Введение
Тип насоса, использующего жидкость высокого давления для захвата жидкости более низкого давления.
Инжектор – это система каналов и сопел, предназначенная для направления потока жидкости высокого давления таким образом, чтобы жидкость низкого давления увлекалась в струю и транспортировалась по каналу в область с более высоким давлением. Это гидродинамический насос без движущихся частей, за исключением клапана для регулирования входного потока. В зависимости от применения, инжектор может также быть выполнен в виде струйного насоса-эжектора, водяного эжектора или аспиратора. Эжектор работает по схожим принципам для создания вакуумного соединения, например, в тормозных системах. Рабочей жидкостью может быть жидкость, пар или любой другой газ. Увлекаемая жидкость может быть газом, жидкостью, суспензией или газовым потоком, содержащим пыль.
Инжектор пара
Пароинжектор — распространенное устройство, используемое для подачи воды в паровые котлы, особенно в паровозах. Это типичное применение принципа инжекции, используемого для подачи холодной воды в котел вопреки его собственному давлению, с использованием собственного живого или отработанного пара, заменяя любой механический насос. Когда он был впервые разработан, принцип его работы казался интригующим, поскольку выглядел парадоксальным, почти как вечное движение, но позже был объяснен с помощью термодинамики. Другие типы инжекторов могут использовать другие сжатые рабочие среды, такие как воздух.
Гиффард
Инжектор был изобретен Анри Гиффардом в начале 1850-х годов и запатентован во Франции в 1858 году для применения на паровозах. Он также был запатентован в Соединенном Королевстве компанией Sharp, Stewart and Company из Глазго. После первоначального скептицизма, вызванного непривычным и на первый взгляд парадоксальным принципом действия, инжектор получил широкое распространение на паровозах как альтернатива механическим насосам.
Книасс
Стрикленд Лэндис Книсс был инженером-строителем, экспериментатором и автором, добившимся значительных успехов в области железнодорожного транспорта. Книсс начал публиковать математическую модель физики эжектора, которую он подтвердил экспериментами с паром. Эжектор пара имеет три основных раздела:
Большая часть тепловой энергии в сконденсированном паре возвращается в котел, повышая тепловую эффективность процесса. Поэтому эжекторы обычно имеют общую энергоэффективность более 98%; они также проще, чем насосы подачи с большим количеством движущихся частей.
Подъемные свойства
Другие ключевые характеристики инжектора включают требования к давлению жидкости на входе, то есть, является ли он поднимающим или не поднимающим. В не поднимающем инжекторе требуется положительное давление жидкости на входе, например, подача холодной воды осуществляется самотеком. Минимальный диаметр отверстия парового конуса поддерживается больше, чем минимальный диаметр конуса смешения. Не поднимающий инжектор Nathan 4000, использовавшийся на Southern Pacific 4294, мог перекачивать 12 000 галлонов США (45 000 литров) в час при давлении 250 psi (17 бар). Поднимающий инжектор может работать при отрицательном давлении жидкости на входе, то есть, когда жидкость находится ниже уровня инжектора. Он отличается от не поднимающего типа главным образом относительными размерами сопел.
Переполнение
Для сброса избыточного пара или воды необходимо наличие предохранительного устройства, особенно при запуске. Если инжектор не может сразу преодолеть давление в котле, это устройство позволяет ему продолжать всасывать воду и пар.
Вакуумные выбросы
Дополнительное применение инжекторной технологии – вакуумные эжекторы в системах непрерывного торможения поездов, которые стали обязательными в Великобритании в соответствии с Законом о регулировании железных дорог 1889 года. Вакуумный эжектор использует давление пара для откачки воздуха из вакуумного трубопровода и резервуаров системы непрерывного торможения. Паровозы, имея готовый источник пара, сочли эжекторную технологию идеальной благодаря своей надежности, простоте и отсутствию движущихся частей. Обычно паровоз оснащается двумя эжекторами: большим – для отпускания тормозов в неподвижном состоянии, и малым – для поддержания вакуума и компенсации утечек. Выхлоп из эжекторов неизменно направляется в дымовую коробку, где он помогает дутьевому вентилятору обеспечивать тягу для горения. Малый эжектор иногда заменяют возвратно-поступательным насосом, приводимым в действие от крейцкопфа, поскольку это более экономично с точки зрения расхода пара и требуется только при движении поезда. В современных поездах вакуумные тормоза были заменены пневматическими, которые позволяют использовать тормозные цилиндры меньшего размера и/или обеспечивать более высокую тормозную силу за счет большей разницы давлений по сравнению с атмосферным.
Ранее применение принципа
Эмпирическое применение этого принципа широко использовалось на паровозах до его формального развития в качестве инжектора, в виде устройства, объединяющего взрывную трубу и дымоход в дымовой коробке паровоза. На рисунке справа показано поперечное сечение дымовой коробки, повернутое на 90 градусов; видно, что присутствуют те же компоненты, хотя и под другими названиями, как и на обобщенной схеме инжектора в верхней части статьи. Выхлопной пар из цилиндров направляется через сопло на конце взрывной трубы, чтобы снизить давление внутри дымовой коробки, увлекая дымовые газы из котла, которые затем выбрасываются через дымоход. Это увеличивает тягу в топке пропорционально скорости потребления пара: чем больше пара используется, тем больше тепла выделяется в топке и, соответственно, увеличивается парообразование. Этот эффект был впервые отмечен Ричардом Тревитиком и впоследствии эмпирически разработан ранними инженерами-локомотивостроителями; локомотив «Ракета» Стивенсона использовал его, что во многом объясняет его значительно улучшенную производительность по сравнению с машинами того времени.
Современное использование
Использование инжекторов (или эжекторов) в различных промышленных применениях стало весьма распространенным благодаря их относительной простоте и адаптивности. Например:
Для впрыска химических веществ в барабаны котлов небольших стационарных котлов низкого давления. В больших современных котлах высокого давления использование инжекторов для дозирования химических веществ невозможно из-за их ограниченного давления на выходе. На тепловых электростанциях они используются для удаления шлака из котлов, для удаления уноса из бункеров электростатических осадков, используемых для очистки дымовых газов от уноса, а также для создания вакуума в конденсаторах выхлопа паровых турбин. Реактивные насосы использовались в кипящих ядерных реакторах для циркуляции теплоносителя. Для создания вакуума в системах охлаждения паровыми струями. Для рекуперации энергии расширения в системах кондиционирования и холодильного оборудования. Для интенсификации процессов добычи нефти в нефтегазовой промышленности. Для массовой переработки зерна или других гранулированных или порошкообразных материалов. В строительной отрасли они используются для перекачки мутной воды и шламов. Эжекторы используются на судах для откачки остаточной балластной воды или грузового масла, которое невозможно удалить центробежными насосами из-за потери всасывающей высоты и может повредить центробежный насос при работе всухую, что может быть вызвано креном или дифферентом судна. Эжекторы используются на борту судов для откачки трюмных вод, поскольку использование центробежного насоса нецелесообразно из-за частой потери всасывающей высоты. Некоторые самолеты (в основном ранних моделей) используют эжектор, прикрепленный к фюзеляжу, для создания вакуума для гироскопических приборов, таких как указатель положения (искусственный горизонт). Эжекторы используются в топливных системах самолетов в качестве перекачивающих насосов; поток жидкости от механического насоса, установленного на двигателе, может подаваться в эжектор, установленный на топливном баке, для перекачки топлива из этого бака. Аспираторы – это вакуумные насосы, работающие по тому же принципу, и используются в лабораториях для создания частичного вакуума, а также в медицине для отсасывания слизи или биологических жидкостей. Водные эжекторы используются для дноуглубительных работ и промывки золота, поскольку они хорошо справляются с сильноабразивными смесями. Для создания вакуумной системы в вакуумной дистилляционной установке (на нефтеперерабатывающем заводе). Вакуумные автоклавы используют эжектор для создания вакуума, обычно питаемого от холодной воды, подаваемой в установку. Легкие реактивные насосы можно изготавливать из папье-маше.
Скважинные насосы
Струйные насосы широко используются для подъема воды из скважин. Основной насос, как правило центробежный, приводится в действие и устанавливается на уровне земли. Его напор разделяется: большая часть потока покидает систему, а часть возвращается в струйный насос, установленный под землей в скважине. Эта возвращаемая часть перекачиваемой жидкости используется для питания струи. В струйном насосе высокоэнергетический, маломассовый возвращаемый поток поднимает дополнительный объем воды из скважины, превращаясь в низкоэнергетический, но более мощный поток, который затем направляется к входу основного насоса. Скважинные насосы с прямым подключением характеризуются тем, что струйный узел прикреплен непосредственно к основному насосу и ограничены глубиной примерно 5-8 метров для предотвращения кавитации. Глубинные насосы имеют струйный узел, расположенный на дне скважины. Максимальная глубина для глубинных насосов определяется внутренним диаметром и скоростью потока в струе. Главное преимущество струйных насосов при обустройстве глубоких скважин заключается в возможности размещения всех механических компонентов (например, электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания, вращающихся рабочих колес) на поверхности земли для облегчения обслуживания. Появление электрических погружных насосов частично снизило потребность в струйных скважинных насосах, за исключением скважин с фильтровой обсадной трубой или водозаборов с открытой водой.
Многоступенчатые паровые вакуумные выбросы
На практике, при давлении всасывания ниже 100 мбар абсолютного, используется более одного эжектора, обычно с конденсаторами между ступенями эжекции. Конденсация рабочего пара значительно повышает эффективность эжекторной установки; применяются как барометрические, так и кожухотрубные поверхностные конденсаторы. В работе двухступенчатая система состоит из первичного высоковакуумного (HV) эжектора и вторичного низковакуумного (LV) эжектора. Сначала включается эжектор LV для снижения давления от начального до промежуточного. После достижения этого давления, эжектор HV включается совместно с эжектором LV для окончательного снижения давления до требуемого значения. В работе трехступенчатая система состоит из первичного усилителя, вторичного высоковакуумного (HV) эжектора и третичного низковакуумного (LV) эжектора. Аналогично двухступенчатой системе, сначала включается эжектор LV для снижения давления от начального до промежуточного. После достижения этого давления, эжектор HV включается совместно с эжектором LV для снижения давления до более низкого промежуточного значения. Наконец, включается усилитель (совместно с эжекторами HV и LV) для снижения давления до требуемого значения.
Строительные материалы
Инжекторы или эжекторы изготавливаются из углеродистой стали, нержавеющей стали, латуни, титана, ПТФЭ, углерода и других материалов.