Струйные аппараты используются уже почти два столетия, однако уровень знаний об их функциональных возможностях вряд ли можно назвать достаточным. Поэтому область их применения в настоящее время крайне ограничена.

Струйные аппараты появились в первой четверти XIX века, их родиной принято считать Англию. Своим появлением они обязаны бурному развитию паровых котлов и обслуживающих их вспомогательных систем, а также – поискам технических средств, способных повысить эффективность термодинамического цикла «пар – конденсат».

Первые подобные аппараты – они применялись для воды и водяного пара – создали известные ученые Бернулли, Цейнер и Ренкин. Российские ученые Соколов, Зингер и Темнов разрабатывали струйные аппараты для различных газов и жидкостей, а также сыпучих материалов.

Стоит отметить, что интенсивные теоретические исследования и широкое практическое внедрение струйных аппаратов отмечены в периоды экономических спадов: они позволяют более рационально использовать энергию – и, следовательно, сократить потребление ресурсов.



Эжектор и инжектор

Струйный аппарат, как известно, – устройство для нагнетания или отсасывания жидких, газообразных или сыпучих веществ. Его работа основана на обмене механической энергией двух потоков веществ в процессе их смешения. Поток с более высоким давлением называется рабочим (или потоком рабочей среды), а с низким – пассивным (потоком пассивной среды).

Как правило, конструкция такого агрегата включает в себя сопло, диффузор, приемную и смесительную камеры. Рабочий поток выбрасывается из сопла в приемную камеру с большой скоростью и увлекает за собой пассивную среду. В камере смешения происходит выравнивание скоростей (давлений) потоков сред. Затем смешанный поток направляется в диффузор, где его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию сжатия, под действием которой происходит дальнейшая транспортировка перекачиваемой среды.

Наряду с простотой конструкции, надежностью работы и легкостью обслуживания существенным достоинством струйных аппаратов является отсутствие электрооборудования, а также движущихся и вращающихся узлов и деталей. И хотя коэффициент полезного действия аппаратов не очень высок, явные преимущества перед другими устройствами аналогичного назначения позволяют применять их во многих отраслях техники.

Различают два вида струйных аппаратов: эжекторы и инжекторы.

Эжекторы (дословно переводится как «толкатель») – устройство, в котором кинетическая энергия передается от рабочей среды, движущейся с большей скоростью, к пассивной среде. Передача энергии происходит в процессе смешения сред. Эжекторы широко используются в качестве смесителей – например, в химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Инжектор (дословно – нагнетатель) – устройство для сжатия газов и паров, а также нагнетания жидкости в различные аппараты и резервуары. Инжекторы нашли свое применение в автомобилях, паровозах, локомобилях и небольших котельных установках – для подачи питательной воды в паровой котел.

Основным и принципиальным отличием эжектора от инжектора является способ подвода пассивной среды в устройство. Если в инжектор пассивная среда подается под давлением, то в эжектор пассивная среда поступает за счет возникновения эффекта самовсасывания.

Первые сто лет своего существования струйные аппараты применялись только для повышения эффективности термодинамического цикла «пар – конденсат». Однако по мере развития промышленности диапазон их практического использования стал расширяться. Сейчас струйные аппараты приготавливают пеновоздушные и пеноводяные огнегасящие смеси, удаляют воду, повышают эффективность эксплуатации нефтяных и газовых скважин, транспортируют сыпучие и жидкие среды, подают смазку и топливо в машинах и механизмах и выполняют другие функции.

Тем не менее сферы практического применения струйных аппаратов до сих пор ограничены. Одна из причин – несовершенство и сложность применяемых для расчета устройств методов (непригодных, например, для аномальных сред).



О методике расчета

За кажущейся простотой струйного аппарата стоят результаты довольно сложных физико-математических, гидро(газо)-динамических и других расчетов, а также глубокие знания устройства и опыт эксплуатации вспомогательных систем и механизмов, совместно с которыми будет функционировать аппарат.

Для расчета струйных аппаратов в составе любой технической системы авторами разработана и успешно применяется новая универсальная методика. Универсальность заключается в возможности применения методики для различных сред – как ньютоновских или нормальных (например, вода и газы), так и неньютоновских или аномальных (хладоны и фреоны, нефть и нефтепродукты, пылевидные и сыпучие материалы).

Для расчета струйного аппарата по авторской методике необходимо иметь более двадцати исходных параметров, характеризующих физическое состояние рабочей, пассивной и смешанной сред.

Наряду с геометрическими размерами элементов системы и основных составных узлов струйного аппарата, работающего в ее составе, в методике важны значения скоростей и давлений используемых сред в трубопроводах системы и по всей длине устройства.

Методика предусматривает проверку правильности выполненных расчетов по нескольким критериям. В частности – по работоспособности аппарата, наличию протечек и всасывающего эффекта, значению коэффициента полезного действия и отсутствию развитой кавитации.



Новые области использования

Практическое применение новой методики расчета позволило авторам значительно расширить области использования струйных аппаратов. На сегодняшний день рассчитаны, а затем и внедрены струйные аппараты в топливных системах котлов и двигателей внутреннего сгорания, в системах водяного охлаждения сварочных полуавтоматов, в холодильных машинах, а также в системах газо-дымоудаления в качестве дымовой трубы и т. д.

В этих системах, машинах и устройствах струйные аппараты применяются для различных целей, в частности таких, как:
• улучшение физико-хими-ческих показателей жидких топлив, переход на сжигание более дешевых низкосортных видов нефтяных топлив – и, как следствие, экономия топлива до 10 (и более) процентов, а также сокращение на 20‑25 процентов экологически вредных выбросов в атмосферу (шесть внедрений на практике);
• приготовление качественных топливных смесей и водотопливных эмульсий – в том числе и на основе нефтесодержащих жидкостей, что позволяет устранять сливы опасных жидких отходов и сокращать количество экологически вредных выбросов в окружающую природную среду (3 внедрения на кораблях и 4 – на стационарных объектах);
• снижение в 1,5 раза и более энергетических затрат на работу насосов системы водяного охлаждения и на циркуляцию охлаждающей жидкости (одно внедрение);
• увеличение циркуляции охлаждающей жидкости (хладона, хладагента) в холодильных установках (одно внедрение);
• снижение температуры и многократного разбавления экологически опасных продуктов сгорания, сбрасываемых в атмосферу (одно внедрение).



Заглянем немного вперед…

По мнению авторов, области практического применения струйных аппаратов далеко еще не исчерпаны. Результаты исследований показывают, что наиболее перспективными областями использования струйных аппаратов в ближайшем обозримом будущем, особенно в условиях мирового экономического кризиса, могут стать пожаротушение, орошение, водоотлив (стационарные и переносные системы), вентиляция (вдувная и вытяжная), нефтепереработка и трубопроводный транспорт.

В указанных областях струйный аппарат может быть использован в качестве:
• смесителя-распылителя для получения мелкодисперсных (10‑20 мкм) аэрозолей огнегасящих смесей и жидкостей (проведены натурные испытания);
• распылителя-диспергатора для экономного распыла воды и жидких удобрений в виде мелкодисперсных (10‑20 мкм) аэрозолей в системах орошения сельскохозяйственных земель (проведены натурные испытания);
• приставки к водоотливным насосам для увеличения количества удаляемой воды и снижения на 25‑30 процентов энергозатрат на ее перекачку в системах водоотлива (проведены расчеты);
• приставки к вентиляторам для увеличения производительности стационарных и переносных вентиляторов и одновременного сокращения на 15‑20 процентов энергозатрат на прокачку воздуха в системах вентиляции (проведены расчеты);
• устройства для предварительной обработки сырой нефти перед ректификационными колоннами с целью увеличения на 10 процентов выхода светлых нефтепродуктов и разгрузки нефтеподающих насосов (проведены предварительные расчеты);
• устройства для уменьшения вязкости на 13‑15 процентов транспортируемой в магистральных трубопроводах нефти и нефтепродуктов без их дополнительного подогрева (внедрены на трубопроводах подачи высоковязкого мазута).

Струйный аппарат – это «труба» с соплом и переменными по длине проходными сечениями. Он преобразует энергию – а значит, его работа возможна только в составе системы или совместно с другими устройствами, способными обеспечивать работу аппарата необходимой для его функционирования энергией.

Системообразующим элементом любой реальной технической системы, независимо от ее функционального назначения, как известно, является источник или генератор энергии – каковыми могут быть насосы, компрессоры, вентиляторы или среды, обладающие потенциальной энергией (например, сжатые газы).

Известно, что в реальных системах всегда существует избыточное (то есть превышающее необходимое) количество энергии. В связи с этим практически к любой системе можно органически, без нарушения ее функциональных возможностей, подключить струйный аппарат, работа которого будет производиться за счет избытка энергии. В настоящее время этот избыток энергии не используется и теряется безвозвратно.

Применение струйного аппарата в составе любой технической системы сокращает потери энергии в окружающую среду – что, в свою очередь, способствует увеличению суммарного коэффициента полезного действия всей системы в целом.

Таким образом, использование струйных аппаратов может стать важным шагом на пути реализации программ ресурсосбережения.