Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Область применения дисковых машин и аппаратов в химической технологии 9
1.1 Анализ мешалок, применяемых для перемешивания вязких жидкостей 9
1.2 Анализ насосов, применяемых для перекачивания вязких жидкостей 21
1.3 Другие дисковые машины и аппараты 37
Глава 2 Теоретические исследования течения жидкости в дисковых машинах и аппаратах 41
2.1 Исходная система уравнений 41
2.2 Течение вблизи равномерно вращающегося плоского диска 43
2.3 Течение вблизи неподвижной плоской стенки при вращении жидкости в бесконечности 46
2.4 Течение в зазоре между коаксиальными дисками 49
2.5 Течение около диска, вращающегося в кожухе 52
2.6 Решение уравнений Навье-Стокса методом конечных элементов 56
2.7 Модель течения жидкости в дисковой мешалке 57
2.8 Модель течения жидкости в дисковом насосе 64
2.9 Приведение уравнений Навье-Стокса к безразмерному виду 71
Глава 3 Экспериментальные исследования дисковых машин и аппаратов 74
3.1 Основные характеристики мешалок 74
3.2 Экспериментальная установка мешалки и методика проведения эксперимента 77
3.3 Результаты испытаний дисковой мешалки 78
3.4 Основные параметры насосов 80
3.5 Экспериментальная установка насоса и методика проведения эксперимента 83
3. 6 Результаты испытаний дисковых насосов 88
3.6.1 Исследование влияния числа оборотов на подачу насоса 88
3.6.2 Исследование влияния числа дисков на характеристику насоса 89
3.6.3 Испытания двухдискового насоса с диаметром дисков 132 мм на воде 91
3.6.4 Исследование влияния свойств рабочей жидкости на характеристику насоса 93
3.6.5 Исследование влияния междискового зазора на характеристику насоса 98
3.6.6 Исследование движения твердых частиц через дисковый насос 99
Глава 4 Методика расчета характеристики и разработка новых конструкций дискового насоса 102
4.1 Сопоставление расчетной и экспериментальной характеристики дискового насоса 102
4.2 Методика расчета дисковых насосов 110
4.3 Дисковые насосы с минимальным возмущением потока жидкости 112
4.4 Дисковые насосы с гофрированными дисками 115
4.5 Дисковые насосы с модифицированными дисками 119
4.6 Дисковые насосы для подачи жидкости с крупными включениями 131
Основные результаты и выводы по работе 140
Основные условные обозначения 141
Список использованных источников 142
Приложения 152
Приложение 1 153
Приложение 2 155
Приложение 3 157
- Анализ насосов, применяемых для перекачивания вязких жидкостей
- Основные характеристики мешалок
- Исследование движения твердых частиц через дисковый насос
- Дисковые насосы с гофрированными дисками
Анализ насосов, применяемых для перекачивания вязких жидкостей
Необходимость осуществления операции перекачивания вязких жидкостей возникает в химической, нефтяной, пищевой промышленности и в коммунальном хозяйстве для перекачивания, напорного транспортирования, объемного дозирования и др.
Главной задачей при этом является выбор типа насоса, который мог бы обеспечить работоспособность насосной установки на планируемой жидкости. Целесообразность применения того или иного типа насоса для перекачивания вязких жидкостей определяется в первую очередь технико-экономическими соображениями.
Рассмотрим вначале основные типы гидравлических машин. Приведенная ниже классификация дана в [13]. Класс гидравлических машин включает в себя гидравлические двигатели, насосы и гидропередачи.
Из всего многообразия гидравлических машин нас будут интересовать насосы. Насосами называют машины, предназначенные для перемещения жидкостей и сообщения им энергии. Работающий насос превращает механическую энергию, подводимую к валу от двигателя, в потенциальную и кинетическую энергию потока жидкости или газа.
Схема на рисунке 1.13 дает представление о классификации гидравлических машин по энергетическому и конструктивному признакам.
На схеме (рисунок 1.14) приведена классификация насосов по свойствам перемещаемой ими жидкости и по основным параметрам. Основными параметрами каждого насоса являются его производительность (расход) и давление (напор). Насосы принято подразделять на группы по величине этих параметров.
Схема на рисунке 1.14 показывает, что каждому типу насосов соответствует определенная область производительности и давления. Так, например, насосы вытеснения (поршневые и ротационные) применяются пример, насосы вытеснения (поршневые и ротационные) применяются при высоком давлении и относительно низкой производительности. Это объясняется принципом действия насосов вытеснения, позволяющих получать малую производительность даже при весьма высоком давлении. Этого нельзя сказать об осевых насосах, специально приспособленных для подачи больших количеств жидкости при низких давлениях.
Используя величины производительностей и напоров выполненных конструкций насосов и нанося их в координатной системе Q-H, можно получить график областей применения различных типов насосов. Такой график для водяных насосов представлен в логарифмической координатной сетке на рисунке 1.15.
Так как в дальнейшем мы будем внимательно рассматривать результаты исследований дисковых насосов, познакомимся вкратце с основными существующими типами насосов.
Рассмотрим целесообразную область применения насосов различного типа при перекачивании вязких жидкостей.
Осевые насосы предназначаются главным образом для подачи больших объемов жидкостей. Их работа обусловлена передачей той энергии, которую получает жидкость при силовом воздействии на нее лобовой поверхности вращающихся лопастей рабочего колеса (рисунок 1.16). Частицы подаваемой жидкости при этом имеют криволинейные траектории, но, пройдя через выправляющий аппарат, начинают перемещаться от входа в насос до выхода из него, в основном вдоль его оси.
Существуют две основные разновидности осевых насосов: жестко-лопастные с лопастями, закрепленными неподвижно на втулке рабочего колеса, называемые пропеллерными, и поворотно-лопастные, оборудованные механизмом для изменения угла наклона лопастей.
Изменением наклона лопастей рабочего колеса достигается регулирование подачи с поддержанием КПД на высоком уровне в широких пределах. Рабочие колеса осевого насоса имеют очень высокий коэффициент быстроходности (ns от 500 до 1500 об/мин). При малых подачах характеристики Н - Q и N - Q круто снижаются. Максимальные значения Н и N соответствуют режиму холостого хода.
Вихревые насосы обладают хорошей способностью самовсасывания, т.е. возможностью начинать действие без предварительного заполнения всасывающей трубы подаваемой средой, если она имеется в корпусе насоса. Благодаря этому они применяются для подачи легкоиспаряющихся или насыщенных газами капельных жидкостей и в комбинации с центробежными насосами.
Существуют две разновидности вихревых насосов: закрытого и открытого типа. В вихревом аппарате закрытого типа (рисунок 1.17) частицы жидкости из ячеек, расположенных по периферии рабочего колеса, под влиянием центробежных сил будут переходить в канал корпуса насоса и затем, передав часть своей кинетической энергии находящейся там среде, возвратятся в другие ячейки. Совершая винтообразное вихревое перемещение, каждая частица за время ее нахождения в насосе несколько раз побывает в ячейках ротора и получит от него определенную энергию.
В результате такого многоступенчатого действия вихревые насосы развивают большой напор, но работают с низким КПД.
Поршневые насосы отличаются большим разнообразием конструкций и широтой применения. Действие поршневых насосов состоит из чередующихся процессов всасывания и нагнетания, которые осуществляются в цилиндре насоса при соответствующем направлении движения рабочего органа - поршня или плунжера. Эти процессы происходят в одном и том же объеме, но в различные моменты времени. По способу сообщения рабочему органу поступательно-возвратного движения насосы разделяются на приводные и прямодействующие. Чтобы соединять рабочий объем то со стороны всасывания, то со стороны нагнетания, в насосе предусмотрены всасывающий и нагнетательный клапаны.
Поршневые насосы классифицируют на горизонтальные и вертикальные, одинарного и многократного действия, одно- и многоцилиндровые, а также по быстроходности, роду подаваемой жидкости и другим признакам.
Поршневые насосы хорошо приспособлены для работы на вязких жидкостях [14, 15J. Их достоинствами являются:
возможность перекачивания жидкости практически любой вязкости;
слабая зависимость давления и мощности от вязкости;
способность создавать высокие давления;
высокие антикавитационные свойства;
относительно низкие требования к чистоте перекачиваемой жидкости.
Вместе с тем, поршневым насосам свойственны и серьезные недостатки. Они имеют сложную конструкцию, отличаются тихоходностью, а, следовательно, и большими габаритами, а также массой на единицу совершаемой работы. С увеличением вязкости жидкости наблюдается заметное снижение КПД, главным образом, из-за повышения потерь напора в клапанах.
Роторные насосы получили распространений главным образом для осуществления небольших подач жидкости. По особенностям конструкции рабочих органов роторные насосы можно подразделить на роторные (в том числе шестеренные), винтовые, шиберные, коловратные, аксиально- и радиально-поршневые, лабиринтные и другие.
Роторные насосы отличаются отсутствием всасывающего и нагнетального клапанов, что является их большим преимуществом и упрощает конструкцию.
Наиболее распространенными из них являются шестеренные. Шестеренный насос с внешним зацеплением двух шестерен (рисунок 1.18) всасывает жидкость при выходе зубьев одного колеса из впадин другого и нагнетает ее при входе зубьев одной шестерни в зацепление с другой. Шестеренные насосы используют для подачи нефтепродуктов и других жидкостей без абразивных примесей.
Основные характеристики мешалок
Степень перемешивания
Под степенью перемешивания в общем случае следует понимать взаимное распределение двух или большего количества веществ после совершенного перемешивания всей системы. Степень перемешивания является, таким образом, своего рода показателем эффективности перемешивания, а также может быть использована для оценки интенсивности перемешивания.
Интенсивность перемешивания
Понятие ин генсивности перемешивания, употребляемое довольно часто, не имеет точного определения. Обычно интенсивность перемешивания определяется с помощью следующих величин:
1) число оборотов мешалки п;
2) окружная скорость конца лопастей мешалки v;
3) критерий Рейнольдса для процессов перемешивания (центробежный критерий Рейнольдца) Reu = (где d - диаметр мешалки; р - плотность жидкости; i - динамический коэффициент вязкости);
4) расходуемая на перемешивание мощность N, приведенная к единице объема V перемешиваемой жидкости (N/V) или к единице массы перемешиваемой жидкости (N/Vp)
Каждая из перечисленных выше величин является соответствующей мерой интенсивности перемешивания для конкретного аппарата с мешалкой, работающего на конкретной системе (данной жидкости). Известно, например, что при п2 Пі интенсивность перемешивания при п2 будет выше, чем при Пі Аналогичный вывод можно сделать, если u2 lii, Re2 Rej и т.д.
Так, например, равномерное распределение твердой фазы в жидкой при получении суспензии достигается при некотором числе оборотов мешалки По, при котором значение осевой составляющей скорости потока равно или более скорости осаждения щ, наиболее крупных твердых частиц. Поэтому при получении взвесей твердых частиц в жидкостях эффективность перемешивания можно оценивать по некоторому определенному числу оборотов По мешалки.
Дело усложняется при сравнении интенсивности перемешивания в двух различных аппаратах. В таких случаях ни одна из перечисленных выше величин не является достаточно надежным критерием для сравнения интенсивности перемешивания.
Относительно более точно об интенсивности перемешивания позволяют судить значения N/V и N/Vp, но и они не являются универсальным критерием интенсивности перемешивания. Осложняющим здесь является тот факт, что энергия в объеме рассеивается неравномерно, а эта неравномерность для разных аппаратов с мешалками различна.
Нахождение универсального критерия интенсивности перемешивания является одной из наиболее трудных проблем техники перемешивания, которая не решена до сегодняшнего дня, несмотря на многие исследования, которые ведутся в этом направлении [64, 65, 66]. Отсутствие такого критерия не дает возможности описать универсальными уравнениями такие процессы, как теплоотдача, массоотдача и т. д. Приходится удовлетворяться уравнениями для отдельных типов аппаратов и технологических процессов.
Мощность
Мощность перемешивания была найдена экспериментально многими исследователями на протяжении последних нескольких десятков лет. Для некоторых типов мешалок такие исследования проводятся до настоящего времени, и это понятно, поскольку постоянно продолжается усовершенствование конструкций мешалок, а каждое изменение геометрических параметров мешалки может повлечь за собой изменение мощности, расходуемой на перемешивание, что, в свою очередь, требует дополнительных исследований.
Большинство исследований мощности, расходуемой на перемешивание, было выполнено на системах с постоянными геометрическими параметрами, однако в последнее время появляется все больше работ, касающихся влияния геометрических параметров аппарата с мешалкой на мощность N. Важнейшими из этих параметров являются диаметр сосуда аппарата D, высота жидкости в сосуде Н, отдаленность (расстояние) мешалки от дна сосуда h, шаг винта пропеллерной мешалки S, длина лопасти мешалки а, ширина лопасти мешалки б, ширина отражательной перегородки в сосуде В, число лопастей мешалки Z и число отражательных перегородок в сосуде J.
Влияние указанных выше геометрических параметров на мощность, расходуемую на перемешивание, может быть учтено в виде поправок. Одновременное влияние нескольких геометрических параметров может быть выражено в уравнениях в виде произведения соответствующих поправок. В случае аппарата с мешалкой, для которого все или некоторые размеры являются такими же, как у модельного, соответствующие поправки (все или некоторые) принимают значения, равные единице.
К сожалению, не во всех случаях исследователям удалось обобщить экспериментальный материал в таком виде. Иногда одна общая поправка учитывает совместное влияние нескольких параметров. В качестве примера можно привести влияние диаметра сосуда на мощность N при одновременном изменении ширины отражательных перегородок. Иногда эти поправки выражаются более сложной, чем степенная, функцией.
Что касается дисковых мешалок, то Батес, Фонда и Копштейн [67] проводили исследования мощности таких мешалок. Авторы нашли для этих мешалок и для Re = 10 следующие значения критерия мощности: Ей - 0,1 для плоского диска (рисунок 1.11, а); Ей - 0,5 для модифицированного диска (рисунок 1.11, б) и Ей = 0,5 для модифицированной турбинки (рисунок 1.11, в).
Исследование движения твердых частиц через дисковый насос
При исследовании движения жидкости, содержащей крупные частицы, была использована установка, изображенная на рисунок 3.4, которую несколько модифицировали. Для этого был демонтирован счетчик жидкости и вместо него установлена стеклянная труба. Необходимость такой замены связана с тем, что конструкция счетчика не допускает прохождения через него крупных включений.
Исследования проводились на дисковом насосе с двумя дисками при следующих параметрах: наружный диаметр диска 132 мм, расстояние между дисками 11 мм. Рабочие жидкости содержали включения цилиндрической формы диаметром 6 ± 0,5 мм и длиной до 40 мм (полимер плотностью р= 1500-1600 кг/м3).
Использовалась следующая методика проведения эксперимента:
1. Испытуемый дисковый насос подключался к электроприводу, всасывающему и нагнетательному участкам трубопровода.
2. Система заполнялась жидкостью и проверялась герметичность уплотнений насоса и фланцевых соединений трубопровода.
3. В рабочую жидкость добавлялась одна частица. Осуществлялся пуск электромотора.
4. Отслеживался интервал времени в течение, которого эта частица появлялась в стеклянной трубе.
6. П. 4 повторялся 6-г8 раз.
Равенство интервалов времени появления частицы свидетельствует о свободном прохождении частица в насосе. В противном случае - частица испытывает затруднения при прохождении.
Экспериментально было установлено, что наиболее оптимальной является длина частиц не более 22-24 мм, поскольку расхождение интервалов времени в этом случае было минимальным. В нашей конструкции насоса эта величина длины частицы соответствует удвоенному междисковому зазору (расстоянию между дисками).
Визуальный осмотр частиц, после многократного прохождения последних чере насос, показал, что поверхность включений не содержит сильных повреждений (царапин, смятий и т.п.).
Дисковые насосы с гофрированными дисками
Одним из конструктивных решений для повышения производительности дисковых насосов является замена плоских дисков гофрированными. Рассмотрим наиболее типичные примеры.
В малошумных высокопроизводительных тепло-массообменных аппаратах в системах кондиционирования воздуха для повышения производительности насоса осуществляется встречная перекачка.
Дисковый насос (рисунок 4.9) содержит корпус 1, размещенный в нем ротор 2 в виде пакета дисков 3, закрепленных на валу 4 с равными зазорами 5 между собой, и разделительные перегородки б, 7, разделяющие области 8, 9 всасываний и нагнетания [81]. Корпус / выполнен в виде сквозного канала прямоугольного поперечного сечения, при этом разделительные перегородки б, 7 установлены по обе стороны ротора 2 с образованием областей 8, 9 всасывания и нагнетания с каждой стороны ротора. Диски 3 выполнены гофрированными (рисунок 4.10).
Насос работает следующим образом. При вращении ротора 2 в направлении, указанном стрелкой на рисунке 4.9, перекачиваемая среда вследствие вязкостного трения в пограничных слоях у поверхностей вращающихся дисков 3 приобретает тангенциальную составляющую скорости и одновременно за счет центробежного ускорения - радиальную, что обуславливает вынос частиц от оси к периферии дисков и, как результат, положительные радиальные градиенты давления в зазорах 5 между дисками (вблизи оси ротора давление ниже, чем у периферийной части дисков). В зауженных учасіках каналов течения, образованных ротором 2 и стенками корпуса 1, возникают дополнительные градиенты давления за счет преобразования кинетической энергии потока частиц в давление в результате торможения радиальной составляющей скорости, что вызывает перетекание среды в области 9 нагнетания, ограниченные разделительными перегородками 6,7 у кромок которых, расположенных вблизи ротора, аналогичным образом устанавливаются градиенты давления, вызывающие перетекание среды в области нагнетания. Одновременно в областях 8 всасывания возникают потоки, компенсирующие потери массы среды, выброшенной в области нагнетания, реализующиеся из условий неразрывности течений и наличия положительных градиентов давления в зазорах 5 между дисками 3 ротора 2. Таким образом в насосе осуществляются встречные течения перекачиваемой среды, которая в процессе передачи энергии движения от рабочих поверхностей вращающихся дисков 3 ротора 2 претерпевает незначительные изменения по направлениям потоков в полости корпуса, что обеспечивает низкий уровень гидравлических сопротивлений каналов течения и, как следствие, повышение суммарной производительности в обоих направлениях.
Для повышения КПД насоса путем уменьшения потерь на трение предлагается следующая конструкция.
Дисковый насос (рисунок 4.11) содержит установленный в корпусе 1 с зазором 2 относительно его стенок 3 гофрированный диск 4 [77]. Диск 4 выполнен гибким, а гофры - с синусоидальным профилем в радиальном и окружном направлениях. Гофры имеют впадины 5 и выпуклости 6.
Привод насоса снабжен устройством, позволяющим синхронизировать число оборотов диска с количеством гофр. На рисунке 4.11 это устройство изображено в виде блока синхронизации 7, который может быть выполнен в виде тиристорного преобразователя на линии подачи электропитания к электродвигателю 8, который снабжен регулятором числа оборотов, контролируемых датчиком 9. Насос снабжен датчиками расхода 10 и давления 11. Синхронизация оборотов диска с количеством гофр может обеспечиваться при изготовлении насоса подбором числа оборотов привода или установкой между валом двигателя и валом насоса соответствующей передачи.
Насос работает следующим образом. При подаче напряжения на электродвигатель 8 диск 4 приводится во вращение. Диск 4 приводит в движение находящуюся в зазорах 2 между диском 4 и стенками 3 корпуса / жидкость. Чередующиеся впадины 5 и выпуклости 6 заставляют жидкость колебаться, а силы трения между поверхностью диска 4 и жидкостью - вращаться. Частота колебаний в слоях жидкости между диском 4 и стенками 3 корпуса / пропорциональна числу оборотов привода и количеству гофр. В то же время эти слои жидкости имеют собственную частоту колебаний, определяемую геометрией слоев и вязкостью жидкости, что позволяет, изменяя число оборотов электродвигателя 8, получить в зазорах 2 между диском 4 и стенками 3 волновое движение жидкости от центра к периферии. Измеряя датчиками 10 и 11 соответственно расход и давление жидкости в линии нагнетания, настраивают число оборотов электродвигателя 8 с помощью блока 7 с тиристорным преобразователем таким образом, чтобы получить минимальные энергозатраты на прокачку жидкости в контуре установки. При этом образующиеся в зазорах волны жидкости направлены от центра к периферии. За счет гибкости диска 4 и его синусоидального профиля в окружном направлении (рисунок 4.12, б) ламинарное движение в зазорах между диском 4 и стенками корпуса / сохраняется до достаточно высоких оборотов, при этом движущийся диск 4 оказывает минимальное механическое воздействие на компоненты перекачиваемой среды.
При вращении диска 4 выпуклости б диска вызывают в соответствующем слое жидкости волну повышения давления, которая распространяется вперед по ходу движения выпуклости 6 перед всем ее фронтом. В связи с тем, что гофры выполнены с образованием синусоидального профиля, как в окружном, так и в радиальном направлениях конфигурация выпуклостей имеет форму спиралей. За счет этого волна повышения давления в жидкости движется от центра к периферии, повышая величину напора, создаваемого за счет вращения жидкости в зазорах 2 силами трения.
Таким образом, доля энергии, передаваемой от вращающегося диска 4 жидкости силами трения, в насосе уменьшается. Насос за счет установки оборотов электродвигателя 8 в резонансную частоту сохраняет ламинарный характер движения жидкости в зазорах 2 до высоких чисел оборотов, что позволяет снизить потери на внутреннее трение в жидкости и тем самым уменьшить затраты энергии на перемещение жидкости. В то же время насос обеспечивает необходимый напор при небольшом механическом воздействии на перекачиваемую жидкость, что позволяет использовать его в случаях, когда компоненты перекачиваемой среды не допускают повышенных нагрузок.
