СТРУЙНЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к насосам необъемного вытеснения, используемым для нагнетания газовых сред в энергоустановках с электрохимическими генераторами, в частности для рециркуляции реагентов через батарею топливных элементов.
Известны газо-газовые и газожидкостные струйные аппараты, содержащие центральное сопло для подвода активной среды, кольцевое сопло для подвода инжектируемой среды, конфузор, камеру смешения и диффузор: патент РФ №120162 «Струйный насос», патент РФ №1733713 «Воздухоструйный насос», конструкции которых для повышения эффективности их работы усложнены дополнительными элементами, требующими определенных технологических операций.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является «Струйный насос» патент №56504 МПК F04F, содержащий центральное активное сопло с входным конически сходящимся, кольцевое пассивное сопло, образованное профилированными поверхностями корпуса активного сопла и конфузора, переходящего в камеру смешения, и диффузор, расширяющийся по ходу потока среды.
Однако данный струйный аппарат с углом раскрытия конфузора менее 90° имеет, как будет показано ниже, сравнительно невысокий КПД.
Техническим результатом, на решение которого направлена предлагаемая полезная модель газо-газового струйного аппарата, является повышение эффективности его работы и КПД.
Для достижения технического результата предложено увеличить напор струйного аппарата за счет выполнения геометрии проточных частей корпуса струйного аппарата, а именно конфузора, в части его сужающегося участка расположенного между постоянным внешним диаметром кольцевого сопла и цилиндрическим участком камеры смешения, в виде лемнискаты Бернулли соответствующей формуле рассчитанной по формуле
,
л
где R - радиус сужающегося участка конфузора;
л
л
L - расстояние до R до и после нуля по оси абсцисс лемнискаты Бернулли;
2
1
с=R-R - постоянная величина;
1
R - радиус камеры смешения;
2
R - радиус кольцевого сопла перед сужающимся участком,
л
л
1
причем R определяется при пошаговом изменении L, равном 0,05 R, в пределах от  до 0 (точки перехода лемнискаты) при отрицательном знаке формулы и после 0 до  при положительном его значении.
Предлагаемое техническое решение полезной модели поясняется следующими чертежами и графиками:
фиг. 1 - конструктивное исполнение струйного аппарата;
фиг. 2 - пневматическая схема для исследования КПД струйных аппаратов;
фиг. 3 - струйные аппараты с конфузорами разного типа исполнения и углами раскрытия α, равными 40°, 60°, 80°, 160°, и профилированного - четверть круга и часть лемнискаты Бернулли;
фиг. 4 - статические характеристики (зависимости напора струйного аппарата от коэффициента инжекции) струйных аппаратов с конфузорами разного типа исполнения и углами раскрытия при избыточном давлении активного потока 30 кПа;
фиг. 5 - статические характеристики струйных аппаратов с конфузорами исследованных видов при избыточном давлении активного потока 50 кПа;
фиг. 6 - статические характеристики струйных аппаратов с конфузорами исследованных видов при избыточном давлении активного потока 80 кПа.
Струйный аппарат содержит (фиг. 1) трубу 1 для подвода активного среды, кольцевую трубу 2, центральное сопло 3 для подвода активной среды, кольцевое сопло 4 предназначенное для подвода инжектируемой среды, конфузор 5, камеру смешения 6, диффузор 7. Характерные сечения струйного аппарата: I - сечение в точке конца трубы 1 подводящей активный поток, II - сечение в точке конца постоянного радиуса трубы 2 кольцевого сопла 4 (сечения I и II по инжектируемому потоку могут совпадать), III - сечение в точке конца центрального сопла 3 и сечение входной части камеры смешения 6, IV - сечение в точке начала цилиндрического участка камеры смешения 6, V - сечение в точке начала диффузора 7.
Экспериментальные исследования влияния геометрии корпуса конфузора 5 и кольцевого сопла 4 на статическую характеристику аппарата (зависимость напора струйного аппарата от коэффициента инжекции) проводились на испытательном стенде, пневматическая схема которого представлена на фиг. 2, где обозначены. БК - безмасляный компрессор; Рес - ресивер; РД - регулятор давления «после себя»; СА - струйный аппарат; КРш - шаровой кран; Gp - датчик массового расхода газа; Gи - шайба расходомерная; ζр и ζсм - датчики относительной влажности и температуры; Тр, Тсм - преобразователь термоэлектрический; Рр, Рсм, Ри - прецизионные датчики давления/разряжения; ΔР - датчик дифференциального давления; Ратм - датчик атмосферного давления; ζатм, Татм - датчики относительной влажности и температуры.
Исследуемый струйный аппарат имел следующие геометрические размеры: диаметр кольцевого сопла 23 мм, диаметр камеры смешения 3,2 мм, диаметр центрального сопла 13 мм, диаметр выходного сечения центрального сопла 1,6 мм, длину камеры смешения 15 мм. Струйный аппарат был выполнен без диффузора. Были исследованы (фиг. 3) геометрия профиля корпуса конфузора 5 с формой кольцевого сопла 4 в виде конуса с углами раскрытия α: а) =40°, b) =60°, с) =80°, d) =160°, корпуса конфузора f) в виде части лемнискаты Бернулли и g) - четверти круга. В процессе эксперимента изменялось положение центрального сопла 3 по отношению к входной части камеры смешения 6 в диапазоне от 0 до 10 мм, т.е. изменялось расстояние между сечением 1V и концом центрального сопла - сечением 111 и, как следствие, изменялись параметры входной части камеры смешения и характеристики процесса смешения инжектируемого и активного потоков сред. Построение статической характеристики струйного аппарата проводилось посредствам изменения давления смеси на выходе из струйного аппарата при помощи шарового крана КРш, давление инжектируемого потока вовремя испытаний не изменялось и было равным атмосферному, давление активной среды, в данном исследовании - газа, регулировалось при помощи регулятора давления «после себя» РД. Исследования проводились при избыточных давлениях активной среды, равных 30 кПа, 50 кПа и 80 кПа соответственно.
На фиг. 4, 5 и 6 - приведены статические характеристики струйных аппаратов, то есть зависимости напора струйного аппарата от коэффициента инжекции, с конфузорами (фиг. 3) разного типа исполнения и углами раскрытия α при избыточном давлении рабочего потока 30 кПа, 50 кПа и 80 кПа соответственно.
Как показали проведенные исследования при варианте выполнения корпуса конфузора 5 в виде части лемнискаты Бернулли (фиг. 1 и 3f) струйный аппарат обеспечивает наибольший напор по сравнению с другими рассмотренными видами конфузора, тем самым повышая эффективность работы струйного аппарата, и приводит к увеличению его коэффициента полезного действия.
Таким образом активная среда высокого давления из системы хранения газов по трубе 1 подается на центральное сопло 3. Инжектируемый газ низкого давления, образующий избыток расхода рециркуляции батареи топливных элементов, поступает в кольцевую трубу 2, затем на вход кольцевого сопла 4 струйного аппарата, увлекается потоком из сопла 3 в конфузор 5, а далее в камеру смешения 6. Затем смесь потоков поступает в диффузор 7, в котором кинетическая энергия газовой смеси частично преобразуется в потенциальную энергию давления, после чего газовая смесь из струйного аппарата подается к батареи топливных элементов. Как показал эксперимент выполнение геометрии профиля проточной части корпуса аппарата - конфузора в виде части лемнискаты Бернулли обеспечивает наибольший КПД работы струйного аппарата, так как увеличивает напор нагнетаемого газа или среды.