Способ вакуумирования и струйный насос

 

Использование: в химической, фармацевтической и пищевой промышленности. Сущность изобретения: формируют струи рабочей жидкости в канале истечения за счет ее предварительного сжатия в камере нагнетания, смешивают струи рабочей жидкости с пассивной средой, транспортируют смесь сред через гидравлический затвор и разделяют среды в сепарационной камере при выпускном атмосферном давлении. Камера смешения образована в канале истечения и сопряжена с патрубком ввода пассивной среды с образованием вакуумной полости в зоне отверстия ввода пассивной среды патрубка. Гидравлический затвор образуют вращающимся вместе с камерой нагнетания и каналом истечения кольцевым слоем рабочей жидкости. Осуществляют циркуляцию рабочей жидкости в гидравлическом затворе. Режим обтекания кольцевым слоем рабочей жидкости патрубка с отверстием ввода пассивной среды в окружном направлении проводят исходя из соотношения, приведенного в тексте описания. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способам и насосам для получения вакуума за счет кинетической энергии истекающей струи рабочей жидкости, в особенности при обтекании струей рабочей жидкости патрубка с отверстием ввода пассивной среды с образованием камеры смешения в гидравлическом затворе, и может быть использовано для откачки газа, пара и жидкости при наибольших впускном и выпускном атмосферном давлениях в химической, фармацевтической и пищевой промышленности.

Известен способ вакуумирования и струйный насос для реализации указанного способа [1] . Способ вакуумирования заключается в формировании струи рабочей жидкости в канале истечения, смешении струи рабочей жидкости с пассивной средой, транспортировке смеси сред через гидравлический затвор и разделении сред в сепарационной камере с выпускным атмосферным давлением, при этом смешение сред проводят при наибольшем впускном атмосферном давлении в камере смешения, образованной в канале истечения и сопряженной с патрубком ввода пассивной среды с образованием вакуумной полости в зоне отверстия ввода пассивной среды патрубка, а гидравлический затвор образуют горизонтальным слоем рабочей жидкости со свободной поверхностью.

Для реализации указанного способа струйный насос содержит патрубок с отверстием ввода пассивной среды, сепарационную камеру, камеру нагнетания, канал истечения рабочей жидкости и камеру смешения с гидравлическим затвором, при этом патрубок ввода пассивной среды выполнен в виде изогнутой трубки, состоящей из верхнего звена и обтекаемого элемента.

Недостатком способа вакуумирования и струйного насоса для реализации указанного способа является повышенный расход рабочей жидкости через гидравлический затвор и сепарационную камеру, обусловленный их взаимосвязью единым каналом истечения и потоком высокоскоростной струи рабочей жидкости, что увеличивает мощность, потребляемую на транспортировку рабочей жидкости, и габариты сепарационной камеры.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ вакуумирования и струйный насос для реализации указанного способа [2]. Способ вакуумирования заключается в формировании струи рабочей жидкости в канале истечения за счет ее предварительного сжатия в камере нагнетания, смешении струи рабочей жидкости с пассивной средой, транспортировке смеси сред через гидравлический затвоp и разделении сред в сепарационной камере с выпускным атмосферным давлением, при этом смешение сред проводят при наибольшем впускном атмосферном давлении в камере смешения, образованной в канале истечения и сопряженной с патрубком ввода пассивной среды с образованием вакуумной полости в зоне отверстия ввода пассивной среды патрубка, а гидравлический затвор образуют вращающимся вместе с камерой нагнетания и каналом истечения кольцевым слоем рабочей жидкости.

Для реализации указанного способа струйный насос содержит патрубок с отверстием ввода пассивной среды, сепарационную камеру и вращающуюся обечайку с крышкой с отверстием, камерой нагнетания, каналом истечения рабочей жидкости, камерой смешения с гидравлическим затвором и приводом вращения от вала с подшипниковой опорой, установленного с зазором относительно отверстия крышки, при этом патрубок ввода пассивной среды выполнен в виде изогнутой трубки, состоящей из верхнего звена, закрепленного на опоре и установленного с зазором относительно вала и крышки и выполненного в виде профилированного обтекаемого элемента. При вращении обечайки с кольцевым слоем рабочей жидкости в канале истечения рабочей жидкости в зоне отверстия ввода пассивной среды патрубка образуется сопряженная с ним вакуумная полость, в которую засасывается пассивная среда, смешиваясь со струей рабочей жидкости в камере смешения. Из образовавшейся смеси пассивная среда за счет разности плотностей всплывает в гидравлическом затворе - сепарационной камере на свободную поверхность кольцевого слоя рабочей жидкости и выводится из вращающейся обечайки наружу насоса.

Недостатком способа вакуумирования и струйного насоса для реализации указанного способа является большая величина остаточного давления и малая величина быстроты действия, связанные с уменьшением плотности смеси в струе рабочей жидкости с примесью пассивной среды в канале истечения и гидравлическом затворе, формирующей вакуумную полость в зоне отверстия ввода пассивной среды.

Технический результат, достигаемый изобретением, - уменьшение остаточного давления и увеличение быстроты действия струйного насоса.

Этот результат достигается в способе вакуумирования, заключающемся в формировании струи рабочей жидкости в канале истечения за счет ее предварительного сжатия в камере нагнетания, смешении струи рабочей жидкости с пассивной средой, транспортировке смеси сред через гидравлический затвор и разделении сред в сепарационной камере с выпускным атмосферным давлением, при этом смешение сред проводят при наибольшем впускном атмосферном давлении в камере смешения, образованной в канале истечения и сопряженной с патрубком ввода пассивной среды с образованием вакуумной полости в зоне отверстия ввода пассивной среды патрубка, а гидравлический затвор образуют вращающимся вместе с камерой нагнетания и каналом истечения кольцевым слоем рабочей жидкости, за счет того, что осуществляют циркуляцию рабочей жидкости в гидравлическом затворе, а режим обтекания кольцевым слоем рабочей жидкости патрубка с отверстием ввода пассивной среды в окружном направлении проводят при значении критерия Рейнольдса Re₁>10⁴ и при критерии Эйлера, исходя из соотношения 1-0,5 < Eu < 1-0,5+ где r₁ - радиус свободной поверхности кольцевого слоя рабочей жидкости, м; r₂ - радиус, на котором расположено отверстие ввода пассивной среды, м; Р_о - атмосферное давление, Па; ρ - плотность рабочей жидкости, кг/м³; ω - угловая скорость кольцевого слоя рабочей жидкости, рад/с.

Кроме того, циркуляцию рабочей жидкости осуществляют через гидравлический затвор в канале истечения в радиальном направлении от отверстия ввода пассивной среды патрубка к свободной поверхности кольцевого слоя рабочей жидкости, а обтекание патрубка ввода пассивной среды радиальным потоком рабочей жидкости проводят при критерии Рейнольдса Re₂ < Re₁ ^. 10^-3.

Для реализации указанного способа в струйном насосе, содержащем патрубок с отверстием ввода пассивной среды, сепарационную камеру и вращающуюся обечайку с крышкой с отверстием, камерой нагнетания, каналом истечения рабочей жидкости, камерой смешения с гидравлическим затвором и приводом вращения от вала с подшипниковой опорой, установленного с зазором относительно отверстия крышки, при этом патрубок ввода пассивной среды выполнен в виде изогнутой трубки, состоящей из верхнего звена, закрепленного на опоре и установленного с зазором относительно вала и крышки и выполненного в виде профилированного обтекаемого элемента, обечайка снабжена диском с периферийными отверстиями и транспортирующим устройством, причем диск установлен соосно валу, крышка герметично установлена на диске, транспортирующее устройство установлено на диске и размещено в сепарационной камере, а обтекаемый элемент выполнен в виде полого ножа с кормовой кромкой, при этом последняя расположена радиально в плоскости, проходящей через ось вала, а отверстие ввода пассивной среды выполнено в кормовой кромке.

На фиг. 1 изображен предлагаемый струйный насос, общий вид; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

Струйный насос содержит патрубок 1 с отверстием 2 ввода пассивной среды, сепарационную камеру 3 и вращающуюся обечайку 4 с крышкой 5 с отверстием 6, камерой нагнетания 7, каналом истечения 8 рабочей жидкости, камерой смешения 9 с гидравлическим затвором 10 и приводом 11 вращения от вала 12 с подшипниковой опорой 13, установленного с зазором относительно отверстия 6 крышки 5, при этом патрубок 1 ввода пассивной среды выполнен в виде изогнутой трубки, состоящей из верхнего звена 14, закрепленного на опоре 13 и установленного с зазором относительно вала 12 и крышки 5, и выполненного в виде профилированного обтекаемого элемента 15. Обечайка 4 снабжена диском 16 с периферийными отверстиями 17 и транспортирующим устройством 18, причем диск 16 установлен соосно валу 12, крышка 5 герметично установлена на диске 16, транспортирующее устройство 18 установлено на диске 16 и размещено в сепарационной камере 3, а обтекаемый элемент 15 выполнен в виде полого ножа с кормовой кромкой 19, при этом последняя расположена радиально в плоскости, проходящей через ось вала 12, а отверстие 2 ввода пассивной среды выполнено в кормовой кромке 19. Подшипниковая опора 13 установлена в верхней части корпуса 20, в нижней части которого размещена сепарационная камера 3 с патрубком 21 ввода-вывода рабочей жидкости с вентилем 22, патрубком 23 вывода пассивной среды и кольцевой перегородкой 24 с переточным отверстием 25 и примыкающая к ней полость 26 циркуляции охлаждающей жидкости с входным 27 и выходным 28 патрубками. Обтекаемый элемент 15 имеет периферийную кромку 29, которая в зоне контакта с кормовой кромкой 19 также снабжена отверстием 2 ввода пассивной среды. Вал 12 сочленяется с приводом 11 через муфту 30. Транспортирующее устройство 18 расположено в средней части сепарационной камеры 3 внутри перегородки 24, а его нижняя заборная кромка расположена ниже отверстия в патрубке 23. Камера нагнетания 7 снабжена радиальными ребрами. Отверстие 6 имеет радиус r₁, меньший радиуса r₂, на котором расположено отверстие 2 ввода пассивной среды.

Струйный насос работает следующим образом.

Предварительно сепарационную камеру 3 через вентиль 22 и патрубок 21 заполняют определенным количеством рабочей жидкости до уровня, меньшего высоты расположения отверстия в патрубке 23, после чего вентиль 22 закрывают. Пpи этом нижняя заборная кромка транспортирующего устройства 18 оказывается погруженной в рабочую жидкость внутри обечайки 24. При вращении вала 12 рабочая жидкость захватывается транспортирующим устройством 18, направляется вверх на ребра в камере нагнетания 7, отбрасывается ими к периферии к отверстиям 17, пройдя через которые, заполняет канал истечения 8, образуя кольцевой слой рабочей жидкости с гидравлическим затвором 10, откуда через отверстие 6 выводится из обечайки 4 самотеком вниз в периферийную зону сепарационной камеры 3, поступает через отверстие 25 обратно к транспортирующему устройству 18 и таким образом циркулирует с определенным независящим от угловой скорости вала 12 расходом.

При вращении вала 12 по стрелке Б вдоль кормовой кромки 19 обтекаемого элемента 15 при турбулентном режиме его обтекания струей кольцевого слоя рабочей жидкости за счет перепада давления между лобовой и кормовой 19 кромками возникает радиальная вакуумная полость - камера смешения 9, примыкающая к отверстию 2 ввода пассивной среды. В результате этого пассивная среда засасывается по патрубку 1, смешивается с вихреобразной струей рабочей жидкости, уносится с ней в окружном направлении в зону высокого давления канала истечения 8, где за счет меньшей, чем у рабочей жидкости, плотности всплывает в гидравлическом затворе 10 в радиальном направлении в приосевую зону к отверстию 6 и вместе с небольшим потоком рабочей жидкости выводится из вращающейся обечайки 4 в корпус 20, сливается самотеком вниз в периферийную зону сепарационной камеры 3. Здесь за счет разности плотностей смесь сред расслаивается окончательно при выпускном атмосферном давлении и более мягкая пассивная среда (газ, пар или жидкость) выводится по патрубку 23 наружу струйного насоса, а рабочая жидкость через отверстие 25 продолжает циркулировать. Если пассивной средой является сама рабочая жидкость, то ее откачиваемый по патрубку 1 избыточный объем также выводится по патрубку 23. Циркуляция охлаждающей жидкости через полость 26 с патрубками 27 и 28 предотвращает повышение температуры рабочей жидкости, циркулирующей через примыкающую к полости 26 сепарационную камеру 3, до температуры ее кипения при атмосферном давлении и способствует сохранению исходного гидродинамического режима в зоне обтекаемого элемента 15. После остановки вращения вала 12 рабочая жидкость сливается самотеком вниз из обечайки 4 в сепарационную камеру 3, и, таким образом, струйный насос находится в постоянной готовности к очередному запуску.

Вакуумная полость в зоне отверстия 2 ввода пассивной среды возникает при условии уменьшения остаточного давления в этой зоне ниже величины атмосферного давления, что соответствует отношению 0 < < 1 где Р - абсолютное давление на лобовой кромке обтекаемого элемента 15, равное сумме статического и динамического давлений, Па; ΔР - перепад давлений между лобовой и кормовой 19 кромками обтекаемого элемента 15, Па; Р_о - атмосферное давление, Па.

В предположении постоянства угловой скорости кольцевого слоя рабочей жидкости по радиусу в канале истечения 8 это соотношение соответствует значениям критерия Эйлера 0 < 1 - Eu-1+0,5 < 1 или иначе
1-0,5 < Eu < 1-0,5+ где ρ - плотность рабочей жидкости, кг/м³;
ω - угловая скорость кольцевого слоя рабочей жидкости, рад/с;
r₂ - радиус, на котором расположено отверстие 2 ввода пассивной среды, м;
Eu - значение критерия Эйлера для режима обтекания рабочей жидкостью обтекаемого элемента 15 в зоне отверстия 2;
r₁ - радиус отверстия 6 в крышке 5, м.

Из приведенных соотношений следует, что с уменьшением плотности и угловой скорости рабочей жидкости в канале истечения 8 при прочих равных условиях остаточное давление струйного насоса увеличивается, а быстрота действия его соответственно уменьшается. Это происходит, например, при откачке пассивной среды с плотностью, меньшей плотности рабочей жидкости, приводящей к уменьшению плотности смеси сред в канале истечения 8 и гидравлическом затворе 10. Таким образом, циркуляция рабочей жидкости в канале истечения 8 и гидравлическом затворе 10 приводит к увеличению в них плотности смеси сред и, следовательно, к уменьшению остаточного давления и увеличению быстроты действия этого насоса. Экспериментально установлено, что при значении критерия Рейнольдса Re₁ > 10⁴, например, Re₁ = 4 ^. 10⁴ и расположении кормовой кромки 19 обтекаемого элемента 15 в радиальном направлении в плоскости, проходящей через ось вала 12, достигается значение критерия Эйлера в указанном диапазоне, например Eu = 0,9, при котором остаточное давление в зоне отверстия 2 ввода пассивной среды становится меньше атмосферного давления. Кроме того, экспериментально установлено, что остаточное давление и быстрота действия этого насоса зависят от величины радиального расхода рабочей жидкости через гидравлический затвоp 10 в канале истечения 8 в радиальном направлении от отверстия 2 ввода пассивной среды обтекаемого элемента 15 патрубка 1 к свободной поверхности кольцевого слоя рабочей жидкости в зоне отверстия 6 крышки 5. Например, при увеличении радиального расхода рабочей жидкости (воды) от нуля до 0,11 м³/ч, соответствующего значению критерия Рейнольдса Re₂ < Re₁ ^. 10^-3, например Re₂ = 10, остаточное давление пассивной среды (воздуха) уменьшается с 99 кПа до 90 кПа, а быстрота действия этого насоса соответственно увеличивается с 0,22 м³/ч до 0,70 м³/ч. Вывод отверстия 2 кроме кормовой кромки 19 еще и на периферийную кромку 29 обтекаемого элемента 15 еще более уменьшает остаточное давление и увеличивает быстроту действия этого насоса при прочих равных условиях.

Таким образом, предлагаемый способ вакуумирования и струйный насос для реализации указанного способа позволяют уменьшить остаточное давление и увеличить быстроту действия этого насоса по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

СПОСОБ ВАКУУМИРОВАНИЯ И СТРУЙНЫЙ НАСОС.

1. Способ вакуумирования, включающий предварительное сжатие рабочей жидкости в камере нагнетания, формирование струи рабочей жидкости в канале истечения, смешивание рабочей жидкости с пассивной средой и транспортировку смеси сред через гидравлический затвор с последующим разделением смеси в сепарационной камере, причем выпускное давление в сепарационной камере равно атмосферному, а впускное давление при смешении сред в камере смешения меньше или равно атмосферному, при этом камера смешения сформирована в канале истечения, сопряжена с патрубком ввода пассивной среды с образованием вакуумной полости в зоне отверстия ввода пассивной среды патрубка, а гидравлический затвор образован вращающимся вместе с камерой нагнетания и каналом истечения кольцевым слоем рабочей жидкости, отличающийся тем, что осуществляют циркуляцию рабочей жидкости в гидравлическом затворе, режим обтекания кольцевым слоем рабочей жидкости патрубка ввода пассивной среды в окружном направлении проводят при значении критерия Рейнольдса Re₁ > 10⁴, и при критерии Эйлера Eu, исходя из соотношения

где r₁ - радиус свободной поверхности кольцевого слоя рабочей жидкости, м;
r₂ - радиус, на котором расположено отверстие ввода пассивной среды, м;
P₀ - атмосферное давление, Па;
ρ - плотность рабочей жидкости, кг/м³;
w - угловая скорость кольцевого слоя рабочей жидкости, рад/с.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что циркуляцию рабочей жидкости осуществляют через гидравлический затвор в канале истечения в радиальном направлении от отверстия патрубка ввода пассивной среды к свободной поверхности кольцевого слоя рабочей жидкости, а обтекание патрубка ввода пассивной среды радиальным потоком рабочей жидкости проводят при критерии Рейнольдса Re₂, где Re₂ < Re₁ · 10^-3.

3. Струйный насос, содержащий патрубок с отверстием ввода пассивной среды, сепарационную камеру и вращающуюся обечайку с крышкой и с отверстием, камерой нагнетания, каналом истечения рабочей жидкости, камерой смешения с гидравлическим затвором и приводом вращения от вала с подшипниковой опорой, установленного с зазором относительно отверстия крышки, при этом патрубок ввода пассивной среды выполнен в виде изогнутой трубки, состоящей из верхнего звена, закрепленного на опоре, установленного с зазором относительно вала и крышки и выполненного в виде профилированного обтекаемого элемента, отличающийся тем, что обечайка снабжена диском с периферийными отвертсиями и транспортирующим устройством, причем диск установлен соосно с валом, крышка герметично установлена на диске, транспортирующее устройство установлено на диске и размещено в сепарационной камере, а обтекаемый элемент выполнен в виде полого ножа с кормовой кромкой, при этом последняя располоджена радиально в плоскости, проходящей через ось вала, а отверстие ввода пассивной среды выполнено в кормовой кромке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2