Струйные аппараты


                     К 150-летию Научно-учебного комплекса «Энергомашиностроение»







Техническая физика и энергомашиностроение

Редакционный совет



А.А. Александров (председатель), д-р техн. наук
А.А. Жердев (зам. председателя), д-р техн. наук
В.Л. Бондаренко, д-р техн. наук
А.Ю. Вараксин, д-р физ.-мат. наук, член-корреспондент РАН
К.Е. Демихов, д-р техн. наук
Ю.Г. Драгунов, д-р техн. наук, член-корреспондент РАН
В.И. Крылов, канд. техн. наук
М.К. Марахтанов, д-р техн. наук
В.А. Марков, д-р техн. наук
С.Е. Семёнов, канд. техн. наук
В.И. Хвесюк, д-р техн. наук
Д.А. Ягодников, д-р техн. наук

В.Г. Цегельский



Струйные аппараты








Москва
ИЗДАТЕЛЬСТВО
МГТУ им. Н. Э. Баумана
2 0 17

УДК 621.527.4/.5
ББК 31.363
      Ц45





      Цегельский, В. Г.
Ц45      Струйные аппараты / В. Г. Цегельский. - Москва : Изда-
      тельство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. - 573, [3] с. : ил.


        ISBN 978-5-7038-4666-7



          Изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований двухфазных струйных аппаратов и газовых эжекторов с звуковыми и сверхзвуковыми соплами. Предложена общая теория, опирающаяся на термодинамику необратимых процессов и объясняющая с единых позиций протекающие в них процессы. Рассмотрены физические особенности течения как двухфазных, так и газовых сред в проточной части аппарата. Сформулирована аксиома о стремлении к совершенству процессов в природе, определяющая с позиции термодинамики необратимых процессов реализацию одного из нескольких возможных режимов работы как в однофазных газовых, так и двухфазных струйных аппаратах. Приведены методики расчета двухфазных струйных аппаратов эжекторного и инжекторного типов и газовых эжекторов с цилиндрическими и коническими камерами смешения. Показаны перспективы использования этих аппаратов в нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслях промышленности, в энергетике, космической и глубоководной технике.
          Для научных работников и инженеров, занимающихся исследованиями, проектированием и эксплуатацией струйных аппаратов. Может быть полезна аспирантам и студентам технических университетов и вузов.






УДК 621.527.4/.5
ББК 31.363




ISBN 978-5-7038-4666-7

© Цегельский В. Г., 2017

ПРЕДИСЛОВИЕ

     Первая книга автора, вышедшая в 2003 г. с названием «Двухфазные струйные аппараты», была дополнена значительной частью, посвященной однофазным струйным аппаратам, а именно газовым эжекторам, в связи с чем изменилось название книги.
     Теория и расчет как однофазных, так и двухфазных струйных аппаратов различных типов в книге излагаются с единой методической позиции и подкрепляются представленными многочисленными экспериментами. На основании экспериментальных и теоретических исследований этих аппаратов установлено многообразие режимов их работы и определены условия, при которых реализуется каждый из режимов.
     Первая часть монографии посвящена двухфазным струйным аппаратам. В нее вошли незначительно доработанные главы первой книги автора. Приведенное ниже предисловие к первой книге относится к этой части монографии.
     Во второй части монографии представлены экспериментально-теоретические исследования газовых эжекторов с цилиндрической и конической камерами смешения. Предложена методика расчета звуковых и сверхзвуковых газовых эжекторов, учитывающая все возможные режимы их работы. Сформулирована аксиома о стремлении к совершенству процессов в природе, не противоречащая теореме Пригожина и объясняющая с позиции термодинамики необратимых процессов возможность реализации в газовых эжекторах с конической камерой смешения при одном и том же коэффициенте эжекции двух критических режимов работы, отличающихся как структурой течения потоков в проточной части, так и эффективностью эжектора при работе на этих режимах. Показано удовлетворительное согласование результатов расчета с представленным экспериментом.
     Наряду с автором в экспериментальных исследованиях газовых эжекторов участвовали М.В. Акимов, Т.Д. Сафаргалиев, В.Н. Астафьев. Огромная благодарность им за оказанную помощь, а также ООО «Техновакуум», которое на протяжении многих лет финансировало исследования струйных аппаратов в МГТУ им. Н.Э. Баумана и оплатило издание этой книги. Выражаю также благодарность А.Е. Крыловскому, Н.В. Черновой, Н.А. Цегельской за помощь при оформлении рукописи к печати.



Москва, 2017

Доктор технических наук В.Г. Цегельский

ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ К ПЕРВОЙ КНИГЕ

     Двухфазными струйными аппаратами (СА) называются устройства, в проточной части которых происходит смешение струй, находящихся в разных фазовых состояниях, с образованием смеси, полное давление которой превышает полное давление одной или обеих смешивающихся фаз. В первом случае двухфазный СА называют эжектором, а во втором - инжектором. В инжекторе происходит процесс преобразования тепловой энергии парового потока в энергию давления смеси (термокомпрессия). Двухфазные СА нашли широкое применение во многих областях народного хозяйства: в тепловой и атомной энергетике, нефтехимии, при нефтегазодобыче и нефтепереработке, в космической и глубоководной технике и т.д.
     Широкое использование двухфазных СА в промышленности объясняется, главным образом, простотой их конструкции, отсутствием подвижных металлических элементов, высокой надежностью и повышенным ресурсом работы, малыми габаритами и массой, легкостью обслуживания, а также экономичностью применения по сравнению с некоторыми агрегатами, способными заменить эти аппараты в ряде установок.
     Книга написана на основе многочисленных экспериментальных и теоретических исследований, проведенных под руководством и при непосредственном участии автора, который на протяжении многих лет разрабатывал и внедрял в промышленность двухфазные СА.
     В монографии автор предлагает читателю познакомиться с разработанной им теорией двухфазных СА и ее применением к различным типам этих аппаратов. Теория базируется на трех основных уравнениях сохранения, записанных в интегральном виде для турбулентного квазистационарного течения смеси с неравномерным распределением параметров по сечению канала, и на термодинамике необратимых процесов. Дифференциальный аппарат используется при расчете тепло- и массообменных процессов между смешивающимися струями. Разработанная на базе теоретических зависимостей методика расчета двухфазного СА позволяет учитывать влияние на его характеристики формы и размеров камеры смешения (КС), формы жидкостного сопла, предыстории жидкостного потока, термодинамических параметров и физических свойств рабочих компонентов на входе в аппарат, паросодержание газового компонента и ряд других факторов. Она объясняет многообразие режимов работы двухфазных СА и определяет условия, при кото-

рых эти режимы реализуются, позволяет рассчитывать аппараты, работающие в режимах эжектора и инжектора.
     Результаты экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях двухфазных СА в широком диапазоне изменения их геометрических и режимных параметров, теплофизических и термодинамических свойств смешивающихся струй подтверждают применимость предложенной в книге методики расчета. В качестве жидкого компонента СА в экспериментах использовали воду, дизельную фракцию, вакуумный газойль, нефть, газовый конденсат, водный раствор моноэтаноламина, кремнийорганическую жидкость и др. Проведенные исследования распада жидкой струи, истекающей в ограниченный стенками спутный поток газа, показали, что при определенных параметрах газового потока начинается интенсивный распад струи, приводящий к интенсификации тепло- и массообменных процессов между смешивающимися потоками. К сожалению, из-за ограниченного объема книги в ней представлены только наиболее общие и интересные с точки зрения автора экспериментальные результаты.
     Полученный экспериментальный и теоретический материал позволил автору совместно с сотрудниками МГТУ им. Н.Э. Баумана и ООО «Техновакуум» разработать вакуумные гидроциркуляцион-ные агрегаты для создания разрежения в ректификационных колоннах нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, струйно-компрессорные установки для утилизации факельных газов нефтеперерабатывающих заводов и нефтегазоконденсатных месторождений, а также струйно-абсорбционные установки рекуперации паров нефти; использовать двухфазные СА в качестве экс-гаустерных систем высотных стендов; показать перспективность применения этих аппаратов в тепловых энергосиловых установках для освоения гидрокосмоса и в других областях. Использованию двухфазных СА в некоторых областях техники посвящена целая глава монографии.

                ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ




a               - скорость звука; температуропроводность            
aK              - критическая скорость                              
aK. л , aK. п   - критическая скорость активного и пассивного газов 
aж , aT         - молекулярная и турбулентная температуропроводность
                жидкости                                            
ac              - параметр                                          
az,aw, ap,aM    - коэффициенты в формуле распределения удельного по-
                тока жидкости в распыленной струе                   
В               - коэффициент                                       
ВПЛ = Gnil lGTT - интегральный параметр коагуляции                  
By              - коэффициент изменения осевой скорости             
Bd              - коэффициент среднего диаметра отраженных от стенки
                капель                                              
c               - степень конденсации; коэффициент                  
Сж              - удельная теплоемкость жидкости                    
cP              - удельная теплоемкость при постоянном давлении     
CV              - удельная теплоемкость при постоянном объеме       
d               - диаметр                                           
d о             - диаметр выходного сечения сопла жидкости; диаметр 
                струи                                               
E               - энергия; мощность; отношение полных давлений      
erf(U)          - функция ошибок                                    
F               - площадь; сила                                     
FKP             - площадь критического сечения сопла                
L               - коэффициент расширения сверхзвукового сопла       
fC              - коэффициент сжатия струи                          
frsc            - коэффициент трения на границе раздела двух фаз    
G               - массовый расход                                   
g               - ускорение  свободного  падения;  удельный  поток  
                жидкости                                            
h               - высота; шаг сетки                                 
J               - количество движения                               
i               - энтальпия                                         
K               - коэффициент эжекции                               
K 1, K 2        - коэффициент эжекции на первом или втором критичес-
                ком режиме, соответственно                          
K 2l            - коэффициент эжекции на втором критическом режиме  
                при 1С2 = 1                                         
KQ              - объемный коэффициент эжекции                      
KT,             - температурный коэффициент связи                   
l               - длина                                             

lKC        - безразмерная (относительная) длина камеры смешения   
M          - масса                                                
mv         - коэффициент отношения скоростей                      
n          - показатель адиабаты; показатель процесса расширения  
Пд         - степень расширения диффузора                         
P          - давление                                             
Q          - объемный расход; теплота                             
qn         - массовая доля пара в парогазовой смеси               
qTA        - массовая доля газа в жидкостно-газовой смеси на срезе
           сопла активного потока                                 
R          - газовая постоянная или комплекс, включающий ее       
r          - радиус                                               
r0         - теплота парообразования в тройной точке; радиус жид- 
           костной струи на срезе сопла                           
ru         - внутренняя теплота фазового перехода в тройной точке 
rn         - скрытая теплота парообразования                      
S          - энтропия; площадь боковой поверхности                
S0         - энтропия в точке начала ее отсчета                   
S (F)      - поток энтропии                                       
T          - абсолютная температура                               
T          - температура начала отсчета внутренней энергии        
1 0        - время                                                
t          - период осреднения                                    
t 1        - удельная внутренняя энергия; отношение массовых рас- 
и          ходов газа и жидкости в дисперсной смеси; параметр     
Un                                                                
V                                                                 
V          - степень влажности пара                               
C CP       - скорость                                             
V          - среднерасходная скорость                             
Г Г CP i   - i-я средняя скорость газа (i = 1„.4)                 
J          - удельный объем                                       
Y          - отношение скоростей                                  
Z          - осевая координата струйного аппарата                 
z          - параметр                                             
a          - геометрический параметр струйного аппарата           
a KC       - угол конусности камеры смешения                      
a д        - угол расширения диффузора                            
a ЦЭ       - геометрический параметр струйного аппарата с эквива- 
b = F2/ F1 лентной цилиндрической камерой смешения                
g n        - степень конусности камеры смешения                   
5          - объемная доля пара в парогазовой смеси               
~          - толщина пленки                                       
5 = F5/ F1 - безразмерная площадь торцов сопл                     

Основные обозначения

A S         - производство энтропии                                 
A W         - разность кинетических энергий потока на входе в камеру
            смешения и на выходе из нее                             
e           - коэффициент корреляции; безразмерная константа        
П>П ИЗ      - КПД и изотермический КПД, соответственно              
е           - коэффициент отношения температур; безразмерная пере-  
            менная                                                  
е 1         - угол наклона оси камеры смешения к вектору ускорения  
            свободного падения                                      
l = V/aK    - приведенная скорость                                  
l Ж, l т    - молекулярная и турбулентная теплопроводности жид-     
            кости                                                   
m           - коэффициент динамической вязкости                     
m СГ , m СЖ - коэффициенты расхода газового и жидкостного сопл      
V           - коэффициент кинетической вязкости; коэффициент по-    
            терь полного давления                                   
X Д         - коэффициент сопротивления диффузора                   
Г           - объемная доля                                         
n           - динамический коэффициент связи                        
ПКИН        - кинетический коэффициент связи                        
nS          - удельное производство энтропии                        

nS, , nST, nSᵣ- удельное производство энтропии, вызванное выравниванием давления, температур, скоростей движения компо-

                   нентов, соответственно                                 
nS х               - удельное производство энтропии из-за диссипации части
                   кинетической энергии потока при его взаимодействии со  
                   стенкой камеры смешения                                
nSw                - разность между удельными производствами энтропии     
                   nSV и nS t                                             
р                  - плотность                                            
s                  - коэффициент поверхностного натяжения; параметр       
t                  - объем; касательное напряжение; шаг сетки             
j                  - коэффициент скорости; параметр                       
j n                - коэффициент отличия показателя процесса расширения   
                   газа в сопле от показателя адиабаты                    
y                  - коэффициент восстановления полного давления; коэффи- 
                   циент потерь импульса                                  
                   Простые нижние индексы                                 
0, ...,5; i; I; II - номер сечения струйного аппарата в соответствии с    
                   рис. 1.1; 3.23; 6.3; 8.1                               
1 - 2              - между сечениями 1 - 1 и 2 - 2