Совершенствование конструкций и обеспечение заданных эксплуатационных характеристик машин и аппаратов с вращающимися дисками

Создание новых технологий в химической, нефтехимической, пищевой и других ограслях промышленности требует расширения номенклатуры и увеличения объемов жидкостей, в том числе высокой вязкости, которые необходимо фанспортировать, перемешивать или разделять. Перемешивание может осуществляться в трубопроводе, через который протекает жидкость, в перекачивающем насосе, а также в аппаратах с мешалками, предназначенных специально для этой цели. Наиболее пригодными для таких жидкостей оказываются некоторые разновидности дисковых машин и аппаратов до недавнего времени считавшиеся малоперспективными.

Энергия в дисковых машинах и аппаратах передается жидкости в непосредственной близости от диска в результате трения диска о жидкость. Ввиду больших окружных скоростей вокруг диска возникают большие градиенты скоростей, что приводит к возникновению высоких напряжений сдвига.

Известен ряд отечественных и зарубежных патентов на конструкции дисковых машин и аппаратов, однако их широкому распространению мешает отсутствие методик расчета основных характеристик.

В частности, дисковые насосы имеют ряд важных характерных особенностей, делающих их применение в данных случаях целесообразным и предпочтительным:

• ламинарный поток обеспечивает сохранность требующих бережного обращения продуктов;

• дисковый насос перекачивает, не засоряясь, вязкие и имеющие включения из твердых частиц жидкости;

• дисковый насос имеет больший кавитационный запас, чем центробежный при тех же условиях;

• дисковый насос при перекачивании использует трение, и, чем выше вязкость жидкости, тем эффективней он работает;

• дисковый насос справляется с перекачкой суспензий, содержащих большой процент плотных частиц, не засоряясь при этом и не останавливаясь;

• диски в насосе могут располагаться с большим зазором, что позволяв им справляться с перекачкой жидкостей с твердыми частицами;

• дисковый насос имеет минимальные затраты на обслуживание и ремонт по сравнению со всеми другими конструкциями насосов.

Новые требования ставят перед разработчиком сложные задачи. Большой диапазон вязкости, теплопроводности и других свойств, особенно для неньютоновских жидкостей практически исключает возможность проведения параметрических исследований и испытаний на безотказность и долговечность непосредственно изготовителями на испытательно-диагностических стендах. Все это, даже отработка конструкции проводится на воде. И в редких случаях испытываются небольшие насосы с применением глицерина или этиленгликоля, в основном только для изучения влияния вязкости на параметры насоса. Но имитировать перекачиваемые жидкости и реальные условия транспортирования практически невозможно ни технически, ни экономически. Поэтому, как правило, принимаются технические решения на основании накопленного опыта, связанные с неизбежным риском. Затем эти решения по возможности проверяются при работе насоса на конкретном продукте и в реальных условиях. Получить при этом информацию можно только в случае отказов или непригодности насоса по условиям эксплуатации.

Решению проблем, связанных с перекачиванием вязких жидкостей, посвящены экспериментальные и теоретические исследования, отраженные в работах многих ученых: М. Д. Айзенштейна, Н. Н. Арефьева, П.К. Бе-ломестнова, A.M. Грабовского, К. Ф. Иванова, В. А. Кутыркина, А. А. Левина, Н. В. Лукина, В. И. Миссюры, В. И Рудницкого, М. Х. Садекова, Г. И. Сизова, Л. Я. Суханова, O. I I. Цабиева, И. А. Чиняева, С. В. Щавлева, Г. Шенкеля, А. А. Шеянова, B.C. Щурова и других авторов.

В их трудах разработаны фундаментальные положения рассматриваемого вопроса, предложены конструктивные методы, направленные на решение отмеченных проблем. Но предлагаемые варианты решения можно считать лишь предпочти 1ельным, и проблема создания экономичного универсального насоса для перекачивания вязких жидкостей, содержащих твердые включения, является актуальной.

В связи с эгим предлагаются возможные варианты решения указанной проблемы — дисковые насосы, имеющие возможность варьировать ширину междискового зазора, позволяющие перекачивать вязкие жидкости, содержащие твердые включения.

Цель работы:

Разработка методов расчета и новых конструкций дисковых машин и аппаратов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

— теоретически исследовать течение жидкости в дисковых машинах и аппаратах;

— разработать математическую модель течения жидкости в дисковых машинах и аппаратах;

— предложить методику расчета дисковых машин;

— исследовав влияние числа оборотов приводного вала, вязкости жидкости, диаметра, числа дисков и величины междискового зазора на характеристики дисковых машин;

— экспериментально получить распределение скорости жидкости в аппарате с дисковой мешалкой;

— исследовать возможности перекачивания жидкости, содержащей твердые включения, дисковым насосом.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— теоретически исследован ламинарный режим течения ньютоновской жидкости в зазорах между вращающимися дисками, вращающимся и неподвижным диском и получены решения для определения скорости жидкости в зависимости от величины зазора;

— предложена математическая модель течения жидкости в дисковых машинах и аппаратах;

— получены экспериментальные характеристики дисковых машин (рабочая жидкость — вода, глицерин), а также исследована возможность перекачивания жидкостей, содержащих твердые включения.

Практическая ценность работы:

— на основе разработанной математической модели предложена методика расчета характеристики «напор-расход» дискового насоса;

— сформулированы рекомендации по проектированию дисковых аппаратов и насосов для перекачивания жидкостей, содержащих твердые включения;

— разработаны новые конструкции дисковых насосов, защищенные патентами РФ № 2 285 153, 2 285 154, которые позволяют обеспечить перекачивание жидкостей, содержащих твердые включения;

— по техническому заданию ОАО «Сигнал» (г. Тамбов) спроектирован, изготовлен и прошел апробацию дисковый насос для перекачивания биомассы в установке по производству биогаза.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований, проведенных в работе, докладывались и обсуждались на VII международной конференции «Теоретические и экспериментальные основы создания нового оборудования» (Иваново, 2005), Международной научно-пракгической конференции «Достижения ученых XXI века» (Тамбов, 2005).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Она содержит 141 страницу текста, 102 рисунок, 1 таблицу, список литературы из 103 наименований и 3 приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

Теоретически исследованы гидродинамические режимы ламинарного течения ньютоновской жидкости в зазорах между вращающимися дисками, вращающимся и неподвижным диском и получены решения для скорости жидкости в зависимости от величины зазора.

Предложены математические модели движения жидкости в дисковых машинах и аппаратах.

Предложенная методика расчета характеристик дискового насоса позволяет осуществлять проектирование дисковых насосов для перекачивания жидкостей.

Созданы экспериментальные установки для получения характеристик дисковых машин с использованием различных жидкостей.

Спроектирована, изготовлена и внедрена на ОАО «Сигнал» (г. Тамбов) конструкция дискового насоса для перекачивания биомассы с целью использования в установке по производству биогаза.

Разработаны новые конструкции дисковых насосов, защищенные патентами РФ № 2 285 153, 2 285 154, которые позволяют обеспечить перекачивание жидкостей, содержащих твердые включения.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ b — междисковый зазор, м;

R — наружный радиус диска мi — число дисковр-давление, Паг — радиальная координата, мz — осевая координата, ми — компонента радиальной скорости, м/сv — компонента окружной скорости, м/с;

W — компонента осевой скорости, м/сv — кинематическая вязкость, м2/ср — плотность жидкости, кг/м — - безразмерное расстояниеш — угловая скорость диска, рад/с;

С — коэффициент радиального градиента давления;

G — безразмерная окружная компонента скорости;

Я — безразмерная осевая компонента скорости;

Fбезразмерная радиальная компонента скорости;

Рбезразмерная функция давления;

G’yG" - производные безразмерной окружной компоненты скорости;

Р'~ производная безразмерной функции давления;

Qподача, м /чп — число оборотов вала, об/мин;

Я — действительный напор, м;

Яг — теоретический напор, м;

АН — потери напора, м;

Nмощность, Вт;

П-КПДк- коэффициент потерь напора, м/(м /ч).