Совершенствование конструкций и обеспечение заданных эксплуатационных характеристик машин и аппаратов с вращающимися дисками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Пасько, Татьяна Владимировна

• Пасько, Татьяна Владимировна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пасько, Татьяна Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ДИСКОВЫХ МАШИН И

АППАРАТОВ В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

1.1 АНАЛИЗ МЕШАЛОК, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ IIEPE

МЕШИВА11ИЯ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ

АНАЛИЗ НАСОСОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ПЕРЕ-КАЧИВА11ИЯ ВЯЗКИХ ЖИДКОС ГЕЙ

ДРУГИЕ ДИСКОВЫЕ МАШИНЫ И АППАРАТЫ

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ДИСКОВЫХ МАШИНАХ И АППАРАТАХ

2.1 ИСХОДНАЯ СИС1ЕМА УРАВ1IEI1ИЙ

2.2 ТЕЧЕНИЕ ВБЛИЗИ РАВНОМЕРНО ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ПЛОСКОГО ДИСКА

2.3 ТЕЧЕНИЕ ВБЛИЗИ НЕПОДВИЖНОЙ ПЛОСКОЙ СТЕНКИ ПРИ ВРАЩЕНИИ ЖИДКОСТИ В БЕСКОНЕЧНОСТИ

2.4 1ЕЧЕНИЕ В ЗАЗОРЕ МЕЖДУ КОАКСИАЛЬНЫМИ ДИСКАМИ

2.5 1ЕЧЕПИЕ ОКОЛО ДИСКА, ВРАЩАЮЩЕГОСЯ В КОЖУХЕ

2.6 РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ НАВЬЕ-СТОКСА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНIОВ

2.7 МОДЕЛЬ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОС 1И В ДИСКОВОЙ МЕШАЛКЕ

2.8 МОДЕЛЬ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ДИСКОВОМ НАСОСЕ

2.9 ПРИВЕДЕНИЕ УРАВНЕНИЙ НАВЬЕ-СТОКСА К БЕЗРАЗМЕРНОМУ ВИДУ

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСКОВЫХ МАШИН И АППАРАТОВ

3.1 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕШАЛОК

3.2 ЭКС11ЕРИМЕ11ТАЛЬАЯ УСТАНОВКА МЕШАЛКИ И

ME 1ОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕН ГА

3.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ДИСКОВОЙ МЕШАЛКИ

3.4 ОСНОВНЫЕ 11АРАМЕ1РЫ 1IACOCOB

3.5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА НАСОСА И

ME 1 ОДИКА 11РОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

3 6 РЕЗУЛЬТАIЫ ИСПЫ I'AI 1ИЙ ДИСКОВЫХ НАСОСОВ

3.6.1 Исследование влияния числа оборотов на подачу насоса

3.6.2 Исследование влияния числа дисков на характеристику насоса

3.6.3 Испьпаиия двухдискового насоса с диамефом дисков 132 мм на воде

3.6.4 Исследование влияния свойств рабочей жидкости на характеристику насоса

3.6.5 Исследование влияния междисковою зазора на характеристику насоса

3.6.6 Исследование движения твердых частиц через дисковый насос

ГЛАВА 4 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИКИ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДИСКОВОГО НАСОСА

4.1 СОПОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСКОВОГО НАСОСА

4.2 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДИСКОВЫХ 11АСОСОВ

4.3 ДИСКОВЫЕ НАСОСЫ С МИНИМАЛЬНЫМ ВОЗМУЩЕНИЕМ ПОТОКА ЖИДКОСТИ

4.4 ДИСКОВЫЕ НАСОСЫ С ГОФРИРОВАННЫМИ ДИСКАМИ

4.5 ДИСКОВЫЕ НАСОСЫ С МОДИФИЦИРОВАННЫМИ ДИСКАМИ

4.6 ДИСКОВЫЕ 11АСОСЫ ДЛЯ ПОДАЧИ ЖИДКОС ГИ С КРУПНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 № 2285153, 2285154, 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.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Пасько, Татьяна Владимировна

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 № 2285153, 2285154, которые позволяют обеспечить перекачивание жидкостей, содержащих твердые включения.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ b - междисковый зазор, м;

R - наружный радиус диска м; i - число дисков; р-давление, Па; г - радиальная координата, м; z - осевая координата, м; и - компонента радиальной скорости, м/с; v - компонента окружной скорости, м/с;

W - компонента осевой скорости, м/с; v - кинематическая вязкость, м2/с; р - плотность жидкости, кг/м ; - безразмерное расстояние; ш - угловая скорость диска, рад/с;

С - коэффициент радиального градиента давления;

G - безразмерная окружная компонента скорости;

Я - безразмерная осевая компонента скорости;

F- безразмерная радиальная компонента скорости;

Р- безразмерная функция давления;

G'yG" - производные безразмерной окружной компоненты скорости;

Р'~ производная безразмерной функции давления;

Q- подача, м /ч; п - число оборотов вала, об/мин;

Я - действительный напор, м;

Яг - теоретический напор, м;

АН - потери напора, м;

N- мощность, Вт;

П-КПД; к- коэффициент потерь напора, м/(м /ч).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пасько, Татьяна Владимировна, 2006 год

1. Сфенк, Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками: пер. с пол./ Ф. Стренк; под ред. И.А Щупляка. Л.: Химия, 1975. - 384 с. - Пер. изд.: MIESZANIE I MIESZALKI / F. Strenk. - Warszawa, 1975.

2. Rushton, J.H. Power characteristics of mixing impellers / J.H. Rushton, E.W. Costich, H.J. Everett // Chem. Eng. Progr. 1950. - № 46. - P. 395-404.

3. Rushton, J.H. Power characteristics of mixing impellers / J.H. Rushton, E.W. Costich, H.J. Everett // Chem. Eng. Progr. 1950. - № 46. - P. 467-479.

4. Айзенштейн, М.Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности / М.Д. Айзенштейн; ГНТИ нефтяной и горно-топливной литературы. -М, 1957.-363 с.

5. Елин, В.И. Насосы и компрессоры / В.И. Елин, К.Н. Солдатов, С.М. Соколовский; Г11ТИ нефтяной и горно-топливной литературы. М., 1958. -400 с.

6. Ломакин, А.А. Центробежные и пропеллерные насосы / А.А. Ломакин. -М.: Машгиз, 1950.-364 с.

7. Штербачек, 3. Перемешивание в химической промышленности / 3. Штербачек, П. Тауск. Л.: Госхимиздат, 1963. - 416 с.

8. Smith, J.C. / J.C. Smith // Chem. Ind. 1949. - № 64. - P. 3999.

9. Вишневский, H.E. Аппараты высокого давления с герметическим приводом / Н.Е. Вишневский, Н.П. Глуханов, И.С. Ковалев. М.;Л.: Машгиз, 1960.-247 с.

10. Weber, А.Р. / А.P. Weber // Chem. Eng.- 1963. -№ 70.- P. 91.

11. Serwiriski, M. / M. Serwiriski, H. Blasiriski // Chem. Stos.- 1961. № 1. -P. 17.

12. Holland, F.A. Liquid Mixing and Processing in Stirred Tanks / F.A. Hoi land, F.S. Chapman // Reinhold Publ. Corp. New York, 1966. -P. 240

13. Черкасский, B.M. Насосы, компрессоры, вентиляторы / B.M. Черкасский, Т.М. Романова, Р.А. Кауль. М.: Госэнергоиздат, 1959. - 424 с.

14. Кутыркин, В.А. Специальные системы нефтеналивных судов. Справочник / В.А. Кутыркин, В.Н. Постников. М.: Транспорт, 1989. - 192 с.

15. Лаханин, В.В. Насосные установки морских танкеров / В.В. Лаханин, А.Г. Сацкий. Л.: Судостроение, 1976. - 160 с.

16. Лиманчук, С.П. Насосы для перекачивания высоковязких нефтепродуктов / С.П. Лиманчук // Министерство морского флота, Мортехинформ-реклама. Сер. Предотвращение загрязнения морской среды. 1987. -Вып. 2 (67).- Юс.

17. Чиняев, Н.А. Насосные установки танкеров и плавучих нефтестанций / Н.А. Чиняев. М.: Транспорт, 1968. - 112 с.

18. Степанов, А.И. Центробежные и осевые насосы /А.И. Степанов. М.: Машгиз, 1960.-462 с.

19. Сизов, Г.Н. Судовые насосы и вспомогательные механизмы: учеб. пособие для ВУЗов водного транспорта / Г.Н. Сизов, Ю.К. Аристов, Н.В. Лукин. М.: Транспорт, 1982. - 303 с.

20. Животовский, Л.С. Лопастные насосы для абразивных гидросмесей / Л.С. Животовский, Л.А. Самойловская. М.: Машиностроение, 1978. -223 с.

21. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учеб. для машиностроительных ВУЗов / Т.М. Башта и др.. М.: Машиностроение, 1982. -429 с.

22. Суханов, Д.Я. Работа лопастных насосов на вязких жидкостях / Д.Я. Суханов. М.: Машгиз, 1952. - 34 с.

23. Щавлев, С.В. Повышение эффективности грузовых центробежных насосов речных танкеров при выгрузке вязких нефтепродуктов: дис. . канд. техн. наук: / С.В. Щавлев. Горький, 1987. - 203 с.

24. Пат. 1,061,206 США, Turbine / Nicola Tesla; № 603,049; опубл. 06.05.1913.-2 с.

25. Жуковский, Н.Е. О трении жидкости при большой разности скоростей ее струй: докл. на пятом водопроводном съезде в Киеве в 1901 г.: в 3 т. /26