ЭЖЕКТОР ДЛЯ ДОЗИРОВАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ХЛОРА В ВОДУ
EJECTOR FOR GASEOUS CHLORINE DOSING TO WATER

Изобретение относится к области обеззараживания воды, в частности может быть использовано для подачи газообразного хлора с помощью хлоратора в обрабатываемую воду на станциях и иных объектах водоподготовки.
Известны эжекторы, предназначенные для смешения двух сред (вода и пар, вода и песок и т.п.), в которых одна среда, находясь под давлением, воздействует на другую и, увлекая за собою, выталкивает ее в необходимом направлении и образует смешанный поток. На этом принципе известно множество водоструйных насосов, охладители воды эжекторного типа (градирни), гидроэлеваторы для бурения скважин, пароструйные эжекторы, газовые эжекционные горелки и т.п. (Физика. Большой энциклопедический словарь. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999, стр.90, 460).
Известные эжекторы хотя и предназначены для смешения двух сред, однако они не могут быть эффективно использованы для подачи хлора в обрабатываемую воду, так как конструкция каждого из них и прежде всего конструкция всего поперечного сечения рассчитаны для конкретных сред и не могут обеспечить эффективной эжекции газообразного хлора в воду для ее обеззараживания.
Известны эжекторы, рассчитанные с помощью математических моделей и вычислены их оптимальные параметры (А.С.Волков, А.А.Волокитенков. Бурение скважин с обратной циркуляцией промывочной жидкости. Изд. Недра, 1970, стр.184).
Недостатком таких эжекторов является то, что теоретические математические модели позволяют рассчитать ориентировочно необходимые параметры, значения которых находятся в широких пределах, что не позволяет получить оптимальную конструкцию эжектора без дополнительных экспериментов.
Известен эжектор для дозирования хлора при обеззараживании воды, который комплектуется с хлоратором в одно изделие (Журнал ВСТ «Водоснабжение и санитарная техника», 2001 г., №9, стр.39). Эжектор содержит узел для подвода исходной воды, находящейся под давлением, сопло, рабочую камеру, камеру смешения, диффузор, узел подвода эжектируемого хлора, узел для отвода смешанного потока (обработанной хлором воды).
Однако данные об его эффективности и конструктивных особенностях, влияющих на его эжекционную способность, отсутствуют.
Такой эжектор одного типоразмера не может обеспечить дозирование хлора всего модельного ряда хлораторов с производительностью от 0,01 кг/ч до 200 кг/ч без потери эффективности эжекции, поэтому каждая модель хлоратора должна комплектоваться на соответствующую производительность соответствующим эжектором с максимальной эжекционной способностью. Поэтому каждый типоразмер эжектора готовился поштучно с индивидуальной опытной подгонкой геометрических размеров внутреннего продольного сечения каждого эжектора для достижения требуемой максимальной производительности по хлору.
Техническим результатом изобретения является достижение максимальной эжекционной способности для всех типоразмеров эжекторов модельного ряда хлораторов с производительностью по хлору от 0,01 кг/ч до 200 кг/ч, необходимых для обеспечения потребностей народного хозяйства (обеззараживание питьевой воды, сточных вод, бассейнов и т.п.).
Технический результат изобретения достигается тем, что в известном эжекторе, содержащем узел для подвода исходной воды, находящейся под давлением, сопло, рабочую камеру, камеру смешения, диффузор, узел подвода эжектируемого газообразного хлора, узел для отвода смешанного потока обработанной хлором воды, эжектор выполнен с конфигурацией внутреннего продольного сечения, геометрические параметры которого:
- диаметр сопла D,
- длина рабочей камеры L,
1
- диаметр камеры смешения D,
1
- длина камеры смешения L,
2
- выходной диаметр диффузора D,
2
- длина диффузора L
взаимосвязаны числовым соотношением размеров, а именно:
1
2
1
2
D=1,25D, D=2,5D, L=1,75D, L=1,75D, L=7,75D,
1
1
2
2
А также тем, что для увеличения или уменьшения производительности эжектора по хлору, внутренние размеры продольного сечения эжектора D, L, D, L, D, L увеличиваются или уменьшаются в одно и то же число раз пропорционально изменению размера D.
Технический результат достигается благодаря тому, что заявляемое устройство при найденных соотношениях продольных размеров внутреннего сечения для любого типоразмера эжектора всего модельного ряда хлораторов, обеспечивает максимально эффективное значение коэффициента эжекции, т.е. найденная внутренняя конфигурация эжектора обеспечивает оптимальные условия для передачи кинетической энергии потока воды, идущей по трубе под большим напором, потоку хлора с меньшим скоростным напором и меньшим запасом энергии и максимальному подсасыванию хлора для всего размерного ряда эжекторов.
Для достижения этого результата необходимо было понять от каких факторов зависит эжекционная способность эжектора по хлору.
Принцип действия эжекторов основан на непосредственной передаче кинетической энергии рабочего потока воды, обладающего большим запасом энергии, другому, эжектируемому, потоку (хлору), обладающему меньшим запасом энергии. На основании уравнения Бернулли для идеальной жидкости сумма удельной потенциальной энергии (статического напора) и удельной кинетической энергии (скоростного напора) постоянна и равна полному напору:
2
1
2
1
Выходящая из сопла жидкость обладает большей скоростью (ν>ν), т.е. большим скоростным напором, вследствие чего пьезометрический напор потока жидкости в камере смешения уменьшается (p<p), что приводит к подсосу жидкости в камеру смешения. В камере происходит перемешивание рабочей и эжектируемой сред. В диффузоре скорость смешанного потока уменьшается и увеличивается статический напор, благодаря которому жидкость перемещается по нагнетательному трубопроводу. Эффективность передачи энергии от рабочего потока эжектируемой среде определяется коэффициентом напора β=H/h, где
Н - напор эжектируемой среды,
h - напор рабочей среды.
Коэффициент полезного действия насоса, создающего напор рабочей среды, равен отношению полезно затраченной мощности (HQγ кГм/с) к затраченной мощности (hRγ кГм/с), т.е.
Так как α=Q/R есть коэффициент эжекции, то, следовательно, эффективность работы системы «насос - эжектор» зависит в основном от коэффициентов напора и эжекции. Напор рабочей среды можно считать величиной постоянной для заданной конструкции «насос-эжектор», а следовательно и величину β, так как вода на обеззараживание в каждой конструкции подается практически с постоянным напором, то эжекционная способность эжектора в данном случае зависит только от коэффициента эжекции α.
1
Коэффициент эжекции может изменяться в широких пределах и зависит в основном от основного геометрического параметра эжектора m, который определяется отношением площади сечения камеры смешения F к площади сечения сопла F:
1
m=F/F,
т.е. он является основной и определяющей величиной, под которую настраиваются все основные геометрические размеры внутреннего продольного сечения эжектора.
э
э
э
м
Лабораторными исследованиями и производственными испытаниями было установлено, что продольное сечение эжектора при эжектировании газообразного хлора в воду должно иметь конфигурацию согласно фиг.1. Причем экспериментально подтверждено, что зависимость расхода хлора Q от расхода воды R, т.е. кривая Q=f(R) достаточно точно аппроксимируется двумя прямыми (фиг.2), точка пересечения которых А разделяет эту графическую зависимость на две зоны, а именно: зону эффективной эжекции (до точки А) с высоким коэффициентом эжекции и зону неэффективной эжекции (за точкой А) с низким коэффициентом эжекции. Практическое значение имеет зона эффективной эжекции. Причем конструкция внутреннего сечения эжектора должна быть такова, чтобы коэффициент эжекции в этой зоне был максимально возможным, т.е. определялся зоной максимально возможной эжекции, определяемой точкой А (фиг.2).
1
1
На основе анализа экспериментальных данных и их сопоставления с известными теоретическими положениями получены следующие результаты. Эжектор по хлору работает наиболее эффективно, когда геометрический параметр m находится в пределах 1,5-2,0. Диаметр камеры смешения D, зная величину геометрического параметра m, можно определить по формуле . Так при D=7 мм и m=1,2 - 2 диаметр камеры смешения будет равен D=8,6 - 10 мм.
1
1
2
2
1
2
Установлено также, что на работу эжектора сильно влияет конфигурация внутреннего продольного сечения и что основными геометрическими размерами кроме D и D являются длина рабочей камеры L, длина камеры смешения L, длина диффузора L и выходной диаметр диффузора D. Причем между этими размерами существует соотношение L=1,75D, L=1,75D, L=7,75D, при котором достигается максимальный коэффициент эжекции, соответствующий зоне максимально эффективной эжекции (фиг.2).
1
2
1
2
Так эжектор, обеспечивающий максимальный коэффициент эжекции, соответствующий зоне максимально эффективной эжекции, входящий в комплект хлоратора с максимальной производительностью по хлору в 20 кг/ч, имеет следующие размеры вышеперечисленных параметров продольного сечения: D=20 мм, D=25 мм, D=50 мм, L=35 мм, L=35 мм, L=155 мм.
1
2
1
2
Максимальный эффективный коэффициент эжекции для иного типоразмера эжектора обеспечивается в том случае, если размеры указанных геометрических параметров эжектора увеличиваются или уменьшаются в одно и то же число раз пропорционально изменению размера D. Так, если требуется уменьшение производительности эжектора по хлору, например, в 2 раза, т.е. до 10 кг/ч, то, во-первых, такое его значение может быть обеспечено при D=7 мм, а во-вторых, зона максимально эффективной эжекции будет достигнута при условии, что размеры остальных геометрических параметров будут уменьшены пропорционально уменьшению значения D, т.е. остальные геометрические размеры продольного сечения эжектора должны быть равны D=8,75 мм, D=17,5 мм, L=12,25 мм, L=12,25 мм, L=54,25 мм.
Из вышеизложенного следует, что эжекторы с заявляемой конструкцией внутреннего продольного сечения и соотношения размеров имеют максимально эффективную эжекционную способность и обеспечивают введение требуемого количества хлора в воду для ее обеззараживания при минимальных потерях.
На фиг.1 изображен эжектор, общий вид.
Эжектор соединяется с линией подачи воды для обеззараживания конусообразным соплом 1, которое винтовой резьбой соединено с рабочей камерой 2 и камерой смешения 3. В рабочую камеру 2 сбоку встроен узел 4 для подвода эжектируемого газообразного хлора. За камерой смешения 3 следует диффузор 5, который соединяется с линией отвода обработанной хлором воды.
Устройство работает следующим образом.
Поток исходной воды под давлением поступает из сопла 1 в рабочую камеру 2, куда из узла 4 подвода эжектируемого газообразного хлора поступает газообразный хлор. Потоком воды газообразный хлор подсасывается в камеру смешения 3, где происходит перемешивание исходной воды и газообразного хлора. В камере смешения скорость смешанного потока обработанной хлором воды уменьшается и увеличивается статический напор, благодаря которому вода перемещается по диффузору 5 в линию отвода смешанного потока обработанной хлором воды.
В качестве существенных геометрических размеров, характеризующих конфигурацию внутреннего продольного сечения эжектора и определяющих его максимально эффективную эжекционную способность, являются:
- диаметр сопла D,
- длина рабочей камеры L,
1
- диаметр камеры смешения D,
1
- длина камеры смешения L,
2
- выходной диаметр диффузора D,
2
- длина диффузора L.
Итак, экспериментальные исследования заявляемого устройства с учетом известных теоретических положений показали, что по сравнению с прототипом, эжекторы всех типоразмеров всего модельного ряда хлораторов обеспечивают максимальную эффективную эжекционную способность без предварительной опытной подгонки геометрических размеров внутреннего продольного сечения каждого выпускаемого эжектора, что позволяет опытное производство эжекторов перевести в серийное.