Проблема перекачки жидкого водорода при помощи поршневого насоса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

(ФГБОУ ВПО «МГТУ»)

Кафедра электрометаллургии и литейных процессов

Курсовая работа

по дисциплине «Основы инженерного творчества»

тема «Проблема перекачки жидкого водорода при помощи поршневого насоса»

Выполнила:

студентка группы МЛ-09 Овчинникова М.

Проверил:

доцент, кандидат технических наук

Синицкий Е.В.

Магнитогорск 2011 год

Аннотация

Курсовая работа состоит из 24 страницы, содержит 4 рисунка, 2 графические схемы. В курсовой работе использовались 3 источника.

В данной курсовой работе мною были рассмотрена проблема перекачки жидкого водорода при помощи поршневого насоса.

физический технический противоречие схема

Введение

Благодаря простоте и надежности работы поршневые насосы нашли широкое применение в нефтяной, газовой и нефтехимической отрослях промышленности, все основные технологические процессы, которые связаны с перекачкой по трубопроводам различных жидкостей - нефтей, нефтепродуктов, сжиженных газов, воды, глинистых растворов, химических реагентов и др.

В бурении нефтяных и газовых скважин поршневые насосы нашли исключительное применение. Они используются для создания циркуляции глинистого раствора или воды в скважине.

В добыче нефти поршневые (плунжерные) насосы используются главным образом для извлечения нефти из скважины, перекачки воды и высоковязкой нефти по трубопроводам, гидравлического разрыва пластов, нагнетания воды в пласт.

Поскольку в нефтяной промышленности нет не одного участка, где не использовались бы насосы, дальнейшее улучшение их технико-экономических показателей остается основной проблемой нефтяной промышленности. Сохранение при работе высокого коэффициента полезного действия иди полное использование установленной мощности рассматриваемых гидравлических машин является одной из важнейших задач обслуживающего персонала. Она может быть выполнена только при хорошем знании теории и правил эксплуатации насосов.

Поршневые насосы служат для преобразования механической энергии двигателя в механическую энергию перекачиваемой жидкости. Они сообщают жидкости, проходящей через них, энергию, необходимую для преодоления сил сопротивлений, возникающих в самом насосе, по длине трубопровода, в местах изменения сечения потока и направления движения жидкости, а также для преодоления силы инерции и статической высоты, на которую требуется поднять жидкость.

Поршневые насосы применимы для перекачивания только чистых жидкостей, это объясняется наличием клапанов в конструкции поршневого насоса. Наличие примесей в перекачиваемой жидкости может привести к выходу из строя клапанов насоса. При возвратно-поступательном движении возникают большие силы инерции, поэтому средняя скорость движения поршня ограничивается значениями 0,5-1м/c. Поршневые насосы обеспечивают прерывистую подачу жидкости. Имеют большие габариты по сравнению с центробежными, это объясняется сложностью их конструкции, при этом поршневые насосы способны обеспечивать большие напоры. Их подача не зависит от напора, что позволяет применять их в качестве насосов дозаторов. КПД поршневых насосов выше, чем у центробежных.

1. Анализ задачи

1.1 Условие мини-задачи

1.1.1 Назначение технической системы и ее основные части

Назначение технической системы: машина для перекачки жидкого водорода.

Основные части: цилиндр, поршень, уплотнительные кольца, механизм привода поршня, жидкий водород.

1.1.2 Техническое противоречие 1

ТП-1: Если уплотнительных колец много, они плотно закрывают зазор между цилиндром и поршнем, но затрудняют движение поршня и вызывают поломки привода.

1.1.3 Техническое противоречие 2

ТП-2: Если уплотнительных колец мало, машина работает без поломок, но с низкой производительностью. Необходимо одновременно повысить надежность и эффективность перекачки, при этом высокая надежность должна быть достигнута в первую очередь.

1.1.4 Ожидаемый результат

В ходе решения задачи мы должны при минимальных изменениях обеспечить эффективность перекачки высокую надежность.

1.2 Конфликтная пара

Изделие: жидкий водород под давлением на выходе насоса.

Инструмент: пара цилиндр-поршень, однако основная действующая часть инструмента - поршень.

Обилие уплотнительных колец обеспечивает высокую герметичность и эффективную перекачку, однако большая сила трения приводит к нагреву жидкости, быстрому износу и поломке приводного механизма.

Использование одного из двух тонких уплотнительных колец снижает силу трения, увеличивает надежность механизма привода поршня, снижает давление на выходе насоса и его производительность.

1.3 Выбор схемы конфликта

Нужно выбрать ту из двух схем конфликта, которая обеспечивает наилучше выполнение главного производственного процесса, то есть здесь основная функция - перекачка жидкости, приоритетный параметр - надежность. Нужно взять ТП-2 как потенциально более перспективное направление для обеспечения высокой надежности.

1.4 Усиленный конфликт

Усилить конфликт в нашем случае означает полностью устранить причину трения:

Трение полностью устраняется за счет удаления уплотнительных колец, но при этом жидкость свободно проходит через зазор между поршнем и цилиндром.

Предельное состояние системы - "ноль уплотнительных колец", "отсутствие трущихся элементов" или даже "отсутствие поршня", но при этом обостряется и недостаток, усиливается протечка, ослабевает или исчезает главная функция насоса.

1.5 Введение Х-элемента

Х-элемент обеспечивает герметичность пары цилиндр поршень, сохраняя зазор между ними, не усложняя систему и не вызывая вредных явлений.

1.6 Применение системы стандартов

Сопоставить проблемные ситуации со стандартами и из общих рекомендаций извлекать частные решения. Пробуем сделать это:

1) Недостаточно взаимодействие между жидкостью и поршнем может быть улучшено при помощи вещества третьего вещества. Например, на поверхность поршня (в зазор) может быть введено некое дополнительное вещество, препятствующее протечке. Решение: Ввести новое вещество, устраняющее протечку, но не вызывающее трения или иных вредных явлений. Х-элемент должен генерировать вещество, устраняющее протечку и помогающее толкать жидкость.

2) Механическое поле посредством поршня перемещает жидкость, но частично ее пропускает. Для нейтрализации вредного действия (протечки) вводится второе поле, которое устраняет протечку. Решение: Ввести дополнительное поле, устраняющее протечку и помогающее толкать жидкость. Х-элемент должен генерировать поле, устраняющее протечку и помогающее толкать жидкость.

3) Взаимодействие между жидкостью и поршнем, который должен выталкивать жидкость полностью, но пропускает, может быть улучшено при помощи дополнительного поля.

Решение: Ввести дополнительное поле, обеспечивающее перекачку.

Х-элемент должен генерировать поле, помогающее толкать жидкость.

4) Эффективность перекачки может быть повышена заменой плохо управляемого "механического поля", создаваемого поршнем и ненадежным механизмом привода, на более надежное и управляемое поле, способное воздействовать (давить) на всю жидкость, без зазоров и пропусков. Подобное сплошное поле давления может создать газ или звук.

Решение: Удалить поршень, ввести новое поле, обеспечивающее перекачку. Х-элемент должен генерировать поле, обеспечивающее перекачку без поршня.

2. Анализ модели задачи

2.1 Определение оперативной зоны

Оперативная зона (ОЗ) - пространство, в пределах которого возникает конфликт. В нашем случае ОЗ - пространство зазора и вблизи него.

2.2 Определение оперативного времени

Оперативное время (ОВ) может быть определено как период возвратно-поступательного движения поршня, которое можно разделить на интервал Т1 (всасывание порции жидкости внутрь цилиндра насоса) и Т2 (выталкивание жидкости из насоса).

2.3 Определение вещественно-полевых ресурсов (ВПР)

ВПР инструмента - поверхность и пространство внутри поршня, поверхность и пространство за рабочей стенкой цилиндра, а также компоненты приводного механизма, например, на приводной механизм может быть возложена функция трубопровода или генератора вещества/поля, закрывающего зазор между поршнем и цилиндром.

ВПР изделия - поле низких температур и присущие ему уникальные свойства, например, сверхпроводимость и/или магнитная левитация. Кроме того, жидкость можно превратить в газ и вводить его в зазор при повышенном давлении. Подобный газовый "Х-элемент" не усложнит систему, но потенциально может устранить протечку, не создавая иных проблем, поскольку за пределами зазора газообразный водород будет немедленно поглощен холодным жидким водородом.

3. Определение идеального конечного результата (ИКР) и физического противоречия (ФП)

3.1 Формулировка ИКР

Х-элемент, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, устраняет протечку жидкости в течение ОВ в пределах ОЗ, сохраняя зазор и свободный (без трения) ход поршня.

3.2 Усиление формулировки ИКР-1

1) Видоизмененная жидкость устраняет протечку.

2) Видоизмененный поршень устраняет протечку.

3) Видоизмененный поршень совместно с видоизмененной жидкостью устраняют протечку.

4) Цилиндр вместе с видоизмененным поршнем устраняет протечку.

3.3 Формулировка физического противоречия на макроуровне

Зазор между поршнем и цилиндром должен быть закрыт, чтобы эффективно давить на жидкость и зазор должен быть открыт (свободен), чтобы обеспечить ход поршня без трения и нагрева жидкости.

Формулировка физического противоречия на макроуровне это противоположные требования к физическому состоянию зазора, который должен быть открыт и закрыт одновременно. Однако Х-элемент (вещество и/или поле, заполняющее зазор) не обязан быть твердым, абразивным и статичным. Это может быть жидкость или газ под достаточно высоким давлением. На шаге 3.2, мы пришли к выводу, что видоизмененный (модифицированный) поршень может вводить в зазор газ или жидкость под давлением более высоким, чем давление в цилиндре. В этом случае цель будет достигнута, протечка будет устранена.

3.4 Формулировка физического противоречия на микроуровне

Жидкость можно превратить в газ и водить его в зазор при повышенном давлении.

3.5 Формулировка ИКР-2

1) Жидкий водород внутри зазора в течение оперативного времени Т2 должна сама превращаться в газовую муфту с высоким давлением, а на интервале Т1 жидкий водород должен сам поглотить газообразный водород.

2) Поршень в течение оперативного времени Т2 должен сам создавать запирающую муфту из жидкого водорода.

Наиболее легкий способ создания быстрых молекул газа с высоким давлением, это локальный нагрев пленки жидкого водорода непосредственно в зазоре между поршнем и цилиндром для превращения её в скользкую газовую муфту, способную удерживать жидкость.

Более сложная версия может предполагать создание встроенного в поршень дополнительного насоса, который в оперативное время Т2 создаст запирающую муфту из жидкого водорода.

3.6 Применение системы стандартов к решению физической задачи

Применимость системы стандартов для решения физической задачи зависит от способности сопоставить проблемные ситуации со стандартами и извлекать частные решения. Кроме того можно потребовать более корректного решения задачи. Например, с помощью закона повышения проводимости потоков вещества и энергии, которые могут быть применены следующим образом:

1) Наибольшая часть жидкого водорода может быть использована на преобразование в газ, способный выполнять функцию поршня - давить на жидкость.

2) Прямое преобразование энергии, выделенной для питания привода насоса, в энергию поля, толкающего жидкость внутри насоса.

4. Выявление и применение ВПР

4.1 Метод маленьких человечков

Создание встроенного в поршень дополнительного насоса, который в оперативное время Т2 создаст запирающую муфту из жидкого водорода.

4.2 Метод «шаг назад от ИКР»

ИКР-2 (1) предполагает, жидкий водород внутри зазора должен сам превращаться в газовую уплотнительную муфту с высоким давлением, но для этого требуется энергия и специальные условия, например, нагрев за счет внутреннего трения жидкости, и за счет внутреннего трения о неоднородности на поверхности поршня.

ИКР-2 (2) предполагает создание запирающей муфты из жидкого водорода а избыточным давлением, которое создается дополнительным поршнем внутри рабочего поршня насоса.

4.3 Решается ли задача применение смеси ресурсных веществ

Данная задача решается внутренними ресурсами и на основе их получили новый внутренний ресурс. Если заменить внутренний ресурс пустотой, то задача будет нерешаемая. Задача решается с применением веществ, производных от ресурсов и пары поле-вещество.

5. Применение информационного фонда

5.1 Применение стандартов к решению задачи (в формулировке ИКР-2 и с учетом ВПР, уточненных в четвертой части)

Задача предполагает создать запирающую муфту из жидкого водорода с избыточным давлением, которое создается дополнительным поршнем внутри рабочего поршня насоса.

5.2 Аналогии с ранее решенными задачами по АРИЗ

Поверхность, пространство внутри поршня, поверхность за рабочей стенкой цилиндра и компоненты приводного механизма: все влияет на функции самого поршня и на дополнительный насос внутри него.

5.3 Разрешение физических противоречий

Возможность решения физического противоречия с помощью типовых преобразований, то есть переход к комплексному полю, противодействие вредным связям с помощью поля прямое преобразование энергии, выделенной для питания привода насоса, в энергию поля, толкающего жидкость внутри насоса.

6. Изменение или замена задачи

6.1 Принципиальная схема устройства

Создание встроенного в поршень дополнительного насоса, который создаст муфту из жидкого водорода.

7. Выбор и анализ способа устранения физического противоречия

7.1 Введение в систему новых веществ или полей

Введение новых полей или веществ в систему сильно усложнит систему и вызовет вредные явления в течении ОВ

7.2 Предварительная оценка решения

а) полученное решение обеспечивает выполнение главного требования ИКР-1. Элемент сам абсолютно не усложняет систему и не вызывает вредных явлений

б) устранено техническое противоречие

в) система содержит хорошо управляемый элемент - дополнительный насос

г) найденное решение годится для «одноцикловой» модели задачи в реальных условиях со многими циклами.

7.3 Формальная новизна

Патентные данные показывают, что полученное решение не является новым.

7.4 Возможные подзадачи

Задачи могут возникнуть при конструировании, эксплуатации дополнительного насоса.

8 Применение полученного решения

8.1 Изменение системы

Надсистема не будет изменена, так как насос встроен в саму систему, только будет создана запирающая муфта из жидкого водорода.

8.2 Новое применение системы

Надсистема не может применяться по-новому.

9. Анализ хода решения

9.1 Сравнение реального и теоретического хода задачи

Реальный ход решения данной задачи совпадает с теоретическим (по АРИЗ)

9.2 Сравнение решения с данными информационного фонда

Сравним полученный результат с данными информационного фонда ТРИЗ (стандарты, приемы, физэффекты). В информационном фонде есть подобные решения.

Заключение

В данной курсовой работе была решена проблема перекачки жидкого водорода при помощи поршневого насоса.

В ходе решения было найдено физическое противоречие и было дано техническое решение, которое можно хорошо применить на практике.

Библиографический список

1 А.А. Иванов, П.Н. Миронов. «Механика», 1997, 257 с.

2 http://chemi.org.ru/

3 Дигонский С. В., Тен В. В. Неизвестный водород. - СПб: Наука, 2006

Размещено на Allbest.ru