سیال محرک اجکتور که می تواند آب، بخار و یا هوا باشد، وارد نازل اجکتور می شود. در بخش همگرای نازل، با کاهش سطح مقطع، سرعت سیال افزایش مییابد. نازل می تواند از نوع همگرا یا همگرا-واگرا باشد. قطر قسمت انتهایی نازل همگرا بگونهای طراحی می شود که با توجه به میزان فشار ورودی سیال و فشار پایین دست آن، سرعت خروجی سیال به بیشترین مقدار ممکن برسد. چنانچه نازل از نوع همگرا-واگرا باشد، سیال پس از گلوگاه وارد قسمت واگرای نازل می شود و چنانچه قبلاً گفته شد، اگر سرعت سیال به سرعت صوت برسد، با افزایش سطح مقطع، سرعت سیال افزایش مییابد. این امر باعث می شود فشار در بخش خروجی نازل به حداقل خود رسیده و ایجاد خلأ نسبی و در نتیجه ایجاد مکش کند.
در بخش محفظه اجکتور، بلافاصله پس از نازل، بخش مکش قرار دارد. سیالی که مورد مکش قرار میگیرد از بخش مکش به سمت اجکتور کشیده شده و با سیال محرک پر سرعت مخلوط می شود. پس از اختلاط سیال محرک با سیال مکش، سرعت سیال مخلوط همچنان بالا میباشد و اگر سیال با همین سرعت بالا از اجکتور خارج گردد، موجب صدمه و آسیب به تجهیزی که بعد از اجکتور قرار گرفته است، می شود. بنابراین به نوعی باید این انرژی سرعتی بالا را به انرژی فشاری تبدیل نمود. این عمل در بخش دیفیوزر اجکتورها انجام می شود.
دیفیوزر اجکتورها به دو صورت طراحی میشوند :
در نوع اول، دیفیوزر تنها دارای یک بخش واگرا میباشد. این نوع دیفیوزرها هنگامی بکار میروند که سرعت سیال اختلاط مادون صوت باشد. بدین ترتیب، سرعت سیال اختلاط هنگام عبور از بخش واگرای دیفیوزر، با افزایش سطح مقطع، کاهش یافته و فشار افزایش مییابد. در خروجی دیفیوزر بیشتر انرژی مخلوط سیال محرک و مکش یافته، بصورت انرژی فشاری میباشد.
در نوع دوم، دیفیوزر دارای سه بخش همگرا، گلوگاه یا بخش سطح مقطع ثابت و واگرا میباشد. این نوع دیفیوزرها هنگامی بکار میروند که سرعت سیال اختلاط (سیال مکش و سیال محرک) ماورای صوت باشد. بدین ترتیب، بدلیل خاصیت سیال ماورای صوت، سرعت سیال اختلاط، هنگام عبور از بخش همگرای دیفیوزر، با کاهش سطح مقطع، کاهش مییابد و انرژی سرعت آن به انرژی فشار تبدیل میگردد. بخش سطح مقطع ثابت دیفیوزر همواره به گونه ای طراحی می شود تا با ایجاد امواج شوک سرعت سیال را کاهش داده و فشار آن بطور ناگهانی افزایش یابد. در نتیجه سیال از حالت ماورای صوت، به مادون صوت میرسد. بدین ترتیب در قسمت واگرای دیفیوزر، با افزایش سطح مقطع، سرعت سیال کاهش یافته و فشار افزایش مییابد. در خروجی دیفیوزر بیشتر انرژی مخلوط سیال محرک و مکش یافته، بصورت انرژی فشاری بوده و در نتیجه از اجکتور خارج و وارد تجهیز بعدی میشوند. مقدار فشار سیال خروجی، بین فشار سیال محرک و فشار سیال مکش یافته میباشد.
شکل ۲-۲ تغییرات سرعت و فشار استاتیک را در طول اجکتور نشان می دهد. سیال اولیه با فشار زیاد (Pp) وارد نازل اولیه که یک نازل همگرا واگرا است می شود، و سپس در این نازل شتاب می گیرد تا در خروجی نازل، جریان به سرعت ما فوق صوت برسد. سیال اولیه در نازل اجکتور، تا فشار (P2)به صورت ایزنتروپیک منبسط می شود و با سیال ثانویه در فشار ثابت و در محفظه اختلاط، مخلوط می گردد. اختلاط تا قبل از ورود به ناحیه قطر ثابت کامل می شود و سیال مخلوط شده با همان فشار (P3 = P2) با سرعت مافوق صوت به ناحیه قطر ثابت وارد می گردد. در این ناحیه بواسطه حضور یک شوک قائم، که اثر تراکمی قوی بر سیال دارد، فشار تا (P5) افزایش می یابد و سیال با سرعت مادون صوت به دیفیوزر وارد شده، تا (Pc) متراکم می گردد.
شکل ۲-۲ نمودار تغییرات سرعت و فشار در طول اجکتور [۲]
۲-۳ ساختار اجکتور
چنانچه قبلاً ذکر شده، اجکتورها بخش متحرکی نداشته و شامل دو قسمت مهم نازل و دیفیوزر میباشند. جهت طراحی اجکتور میبایست سایز نازل سیال محرک، طول دیفیوزر و قطر گلوگاه آن محاسبه گردد. تعیین دقیق این پارامترها با توجه به فشارهای ورودی سیال محرک و سیال مکش یافته، فشار خروجی سیال مخلوط و دبی جرمی سیالها انجام میپذیرد. بطور مثال چنانچه طول دیفیوزر کمتر از مقدار صحیح آن محاسبه شود، در قسمت واگرای دیفیوزر و در نزدیک دیواره، پدیده جدایش ایجاد می شود. وجود پدیده جدایش که جدا شدن سیال از بدنه اجکتور میباشد، سبب می شود، مقدار کمتری از سیال مکش یافته، مکش شود و در نتیجه اجکتور، ظرفیتی کمتر از حالت عادی خود خواهد داشت.
از آنجا که عملکرد یک اجکتور به فاکتورهایی چون سطح مقطع نازل سیال محرک و گلوگاه ونتوری، فشار سیال محرک، فشار مکش، فشار خروجی، نسبت گرماهای ویژه، وزنهای مولکولی و دمای سیال مکش یافته و سیال محرک بستگی دارد، لذا برای تعیین سایز اجکتور از نمودارها و شکلهایی استفاده می شود که با توجه به فشار مکش یا در واقع خلأ مورد نیاز، فشار خروجی و فشار سیال محرک، مقدار بهینه نسبت سطح مقطع دیفیوزر و نازل را جهت طراحی اولیه میدهد. یک نمونه از این نمودارها در شکل ۲-۳ مشاهده می شود.
شکل ۲-۳ منحنیهای طراحی برای اجکتورهای تکمرحله ای [۳]
۲-۳-۱ تعیین نسبت سطح مقطع گلوگاه دیفیوزر به گلوگاه نازل
شکل ۲-۳، برای تعیین نسبت سطح مقطع دیفیوزر و نازل اجکتور، تا نسبتهای تراکم ۱۰ و تا نسبت سطوح ۱۰۰ بکار میرود. برای مثال فرض میکنیم میخواهیم هوایی با فشار ۹۴/۲ را با بخاری که دارای فشار ۱۰۰ است، بوسیله یک اجکتور تخلیه کنیم طوریکه در نهایت فشار خروجی به ۷/۱۴ برسد. بدین ترتیب۵/۰Po3/Pob= (نسبت فشار سیال خروجی به فشار مکش یا همان نسبت تراکم) و۰۲۹۴/۰Pob/Poz= (نسبت فشار سیال مکش یافته به فشار سیال محرک) میباشد. از تقاطع این دو نقطه بر روی نمودار، مقدار بهینه نسبت سطحها، بین منحنیهای ۱۰ و ۱۵ بدست می آید که میتوان مقدار تقریبی ۱۲ را برای آن ذکر کرد. بصورت افقی حرکت کرده تا به منحنی ۱۲ در سمت چپ شکل برسیم. با تقاطع این نقطه و محور افقی، مقدار بصورت تقریبی ۱۵/۰ بدست می آید. بدین معنا که هر بخار قادر است ، ۱۵/۰ هوای مکش یافته را مکش نماید.
(Entrainment Ratio) یکی از پارامترهای مهم اجکتور بوده و بصورت نسبت دبی سیال مکش شده به دبی سیال محرک تعریف می شود. در واقع بهترین اجکتور، اجکتوریست که با توجه به نوع سیالهای مورد استفاده و شرایط ترمودینامیکی آنها ، بیشترین مقدار ر ایجاد کند و هدف اصلی در طراحی بهینه اجکتور، ماکزیمم کردن این مقدار به ازای ثابت ماندن سایر شرایط است.
البته عدد حاصل با فرض اینکه نسبت وزن مولکولی سیال محرک و مکش یافته برابر یک بوده و دمای این دو سیال نیز برابر باشد، بدست آمده است. لذا با بهره گرفتن از فرمول زیر، عدد بدست آمده را میبایست تصحیح نمود.
۲-۳ |
که در اینجا:
: وزن مولکولی سیال مکش یافته
: وزن مولکولی سیال محرک
: دمای سیال مکش یافته
: دمای سیال محرک
: دبی جرمی سیال مکش یافته
: دبی جرمی سیال محرک
۲-۴ انواع اجکتورها
۲-۴-۱ انواع اجکتورها از نظر سیال محرک
اجکتورها بر اساس اینکه در آنها از چه سیالی بعنوان سیال محرک، استفاده می شود، به سه دسته تقسیم میشوند:
۱- اجکتورهای بخار ۲- اجکتورهای آب یا سایر مایعات فرایندی ۳- اجکتورهای هوا
عموماً برای کاربردهایی که نیاز به خلأهای بالا میباشد و یا میزان بار ورودی به اجکتور زیاد است، از اجکتورهای بخار استفاده می شود. ترموکمپرسور، هیتر، دی سوپرهیتر و سیفونها از جمله اجکتورهای بخار میباشند. در کاربردهایی که مواد خورنده وجود ندارند جنس این اجکتورها از فولاد ضد زنگ، فولاد کربن و یا چدن است. اما در مواردی که نیاز است اجکتور در مقابل مواد خورنده مقاوم باشد، از آلیاژهای مونل، هسنلوی،PVDF ،PTFE ، گرافیت و غیره در ساختار اجکتور استفاده می شود.
اجکتورهای هوا برای ایجاد خلأهای پایین مورد استفاده قرار میگیرند و از آنجا که سیال محرک مورد استفاده در آنها هوا میباشد، لذا بیشتر در مواردی کاربرد دارند که نیاز به تهویه و یا تزریق هوا یا اکسیژن به یک محیط بسته موردنظر است.
برای ایجاد خلأهای پایین و در کاربردهایی که نیاز است، ذرات آلودگی موجود در بخارات و یا گازها قبل از ورود به اتمسفر، حذف شوند، از اجکتورهای آب و مایعات فرایندی استفاده می شود. اجکتور کندانسور، گاس اسکرابر و ادکتور از جمله این نوع اجکتورها میباشند. این نوع اجکتورها معمولاً در ترکیب با یک پمپ جهت سیرکولاسیون آب با یا مایع فرایندی اجکتور به کار میروند.
۲-۴-۲ انواع اجکتور از نظر کاربرد
۲-۴-۲-۱ ایجاد خلأ
فرایندهایی چون تقطیر و تبخیر که میتوانند تحت خلأ انجام شوند دارای کاربردهای زیادی در صنعت میباشند. زمانیکه سیال فرایندی حاوی هیدرکربنهای سنگین باشد، نقطه جوش ترکیب نسبتاً بالا میرود و لذا انرژی بیشتری برای تقطیر آن مورد نیاز می شود. از طرف دیگر، مقاومت مواد هیدروکربنی در مقابل حرارتهای زیاد، کم بوده و مورد تجزیه شدن قرار میگیرند. برای رفع این مشکل فرایند تقطیر، در فشار خلأ نسبی انجام می شود. در این صورت مواد در دمایی پایینتر از نقطه جوش معمولی خود به جوش آمده و علاوه بر اینکه به انرژی و دمای کمتر نیاز است، مولکولها نیز تجزیه نمیشوند. تبخیر تحت خلأ نیز دقیقاً مزایای تقطیر خلأ را دارد. بدین ترتیب که برای تغلیظ خوراکهایی که مواد موجود در آنها نسبت به دمای بالا حساس هستند، عمل تبخیر در خلأ انجام میگیرد، تا مواد در دمایی پایینتر از نقطه جوش معمولی، به جوش آیند.
از جمله مهمترین کاربردهای اجکتور برای ایجاد خلأ میتوان به ایجاد خلأ در برج خلأ واحد تقطیر پالایشگاه نفت اشاره نمود.