Инжектор — это система каналов и сопел, используемая для направления потока жидкости под высоким давлением таким образом, что жидкость с более низким давлением увлекается струей и переносится через канал в область более высокого давления. Это гидродинамический насос без движущихся частей, за исключением клапана для регулирования входящего потока.
В зависимости от применения инжектор также может иметь форму эжекторно-струйного насоса , водоэдуктора или аспиратора . Эжектор работает по схожему принципу , создавая вакуумное соединение для тормозных систем и т. д.
Движущая жидкость может представлять собой жидкость, пар или любой другой газ. Захваченная всасываемая жидкость может представлять собой газ, жидкость, суспензию или поток газа, содержащего пыль. [1] [2] [3]
Паровой инжектор — обычное устройство, используемое для подачи воды в паровые котлы, особенно в паровозах. Это типичное применение принципа инжектора, используемого для подачи холодной воды в котел против собственного давления с использованием собственного свежего или отработанного пара, заменяющего любой механический насос . Когда его впервые разработали, его действие было интригующим, поскольку казалось парадоксальным, почти как вечный двигатель , но позже оно было объяснено с помощью термодинамики . [4] В форсунках других типов могут использоваться другие рабочие жидкости под давлением, например воздух.
Инжектор был изобретен Анри Жиффаром в начале 1850-х годов и запатентован во Франции в 1858 году для использования на паровозах . [5] Он был запатентован в Великобритании компанией Sharp, Stewart and Company из Глазго .
После некоторого первоначального скептицизма, вызванного незнакомым и внешне парадоксальным режимом работы, [6] :5 инжектор получил широкое распространение на паровозах в качестве альтернативы механическим насосам. [6] : 5,7
Стрикленд Лэндис Книсс был инженером-строителем , экспериментатором и писателем, имевшим множество достижений в области железнодорожного транспорта. [7] Книас начал публиковать математическую модель физики инжектора, которую он проверил, экспериментируя с паром. Паровой инжектор имеет три основные секции: [6]
На рис. 15 показаны четыре эскиза пара, проходящего через сопло, нарисованные Книсом. Как правило, сжимаемые потоки через расширяющийся канал увеличивают скорость по мере расширения газа. Два эскиза внизу рисунка 15 расходятся, но нижний слегка изогнут и создает поток с максимальной скоростью, параллельный оси. Площадь воздуховода пропорциональна квадрату диаметра, а кривизна позволяет пару расширяться более линейно при прохождении через воздуховод.
Идеальный газ охлаждается во время адиабатического расширения (без добавления тепла), выделяя меньше энергии, чем тот же газ при изотермическом расширении (постоянная температура). Расширение пара следует за промежуточным термодинамическим процессом , называемым циклом Ренкина . Пар совершает больше работы , чем идеальный газ, поскольку во время расширения пар остается горячим.
Дополнительное тепло возникает за счет 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 сужающемся канале.
Подающая труба представляет собой расширяющийся канал, в котором сила замедления увеличивает давление, позволяя потоку воды попадать в котел.
Инжектор состоит из корпуса, заполненного вторичной жидкостью, в который впрыскивается движущая жидкость. Движущая жидкость заставляет вторичную жидкость двигаться. Форсунки существуют во многих вариантах и могут иметь несколько ступеней, каждая из которых повторяет один и тот же основной принцип работы, чтобы увеличить их общий эффект.
Он использует эффект Вентури сужающегося -расширяющегося 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). Пройдя через сужающийся «объединяющий конус», смешанная жидкость полностью конденсируется, высвобождая скрытую теплоту испарения пара, которая придает воде дополнительную скорость [ как? ] . Затем конденсатная смесь попадает в расширяющийся «напорный конус», который замедляет струю, преобразуя кинетическую энергию обратно в энергию статического давления, превышающую давление в котле, что позволяет подавать ее через обратный клапан. [8] [9]
Большая часть тепловой энергии конденсированного пара возвращается в котел, повышая тепловой КПД процесса. Таким образом, инжекторы обычно имеют общую энергоэффективность более 98%; они также просты по сравнению со многими движущимися частями питательного насоса.
Скорость подачи жидкости и диапазон рабочего давления являются ключевыми параметрами инжектора, а давление вакуума и скорость вакуумирования являются ключевыми параметрами эжектора.
Также можно определить степень сжатия и коэффициент увлечения:
Степень сжатия форсунки определяется как отношение давления на выходе форсунки к давлению на входе 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.
Другие ключевые свойства инжектора включают требования к давлению жидкости на входе, т. е. является ли он подъемным или неподъемным.
В неподъемных инжекторах необходимо положительное давление жидкости на входе, например, холодная вода подается под действием силы тяжести.
Минимальный диаметр отверстия парового конуса остается больше минимального диаметра комбинированного конуса. [10] Неподъемная форсунка Nathan 4000, используемая на модели Southern Pacific 4294, могла подавать 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. Отличается от неподъемного типа главным образом относительными размерами насадок. [12]
Перелив необходим для слива избыточного пара или воды, особенно во время запуска. Если инжектор изначально не может преодолеть давление в котле, перелив позволяет инжектору продолжать всасывать воду и пар.
Между выходом форсунки и котлом имеется по крайней мере один обратный клапан (в локомотивах называемый «клапанным клапаном» из-за характерного шума, который он издает [9] ) для предотвращения обратного потока, и обычно клапан для предотвращения всасывания воздуха. в месте переполнения.
Эффективность была дополнительно повышена за счет разработки многоступенчатого инжектора, который питается не острым паром из котла, а выхлопным паром из цилиндров, тем самым используя остаточную энергию выхлопного пара, которая в противном случае пошла бы впустую. Однако выхлопная форсунка также не может работать, когда локомотив стоит; более поздние выхлопные форсунки могли использовать подачу свежего пара, если выхлопного пара не было.
Форсунки могут создавать проблемы при определенных условиях эксплуатации, например, когда вибрация приводит к «сбиванию» комбинированной струи пара и воды. Первоначально инжектор приходилось перезапускать, осторожно манипулируя органами управления паром и водой, и отвлечение внимания, вызванное неисправным инжектором, во многом стало причиной железнодорожной катастрофы в Айс-Гилле в 1913 году . Более поздние форсунки были разработаны с возможностью автоматического перезапуска при обнаружении разрушения вакуума в струе пара, например, с подпружиненным нагнетательным конусом.
Другая распространенная проблема возникает, когда поступающая вода слишком теплая и менее эффективна для конденсации пара в объединяющем конусе. Это также может произойти, если металлический корпус инжектора слишком горячий, например, в результате длительного использования.
Внутренние части форсунки подвержены эрозионному износу, особенно повреждению горловины нагнетательного конуса, которое может быть вызвано кавитацией . [13]
Дополнительным применением инжекторной технологии являются вакуумные эжекторы в системах непрерывного торможения поездов , которые стали обязательными в Великобритании согласно Закону о регулировании железных дорог 1889 года . Вакуумный эжектор использует давление пара для вытягивания воздуха из вакуумной трубы и резервуаров тормозов непрерывного поезда. Паровозы с готовым источником пара нашли эжекторную технологию идеальной благодаря своей простоте и отсутствию движущихся частей. Паровоз обычно имеет два эжектора: большой для отпускания тормозов в неподвижном состоянии и небольшой для поддержания вакуума во избежание утечек. Выхлоп из эжекторов всегда направляется в дымовую камеру, тем самым помогая воздуходувке раздувать огонь. Небольшой эжектор иногда заменяют поршневым насосом с приводом от траверсы , поскольку он более экономичен по пару и должен работать только во время движения поезда.
В современных поездах вакуумные тормоза были заменены пневматическими тормозами, которые позволяют использовать тормозные цилиндры меньшего размера и / или более высокую тормозную силу из-за большей разницы с атмосферным давлением.
Эмпирическое применение этого принципа широко использовалось на паровозах до его формального развития как инжектора, в виде расположения дымовой трубы и дымохода в дымовой камере локомотива. На рисунке справа показано поперечное сечение дымовой камеры, повернутое на 90 градусов; видно, что присутствуют те же компоненты, хотя и с другими названиями, что и на типовой схеме инжектора вверху статьи. Выхлопной пар из цилиндров направляется через сопло на конце дымовой трубы для снижения давления внутри дымовой камеры путем захвата дымовых газов из котла, которые затем выбрасываются через дымоход. Эффект заключается в увеличении тяги при пожаре до степени, пропорциональной скорости потребления пара, так что чем больше пара используется, тем больше тепла выделяется от огня, и производство пара также увеличивается. Эффект был впервые отмечен Ричардом Тревитиком и впоследствии развит эмпирически первыми инженерами локомотивов; Ракета Стивенсона использовала его, и это во многом объясняет его заметно улучшенные характеристики по сравнению с современными машинами.
Использование инжекторов (или эжекторов) в различных промышленных применениях стало довольно распространенным благодаря их относительной простоте и технологичности. Например:
Струйные насосы обычно используются для добычи воды из водяных скважин . Главный насос, часто центробежный , имеет питание и устанавливается на уровне земли. Его расход разделяется, при этом большая часть потока уходит из системы, а часть возвращается в струйный насос, установленный под землей в скважине. Эта рециркулируемая часть перекачиваемой жидкости используется для питания струи. В струйном насосе возвратный поток с высокой энергией и малой массой вытесняет больше жидкости из скважины, превращаясь в поток с низкой энергией и большой массой, который затем подается по трубопроводу на вход основного насоса.
Насосы для неглубоких скважин — это насосы, в которых струйный узел прикреплен непосредственно к основному насосу, а глубина ограничена примерно 5–8 м для предотвращения кавитации .
Глубокие скважинные насосы – это те, у которых струя расположена на забое скважины. Максимальная глубина скважинных насосов определяется внутренним диаметром и скоростью струи. Основным преимуществом струйных насосов для установки в глубоких скважинах является возможность расположить все механические части (например, электрический/бензиновый двигатель, вращающиеся рабочие колеса) на поверхности земли для упрощения обслуживания. Появление погружных электронасосов частично заменило необходимость в скважинных насосах струйного типа, за исключением погружных точечных скважин или водозаборов поверхностного типа.
На практике при абсолютном давлении всасывания ниже 100 мбар используется более одного эжектора, обычно с конденсаторами между ступенями эжектора. Конденсация рабочего пара значительно повышает эффективность эжекторной установки; используются как барометрические , так и кожухотрубные поверхностные конденсаторы .
В работе двухступенчатая система состоит из первичного эжектора высокого вакуума (ВН) и вторичного эжектора низкого вакуума (НН). Первоначально эжектор низкого давления работает для понижения вакуума от начального давления до промежуточного давления. Как только это давление достигнуто, эжектор высокого напряжения работает вместе с эжектором низкого давления, чтобы окончательно довести вакуум до необходимого давления.
В работе трехступенчатая система состоит из первичного бустера, вторичного эжектора высокого вакуума (ВН) и третичного эжектора низкого вакуума (НН). В двухступенчатой системе первоначально эжектор низкого давления работает для понижения вакуума от начального давления до промежуточного давления. Как только это давление достигнуто, эжектор высокого напряжения работает вместе с эжектором низкого давления, чтобы довести вакуум до нижнего промежуточного давления. Наконец, включается бустер (в сочетании с эжекторами высокого и низкого давления), чтобы довести вакуум до необходимого давления.
Инжекторы или эжекторы изготавливаются из углеродистой стали , нержавеющей стали , латуни , титана , ПТФЭ , углерода и других материалов.
Патент США 4847043… рециркуляция теплоносителя в ядерном реакторе.
