СТРУЙНЫЙ НАСОС

Предлагаемое техническое решение относится к струйным насосом и предназначено для перекачивания и смешения ньютоновских и неньютоновских жидкостей за счет энергии струи газа, истекающей под давлением из сопла и может найти применение в химической, нефтехимической, фармацевтической, медицинской и других отраслях промышленности, а также в коммунальных службах при переработке хозбытовых и промышленных стоков.
Известна конструкция струйного аппарата, включающего рабочее сопло, приемную камеру, камеру смешения и диффузор (Е.Я.Соколов, Н.М.Зингер Струйные аппараты. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989, стр.5-6).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится небольшая производительность при перекачке и смешении неньютоновских жидкостей повышенной вязкости с газом без усложнения конструкции, обеспечивающей вращение или вибрацию сопла для разрушения структуры и снижения эффективной вязкости неньютоновской жидкости.
Известен жидкостно-газовый эжектор, содержащий приемную камеру смешения, активное сопло с насадком, имеющим возможность свободного вращения, и с равномерно расположенными каналами, выходные участки которых имеют оси, расположенные под углом к оси сопла, при этом ось каждого выходного канала расположена под переменным углом к оси сопла, что позволяет насадку вращаться (авт. св. СССР №1038618, F04F 05, 1982 г.).
К причинам, препятствующим к достижению заданного технического результата, относится сложность конструкции, связанная с необходимостью установки подшипников для обеспечения возможности свободного вращения сопла с насадкой и равномерного расположения каналов, выходные участки которых имеют оси под углом к оси сопла, причем эти оси необходимо располагать с переменным углом к оси сопла.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является струйный насос, содержащий корпус с приемной камерой и патрубком подвода пассивной среды и установленные в корпусе камеру смешения с диффузором и активное сопло с магнитно-стрикционным преобразователем, подключенным к источнику тока, при этом сопло выполнено резонирующим и снабжено установленным в нем магнитным сердечником, магнитно-стрикционный преобразователь установлен коаксиально соплу, а приемная камера снабжена перфорированной обоймой из электрического материала, взаимодействующей с магнитно-стрикционным преобразователем и активным соплом (авт. св. СССР №1488586, F04F 05/02, 1989 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность конструкции, связанная с необходимостью установки магнитно-стрикционного преобразователя, подключенного к источнику тока, и снабжение приемной камеры перфорированной обоймой из электрического материала. Кроме того, сложность конструкции и использование электрического тока ограничивает широкое применение известного (данного) струйного насоса из-за высокой стоимости и повышенных требований к технике безопасности.
Техническим результатом предлагаемого струйного насоса является упрощение конструкции и повышение производительности за счет использования автоколебаний газа с активным резонирующим соплом.
Поставленный технический результат достигается тем, что в струйном насосе, содержащем корпус с приемной камерой и патрубком подвода пассивной среды и установленные в корпусе камеру смешения газа с пассивной средой и активное резонирующее сопло с преобразователем, установленным коаксиально соплу, при этом преобразователь выполнен в виде гофрированной манжеты, герметично закрепленной на корпусе и активном резонирующем сопле, причем жесткость гофрированной манжеты определяется
a
где  - жесткость гофрированной манжеты, Н/м; М - масса активного сопла, кг; c - скорость звука в газе, м/с; l - длина камеры смешения, м.
Выражение (1) получается из совместного решения уравнения для собственной частоты колебаний газа в цилиндрической трубе
и собственной частоты колебаний пружинного маятника
(Яворский В.М., Детлаф А.А. Справочник по физике - М.: Госиздат физ. - матлитературы, 1963, с.102 и с.495).
а
Выполнение преобразователя в виде гофрированной манжеты с рассчитанной по выражению (1) жесткостью  обеспечивает резонирующие автоколебания газа в камере смешения с колебаниями активного резонирующего сопла и увеличивает производительность струйного насоса преобразователя к источнику тока, то есть без усложнения конструкции. Гофрированную манжету с рассчитанной по выражению (1) жесткостью а несложно изготовить. Для этого, например, можно взять отрезок гофрированного шланга из резины или полимера и внутрь его установить цилиндрическую пружину с жесткостью а. Другой пример связан с установкой цилиндрической пружины с жесткостью а снаружи гофрированного шланга.
Герметичное закрепление гофрированной манжеты на корпусе и активном резонирующем сопле позволяет предотвратить утечки активного потока газа и направлять весь его поток на смешение с высоковязкой ньютоновской или неньютоновской жидкостью, что увеличивает скорость перемешивания газа с жидкостью, а значит, приводит к росту производительности струйного насоса без усложнения конструкции.
Таким образом, предлагаемая конструкция струйного насоса позволяет за счет создания резонирующих автоколебаний газа в камере смешения с собственными колебаниями сопла турбулизировать активный поток газа, выходящего из сопла, что приводит к росту амплитуды колебаний, интенсивному перемешиванию газа с высоковязкой ньютоновской или неньютоновской жидкостью, разрушению в ней структурных связей, снижению эффективной вязкости и, в конечном счете, повышению производительности струйного насоса, при этом не требует подключения преобразователя к источнику тока и дополнительного снабжения приемной камеры перфорированной обоймой из электрического материала, что значительно упрощает конструкцию струйного насоса.
На фиг. представлен общий вид в разрезе предлагаемой конструкции струйного насоса.
Он состоит из корпуса 1 в виде патрубка с фланцем для подачи активного потока газа, приемной камеры 2 с патрубком 3 подвода пассивной среды - жидкости, камеры смешения 4 активного потока газа с жидкостью длиной l и массой М, активного резонирующего сопла 5 с преобразователем в виде гофрированной манжеты 6, герметично закрепленной на корпусе 1 и активном резонирующем сопле 5, при этом жесткость гофрированной манжеты 6 определяется выражением (1).
Струйный насос работает следующим образом. Активный поток газа подают в корпус 1 по патрубку его подачи, который через активное резонирующее сопло 5 поступает в камеру смешения 4, создавая разряжение в приемной камере 2.
Под действием этого разряжения высоковязкая ньютоновская или неньютоновская жидкость по патрубку 3 поступает в приемную камеру 2 и далее в камеру смешения 4, где перемешивается с активным потоком газа. Так как жесткость гофрированной манжеты 6 определяется выражением (1), обеспечивающей равенство частот колебаний активного резонирующего сопла 5 и собственных частот колебаний газа в камере смешения 4, то в результате резонанса амплитуда колебаний активного резонирующего сопла 5 и молекул газа в камере смешения 4 резко возрастает, что приводит, во-первых, к разрушению структурных связей и уменьшении эффективной вязкости высоковязкой ньютоновской или неньютоновской жидкости в приемной камере 2 и увеличивает скорость ее подачи в камеру смешения 4 и, во-вторых, интенсивному перемешиванию молекул газа, совершающих колебания с высокой резонансной амплитудой, с жидкостью в камере смешения 4. Оба вышеописанных эффекта приводит к увеличению производительности струйного насоса без усложнения конструкции.
Пример. Масса активного сопла M=1,5 кг, скорость звука c=330 м/с, длина камеры смешения l=1,2 м.
Из выражения (1) получаем величину жесткости гофрированной манжеты
Это означает, что под действием 17,8 кг силы гофрированная манжета должна растягиваться на 1 мм. Резонансная частота колебаний газа, рассчитанная по уравнению (2), равна
Такая же резонансная частота колебаний, рассчитанная по уравнению (3), будет и у активного резонирующего сопла
Таким образом, предлагаемая конструкция струйного насоса позволяет вести режим перемешивания газа с высоковязкой ньютоновской и неньютоновской жидкостью в резонансном режиме, обеспечивающем высокую амплитуду колебаний активного сопла, что приводит к разрушению структурных связей и снижению эффективной вязкости жидкости, а также обеспечивает высокую амплитуду колебаний молекул газа, что приводит к турбулизации его потока и интенсификации перемешивания газа с жидкостью в камере смешения и в конечном итоге повышает производительность без усложнения конструкции.
Струйный насос не требует установки и его подключения к источнику тока генератора вынужденных колебаний, так как преобразователь в виде гофрированной манжеты с жесткостью, определяемую условием (1), обеспечивает режим резонирующих автоколебаний гофрированной манжеты и молекул газа, что увеличивает производительность и упрощает конструкцию и, кроме того, снижает стоимость струйного насоса при его эксплуатации.