Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE \* MERGEFORMAT 24
|
[1] Оглавление [2] 1.1. О режиме течения на выходе из смесительной камеры. [3] 1.2. Параметры, характеризующие геометрию эжектора и его работу: [4] 2. 1. Описание установки [5] 2.2. Проведение эксперимента. [6] 2.3. Обработка результатов эксперимента. [7] 3.1. Расчет эжектора с цилиндрической КС на критическом режиме работы. [8] 3.2. Расчет эжектора на докритическом режиме работы. [9] Приложение №1 [10] Приложение №2 [11] Приложение №3. |
Введение
Цель работы:
1) закрепить знания теории газо-газового эжектора и методики снятия его характеристик;
2) снять зависимость полного давления пассивного газа от противодавления на выходе из эжектора, при различных коэффициентах эжекции, а также распределение давления по длине эжектора при различных коэффициентах эжекции и противодавлениях на выходе из эжектора;
3) снять зависимость коэффициента эжекции от степени сжатия эжектора, при его работе на критических режимах;
4) рассчитать эжектор на критических и докритических режимах работы и сравнить результаты расчета с экспериментом.
1. Теоретическая часть.
Газовые эжекторы в настоящее время широко применяются в различных областях: нефтехимической нефтеперерабатывающей, нефтегазодобывающей, пищевой, в космической и глубоководной технике, тепловой и атомной энергетике и др. Основным достоинством эжектора, как струйного компрессора является отсутствие движущихся и трущихся деталей, что существенно при работе с горящими или агрессивными средами.
Рассмотрим сверхзвуковой газовый эжектор с цилиндрической камерой смешения и расширяющимся диффузором. Эжектор (рис.1) состоит из сверхзвукового сопла 1 эжектирующего (активного) газа, дозвукового сопла 2 эжектируемого (пассивного) газа, камеры смешения (КС) 3 и диффузора 4.
Рис.1.
Приняты следующие условные обозначения: - давление,- площадь поперечного сечения потока, - приведенная скорость потока. Обозначения нижних индексов: 0 – параметры заторможенного потока, 1- параметры активного потока во входном сечении камеры смешения, 2 - параметры пассивного потока во входном сечении камеры смешения, 3 – параметры смеси на выходе из камеры смешения, 4 – параметры смеси на выходе из диффузора. Штрихом обозначены параметры в сечении запирания.
Рассмотрим основные уравнения, связывающие параметры потока во входном и выходном сечениях цилиндрической смесительной камеры эжектора (см. рис.1).
Закон сохранения массы
или ; (1)
Закон сохранения энергии
; (2)
Закон сохранения количества движения (без учёта трения газа о стенки камеры смешения)
, (3)
где – общее количество тепла, подводимое за 1 секунду к газу в смесительной камере путем теплопередачи через стенки камеры или выделяющееся вследствие химических реакций в потоке, – теплоемкости газов при постоянном давлении, – температуры газов, – скорости газов, – массовые расходы газов, – коэффициент эжекции.
Для простоты рассмотрим случай, когда в роли активного и пассивного потоков выступает один и тот же газ, а также подвод тепла в смесительную камеру через стенки отсутствует. Тогда получим , (4)
Путем математических преобразований можно привести уравнения энергии, количества движения и расхода для общего случая смешения различных газов к виду
, (5)
где .
(6)
, (7)
где .
Эксперименты показывают, что для каждого эжектора при заданных начальных параметрах газов имеется некоторое максимальное значение коэффициента эжекции и соответствующие ему максимально возможные значения расхода и скорости эжектируемого газа. Никаким снижением давления на выходе из эжектора не удается превысить эти предельные значения. Явление это напоминает работу сопла Лаваля на режимах, когда в минимальном сечении его достигнута скорость звука; скорости газа во всех сечениях дозвуковой части при этом принимают предельно возможные значения и не зависят от давления на выходе из сопла.
Режим работы эжектора, при котором коэффициент эжекции не зависит от давления на выходе из диффузора, называется критическим. Особенности работы эжектора на критическом режиме связаны с характером течения в начальном участке смесительной камеры – между сечением входа в камеру смешения и сечением запирания (рис.1). При сверхзвуковом истечении давление газа на срезе сопла может существенно отличаться от давления пассивного газа в сечении входа в КС. Если сопло активного газа выполнено с неполным расширением, то струя активного газа после выхода из сопла продолжает расширяться, при этом скорость газа и занимаемая им площадь возрастают. Дозвуковой поток пассивного газа движется здесь по каналу с уменьшающимся сечением, ограниченному стенками камеры и границей сверхзвуковой активной струи. Скорость пассивного потока в минимальном сечении, совпадает с сечением запирания и не может превысить скорости звука. Этим определяются предельные значения скорости во входном сечении и максимальный расход пассивного газа. Для того чтобы определить эти максимально возможные величины, необходимо найти соотношения между параметрами потоков во входном сечении и в сечении запирания.
Из приведенного выше описания физической картины течения потоков в начальном участке камеры следует, что потоки в этом участке движутся с ускорением, практически не смешиваясь между собой. Это позволяет считать, что до сечения запирания в каждом потоке полное давление, температура торможения и секундный расход газа постоянны, т. е. это дает возможность применять для расчета каждого из потоков соотношения, справедливые для течения газа в идеальном сопле.
Один из способов расчета начального участка предложен Ю. Н. Васильевым. Неравномерный сверхзвуковой поток эжектирующего газа в сечении запирания осредняется, т.е. условно заменяется потоком с постоянными по сечению параметрами, однако статическое давление в нем полагается отличным от статического давления эжектируемого газа . Таким образом, потоки считаются одномерными, но на границе потоков предполагается существование некоторого скачка статического давления; значения параметров эжектирующего газа и величина скачка статического давления определяются так, чтобы удовлетворялось уравнение количества движения.
Уравнение количества движения, записанное для обоих потоков между входным сечением цилиндрической смесительной камеры и сечением запирания, имеет вид:
.(8)
Приводим уравнение количества движения к виду
. (9)
Для критического режима работы эжектора, когда , уравнение принимает вид
. (10)
Величины и должны одновременно удовлетворять условию постоянства площади камеры смешения , из которого следует
. (11).
Выше приведенные зависимости выведены при допущении, что каждый поток имеет постоянное давление по поперечным сечениям. В действительности сверхзвуковая струя в сечении запирания обладает заметной неравномерностью, и статическое давление в ней существенно меняется от периферии к оси.
Приведенная скорость потока в выходном сечении цилиндрической камеры определяется из уравнения (6). При этом обычно возникает затруднение, связанное с неоднозначностью решения относительно величины , так как каждому значению соответствует два значения коэффициента скорости
и . (12)
Первое значение соответствует сверхзвуковому, а второе – дозвуковому режиму течения, причем (здесь можно провести аналогию для коэффициентов скорости газов до и после прямого скачка уплотнения).
При докритических режимах работы эжектора, несмотря на наличие сверхзвуковой скорости в активной струе, эжектируемый газ в результате смешения не может приобрести сверхзвуковую скорость. Скорость смеси на выходе из камеры будет дозвуковой.
В результате переноса механической энергии из сверхзвукового эжектирующего потока в сверхзвуковой пассивный поток, первый тормозится, второй ускоряется, скорости потоков сравниваются по величине и могут остаться сверхзвуковыми в выходном сечении камеры, если не возникает скачок уплотнения. При сверхзвуковой скорости газа на выходе из камеры смешения диффузор работает как расширяющаеся часть сопла Лаваля на нерасчетном режиме. С уменьшением противодавления за диффузором скачок уплотнения приближается к выходному сечению диффузора, приведенная скорость перед скачком уплотнения и потери полного давления в нем возрастают. При достаточно низком противодавлении на критическом режиме поток смеси может остаться и сверхзвуковым на выходе из диффузора. Это может представлять интерес в тех случаях, когда используется скоростной напор потока смеси или возникающая при истечении реактивная сила. Однако в обычных схемах работы эжектора требуется получить возможно большее статическое давление газа на выходе из эжектора. Для этого сверхзвуковой поток, полученный на выходе из камеры смешения при критических режимах работы эжектора, необходимо перевести в дозвуковой. Принципиально здесь возможно применить сверхзвуковой диффузор, где торможение будет происходить в системе скачков с небольшими потерями. Обычно в эжекторах применяются конические дозвуковые диффузоры, в которых поток тормозится с образованием скачка уплотнения. Если считать скачок уплотнения прямым, то минимальные потери полного давления в нем будут тогда, когда скачок располагается непосредственно перед входным сечением диффузора. За скачком уплотнения приведенная скорость потока в этом случае будет соответствовать дозвуковому решению уравнения (6).
Таким образом, при проектировании эжектора с цилиндрической камерой смешения, который на критическом режиме должен приводить к дозвуковому течению потока смеси, приведенную скорость следует находить из дозвукового решения уравнения (6). Это соответствует оптимальному режиму торможения полученного сверхзвукового потока.
– коэффициент эжекции ;
– характерное отношение давлений ;
– степень сжатия ;
– отношение площадей выходных сечений сопел активного и пассивного газов ;
– степень расширения диффузора;
– относительная длина камеры смешения , - длина КС;
– адиабатический КПД.
2. Экспериментальная часть.
Схемы испытываемого эжектора и установки приведены на рис.2, 3.
Рис.2.
Активный газ подается к центральному соплу I (см. рис.3.) по магистрали «А» через клапана 4, 6, 8, исполнительный редуктор 9. Редуктор 7 является командным и вместе с исполнительным редуктором 9 позволяют установить необходимое давление перед входом в сопло I.
Пассивный газ подается к периферийному соплу II из форкамеры III (см. рис. 3) по магистрали «Б» через клапана 4, 14, редуктор 15, теплообменник 16, фильтр 17, расходомерную шайбу 18
С помощью редуктора 15 устанавливается необходимое давление перед расходомерной шайбой сверхкритического перепада 18 и тем самым задается определенный расход пассивного газа.
Рис.3.
Пассивный и активный газы поступают в цилиндрическую КС IV, где происходит процесс смешения и далее смесь газов пройдя двухступенчатый диффузор V поступает в барокамеру 11. На выходе из барокамеры 11 установлена электрическая задвижка 12, которая регулирует проходное сечение и тем самым изменяет давление в барокамере (давление на выходе из эжектора).
При проведении эксперимента измеряются следующие параметры: давление активного газа перед входом в сопло (ДД1, МН1), давление пассивного газа перед расходомерной шайбой (ДД2, МН2), давление пассивного газа в форкамере III (ДД3, МН3), распределение давления по длине КС IV и диффузора V (ДД5-ДД12), давление в барокамере (ДД4, МН4), температура окружающей среды. Полные температуры активного и пассивного газов принимаются равным полным температурам в рампе с воздухом, а температура в рампе принимается равной температуре окружающей среды.
Запуск эжектора осуществляется подачей воздуха к соплу I. Работа эжектора с различными коэффициентами эжекции реализуется путем изменения давления перед расходомерной шайбой 18, при постоянном давлении на входе в сопло I. Работа эжектора при постоянном коэффициенте эжекции и различных противодавлениях на выходе из него, реализуется путем изменения давления в барокамере 11, с помощью задвижки 12, при постоянных давлениях перед шайбой 18 и перед соплом I.
В систему измерения установки входят, манометры МН1-МН5, датчики давления ДД1-ДД12, источник питания датчиков, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), компьютер и линии связи датчиков с АЦП. Электрическая схема включения датчиков представлена на рис. 4.
Рис. 4.
На установки используются потенциометрические датчики. В устройство потенциометрического датчика входит упругий элемент и реостат. Под действием давления упругий элемент датчика деформируется и перемещает скользящий контакт реостата, тем самым меняя сопротивление датчика, а при подаче на датчик постоянного напряжения меняется напряжение на выходе. АЦП преобразует аналоговые сигналы с датчиков с определенной дискретностью в цифровой вид (двоичный код). Данные из АЦП в виде двоичного кода поступают на вход USB порта компьютера. Далее данные обрабатываются компьютером с помощью программы написанной в LabView и переводятся сначала в значения напряжений на выходе каждого датчика, а потом в значения давлений, по тарировочным характеристикам. Кнопка «запись» К1 включает запись показаний с датчиков на компьютер. Кнопка «замер» К2 ставит отметку в записанных показаниях, что они сделаны на стационарном режиме работы эжектора.
Эксперимент предполагает проведение трех пусков.
На первых пусках подводиться активный газ с давлением перед центральным соплом I равным примерно 50 ата. После запуска сопла I подводится пассивный газ с давлением от 3 до 17 ата перед расходомерной шайбой 18. После запуска эжектора проводиться изменение давления в барокамере 11, с выдержкой 7-10 секунд при каждом значении давления, для прохождения всех переходных процессов в эжекторе и записи параметров на компьютер на установившемся режиме. Первый и второй пуски проводятся при разных давлениях перед расходомерной шайбой 18 (при разных расходах пассивного газа).
На третьем пуске задвижка 12 устанавливается в крайнее открытое положение, что обеспечивает создание минимального противодавления в барокамере 11. Активный газ подводиться с давлением перед центральным соплом I равным примерно 50 ата. После запуска сопла I подводится пассивный газ. Давление перед расходомерной шайбой 18 последовательно устанавливается равным примерно 3,5; 6; 8,5; 11; 13,5 ата и выдерживается 7-10 секунд при каждом значении для завершения переходных процессов в эжекторе и записи на компьютер.
По окончании работы необходимо перекрыть воздух к центральному соплу I и расходомерной шайбе 18.
Датчики ДД1, ДД2, ДД4 пишут на компьютер абсолютные значения давления в атмосферах. Датчики ДД3, ДД5-ДД12 пишут на компьютер избыточные значения давления в атмосферах. Абсолютные значения давлений определяются по соотношению
, где – атмосферное давление в мм. рт. ст.
Результаты испытаний занести в протокол испытаний.
Определить расход активного газа по формуле
, где - коэффициент расхода через сопло, – площадь критического сечения сопла активного газа, в ;– полное давление активного газа перед соплом, в Па по датчику ДД1; для воздуха; – газовая постоянная воздуха, в ; – полная температура активного газа, в К, принимается равной температуре окружающей среды.
Определить расход пассивного газа по формуле
, где - коэффициент расхода через расходомерную шайбу, – площадь отверстия шайбы;– полное давление пассивного газа перед расходомерной шайбой, в Па по датчику ДД2; – полная температура пассивного газа, в К, принимается равной температуре окружающей среды.
Находим коэффициент эжекции , и степень сжатия , где –давление в барокамере, по датчику ДД4.
Для первых двух пусков построить графики зависимости от и графики распределения давления по длине эжектора для каждого замеренного давления (см. приложение №1).
Для третьего пуска построить график зависимости коэффициента эжекции от степени сжатия и графики распределения давления по длине эжектора для каждого замеренного коэффициента эжекции (см. приложение №2).
3. Расчётная часть.
С использованием программы Mathcad произвести расчет испытанного эжектора для коэффициентов эжекции пусков №1 и №2 на критических и докритических режимах работы по методикам приведенным ниже. Полученные результаты расчета сравнить с экспериментальными данными.
Исходными данными для расчета эжектора на критическом режиме в нашем случае являются:
В результате расчета необходимо найти полное давление пассивного газа в форкамере на критическом режиме работы эжектора, а также максимальное полное давление на выходе из эжектора.
В расчете используются следующие газодинамические функции:
, , ,
.
1) По известным размерам сопла находим значение приведенной скорости активного газа на выходе из сопла решая уравнение
, так как сопло сверхзвуковое, то .
2) Находим приведенную скорость пассивного газа на входе в КС, приведенную скорость активного газа в сечении запирания и полное давление пассивного газа на входе в КС решая систему из трех уравнений:
выражение (10);
выражение (11);
и следующего выражения
, (13) которое выводиться из следующих равенств.
, и .
При этом решения системы уравнений должны удовлетворяться следующим условиям , .
3) Находим приведенную скорость смеси газов на выходе из КС из выражения (6). При этом из двух решений уравнения (6) выбираем значение , что соответствует картине течения со скачком уплотнения на выходе из КС.
4) Находим полное давление смеси газов на выходе из КС из выражения (7).
5) Находим полное давление смеси газов на выходе из диффузора эжектора из выражения
, где зависит от числа скорости на выходе из КС и угла раствора диффузора. В приложении №3 приведены графики из которых можно найти по углу раскрытия диффузора и числа Маха на выходе из КС.
6) Находим максимальную теоретическую степень сжатия .
Расчётные значения нанести на экспериментальные графики (см. приложение №1).
Исходными данными для расчета эжектора на докритическом режиме в нашем случае являются:
термодинамические свойства смешивающихся газов.
В результате расчета необходимо найти полное давление на выходе из эжектора.
1) Из выражения (13),
находим приведенную скорость пассивного газа на входе в камеру смешения.
2) Из выражения (6) находим приведенную скорость смеси газов на выходе из камеры смешения эжектора.
3) Из выражения (7) находим полное давление смеси газов на выходе из камеры смешения эжектора.
4) Находим полное давление смеси газов на выходе из диффузора эжектора из выражения
, где зависит от числа скорости на выходе из КС и угла раствора диффузора. В приложении №2 приведены графики из которых можно найти по углу раскрытия диффузора и числа Маха на выходе из КС.
Расчётные значения нанести на экспериментальные графики (см. приложение №1).
Следует отметить, что данный алгоритм расчета справедлив для случая когда в сопле активного газа отсутствует скачок уплотнения, что не всегда реализуется на докритических режимах работы эжектора со сверхзвуковым соплом. Поэтому необходимо сравнивать давления активного и пассивного потоков на входе в камеру смешения.
4. Отчет по лабораторной работе.
Объем отчета по лабораторной работе.
1) Эскиз проточной части испытываемого эжектора с основными размерами сопла, камеры смешения и диффузора, а также с размерами точек замера давления по длине эжектора;
2) результаты эксперимента и результаты расчета по пускам №1 и №2 (см. приложение №1). Для каждого пуска должны быть заполнена таблица с данными, измеренными в результате эксперимента и величинами, рассчитанными по измеренным данным, таблица с данными полученными в результате расчета, экспериментальный и расчетный график зависимости от , экспериментальные графики распределения давления по длине эжектора;
3) результаты эксперимента и результаты расчета по пуску №3 (см. приложение №2). Для каждого пуска должны быть заполнена таблица с данными измеренными в результате эксперимента и величинами, посчитанными по измеренным данным, таблица с данными полученными в результате расчета, экспериментальный и расчетный график зависимости степени сжатия от коэффициента эжекции, экспериментальные графики распределения давления по длине эжектора;
4) распечатка текста программы, по которой производился расчет работы эжектора на критическом и докритическом режимах;
5) сделать выводы. В выводах необходимо объяснить характер поведения экспериментальной зависимости от , объяснить, почему и как меняется распределение давления по длине эжектора при увеличении противодавления на выходе из эжектора, сделать вывод относительно совпадения экспериментальных данных с расчетными (если не совпадают, то объяснить по каким причинам).
5. Контрольные вопросы