Рабочий процесс эжектора сводится к следующему. Высоконапорный (эжектирующий) газ, имеющий полное давление ,вытекает из сопла в смесительную камеру. При стационарном режиме работы эжектора во входном сечении смесительной камеры устанавливается статическое давление которое всегда ниже полного давления низконапорного (эжектируемого) газа .
Под действием разности давлений низконапорный газ устремляется в камеру. Относительный расход этого газа, называемый коэффициентом эжекции, зависит от площадей сопел, от плотности газов и их начальных давлений, от режима работы эжектора. Несмотря на то, что скорость эжектируемого газа во входном сечении обычно меньше скоростиэжектирующего газа , надлежащим выбором площадей сопел иможно получить сколь угодно большое значение коэффициента эжекции n.
В камеру смешения эжектирующий и эжектируемый газы входят в виде двух раздельных потоков: в общем случае они могут различаться по химическому составу, скорости, температуре и давлению. Смешение потоков означает, в конечном счете, выравнивание параметров газов по всему сечению камеры.
Весь процесс смешения можно условно разделить на два этапа — начальный и основной. Соответственно выделяются два участка смесительной камеры (рис. 5). Течение в начальном участке камеры смешения с известным приближением можноуподобить турбулентной струе, движущейся в спутном потоке. Ввиду наличия поперечных пульсационных компонентов скорости, свойственных турбулентному движению, потоки внедряются друг в друга, образуя постепенно уширяющуюся зону смешения — пограничный слой струи. В пределах пограничного слоя происходит плавное изменение параметров газовой смеси от значений их в эжектирующем газе до значений в эжектируемом газе. Вне пограничного слоя в начальном участке камеры смешения имеются невозмущенные потоки эжектируемого и эжектирующего газов.
В начальном участке камеры частицы эжектируемого газа непрерывно захватываются высоконапорной струей и увлекаютсяею в зону смешения. Благодаря этому и поддерживается разрежение на входе в смесительную камеру, которое обеспечивает втекание низконапорного газа в эжектор.
В зависимости относительных размеров эжектора с удалением от сопла последовательно исчезают обе зоны невозмущенного течения газов; так, на рис. 5 первым ликвидируется ядро эжектирующей струи.
На некотором расстоянии от сопла, в сечении Г — Г, называемом граничным сечением, пограничный слой струи заполняет все сечение смесительной камеры. В этом сечении уже нет областей невозмущенных течений, однако параметры газа существенно различны по радиусу камеры. Поэтому и после граничного сечения в основном участке смесительной камеры продолжается выравнивание параметров потока по сечению. В конечном сечении камеры, отстоящем в среднем на расстоянии 8 — 12 диаметров камеры от начального сечения, получается достаточно однородная смесь газов, полное давление которойбольше превышает полное давление эжектируемого газа , чем меньше коэффициент эжекции п. Рациональное проектирование эжектора сводится к выбору таких его геометрических размеров, чтобы при заданных начальных параметрах и соотношении расходов газов получить наивысшее значение полного давления смеси, либо при заданных начальных и конечном давлениях получить наибольший коэффициент эжекции.
Рис. 5. Изменение поля скоростей по длине камеры смешения.
Описанная выше схема процесса смешения газов в эжекторе при дозвуковых скоростях принципиально ничем не отличается от процесса смешения несжимаемых жидкостей в жидкостном эжекторе. Как будет показано ниже, даже при больших докритических отношениях давлений не только качественные закономерности, но и многие количественные зависимости между параметрами газового эжектора практически не отличаются от соответствующих данных жидкостного эжектора.
Качественно новая картина течения наблюдается при сверхкритических отношениях давлений в сопле. При дозвуковом истечении давление газа на выходе из сопла равно давлению в окружающей среде, другими словами, статические давления газов на входе в камеру смешения р1 и р2 одинаковы. При звуковом или сверхзвуковом истечении эжектирующего газа давление на срезе сопла может существенно отличаться от давления эжектируемого газа.
Если сопло эжектирующего газа выполненонерасширяющимся, то при сверхкритическом отношении давлений статическое давление на срезесопла превышает давление в окружающей среде — эжектируемом газе.
Рис. 6. Схема течения в начальном участке камеры смешения при сверхкритическом отношении давлений в сопле
Поэтому после выхода изсопла А струя эжектитирующего газа В (рис. 6),движущаяся со скоростью звука , продолжает расширяться, скорость ее становится сверхзвуковой, а площадь сечения — большей, чем площадь выходного сечения сопла.
Точно так же ведет себя сверхзвуковая эжектирующая струя, вытекающая из сопла Лаваля, если в эжекторе применено сверхзвуковое сопло с неполным расширением. В этом случае скорость газа на срезе сопла соответствует, где-расчетная величина скорости для данного сопла Лаваля, определяющаяся отношением площадей выходного и критическогосечений.
Таким образом, при отношениях давлений, больших расчетного для данного сопла, эжектирующий газ в начальном участке смесительной камеры представляет собой расширяющуюся сверхзвуковую струю. Поток эжектируемого газа на этом участке движется между границей струи и стенками камеры. Так как скорость эжектируемого потока в начальном участке дозвуковая, то при течении по суживающемуся «каналу» поток ускоряется, и статическое давление в нем падает.
При дозвуковом истечении эжектирующей струи наибольшее разрежение, и максимальные скорости потоков достигались во входном сечении камеры. В данном случае минимальная величина статического давления, и максимальная скорость эжектируемого потока достигаются в сечении 1′, находящемся на некоторомрасстоянии от сопла, там, где площадь расширяющейсясверхзвуковой струи становится наибольшей. Это сечение принято называть сечением запирания.
Особенностью сверхзвуковой струи является то, что смешение ее с окружающим потоком на этом участке проходит значительно менее интенсивно, чем смешение дозвуковых потоков. Это связано с тем, что сверхзвуковая струя обладает повышенной устойчивостью по сравнению с дозвуковой струей, и размывание границ такой струи происходит слабее. Физические основы этого явления легко уяснить на следующем примере (рис. 7).
Рис. 7. Схема силового воздействия газа на тело, искривляющее границу дозвукового (а) и сверхзвукового (б) потоков.
Если граница дозвукового потока в силу какой-либо причины (например, воздействия частиц газа спутного потока) искривлена, то в этом месте из-за уменьшения площади сечения уменьшается статическое давление и возникает сила внешнего давления, увеличивающая начальную деформацию границы: при взаимодействии с окружающей средой дозвуковая струя «втягивает»частицы внешнего потока и граница ее быстро размывается. В сверхзвуковом (относительно внешней среды) потоке аналогичное искривление границы и уменьшение сечения приводит к росту давления; возникающая сила направлена не внутрь, а наружу потока и стремится восстановить исходное положениеграницы струи, выталкивая частицы внешней среды.
Интересно отметить, что это различие в свойствах дозвуковой и сверхзвуковой струй можно наблюдать буквально на ощупь. Дозвуковая струя втягивает внутрь поднесенный к границе легкий предмет, сверхзвуковая струя на расстоянии нескольких калибров от сопла имеет «жесткую» границу; при попытке ввести в струю извне какой-либо предмет ощущается заметное сопротивление резко выраженной границы струи.
Рис. 8. Шлирен — фотография потока в камере смешения плоского эжектора при дозвуковом режиме истечения газа из сопла; ,, р1=р2.
Рис. 9. Шлирен — фотография потока в камере смешения плоского эжектора при сверхкритическом отношении давлений в сопле П0=3,4.
На рис. 8 и 9 приведены фотографии течения в начальном участке смесительной камеры при дозвуковом и сверхзвуковом истечении эжектирующей струи. Фотографии получены на плоской модели эжектора, режим изменялся путем увеличения полного давления эжектирующего газа перед соплом при постоянном давлении эжектируемого газа и постоянном давлениина выходе из камеры.
На фотографиях видно различие между двумя рассмотренными режимами течения в начальном участке камеры.
При анализе процессов и расчете параметров эжектора на сверхкритических отношениях давлений в сопле будем полагать, что до сечения запирания (рис. 6) эжектирующий и эжектируемый потоки текут раздельно, не смешиваясь, а интенсивное смешение происходит за этим сечением. Это весьма близко к действительной картине явления. Сечение запирания является характерным сечением начальногоучастка смешения, а параметры потоков в нем, как будет показано ниже, существенно влияют на рабочий процесс и параметры эжектора.
С удалением от сопла граница между потоками размывается, сверхзвуковое ядро эжектирующей струи уменьшается, происходит постепенное выравнивание параметров газа по сечениюкамеры.
Характер смешения газов в основном участке смесительной камеры практически такой же, как и при докритических отношениях давлений в сопле, скорость смеси газов в широком диапазоне начальных параметров газов остается меньшей скоростизвука. Однако при увеличении отношения начальных давлений газов сверх некоторой определенной для каждого эжектора величины поток смеси в основном участке камеры становится сверхзвуковым и может остаться сверхзвуковым до конца смесительной камеры. Условия перехода от дозвукового к сверхзвуковому режиму течения смеси газов, как будет показано ниже, тесно связаны с режимом течения газов в сечении запирания.
Таковы особенности протекания процесса смешения газов при сверхкритических отношениях давлений газов в эжектирующем сопле. Заметим, что под отношением давлений в сопле мыподразумеваем отношение полного давления эжектирующего газа к статическому давлению эжектируемого потока вовходном сечении смесительной камеры , которое зависит отполного давления и приведенной скорости .
Чем больше , тем больше (при постоянном отношении полных давлений газов) отношение давлений в сопле:
Таким образом, сверхкритический режим истечения эжектирующего газа из сопла может существовать и тогда, когда отношение начальных полных давлений газов ниже критического значения.
Независимо от особенностей течения газов при смешении происходит выравнивание скорости газов по сечению камеры путемобмена импульсами между частицами, движущимися с большей и меньшей скоростью. Этот процесс сопровождается потерями. Помимо обычных гидравлических потерь на трение о стенки сопел и камеры смешения, для рабочего процесса эжекторахарактерны потери, связанные с самим существом процессасмешения.
Определим изменение кинетической энергии, происходящее при смешении двух газовых потоков, секундный массовый расход и начальная скорость которых равны соответственно G1, G2, и . Если предположить, что смешение потоков происходит припостоянном давлении (это возможно либо при специальной профилировке камеры, либо при смешении свободных струй), токоличество движения смеси должно быть равно сумме начальных количеств движения потоков:
Величина представляет собой потери кинетической энергии, связанные с процессом смешения потоков. Эти потери аналогичны потерям энергии при ударе неупругих тел. Независимо от температуры, плотности и других параметров потоков потери, как показывает формула (2), тем больше, чем больше разностьскоростей смешивающихся потоков. Отсюда можно сделать вывод, что при заданной скорости эжектирующего газа и заданном относительном расходе эжектируемого газа (коэффициенте эжекции) для получения наименьших потерь, т. е. наибольшей величины полного давления смеси газов, желательноувеличивать так, чтобы возможно более приблизить скоростьэжектируемого газа к скорости эжектирующего газа при входе в камеру смешения. Как увидим ниже, это действительно приводит к наивыгоднейшему протеканию процесса смешения.
Рис. 10. Изменение статического давления по длине камеры смешения при дозвуковом течении газов.
При смешении газов в цилиндрической смесительной камере эжектора статическое давление газов не остается постоянным. Для того чтобы определить характер изменения статического давления в цилиндрической смесительной камере, сравним параметры потока в двух произвольных сечениях камеры 1 и 2, находящихся на различном расстоянии от начала камеры (рис. 10). Очевидно, что в сечении 2, находящемся на больше расстоянии от входного сечения камеры, поле скоростей более равномерно, чем в сечении 1. Если принять, что для обоих сечений (для основного участка камеры, где статическое давление изменяется незначительно, это приближенносоответствует действительности), то из условия равенства секундных расходов газа
следует, что в сечениях 1 и 2 сохраняет постоянное значение средняя по площади величина скорости потока
.(3)
Рассмотрим далее величину
Легко убедиться, что при , т.е. в случае равномерногополя скорости в сечении F, величина равна единице. Во всехдругих случаях числитель в (4) больше знаменателя и .
Значение величины может служить характеристикой степени неравномерности поля скоростей в данном сечении: чем более неравномерно поле , тем больше. Будем называть величинукоэффициентом поля.
Возвращаясь к рис. 10, теперь нетрудно заключить, что величина коэффициента поля в сечении 1 больше, чем в сечении 2. Количества движения в сечениях 1 и 2 определяются интегралами
.
Так как , то отсюда следует
Итак, количество движения в потоке при выравнивании поля скоростей в процессе смешения уменьшается, несмотря на то, что суммарный расход и средняя по площади скорость остаются постоянными.
Запишем теперь уравнение импульсов для потока между сечениями 1 и 2:
.
На основании неравенства (5) левая часть данного уравнения всегда положительна. Отсюда следует, что т. е. выравнивание поля скоростей в цилиндрической смесительной камере сопровождается возрастанием статического давления; во входном сечении камеры существует пониженное давление по сравнению с давлением на выходе из камеры. Это свойство процессанепосредственно используется в простейших эжекторах, состоящих из сопла и одной цилиндрической камеры смешения, как, например, показано на рис. 10. Благодаря наличию разреженияна входе в камеру, этот эжектор подсасывает из атмосферывоздух, а затем смесь выбрасывается вновь в атмосферу. На рис. 10 также показано изменение статического давления по длине камеры эжектора.
Полученный качественный вывод справедлив в тех случаях, когда изменение плотности газа в рассматриваемом участке процесса смешения незначительно, вследствие чего можно приближенно считать . Однако в некоторых случаях присмешении газов существенно различной температуры, когда имеется большая неравномерность плотности по сечению, а также при сверхзвуковых скоростях в основном участке смешения,когда плотность заметно изменяется по длине камеры, возможны режимы работы эжектора, при которых статическое давление газа в процессе смешения не возрастает, а снижается.
Если смесительная камера не цилиндрическая, как предполагалось выше, а имеет переменную по длине площадь сечения, то можно получить произвольное изменение статического давления по длине.
Основным геометрическим параметром эжектора с цилиндрической смесительной камерой является отношение площадейвыходных сечений сопел для эжектирующего и эжектируемого газов
Эжектор с большим значением , т. е. с относительно малойплощадью камеры, является высоконапорным, но не может работать с большими коэффициентами эжекции; эжектор с малым позволяет подсосать большое количество газа, но мало повышает его напор.
Вторым характерным геометрическим параметром эжектора является степень расширения диффузора- отношениеплощади сечения на выходе из диффузора к площади на входе в него. Если эжектор работает при заданном статическом давлении на выходе из диффузора, например при выхлопе в атмосферу или в резервуар с постоянным давлением газа, то степень расширения диффузора f существенно влияет на все параметры эжектора. С увеличениемfв этом случае снижается статическое давление в камере смешения, растет скорость эжектирования и коэффициент эжекции при не очень значительном изменении полного давления смеси. Разумеется, это справедливо лишь до того момента, когда в каком-либо сечении эжектора будет достигнута скорость звука.
Третий геометрический параметр эжектора — относительная длина камеры смешения — в обычные методы расчета эжектора не входит, хотя и существенно влияет на параметры эжектора, определяя полноту выравнивания параметров смеси по сечению. Ниже будем полагать, что длина камеры достаточно велика и коэффициент поля в ее выходном сечении близок к единице.