ЖИДКОСТНО-СТРУЙНЫЙ КОМПРЕССОР

Полезная модель относится к струйной технике, а именно к компрессорам (эжекторам), в которых рабочей (активной) средой является высоконапорная жидкость, а нагнетаемой средой - газ.
Жидкостно-струйный компрессор (ЖСК) предназначен для сжатия газов жидкостью. Он может быть применен в частности для сбора низконапорных газов концевых ступеней сепарации нефти, утилизации сбросных (факельных) газов и пр.
Одним из близких к заявляемой полезной модели является жидкостно-струйный компрессор (эжектор) (Авт.св. СССР №985462, МКИ 3: F04F 5/04, опубл. 30.12.1982. Бюл. 48.) Он содержит форкамеру с патрубками подвода низконапорного газа, высоконапорной жидкости и сопловым аппаратом, включающую множество парных сопел, а также проточную часть с камерой смешения и диффузором, причем сопла наклонены под углом 2÷10° к оси камеры смешения.
Общими признаками у аналога с предлагаемым жидкостно-струйным компрессором являются:
- форкамеры с патрубками подвода низконапорного газа, высоконапорной жидкости и сопловым аппаратом;
- проточной части с камерой смешения и диффузором.
Недостатком вышеописанного ЖСК является наличие большого количества сопел в многосопловом аппарате, упорядоченных только попарно. В связи с этим, при работе ЖСК в камере смешения при взаимодействии струй образуется неравномерные скоростные поля, формируются вихревые и обратные потоки, на перемещение которых затрачивается большая часть энергии высоконапорной жидкости. В связи с этим величина к.п.д. процесса сжатия газа на практике очень мала.
Наиболее близким жидкостно-струйным компрессором по технической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемой полезной модели является жидкостно-струйный компрессор (Донец К.Г. Гидроприводные струйные компрессорные установки - М.: Недра - с.41, рис.18), (прототип). Этот жидкостно-струйный компрессор содержит форкамеру с патрубками подвода низконапорного газа, высоконапорной жидкости и сопловым аппаратом с семью соплами, а также проточную часть с последовательно установленными конфузором, камерой смешения, конфузорным участком, цилиндрическим участком и диффузором.
Общими признаками у прототипа с предлагаемым жидкостно-струйным компрессором являются:
- форкамеры с патрубками подвода низконапорного газа, высоконапорной жидкости и сопловым аппаратом с семью соплами;
- проточной части с последовательно установленными конфузором, камерой смешения, конфузорным участком, цилиндрическим участком и диффузором.
Недостатком взятого в качестве прототипа жидкостно-струйного компрессора является то, что он неэффективен по причине сложности подбора технологических параметров работы с повышенными значениями коэффициента полезного действия процесса сжатия газа.
Технической результат заключается в повышении эффективности работы жидкостно-струйного компрессора за счет оптимизации конструктивных параметров основных элементов проточной части, размеры которых выполнены в совокупности.
Технический результат достигается тем, что в жидкостно-струйном компрессоре, содержащем форкамеру с патрубками подвода низконапорного газа, высоконапорной жидкости и сопловым аппаратом с семью соплами, а также проточную часть с последовательно установленными конфузором, камерой смешения, конфузорным участком, цилиндрическим участком и диффузором, в проточной части размеры элементов выполнены в следующей совокупности:
- конфузор с углом сужения α=65±25°;
1
- камера смешения с диаметром D=(5÷8)·d;
1
- расстояние от соплового аппарата до конфузорного участка S=(50÷105)·d;
- конфузорный участок с углом сужения β=2±0,5°;
2
2
- цилиндрический участок с диаметром D=(4,6÷7)·d и длиной S=(70÷105)·d;
3
диффузор с углом расширения γ=9±1° и диметром выхода D=(12÷19)·d;
где d - диаметр отверстия выхода единичного сопла соплового аппарата.
Форкамера с патрубками подвода низконапорного газа, проточная часть с последовательно установленными конфузором, камерой смешения, конфузорным участком, цилиндрическим участком и диффузором выполнены в виде единого корпуса, в котором размещены сопловой аппарат с патрубком подвода высоконапорной жидкости, снабженным фланцевым разъемом, в котором размещена шайба с соплами.
Выполнение в проточной части размеров элементов в следующей совокупности, а именно.
Выполнение конфузора с углом сужения α=65±25°, обеспечило течение низконапорного газа с минимальными газодинамическими потерями, что способствует повышению эффективности работы ЖСК.
1
Выполнение камеры смешения с диаметром D=(5÷8)·d, обеспечило оптимальное распределение струйных течений и эффективный процесс захвата низконапорного газа жидкостью.
Выполнение расстояния от соплового аппарата до конфузорного участка
1
S=(50÷105)·d, обеспечило процесс передачи захваченному газу кинетической энергии жидкости с максимальной эффективностью.
Выполнение конфузорного участка с углом сужения β=2±0,5°, обеспечило предотвращение формирования вихревых и обратных потоков, что способствует повышению эффективности работы ЖСК.
2
2
Выполнение цилиндрического участка с диаметром D=(4,6÷7)·d и длиной S=(70÷105)·d, обеспечило практически без гидравлических потерь выравнивание поперечного поля скоростей газожидкостного потока для дальнейшего эффективного расширения последнего в диффузоре.
3
Выполнение диффузор с углом расширения γ=9±1° и диметром выхода D=(12÷19)·d, обеспечило эффективное расширение и торможение газожидкостного потока.
Где d - диаметр отверстия выхода единичного сопла соплового аппарата.
Выполнение форкамеры с патрубками подвода низконапорного газа, проточной части с последовательно установленными конфузором, камерой смешения, конфузорным участком, цилиндрическим участком и диффузором в виде единого корпуса, и размещение в нем соплового аппарата с патрубком подвода высоконапорной жидкости, который снабжен фланцевым разъемом, в котором размещена шайба с соплами, позволило такие детали как фланцевый разъем, фиксирующую шайбу, которые подвержены максимальному износу от эрозии сделать съемными и с минимальной материалоемкостью.
Заявителям и авторам не известны конструкции жидкостно-струйных компрессоров, в которых бы повышение эффективности работы достигалась бы путем оптимизации конструктивных параметров основных элементов его проточной частив в соответствующей совокупности.
На фиг.1, 3 представлена конструкция полезной модели жидкостно-струйный компрессор.
На фиг.2, разрез А - А на фиг 1
Жидкостно-струйный компрессор (фиг.1) содержит корпус 1 с форкамерой 2 снабженной патрубком подвода низконапорного газа 3, в корпусе размещены патрубок подвода высоконапорной жидкости 4, сопловой аппарат 5 с фланцевым разъемом 6, фиксирующим шайбу 7 с семью соплами 8 (фиг.2). Корпус 1, выполнен из последовательно соединенных: форкамеры 2, проточной части 9 (фиг.1) с последовательно установленными конфузором 10, камерой смешения 11, конфузорным участком 12, цилиндрическим участком 13 и диффузором 14. Размеры элементов в проточной части выполнены в следующей совокупности.
1
1
2
2
3
В проточной части 9, которого расположены: конфузор 10 с углом сужения α=65±25° и камера смешения 11 с диаметром D=(5÷8)·d. Расстояние от соплового аппарата 5 до конфузорного участка 12 S=(50÷105)·d. Конфузорный участок 12 выполнен с углом сужения β=2±0,5°. Цилиндрический участок 13 выполнен с диаметром D=(4,6÷7)·d и длиной S=(70÷105)·d. Диффузор 14 выполнен с углом расширения γ=9±1° и диметром выхода D=(12÷19)·d. Где d - диаметр отверстия выхода единичного сопла 8 соплового аппарата 5.
Конфузор 10 с углом сужения α=65±25° обеспечивает течение низконапорного газа с минимальными газодинамическими потерями, что способствует повышению эффективности работы ЖСК.
1
Камера смешения 11 с диаметром D=(5÷8)·d обеспечивает оптимальное распределение струйных течений 15 (фиг.3) и эффективный процесс захвата низконапорного газа жидкостью.
1
max
Расстояние от соплового аппарата 5 до конфузорного участка 12 S=(50÷105)·d обеспечивает процесс передачи захваченному газу кинетической энергии жидкости с максимальной эффективностью. Экспериментальными исследованиями установлено, что изотермический к.п.д. - η каждого струйного течения 15 (фиг.3), истекающих из сопел 8 достигает максимума η - графическая линия 16, в конце камеры смешения 11.
Конфузорный участок 12 с углом сужения β=2±0,5° предотвращает формирование вихревых и обратных потоков, что способствует повышению эффективности работы ЖСК.
2
2
Цилиндрический участок 13 с диаметром D=(4,6÷7)·d и длиной S=(70÷105)·d обеспечивает практически без гидравлических потерь выравнивание поперечного поля скоростей 17 (фиг.3) газожидкостного потока для дальнейшего эффективного расширения последнего в диффузоре 14.
3
Диффузор 14 с углом расширения γ=9±1° и диаметром выхода D=(12÷19)·d обеспечивает эффективное расширение и торможение газожидкостного потока. При этом происходит восстановление полного давления, т.е. производится процесс сжатия газожидкостной смеси, в том числе и газа.
Таким образом, совокупность выполнения основных элементов проточной части с вышеописанной оптимизацией их конструктивных параметров приводит к повышению эффективности работы всей конструкции жидкостно-струйного компрессора.
Выполнение соединений соплового аппарата с форкамерой и с шайбой с соплами через фланцевые разъемы, позволило детали фланцевый разъем 6, фиксирующую шайбу 7, которые подвержены максимальному износу от эрозии сделать съемными и с минимальной материалоемкостью.
Жидкостно-струйный компрессор работает следующим образом.
Работа жидкостно-струйного компрессора характеризуется основными технологическими безразмерными параметрами, а именно:
0
3
3
- объемным коэффициентом эжекции К=G/L, где G - объемный расход низконапорного газа на входе ЖСК при исходном давлении (м/с), L - объемный расход жидкости (м/с);
LG
G
LG
G
- степенью повышения давления газа φ=P/P, где P - давление газожидкостной смеси на выходе из диффузора ЖСК (Па), Р - исходное давление низконапорного газа (Па);
L
- изотерическим коэффициентом полезного действия , где P давление жидкости на входе ЖСК (Па).
1
1
2
2
O
При выполненных в проточной части ЖСК: конфузоре 10 (фиг.1) с углом сужения α=65±25°; конфузорного участка 12 с углом сужения β=2±0,5° и диффузоре 14 с углом расширения γ=9±1° жидкостно-струйный компрессор имеет: размеры D - диаметр камеры смешения 11, S - расстояние от соплового аппарата 5 до конфузорного участка 12, D и S - соответственно, диаметр и длину цилиндрического участка 13, выраженных относительно d - диаметра отверстия выхода единичного сопла 8 соплового аппарата 5, которые представлены в таблицах 1 и 2 в зависимости от основных технологических безразмерных параметров: объемного коэффициента эжекции K, степени повышения давления газа φ, изотермического коэффициента полезного действия η.
Таблица 1
№ЖСК
К<sub>0</sub>
φ
η
D<sub>1</sub>/d
S<sub>1</sub>/d
D<sub>2</sub>/d
S<sub>2</sub>/d
D<sub>3</sub>/d
1
2
4
0,46
5,0
50
5,0
70
12
2
3
4
0,46
6,0
60
5,3
80
14
3
4
4
0,46
6,7
70
6,0
90
16
4
5
4
0,46
7,4
80
6,5
100
17
5
6
4
0,46
8,0
105
7
105
19
Таблица 2
№ЖСК
К<sub>0</sub>
φ
η
D<sub>1</sub>/d
S<sub>1</sub>/d
D<sub>2</sub>/d
S<sub>2</sub>/d
D<sub>3</sub>/d
1
2
4,00
0,46
5,0
50
5,0
70
12
2
3
3,24
0,52
6,0
60
5,3
80
14
3
4
2,79
0,57
6,7
70
6,0
90
16
4
5
2,49
0,60
7,4
80
6,5
100
17
5
6
2,28
0,64
8,0
105
7
105
19
0
Из таблиц 1 и 2 видно, что пять жидкостно-струйных компрессоров, выполненных с оптимизированными конструктивными параметрами основных элементов их проточных частей в совокупности, обеспечивают высокий изотермический коэффициент полезного действия сжатия газа, находящийся в пределах от 0,46 до 0,64 при различных расходных (К от 2 до 6) и напорных (φ от 2,28 до 4) параметрах.
Таким образом, предложенная конструкция жидкостно-струйного компрессора, позволила обеспечить технической результат заключающийся в повышении эффективности работы жидкостно-струйного компрессора путем оптимизации конструктивных параметров основных элементов его проточной части, а именно выполнение их размеров в соответствующей совокупности.