудителем пассивного потока (ψ ≤ 2) и без него (ψ ≤ 0,85)

Исходя из вышеизложенного можно сделать сле д ующие выводы:

• 1.    Повысить эффективность рабочего процесса водовоздушного струйного насоса можно путем внесения конструкционных изменений либо и з менением рабочего режима эжектора.

• 2.    Наличие диффузора за рабочей камерой эжектора позволяет увеличить эффективность рабочего процесса аппарата, причем разница между КПД эжекторов с диффузором и бе з него максимальна при малых степенях сжатия. При больши х степенях сжатия мож н о ожидать уменьшение расхода воды на эжектор.

• 3.    Для повышения эффективности работы эжекторной установки предпочтительно снижение противодавления p 5 , например, размещением за водовоздушным струйным насосом вертикального участка сливного трубопровода.

• 4.    Применение побудителя пассивного потока позволяет достичь коэффициентов скольжения фаз, больших предельной величины, что в свою очередь увеличивает эффективность работы струйного насоса. Использование этого мероприятия целесообразно при больших степенях сжатия.

• 5.    Сравнительный анализ различных способов повышения эффективности работы водовоздушного струйного насоса показал, что их применение в разной степени влияет на общую эффективность работы аппарата при малых и больших степенях сжатия. Поэтому выбор способа повышения КПД эжектора определяется конкретн ыми условиями эксплуатации аппарата.

Рис. 8. Предельно достижимые степени сжатия и оптимальные относительные площади сопла эжектора при наличии диффузора с побудителем пассивного потока (ψ ≤ 2) и без него (ψ ≤ 0,85)

Пути повышения эффективности рабочего процесса водовоздушного струйного насоса не ограничиваются рассмотренными выше способами. Повысить КПД эжектора можно также, осуществив переход на многоступенчатое сжатие газа [5].