Инжектор — это система воздуховодов и сопел , используемых для направления потока жидкости высокого давления таким образом, что жидкость с более низким давлением захватывается струей и переносится через воздуховод в область более высокого давления. Это гидродинамический насос без подвижных частей, за исключением клапана для управления впускным потоком.
В зависимости от области применения инжектор может также иметь форму эжекторно-струйного насоса , водяного эжектора или аспиратора . Эжектор работает по схожим принципам для создания вакуумного соединения для тормозных систем и т. д.
Движущейся жидкостью может быть жидкость, пар или любой другой газ. Увлекаемой всасывающей жидкостью может быть газ, жидкость, пульпа или поток газа, содержащий пыль. [1] [2] [3]
Паровой инжектор — это распространенное устройство, используемое для подачи воды в паровые котлы, особенно в паровозах. Это типичное применение принципа инжектора, используемого для подачи холодной воды в котел против его собственного давления, используя его собственный живой или отработанный пар, заменяя любой механический насос . Когда он был впервые разработан, его работа была интригующей, поскольку казалась парадоксальной, почти как вечное движение , но позже это было объяснено с помощью термодинамики . [4] Другие типы инжекторов могут использовать другие движущие жидкости под давлением, такие как воздух.
Инжектор был изобретен Анри Жиффаром в начале 1850-х годов и запатентован во Франции в 1858 году для использования в паровозах . [5] Он был запатентован в Соединенном Королевстве компанией Sharp, Stewart and Company из Глазго .
После некоторого первоначального скептицизма, вызванного незнакомым и внешне парадоксальным режимом работы, [6] : 5 инжектор стал широко применяться в паровозах в качестве альтернативы механическим насосам. [6] : 5,7
Стрикленд Лэндис Книсс был инженером-строителем , экспериментатором и автором, с множеством достижений, связанных с железнодорожным транспортом. [7] Книсс начал публиковать математическую модель физики инжектора, которую он проверил, экспериментируя с паром. Паровой инжектор состоит из трех основных частей: [6]
На рисунке 15 показаны четыре эскиза пара, проходящего через сопло, которые нарисовал Кнесс. В общем, сжимаемые потоки через расходящийся канал увеличивают скорость по мере расширения газа. Два эскиза внизу рисунка 15 оба расходящиеся, но нижний слегка изогнут и создает поток с самой высокой скоростью, параллельный оси. Площадь канала пропорциональна квадрату диаметра, а кривизна позволяет пару расширяться более линейно при прохождении через канал.
Идеальный газ охлаждается при адиабатическом расширении (без добавления тепла), выделяя меньше энергии, чем тот же газ при изотермическом расширении (постоянная температура). Расширение пара следует промежуточному термодинамическому процессу, называемому циклом Ренкина . Пар выполняет больше работы , чем идеальный газ, потому что пар остается горячим при расширении.
Дополнительное тепло возникает из- за энтальпии испарения , поскольку часть пара конденсируется обратно в капли воды, смешанные с паром. [6]
На конце сопла пар имеет очень высокую скорость, но при давлении ниже атмосферного, втягивая холодную воду, которая увлекается потоком , где пар конденсируется в капли воды в сходящемся канале.
Подающая труба представляет собой расходящийся канал, в котором сила торможения увеличивает давление, позволяя потоку воды поступать в котел.
Инжектор состоит из корпуса, заполненного вторичной жидкостью, в который впрыскивается движущая жидкость. Движущая жидкость заставляет вторичную жидкость двигаться. Инжекторы существуют во многих вариантах и могут иметь несколько стадий, каждая из которых повторяет один и тот же базовый принцип работы, чтобы увеличить их общий эффект.
Он использует эффект Вентури сходящегося -расходящегося сопла на струе пара для преобразования энергии давления пара в энергию скорости , снижая его давление до уровня ниже атмосферного, что позволяет ему увлекать жидкость (например, воду). После прохождения через сходящийся «объединительный конус» смешанная жидкость полностью конденсируется, высвобождая скрытую теплоту испарения пара, которая придает воде дополнительную скорость [ как? ] . Затем конденсатная смесь поступает в расходящийся «конус подачи», который замедляет струю, преобразуя кинетическую энергию обратно в статическую энергию давления выше давления котла, что позволяет подавать ее через обратный клапан. [8] [9]
Большая часть тепловой энергии в конденсированном паре возвращается в котел, что повышает термическую эффективность процесса. Поэтому инжекторы обычно имеют общую энергоэффективность более 98%; они также просты по сравнению со многими движущимися частями в питательном насосе.
Скорость подачи жидкости и диапазон рабочего давления являются ключевыми параметрами инжектора, а давление вакуума и скорость откачки — ключевыми параметрами эжектора.
Степень сжатия и коэффициент уноса также могут быть определены:
Степень сжатия инжектора определяется как отношение выходного давления инжектора к входному давлению всасываемой жидкости .
Коэффициент увлечения инжектора, определяется как количество (в кг/ч) всасываемой жидкости, которое может быть унесено и сжато заданным количеством (в кг/ч) рабочей жидкости.
К другим ключевым свойствам инжектора относятся требования к давлению жидкости на входе, то есть является ли он подъемным или неподъемным.
В неподъемном инжекторе необходимо положительное давление жидкости на входе, например, холодная вода подается самотеком.
Минимальный диаметр отверстия парового конуса сохраняется больше минимального диаметра объединяющего конуса. [10] Неподъемный инжектор Nathan 4000, используемый на Southern Pacific 4294, может перекачивать 12 000 галлонов США (45 000 л) в час при давлении 250 фунтов на квадратный дюйм (17 бар). [11]
Подъемный инжектор может работать при отрицательном давлении жидкости на входе, т.е. жидкости, лежащей ниже уровня инжектора. Он отличается от неподъемного типа в основном относительными размерами сопел. [12]
Перелив необходим для сброса избыточного пара или воды, особенно во время запуска. Если инжектор изначально не может преодолеть давление котла, перелив позволяет инжектору продолжать всасывать воду и пар.
Между выходом инжектора и котлом имеется как минимум один обратный клапан (называемый «клак-клапаном» в локомотивах из-за характерного шума, который он производит [9] ), чтобы предотвратить обратный поток, а также обычно клапан, чтобы предотвратить всасывание воздуха при переливе.
Эффективность была дополнительно улучшена за счет разработки многоступенчатого инжектора, который питается не острым паром из котла, а отработавшим паром из цилиндров, тем самым используя остаточную энергию в отработавшем паре, которая в противном случае пропадала бы даром. Однако отработавший инжектор также не может работать, когда локомотив неподвижен; более поздние отработавшие инжекторы могли использовать подачу острого пара, если отработавший пар отсутствовал.
Инжекторы могут быть проблемными при определенных условиях работы, например, когда вибрация заставляет комбинированную струю пара и воды «сбиваться». Первоначально инжектор приходилось перезапускать путем осторожного манипулирования элементами управления паром и водой, и отвлечение, вызванное неисправным инжектором, во многом стало причиной железнодорожной аварии Ais Gill в 1913 году . Позднее инжекторы были разработаны для автоматического перезапуска при обнаружении коллапса в вакууме от струи пара, например, с помощью подпружиненного конуса подачи.
Другая распространенная проблема возникает, когда входящая вода слишком теплая и менее эффективна для конденсации пара в объединяющем конусе. Это также может произойти, если металлический корпус инжектора слишком горячий, например, из-за длительного использования.
Внутренние части инжектора подвержены эрозионному износу, особенно повреждению горловины нагнетательного конуса, что может быть вызвано кавитацией . [13]
Дополнительное применение инжекторной технологии — вакуумные эжекторы в системах непрерывного торможения поездов , которые стали обязательными в Великобритании Законом о регулировании железных дорог 1889 года . Вакуумный эжектор использует давление пара для откачивания воздуха из вакуумной трубы и резервуаров непрерывного тормоза поезда. Паровозы с готовым источником пара нашли эжекторную технологию идеальной благодаря ее прочной простоте и отсутствию движущихся частей. Паровоз обычно имеет два эжектора: большой эжектор для отпускания тормозов в неподвижном состоянии и малый эжектор для поддержания вакуума против утечек. Выхлоп из эжекторов неизменно направляется в дымовую коробку, тем самым помогая воздуходувке в тяге огня. Маленький эжектор иногда заменяют поршневым насосом, приводимым в действие от крейцкопфа , потому что это более экономично с точки зрения пара и требуется только для работы во время движения поезда.
В современных поездах вакуумные тормоза были заменены воздушными тормозами, которые позволяют использовать меньшие тормозные цилиндры и/или более высокое тормозное усилие из-за большей разницы с атмосферным давлением.
Эмпирическое применение принципа широко использовалось на паровозах до его формального развития в качестве инжектора в виде расположения дымовой трубы и дымохода в дымовой коробке локомотива. На рисунке справа показано поперечное сечение дымовой коробки, повернутое на 90 градусов; можно увидеть, что присутствуют те же компоненты, хотя и по-другому названные, как на общей схеме инжектора в верхней части статьи. Отработанный пар из цилиндров направляется через сопло на конце дымовой трубы, чтобы уменьшить давление внутри дымовой коробки путем вовлечения дымовых газов из котла, которые затем выбрасываются через дымоход. Эффект заключается в увеличении тяги в огне до степени, пропорциональной скорости потребления пара, так что по мере того, как больше пара используется, больше тепла вырабатывается из огня, и производство пара также увеличивается. Эффект был впервые отмечен Ричардом Тревитиком и впоследствии развит эмпирически ранними инженерами локомотивов; Его использовала «Ракета» Стефенсона , и это во многом объясняет ее заметно улучшенные характеристики по сравнению с современными машинами.
Использование инжекторов (или эжекторов) в различных промышленных приложениях стало довольно распространенным из-за их относительной простоты и адаптивности. Например:
Струйные насосы обычно используются для извлечения воды из скважин . Основной насос, часто центробежный насос , приводится в действие и устанавливается на уровне земли. Его выпуск разделен, при этом большая часть потока покидает систему, в то время как часть потока возвращается в струйный насос, установленный под землей в скважине. Эта рециркулированная часть перекачиваемой жидкости используется для питания струи. В струйном насосе возвратный поток с высокой энергией и малой массой выталкивает больше жидкости из скважины, становясь потоком с низкой энергией и большой массой, который затем подается по трубам на вход основного насоса.
Насосы для неглубоких скважин — это такие насосы, в которых струйный узел крепится непосредственно к основному насосу и ограничен глубиной примерно 5–8 м для предотвращения кавитации .
Глубинные насосы — это насосы, в которых струя расположена на дне скважины. Максимальная глубина для глубинных насосов определяется внутренним диаметром и скоростью через струю. Главным преимуществом струйных насосов для установок в глубоких скважинах является возможность размещения всех механических частей (например, электродвигателя/бензинового двигателя, вращающихся рабочих колес) на поверхности земли для простоты обслуживания. Появление электрических погружных насосов частично заменило необходимость в струйных скважинных насосах, за исключением скважин с приводом или поверхностных водозаборов.
На практике при давлении всасывания ниже 100 мбар абс. используется более одного эжектора, обычно с конденсаторами между ступенями эжектора. Конденсация рабочего пара значительно повышает эффективность эжекторного агрегата; используются как барометрические , так и кожухотрубчатые поверхностные конденсаторы .
В работе двухступенчатая система состоит из первичного высоковакуумного (HV) эжектора и вторичного низковакуумного (LV) эжектора. Первоначально эжектор LV работает, чтобы понизить вакуум от начального давления до промежуточного давления. После достижения этого давления эжектор HV работает совместно с эжектором LV, чтобы окончательно понизить вакуум до требуемого давления.
В работе трехступенчатая система состоит из первичного усилителя, вторичного высоковакуумного (HV) эжектора и третичного низковакуумного (LV) эжектора. Согласно двухступенчатой системе, изначально эжектор LV работает, чтобы понизить вакуум от начального давления до промежуточного давления. После достижения этого давления эжектор HV затем работает совместно с эжектором LV, чтобы понизить вакуум до более низкого промежуточного давления. Наконец, работает усилитель (совместно с эжекторами HV и LV), чтобы понизить вакуум до требуемого давления.
Инжекторы или эжекторы изготавливаются из углеродистой стали , нержавеющей стали , латуни , титана , ПТФЭ , углерода и других материалов.
США 4847043 ... рециркуляция теплоносителя в ядерном реакторе
