Теоретические и экспериментальные исследования струи водоструйного эжектора и их использование для совершенствования расчета его характеристик

Энергетика — одна из основных отраслей народного хозяйства страны. В России к 2010 году планируется ввести на ТЭС и АЭС 75. 80 млн. кВт новых энергетических мощностей. Из установленных мощностей выработало свой ресурс и требует модернизации и замены оборудование, дающее ежегодно 13,2 млн. кВт электроэнергии [26]. Основная часть этой электроэнергии вырабатывается конденсационными паротурбинными установками ТЭС и АЭС.

Надежность совместной работы конденсационной установки с входящим в нее водоструйным эжектором и паровой турбиной во многом определяет вырабатываемую мощность и экономичность работы всей паротурбинной установки. От рабочей характеристики водоструйного эжектора, как самого простого воздухоудаляющего устройства в плане производства так и в плане эксплуатации [21, 39, 41], зависят условия теплообмена в конденсаторе. Поэтому это оборудование должно бесперебойно работать на протяжении длительного промежутка времени. На сегодняшний день использование водоструйных эжекторов связано с широким кругом проблем:

— в проектировании — методики расчета проточных частей эжекторов и их теоретических рабочих характеристик целиком базируются на эмпирических коэффициентах, относящихся к экспериментальным данным, полученным для конкретного диапазона параметров;

— в эксплуатации — наблюдается размыв днища приемной камеры в месте соединения ее с камерой смешения.

Выше сказанное определяет важность и актуальность рассматриваемой темы диссертационной работы: «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУИ ВОДОСТРУЙНОГО ЭЖЕКТОРА И.

ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАСЧЕТА ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК".

Цель работы заключается в создании математической модели раскрытия струи воды водоструйного эжектора, программы ее реализации для определения величин угла раскрытия при переменных режимах и, на этой основе, метода расчета теоретической рабочей характеристики односоплового эжектора на сухом воздухе в виде программного комплекса, обеспечивающего вариантные проектировочные расчеты оптимальных проточных частей без использования эмпирических коэффициентов.

Поставленная цель определила круг задач, решенных автором в рамках диссертационной работы.

В первой главе сделан обзор литературы по проектированию и эксплуатации водоструйных эжекторов конденсационных установок. Проведенный обзор выявил отсутствие данных о величинах углов раскрытия струи воды, вытекающей из сопла водоструйного эжектора, в диапазоне изменения давлений, который имеет место в конденсаторе. Приведенные в литературе расчетные теоретические рабочие характеристики при удалении сухого воздуха получены на основе эмпирических соотношений и для конкретных конструкций водоструйных эжекторов требуют экспериментального подтверждения.

Проведенный анализ опубликованной информации позволил не только критически осмыслить существующие точки зрения на механизмы захвата эжектируемого воздуха струей воды, но и представить новую собственную версию физической природы этого захвата, а также его математическую модель.

Во второй главе разработана математическая модель раскрытия начального участка струи воды за счет выделения в ее объем воздуха, растворенного до входа воды в сопло эжектора. В основу модели заложены фундаментальные законы сохранения в общепринятом математическом описании.

На основе принятых граничных условий и математической формулировки составлена математическая модель раскрытия струи воды, в которой отсутствуют эмпирические коэффициенты, согласовывающие эксперимент и расчет. Полученная система уравнений, описывающая модель раскрытия струи воды в приемной камере эжектора, решаемая методом последовательных приближений, реализована в программном комплексе ,?а1егА1г-1е1.

Предложена модель захвата эжектируемого воздуха в основе которой заложен распад струи рабочей воды в приемной камере эжектора. Сформулирована математическая модель теоретической рабочей характеристики на сухом воздухе односоплового водоструйного эжектора. В основе этих моделей лежит величина угла раскрытия струи воды в приемной камере эжектора. Расчет теоретической рабочей характеристики эжектора на сухом воздухе реализован в программном комплексе? а1егАичГе1:.

Третья глава, посвящена описанию схемы экспериментального модельного стенда водоструйного эжектора. На стенде реализована визуализация процесса истечения струи воды из сопла в приемной камере эжектора.

Приводится разработанная методика проведения эксперимента, как для определения величин углов раскрытия струи воды, так и для снятия рабочей характеристики эжектора на сухом воздухе. Оценены погрешности измеренных величин, определяемых в ходе проведения экспериментальных исследований на модельном стенде водоструйного эжектора.

В четвертой главе представлены экспериментальные и расчетные данные по величинам углов раскрытия струи и рабочих характеристик, полученных на экспериментальном стенде и расчетом с помощью программного комплекса Уа1егАнчГе1:.

Сравнение экспериментальных рабочих характеристик эжектора, полученных, как автором на экспериментальном стенде, так и другими исследователями, с данными расчетов программного комплекса Уа1егА±чГе1, указывает на достоверность полученных расчетных теоретических рабочих характеристик и позволяет без дополнительных экспериментальных исследований рекомендовать математическую модель теоретической рабочей характеристики и комплекс YaterAir-Jet для применения в проектировании и эксплуатации промышленных одноствольных водоструйных эжекторов.

В Заключении приведены основные результаты выполненных теоретических, экспериментальных и расчетных исследований и основные вытекающие из них выводы и рекомендации.

В Приложения выделены, представленные в текстовой, табличной и графической форме, основные результаты экспериментальных измерений и расчетов погрешностей приборов, а также внешний вид программного комплекса >^:егАичГе1:.

Проведенная работа показала, что реализация предложенных моделей раскрытия струи рабочей воды и расчетной теоретической рабочей характеристики на сухом воздухе в программном комплексе Уа1егАичГе1 позволит: в эксплуатации предотвратить размыв днища приемной камеры эжекторауменьшить объем экспериментальных исследований для уточнения рабочей характеристики эжектораулучшить качество проектируемых эжекторов.

Достоверность результатов обеспечивается визуализацией процесса истечения струи рабочей воды из сопла эжектора, а также соответствием рабочих характеристик, полученных расчетом, опытным данным. При проведении опытов использовались проверенные стандартизованные приборы и методы измерения.

С точки зрения практической значимости и внедрения следующие результаты выполненной работы используются для проектирования и модернизации промышленных водоструйных эжекторов в ОАО «ЛМЗ» и в учебном процессе:

— величины углов раскрытия струи воды полученные автором в результате экспериментальных исследований;

— методика расчета теоретической рабочей характеристики эжектора;

— программный комплекс Уа1егА1г-М позволяющий существенно сократить затраты времени на проектирование водоструйных эжекторов и их последующую экспериментальную доводку, а так же повысить точность расчетов.

ГЛАВА № 1.

ОБЗОР И АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДОСТРУЙНЫХ ЭЖЕКТОРОВ.

1. Александров А. А., Григорьев Б. А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. Рек. Гос. Службой стандартных справочных данных. ГСССД Р-776−98 — М.: Издательство МЭИ. 1999. -168 сил.

2. Анатолиев Ф. А. Теплообменные аппараты судовых паросиловых установок. Ленинград. Судпромгиз. 1963.

3. Андреев М. М., Берман С., Буглаев В. Т., Костров Х. Н. Теплообменная аппаратура энергетических установок. — М.: Машгиз. 1963.

4. Баженов М. И. Исследование работы двухфазных струйных аппаратов. //Электрические станции. 1967. № 4. 39−41.

5. Баженов М. И. Экспериментальное исследование водовоздушного струйного аппарата на прозрачной модели. // Известия вузов. Энергетика. 1966. № 3. 82−86.

6. Безухов А. П. Зависимость угла раскрьггия струи воды воздушного эжектора от количества растворенного воздуха. / Современное машиностроение: Сборник научных трудов. Вып.2. СПб.: Изд. -Петербургского института машиностроения, 2000. — 56−59.

7. Берман Л. Д. Выбор производительности воздушных насосов для конденсационных установок. //Электрические станции. 1966. № 12. 30−35.

8. Берман Л. Д. Оценка воздушной плотности вакуумной системы турбоагрегата. //Электрические станции. 1950. № 4. 6−8.

9. Берман Л. Д., Ефимочкин Г. И. Влияние длины камеры смешения на режимы работы и экономичность водоструйного воздупшого эжектора. //Теплоэнергетика. 1978. № 12. 66−71.

10. Берман Л. Д., Ефимочкин Г. И. Методика расчета водоструйного эжектора. //Теплоэнергетика. 1964. № 8. 92−94.

11. Берман Л. Д., Ефимочкин Г. И. Методика расчета водоструйных эжекторов. // Теплоэнергетика. 1964, № 8. 92−94.

12. Берман Л. Д., Ефимочкин Г. И. Особенности рабочего процесса и режимы работы водоструйного эжектора. // Теплоэнергетика. 1964. № 2. 31−35.

13. Берман Л. Д., Ефимочкин Г. И. Расчетные зависимости для водоструйных эжекторов. //Теплоэнергетика. 1964. № 7. 44−48.

14. Берман Л. Д., Ефимочкин Г. И. Экспериментальное исследование водоструйного эжектора. //Теплоэнергетика. 1963. № 9. 9−15.

15. Берман Л. Д., Зингер Н. М. О работе конденсационной установки с водоструйным эжектором. //Электрические сташщи. 1963. № 7. 28−32.

16. Берман Л. Д., Зингер Н. М. Сравнеьше разных типов воздушных насосов для конденсаторов турбин. // Теплоэнергетика. 1958. № 11. 47−55.

17. Боровых А. Е., Есин В. И., Соотношение для жидкостно-газового эжектора, работающего на переменном режиме. // Известия вузов. Машиностроение. 1976. № 9. 89−94.

18. Васильев Ю. Н. Теория двухфазного газо-жидкостного эжектора с цилиндрической камерой смешения. Лопаточные машины и струйные аппараты. //Машиностроение. 1971. Вьпъ 5. 175−261.

19. Васильев Ю. Н., Гладков Е. П. Экспериментальное исследование вакуумного водо-воздушного эжектора с многоствольным соплом. Лопаточные машины и струйные аппараты. // МашиностроеБше. 1971. Вып. 5. 262−306.

20. Дейч М. Е. Техническая газодинамика. Изд. 3-е, перераб. М., Энергия., 1974 г. 25.

21. Дьяков А. Ф. Прогноз строительства новых электростанций и некоторые задачи российской электроэнергетики. // Энергетик. 1997. № 2.

22. Елизаров B.C., Безухов А. П., Панова О. В. Модернизация схемы включения водоструйных эжекторов на блоке турбины К-3 00−240. Машиностроение и автоматизация производства. Межвузовский сборник. Выпуск 10. С-Пб. 1998. — 76−84.

23. Елимелех И. М., Сидоркин Ю. Г. Стрзгйная автоматика (Пневмоника). Лениздат, 1972. 212с.

24. Ермилов В. Г. Теплообменные аппараты и конденсационные установки. Изд. Судостроение. Ле1шнград. 1969. Стр. 19.

25. Ерченко Г. Н., Безухов А. П. Воздухоудаляющие устройства конденсационных установок: Учебное пособие. -СПб.: Изд-во ПИМаш, 1996, -99с.

26. Ефимочкин Г. И. Влияние конструкции сопла на работу водоструйного эжектора // Электрические станции. 1964. № 5. 7−11.

27. Ефимочкин Г, И. Выбор производительности и схем включения водоструйных эжекторов турбоустановок большой мощности. // Электрические станции. 1972. № 6. 39−43.

28. Ефимочкин Г. И, Испытания паростр>тшого и водоструйного эжекторов, //Электрические станции. 1963. № 8. 2−3.

29. Ефимочкин Г. И. Констр) пщии и расчет водоструйных эжекторов с удлиненной камерой смешения. // Теплоэнергетика. 1982. № 12. 48−51.

30. Ефимочкин Г. И. Потери пара в водоструйных эжекторах конденсационных установок. //Электрические станции. 1970. № 1. 33−36.

31. Ефимочкин r. Pt Способ оценки воздушной плотности вакуумной системы турбоустановок с водоструйными эжекторами. // Электрические станции. 1970. № 8. 24−26.

32. Ефимочкин Г. И. Сравнение и выбор воздухоудапяющих устройств для конденсаторов современных паровых турбин. // Электрические станции. 1976. № 10. 28−33.

33. Ефимочкин Г. И., Ачинович Г. В., Верещак A.M., Кероси Н. В., Кореннов Б. Е. Реконструкция эжекторных установок на турбинах мощностью.

34. МВт Славянской ГРЭС. // Электрические станции. 1975. № 1. 9−10.

35. Ефимочкин Г. И., Иванов В. В., Альбертинский Л. И., Громов A.M., Циркин И. З. Сравнительные испытания пароструйных и водоструйных эжекторов на турбине Т-250/300−240 ТМЗ. // Электрические станции. 1982. № 8. 20−23.

36. Ефимочкин Г. И., Коновалов Г. М. Воздушные эжекторы турбоустановок 300 МВт. // Теплоэнергетика. 1971. № 6. 22−26.

37. Ефимочкин Г. И., Кореннов Б. Е. Исследование и выбор водоструйных эжекторов с удлиненной камерой смешения. // Теплоэнергетика. 1976. № 4. 46−49.

38. Ефимочкин Г. И., Кореннов Б. Е. Методика расчета водовозд) чпного эжектора с удлиненной цилиндрической камерой смешения. // Теплоэнергетика. 1976. № 1. 84−86.

39. Ефимочкин Г. И., Кореннов Б. Е. Повьппение экономичности водоструйного эжектора на блоке 300 МВт. //Энергетик. 1973. № 8. 11−12.

40. Ефимочкин Г. И., Кореннов Б. Е. Реконструкция эжекторной установки на турбинах мощностью 800 МВт. // Электрические станции. 1978. № 9. 31−35.

41. Ефимочкин Г. И., Кореннов Б. Е. Сравнительные испыгания основных водоструйных эжекторов турбины К-3 00−240 ЛМЗ. // Электрические станции. 1975. № 2. 21−23.

42. Ефимочкин Г. И., Кореьшов Б. Е., Кроль А. Я. Реконструкция водоструйного эжектора на турбинах К-300−240 ЛМЗ. // Электрические станции. 1974. № 2. 45−49.

43. Ефимочкин Г. И., Циркин Э. З. Воздушные насосы для теплофикационных турбин. //Энергетик. 1989. № 11. 13−14.

44. Ефимочкин Г. И., Цыркин Э. З., Цыркин Л. И., и др. Работа водоструйных эжекторов по замкнутой схеме. // Электрические станции. 1988. № 10. 35−37.

45. Ефимочкин Г. И., Шипилев Г., Крохалев Б. М., Дядиченко А. А., Соколов Л. Д., Парамонов Ю. Н. Реконструкция эжекторной установки на турбинах мощностью 800 МВт Пермской ГРЭС. // Электрические станции. 1995. № 10. 15−19.

46. Зингер Н. М. Исследование водовоздушного эжектора. // Теплоэнергетика. 1958. № 8. 26−31.

47. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М.: Машиностроение, — 1975 г., стр. 558.

48. Кафаров В. В. Основы теплопередачи. Изд-во Высшая школа. 1962.

49. Коган П. А., Шамис И. А., Якушин А. Н. Определение оптимальных геометрических характеристик газоструйных аппаратов. // Теплоэнергетика. 1967. № 9. 69−73.

50. Кореннов Б. Е. Рабочий процесс в газожидкостном эжекторе. // Теплоэнергетика. 1977. № 1. 59−65.

51. Кремлевский П. П. Расходомеры. М.-Л., Машгиз, 1963. 656 с. силл.

52. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10 т. Т. VI. Гидродинамика. -3-е изд., перераб. -М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1986. -736 с.

53. Методические указания по испытаниям конденсационных установок паровых турбин: МУ 34−70−010−82. М.: СПО Союзтехэнерго, 1982. Для шайб с критическим перепадом давлений.

54. Методические указания по эксплуатации конденсационных установок паровых турбин электростанций. М.: СПО Союзтехэнерго, 1986.

55. Паротурбинные установки атомных электростанций / Под ред. КосякаЮ.Ф. -М.: Энергия, 1978. -312 с, ил.

56. Правила 28−64. Измерение расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами." Изд. стандартов. Москва. 1964 г.

57. Путилов М. И. Расчет оптимального расстояноня сопла от камеры смешения в струйных аппаратах. // Теплоэнергетика. 1967. № 7. 70−74.

58. Соколов Е. Я. Расчет и построение характеристики пароструйных компрессоров и водоструйных насосов с цилиндрической камерой смешения. //Известия ВТИ. 1948. № 9. 19−25.

59. Соколов Е. Я., Зингер Н. М. Струйные аппаратьг. -2-е изд., -М:. Энергия, 1970. -288 с.

60. Соколов Е. Я., Зингер Н. М. Струйные аппараты. -3-е изд., -М:. Энергоатомиздат, 1989. -352 с.

61. Спиридонов Е. К., Темпов В. К. Характеристики клапанного эжектора. Известия вузов. Энергетика. 1976. № 6. 110−115.

62. Темпов В. К. О влиянии положения сопла на характеристики жидкостного эжектора. Известия вузов. Машиностроение. 1975. № 1. 96−100.

63. Темпов В. К., Спиридонов Е. К. К теории жидкостно-газового эжектора с прерьшистой струей. Швестия вузов. Энергетика. 1979. № 8. 76−79.

64. Темпов В. К., Спиридонов Е. К. Об эжекции прерьшистой струей. Известия вузов. Энергетика. 1976, № 9. 94−98.

65. Теория турбулентных струй. /Абрамович Г. Н., Гиршович Т. Д., Крашенинников СЮ., Секундов А. Н., Смирнова И. П. Изд. 2-е, перераб. и доп./ Под ред. Г. Н. Абрамовича. -М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. — 717 с.

66. Теплотехнический справочник. Изд. 2-е, перераб. Под ред. В. Н. Юренева и П. Д. Лебедева. Т.1. М., Энегрия, 1975. 744 с. с ил.

67. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. Пер. с анг. Данилина B.C., Зейгарника Ю. А. М, Мир, 1972. 440с.

68. Успенский В. А., Кузнецов Ю. М. Струйные вакуумные насосы. М., Мапшностроение, 1973. 144с.

69. Фисенко В. В. Критические двухфазные потоки. М.: Атомиздат, 1978. -156 с.

70. Фисенко В. В., Скакунов Ю. П., Юдин А. В, Колыханов В. Н. О механизме скачка давления в камере смешения струйных аппаратов. // Теплоэнергетика. 1982. № 10. 48−50.

71. Цегельский В. Г., К теории двух фазного струйного аппарата. //Известия вузов. Машиностроение. 1977. № 6. 79−85.

72. Цегельский В. Г., Определение режимов работы жидкостногазового струйного аппарата. //Известия вузов. Машиностроение. 1977. № 5. 60−65.

73. Цегельский В. Г., Применение теорем термодинамики необратимых процессов в определении режима работы двухфазного струйного аппарата. // Известия вузов. Машинострое1ш: е. 1976. № 5. 98−103.

74. Чернухин В. А., Цегельский В. Г., Глубоковский СИ., О расчете жидкостно-газовых струйных аппаратов. Известия в^^ов. Машиностроение. 1976. № 6. 81−86.

75. Чистяков Ф., Радун Д. В. Теплотехнические измерения и приборы. Учебное пособие. Высшая школа., 1972. 392 с, с илл.

76. Щегляев А. В. Паровые турбины. -5-е изд. — М.: Энергия, 1976.

77. Campbell J., Pitcher А., Shock waves in a hquid containing gas bubbles, Proceedings of the Royal Society, Sep. A, Math. And phys. Sciences, No. 1235, vol. 243, 1958.

78. Witte J.H. Efficiency and design of liguid-gas ejectors. — British Chemical Engineering., 1965, vol. 10, pt.9, Sep.

79. Witte J.H. Mixing Shocks in Two — Phase Flow. — Fluid Mech., 1969, voL 36, pt.4. May. I l l.