Расчет диффузионного насоса

 

 

Содержание

 Введение                                                                                                             

1 Устройство и принцип действия  пароводяного эжекторного вакуумного  насоса                                                                                                                      

2 Конструктивные элементы эжектора. Расчетная схема эжектора                 

3 Расчет эжектора                                                                                                  

3.1 Термодинамический расчет сопла                                                                 

3.2 Расчет основного геометрического  параметра ступеней откачки              

3.3 Определение действительного  коэффициента эжекции                              

3.4 Расчет геометрических параметров  проточной части                                  

3.5 Определение скорости выхода  паровоздушной смеси                                 

4 Конденсирование отработавшего  пара                                                             

   Заключение

   Список использованных источников

   Приложение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        Колаша

        Бабук 

Введение

       Вакуумная техника широко используется во многих технологических процессах, физико-технических экспериментах и испытаниях. Техническое применение вакуума используется в металлургии, машиностроении, химической, электротехнической, оптической,  пищевой промышленности и медицине.  Наиболее высокие требования к вакууму предъявляются при производстве электронно-лучевых трубок и сверхвысокочастотных приборов. Особенно широко вакуумная техника применяется в производстве микросхем, где процессы нанесения тонких пленок, ионного травления, электронолитографии обеспечивают получение элементов электронных схем субмикронных размеров.

В связи с расширением областей применения вакуумных технологий появляется необходимость и проектировки вакуумных насосов, которые должны обеспечивать определенные требования работы и учитывать специфику технологического процесса.

Пароводяные эжекторные насосы получили широкое распространение в различных отраслях промышленности. Они применяются для откачки различного рода дистилляционных установок, выпарных аппаратов, вакуум-кристаллизаторов, деаэраторов, конденсаторов паровых турбин, дегидраторов, различных вакуум-сушильных аппаратов, вакуум-фильтров, вакуум-пропиточных установок. Широко используются также в холодильных установках, в металлургии для откачки вакуумных дуговых и индукционных печей и внепечных установок обезгаживания жидкого металла.

Цель курсового проекта: спроектировать пароструйный эжекторный одноступенчатый воздушный насос в соответствии с исходными данными к проекту.

 

 

 

1 Устройство и принцип действия  пароводяного эжекторного вакуумного  насоса

Пароструйные эжекторы обычно применяют при необходимости достижения достаточно больших разрежении. Остаточное давление около 80 мм рт. ст, может быть создано одноступенчатым эжектором. Более глубокий вакуум получают с помощью последовательно установленных один за другим пароструйных эжекторов — пароэжекторных насосов. Основные преимущества пароэжекторных насосов перед другими типами вакуумных насосов заключаются в следующем:

• большие объемные производительности (это обстоятельство ставит пароэжекторные насосы в совершенно исключительное положение при необходимости удаления значительного количества газа; уже при расходе газа 100 кг/ч и давления всасывания ниже 1 мм рт. ст. практически нецелесообразно применять другие типы вакуум-насосов и, в частности, механические);
• возможность использования бросового пара, который в избытке имеется на большей части промышленных предприятий;
• незначительные габаритные размеры, что позволяет размещать их в действующих цехах на весьма малых площадях;
• простота изготовления, незначительный износ, возможность работы с запыленными и агрессивными средами; экономичность.

Действие пароструйных вакуумных насосов основано на использовании в качестве откачивающего элемента высокоскоростной паровой струи. В зависимости от области рабочих давлений и принципа действия различают три вида вакуумных пароструйных насосов:

• эжекторные (760—10-2 мм рт. ст.);
• бустерные (10-1—10 мм рт. ст.);
• высоковакуумные (ниже 10-4 мм рт. ст.).

Несмотря на различие в диапазонах рабочих давлений, в конструктивном оформлении, в режимах работы и физическом механизме процесса откачки общая принципиальная схема работы насосов одинакова (рисунок 1.1).

 

Рисунок 1.1- Общая принципиальная схема работы насоса

1 – патрубок; 2 – сопло Лаваля; 3 – камера  смешения; 4 – входной патрубок; 5 – диффузор; 6 – выходной патрубок.

 

К патрубку 1 по паропроводящей магистрали из центральной котельной или ТЭЦ, пар поступает к соплу Лаваля 2, из которого с большой скоростью истекает в виде расходящейся струи в пространство рабочей камеры смешения насоса 3. Откачиваемый газ поступает в рабочую камеру через входной патрубок с фланцевым соединением 4, захватывается струей и увлекается ею к охлаждаемым стенкам рабочей камеры. Газ, увлекаемый струей к стенкам камеры, сжимается ею и, в результате перемешивания образуется паровоздушная смесь, которая выбрасывается через выходной фланец к конденсатору, в котором конденсируется. В диффузоре 3 динамический напор смеси преобразуется в статическое давление. Далее откачиваемый газ поступает к насосу предварительного разряжения. [5, с.107]

 

2 Конструктивные элементы  эжектора. Расчетная схема эжектора

 

Конструктивно пароструйный эжектор состоит из сопла, входного участка, диффузора, смесительного участка (рисунок 2.1).

Пароструйный эжектор состоит из сопла 1 для расширения рабочего пара до сверхзвуковых скоростей, камеры разрежения, а для подвода к эжектирующей струе откачиваемого газа, камеры смешения б, где подсасывается эжектируемый газ и перемешивается со струей рабочего пара, и диффузора 2 для сжатия парогазовой смеси до давления на выходе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 – Пароструйный эжектор

 

В камере смешения на границе эжектирующей струи происходит процесс ускорения движения медленных молекул и замедления быстрых. Это приводит к ускорению основной массы эжектируемого потока от входной скорости до скорости, превышающей скорость звука. В это же время вследствие передачи энергии эжектируемому потоку внешняя часть струи рабочего пара, соприкасающаяся с эжектируемым потоком, замедляется, оставаясь, сверхзвуковой. Границей раздела между камерой смешения и диффузором является скачок уплотнения в эжектируемом потоке, положение которого зависит от режима работы эжектора. После скачка уплотнения продолжается процесс увлечения медленного потока быстрым, но с этого момента начинается сжатие обеих сред до давления на выходе. Этот процесс состоит в преобразовании кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления и не бывает изоэнтропическим из-за различных механических и тепловых потерь.

Механизм увлечения газа струей в пароструйном насосе зависит от режима течения откачиваемого газа и режима истечения паровой струи, т.е. при соответствующем выборе режима работы насоса можно заставить его удовлетворительно работать в любой из указанных выше областей давлений.

В сопле давление эжектирующей жидкости превращается в динамический напор h1 активной струи. Наиболее эффективная конструкция представляет собой коническое сопло с цилиндрическим участком на выходе, в этом случае расходный коэффициент возрастает до 0.97-0.98. Дальнейшее превращение работы расширения газа в кинетическую энергию происходит в присоединенном к сужающейся части сопла слегка расширяющейся части. Газ или пар, пройдя сужающуюся часть, приобретает критическую скорость ωкр; с этой скоростью он поступает в расширяющуюся часть, где продолжает расширяться, встречая при своем движении увеличивающиеся сечения. Угол раскрытия расширяющейся части принимают равным 6—11°.

Входной участок, или коллектор, является одним из рабочих элементов эжектора, в котором происходит ускорение эжектируемой среды за счет всасывающего действия эжектирующей струи. Коллектор обычно выполняется в виде усеченного конуса. В ходе экспериментальных исследований было установлено, что входной участок, даже если он выполнен по произвольной кривой, после работы приобретает обтекаемую форму лемнискаты. Следовательно, для увеличения срока службы (достижения равномерного износа стенок) форма коллектора должна соответствовать уравнению лемнискаты Бернулли при a≈2D.

Назначение диффузора состоит в преобразовании динамического напора потока в статическое давление. Угол раскрытия диффузора α2 и отношение площадей большего и меньшего сечений S = F4/F3 определяют величину коэффициента восстановления давления φ. С. А. Христианович отмечает значительное влияние диффузора на эффективность работы эжектора и рекомендует центральный угол раскрытия диффузора выбирать небольшим — примерно 6°. При малом значении S преобладают потери с выходной скоростью, а при S>4 — потери на расширение. При угле раскрытия более 14° поток внутри диффузора не заполняет равномерно все сечение. В связи с этим увеличивается интенсивность вихреобразования вдоль стенок, возникают обратные токи, а величина коэффициента φ резко падает. При расчете эжекторов величину φ предварительно принимают равной 0,8.

В смесительном участке происходит смешение потоков рабочей жидкости, газа или пара, и эжектируемого газа.

Эффективная работа эжектора во многом зависит от положения сопла относительно смесительного участка и его длины 12. При большой длине цилиндрического смесительного участка поле скоростей к началу диффузора выравнивается, что создает нормальные условия его работы. С увеличением h возрастают потери на трение. При коротком смесительном участке процесс выравнивания потока переносится в диффузор, что лишь до известного предела 12 не вызывает ухудшения работы эжектора.

Для дальнейших расчетов введем дополнительные индексы и обозначения (рисунок 2.2).

Индексы:

• г – эжектируемый газ перед камерой разрежения;
• п – эжектируемый газ перед камерой разрежения;
• э – эжектируемая парогазовая смесь перед камерой разрежения.

Обозначения:

• Т (t) –  температура;
• а – скорость звука;
• i – энтальпия;
• s – энтропия;
• R – газовая постоянная;
• t – время;
• N – скорость откачки;
• ε=/ - степень сжатия эжектора;
• =/ - степень сжатия эжектора без расширяющейся части диффузора;
• =/ - степень сжатия расширяющейся части диффузора;
• Е=/ - степень расширения пара в сопле;
• =/ - коэффициент эжекции по газу;
• =/ - коэффициент эжекции по пару;
• =+ - суммарный коэффициент эжекции;
• m=/F- отношение площади сечения цилиндрического участка диффузора к расчетной площади выходного сечения сопла( основной геометрический параметр эжектора);
• =/F - степень расширения сопла;
• А – тепловой эквивалент работы;
• - скоростной коэффициент сопла;
• - коэффициент восстановления давления в диффузоре;
• - удельная теплоемкость при постоянном давлении;
• - удельная теплоемкость при постоянном объеме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 – Расчетная схема пароструйного эжектора

 

 

 

 

 

3 Расчет эжектора

 

Несмотря на внешнюю простоту устройства пароструйного эжектора (см. рисунок 2.1), происходящие в нем термо-и газодинамические процессы сложны и до сих пор не выяснены полностью. Изучению особенностей этих процессов посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ как зарубежных, так и отечественных исследователей. Основная задача исследований — создание метода расчета и конструирования пароструйных эжекторов.

В настоящее время существуют три направления в расчете пароструйных эжекторов. Одно из них основано на раздельном рассмотрении процессов расширения, смешения и сжатия с детальной количественной оценкой потерь на каждом этапе. Для описания происходящих процессов используют обычные термодинамические зависимости истечения газов и паров. Такая теория впервые изложена Каула и Робинзоном применительно к эжекторам конденсационных установок паровых турбин. Ряд ценных дополнений к ней затем был сделан А. А. Радцигом и М. И. Яновским. В дальнейшем теория была развита и систематизирована для А. М. Казанским.

Детальное рассмотрение процессов в отдельных элементах проточной части эжектора (сопло, камера смешения, диффузор) является достоинством методов первого направления, вносящим, однако, большие усложнения. В то же время ряд допущений настолько снижает точность, что громоздкость этих методов становится неоправданной.

Отличительная черта другого направления - отказ от детальной оценки процессов в отдельных частях проточной части эжектора и применение в расчете газодинамических функций. Расчетные уравнения выводят для установления зависимости между геометрическими и газодинамические параметрами в двух основных сечениях эжектора: I-I и III-III. Исследователи, придерживающиеся второго направления, не только выводят расчетные уравнения, но и, используя современные достижения газовой динамики, объясняют на этой основе физическую сущность процессов в пароструйном эжекторе (предельные режимы); исследуют переменный режим (характеристику) как одноступенчатого эжектора, так и многоступенчатого насоса, определяя наиболее экономичный (предельный) режим. Кроме этого, второе направление базируется на определенном экспериментальном материале, что коренным образом отличает его от первого направления. Для установления геометрических параметров проточной части эжектора используют опытные соотношения, а в теоретические зависимости вводят ряд эмпирических коэффициентов. По этой причине методы второго направления пригодны лишь для расчета тех режимов и конструкций эжекторов, для которых известны необходимые эмпирические величины.