Удосконалювання очищувачів робочих рідин насосів з використанням гідроелектричних технологій

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 628.16.067:66.067.3

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

Удосконалювання очищувачів робочих рідин насосів з використанням гідроелектричних технологій

05.05.17 - Гідравлічні машини та гідропневмоагрегати

кандидата технічних наук

Бойко Микола Зельманович

Суми - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донбаському державному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, професор Євтушенко Анатолій Олександрович, Сумський державний університет, завідувач кафедри прикладної гідроаеромеханіки

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Яхно Олег Михайлович, Національний технічний університет України «КПІ», завідувач кафедри прикладної гідроаеромеханіки та механотроніки;

кандидат технічних наук Швіндін Олександр Іванович, ТОВ. «Сумський машинобудівний завод», головний конструктор проекту

Захист відбудеться 6 листопада 2009 р. о 15 ⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К55.051.03 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського - Корсакова, 2.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Сумського державного університету (м. Суми, вул. Римського - Корсакова, 2).

Автореферат розісланий « 5» жовтня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Є.М.Савченко

інженерний електромагнітний абразивний очищувач

Анотація

Бойко М.З. «Удосконалювання очищувачів робочих рідин насосів з використанням гідроелектричних технологій» ».- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати. - Сумський державний університет, Суми, 2009 р.

Дисертаційна робота складається із двох відносно самостійних частин. Перша містить в собі результати створення очищувачів, які не змінюють рівень гідравлічної енергії потоку рідини, яка очищується та захищають гідравлічну систему від феромагнітних забруднень. Розроблені теорія робочого процесу інженерної методики проектування та конструкції електромагнітних очищувачів зі складною конфігурацією магнітного поля та з бігучою електромагнітною хвилею.

Друга частина роботи присвячена питанню пошуку шляхів переносу, напрацьованих для об'ємних гідромашин очищувачів робочих рідин, на практику розробки і виготовлення динамічних насосів.

Запропоновані нові конструкції очищувачів для очищення середовища, яке перекачується, а також охолоджуючих та мастильних рідин динамічних насосів, використання яких не погіршує характеристик динамічних насосів.

Описаний запропонований новий спосіб захисту шпаринних ущільнень динамічних насосів від абразивного зносу. Наводяться акти впровадження результатів виконаної роботи.

Ключові слова: насос, робоча рідина, гідродинамічний ефект, розподілу фаз рідини, електромагнітний очищувач, всмоктувальна здатність насоса.

Аннотация

Бойко Н.З. «Совершенствование очистителей рабочих жидкостей насосов с использованием гидроэлектрических технологий».- Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.17 - гидравлические машины и гидропневмоагрегаты. - Сумский государственный университет, Сумы, 2009 г.

Диссертационная работа состоит из двух относительно самостоятельных частей, объединенных общей целью обеспечения очистки жидкостей перекачиваемых динамическим насосом от механических примесей и защитить от ферромагнитных частиц изнашиваемые узлы этих насосов.

В то же время каждая из этих частей может быть применена самостоятельно для использования в различных отраслях промышленности.

Первая содержит в себе результаты исследования гидроэлектромагнитных очистителей рабочих жидкостей со сложной конфигурацией магнитного поля и с бегущим электромагнитным полем. Оба типа новых очистителей отличаются высокой степенью очистки жидкости от частиц загрязнений при наличии в них более 35% ферромагнитных частиц, причем первый предпочтительнее для более вязких жидкостей (выше 15 мм²/с), а второй - для менее вязких. В работе разработаны теория рабочего процесса, инженерные методики проектирования конструкции и создания магнитного поля обоих типов очистителей.

Вторая часть посвящена поиску путей использования систем и методов очистки рабочих жидкостей разрабатываемых для объемных гидромашин при проектировании и эксплуатации динамических насосов. Предложены новая схема системы очистки жидкостей для гидродинамических машин, суть которой в том, что за счет рециркуляции части жидкости из линии нагнетания в линию всасывания через струйный насос и понижения перепада давления в линии всасывания, в последней устанавливается гидродинамический очиститель, обладающий низким перепадом давления. Благодаря этому очищается весь поток жидкости выдаваемый насосом потребителю.

Предложены новые конструкции очистителей для охлаждающих и смазывающих жидкостей динамических насосов, использование которых не ухудшает характеристик динамических насосов.

Описан предложенный новый способ защиты щелевых уплотнений динамических насосов от абразивного изнашивания. Приводятся акты внедрения результатов работы.

Ключевые слова: насос, рабочая жидкость, гидравлический эффект разделений фаз жидкости, электромагнитный очиститель, всасывающая способность насоса.

Summary

Boyko N.Z. Perfection of working liquids cleaners of pumps with use of hydroelectric technologies. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.05.17 - hydraulic machines and hydraulic and pneumatic units.- Sumy State University, Sumy, 2009.

Dissertational work consists on two concerning independent parts. The first includes results of creation of cleaners which do not change level of hydraulic energy of a stream of a liquid which will cleaning also protect hydraulic system from ferromagnetic pollution. Developed the theory of working process of an engineering technique of designing and a design of electromagnetic cleaners with a difficult configuration of a magnetic field and with a fast electromagnetic wave. The second part of work devoted to a question of search of ways of the carrying over which has been turned out for volume hydrocars cleaners of working liquids, on practice of working out and manufacturing of dynamic pumps. The offered new designs of cleaners for clarification of environment which is pumped over, and also cooling and lubricant liquids of the dynamic pumps which use does not worsen characteristics of dynamic pumps. The described offered new way of protection consolidations of dynamic pumps from an abrasive pulling down. Certificates of introduction of results of the performed work are resulted.

Keywords: the pump, a working liquid, hydrodynamic effect, distributions of phases of a liquid, an electromagnetic cleaner, suction ability of the pump.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Чистота рідин, які використовуються у технологічному процесі, має вирішальне значення для якості продукції, продуктивності устаткування, довговічності і надійності його роботи, величини трудовитрат на обслуговування. Неприпустимо велика крупність часток забруднень у рідинах є причиною 80% аварій на промислових підприємствах. Перевищення крупності забруднень у рідині в істотно знижує ресурс роботи гідравлічних систем. Більше значне відхилення рівня забруднення від допустимих норм скорочує працездатність гідравлічних систем в 50 і більше раз. Близько 30% всіх витрат енергії витрачається на підприємствах металургійного й паливно-енергетичного комплексу на компенсацію зайвих витрат пов'язаних з погіршенням теплового відводу від працюючого встаткування через осідання в ньому механічних домішок.

У системах охолодження і пилоподавлення на підприємствах і безпосередньо в устаткуванні «забиваються» забрудненнями практично всі форсунки як технологічні, так і ті що забезпечують безпеку праці. Крім того, деякими даними, близько 30% всіх витрат енергії витрачається на підприємствах металургійного і паливно-енергетичного комплексу на компенсацію зайвих витрат, пов'язаних з погіршенням теплового відводу від устаткування, працює через осідання в ньому механічних домішок.

Очищувачі, які використовуються в промисловості, в зв'язку з постійно зростаючими вимогами до чистоти рідин, збільшують витрати на обслуговування, які ростуть в міру появи нових прогресивних технологій, підвищення вимог до якості продукції, що випускається. Не менш складні проблеми виникають із забезпеченням населення і промисловості чистою питною та технічною водою. При цьому в деяких випадках вимоги до технічної води набагато вищі і часто є більш високими, чим навіть для питної води. Відхилення тут можливі в дуже вузькому інтервалі. Більше того, існують наукові і технічні проекти, реалізація яких стримується відсутністю економічно раціональних методів одержання води потрібної якості. Навіть перебуваючи в районах, де достатня кількість води, жодне сучасне підприємство не в змозі обійтися без оборотного водопостачання, оскільки використана в технологічному процесі вода стає непридатна для скидання в середовище перебування без попереднього очищення.

Існує три принципово різних методи очищення рідин від механічних домішок: механічне очищення, тобто затримка часток домішок за допомогою пористих перегородок; очищення в силових полях (магнітних, гравітаційних, гідравлічних, електростатичних, відцентрових) і гідродинамічне комбіноване, суть якої полягає в поділі механічних домішок по крупності залежно від результуючого впливу на частки, поблизу механічної перегородки, різнонаправлених силових полів. Створення останнього методу пов'язано з роботами Донбаського технічного університету, виконуваних з 70-х роках минулого сторіччя.

Оскільки джерелом сил, що діють на частку, можуть бути пневмогідравлічні потоки і пондеромоторні електромагнітні сили, у випадку комплексного застосування гідродинамічних і електромагнітних полів для створення промислового устаткування можна говорити про застосування електрогідравлічних технологій для поділу двофазних рідин, або в більше вузькому змісті, для очищення рідин від механічних домішок.

У зв'язку із цим задача вдосконалення систем очищення рідин і розробки нових методів і пристроїв очищення, який присвячена дана робота, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота є частиною наукової програми Донбаського державного технічного університету (ДонДТУ), зокрема Галузевої лабораторії мастильних матеріалів і робочих рідин Мінвуглепрому України при ДонДТУ, спрямованої на розробку засобів і способів очищення робочих рідин. Автор роботи був відповідальним виконавцем по держбюджетній роботі ДР 0100U001278 “ Розробка теорії автономної саморегенеруючої очистки з використанням гідродинамічних процесів для розподілу двофазних рідин ” і по держбюджетній роботі ДР 0101U003565 “ Збільшення ресурсу та зниження працевтрат на експлуатацію водогрійного обладнання за рахунок комплексної очистки подаваної води”.

Мета роботи - підвищення чистоти робочих рідин і мастильних матеріалів технологічного обладнання, промислових, побутових і питних вод шляхом створення нового покоління очищувачів з використанням гідроелектричних технологій

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачи дисертаційної роботи:

1. Розробка науково-методичні основи для створення очищувачів робочих рідин насосів, в яких використовується гідродинамічний ефект очищення, та обгрунтування можливості заміни джерела руху часток у гідродинамічних очищувачах в одному з напрямків на пондеромоторну силу з метою спрощення конструкції й значного підвищення тонкості очищення.

2. На базі отриманих науково-методичних розробок по електромагнітних очищувачах розробити конструкції зазначених очищувачів і провести їхню апробацію в лабораторних і промислових умовах.

3. Визначити доцільність і шляхи використання очищувачів, що працюють із використанням гідроелектричних технологій, стосовно до динамічних насосів, у тому числі: розробити принципи розрахунку і конструювання очищувачів, для середовищ, що перекачуються динамічними насосами, застосування яких не зробить істотного впливу на робочі характеристики зазначених насосів, зокрема на їх всмоктувальну здатність;

- розробити конструктивні рішення і методику інженерних розрахунків очищувачів, вбудованих у системи мастильної і охолоджувальної рідин динамічних насосів;

- здійснити пошук додаткових способів захисту шпаринних ущільнень динамічних насосів шляхом використання гідродинамічного ефекту поділу фаз робочої рідини.

Об'єкт дослідження - робочий процес пристроїв очищення багатофазної рідини, що заснований на використанні гідроелектричних технологій.

Предмет дослідження - очищувачі багатофазних рідин, що складаються з базової фракції - безпосередньо рідини, яка містить у собі феромагнітні і (або) неферомагнітні частинки, які можна розглядати як механічні домішки.

Методи досліджень. Поставлені задачі дослідження вирішувалися шляхом використання розрахунково-аналітичного методу, методу фізичного моделювання на стенді і на промислових установках, методу чисельного моделювання на ЕОМ. Розрахунково-аналітична частина базувалася на використанні сучасних рівнянь теорій турбомашин, механіки рідини й газу. Вірогідність отриманих наукових результатів підтверджено використанням широко апробованих і визнаних результатів прикладний гідроаеромеханіки, а також результатів порівняння та розрахункових та експериментальних даних. Експериментально перевірялися і корегувались закладені параметри установок.

Наукова новизна отриманих результатів дисертаційної роботи полягає в наступному:

1. Вперше розроблені науково-методичні основи створення принципово нового виду очищувачів робочих рідин насосів, в яких використовується гідродинамічний ефект очищення рідини, а також обґрунтована можливість заміни джерела руху часток у гідродинамічних очищувачах в одному з напрямків на пондеромоторну силу, що значно спрощує конструкцію, істотно підвищує тонкість очищення, зберігаючи при цьому інші позитивні властивості гідродинамічних очищувачів, у тому числі:

- розроблена математична модель течії двофазної в'язкої немагнітної неелектропровідної рідини, що містить феромагнітні частки (забруднення), при впливі постійного неоднорідного магнітного поля в електромагнітному очищувачів зі складною конфігурацією цього поля й електромагнітного поля у вигляді рухомої хвилі;

- досліджено вплив параметрів рідини, феромагнітних часток і форми електромагнітного поля на течію рідини в електромагнітному очищувачі;

- розроблені методи розрахунку руху феромагнітних часток у в'язкої неелектропровідній немагнітній рідині під дією електромагнітного поля.

2. Вперше визначені умови вловлювання феромагнітних часток в електромагнітних очищувачах;

3. Показана доцільність і доведена можливість переносу розробок теоретично обґрунтованих і практично реалізованих технічних пристроїв очищення рідин, які застосовуються в об'ємних насосах, на динамічні насоси, в тому числі:

- вперше розроблені вхідні очищувачі середовищ, які перекачуються, які підвищують всмоктувальну здатність динамічних насосів;

- вперше обоснована доцільність використання гідродинамічних очищувачів, вбудованих у системи мастильної та охолоджуючої рідин динамічних насосів;

- доповнена теорія робочого процесу динамічних насосів шляхом розробки способу захисту шпаринних ущільнень динамічних насосів, якій базується на використанні гідродинамічного ефекту поділу фаз робочої рідини.

Практичне значення отриманих результатів, полягає в наступному:

1. Створено принципово новий вид електромагнітних очищувачів, які не змінюють рівень гідравлічної енергії потоку рідини, яка очищується, і захищають систему від феромагнітних забруднень.

2. Електромагнітні очищувачі доведені до практичного застосування й використання в Алчевском регіональному виробничому управлінні ВКВ «Компанія «Лугансквода»».

3. Рекомендації по застосуванню вхідних очищувачів середовищ, які перекачується, сприяючи підвищенню всмоктувальної здатності, а також вбудованих у системи мастильної та охолоджуючої рідин динамічних насосів впроваджені на Сумському насосному заводі «Насосенергомаш».

4. Напрацьовані рекомендації з розвитку теорії робочого процесу динамічних насосів впроваджені в навчальний процес Донбаського державного технічного університету та використовуються при виконанні наукових розробок Сумського державного університету.

Особистий внесок здобувача. У роботах [1, 10] автором запропоновані нові схеми очищення рідин, в роботах [3, 5] розглянуті питання виникнення забруднень рідини і можливості їх очищення; в патентах [4, 7] обґрунтовані принципи очищення в силових полях; теоретичні дослідження викладено в [2, 9, 11], в [6] - діагностичні принципи контролю чистоти рідини, [12] обґрунтована можливість використання очищувачів вказаного типу в динамічних насосах Дві постановочні роботи [8, 12] опубліковано автором без співавторів. Постановка задачі, розрахунки і експериментальні дослідження, аналіз отриманих результатів проведені автором роботи разом з науковим керівником.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні положення і результати експериментальних досліджень доповідалися й обговорювалися на республіканських науково-технічних конференціях “Гідромеханіка в інженерній практиці” (Київ 1997, 1998, 2000, Чернівці 2009 рр.), Міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми створення нових машин і технологій” (Кременчук,2001г.), Міжнародної конференції “Technika diagnostika stroju a vyrobnich zarizeni DIAGO-2003”(Ostrawa, 2003r.), другій Міжнародної конференції “Прогресивна техніка і технологія” (Київ, 2004р.), у центрі “Очищення промислових рідин при інноваційній фірмі “Hert””(Краків,2005р.), на технічних радах Алчевського регіонального виробничого управління ВКВ “Компанія “Луганськвода”, третій міжнародної науково-технічної конференції «ENERGIA-2009» (Сімферополь - Люблін, 2009р.).

Публікації. По темі дисертаційної роботи автором опубліковано 12 робіт, з них 7 у журналах, що входять до переліку затвердженого ВАК України, 2 статті у закордонному журналі, 2 патенти на винаходи.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертаційної роботи 158 сторінок, у тому числі 49 рисунків, 22 таблиці, додатки на 5 аркушах, список використаних джерел з 120 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дослідження, спрямованого на вдосконалення очищувачів робочих рідин насосів з використанням гідроелектричних технологій, сформульована мета і задачі дослідження, наводиться загальна характеристика роботи.

У першому розділі викладені результати інформаційного-аналітичного огляду сучасного стану проблеми, пов'язаної з необхідністю використання і подальшого вдосконалення існуючих очищувачів робочих рідин гідравлічних систем. Для всіх галузей промисловості відмова гідравлічних систем в наслідок підвищення забруднення рідин складає 50...80% всіх відмов, а ресурс з цієї причини зменшується в 3...50 раз. Погіршення характеристик рідин і умов роботи обладнання зазвичай відбувається відразу по декільком параметрам. Задача забезпечення високого рівня очистки рідин може бути вирішена за допомогою механічних та гідродинамічних фільтрів. Разом з тим регенерація фільтроелементів даних очищувачів можлива при тонкості очищення до 25 мкм. Традиційні очисники тонкої очистки мають дуже низьку грязеємність.

Відділення механічних домішок від рідини може відбуватися або механічним чином з допомогою пористих перегородок в даному випадку процес називають «фільтруванням», або з допомогою шару мілкого матеріалу (пісок, гравій, активоване вугілля та інше). В останньому випадку процес називається фільтрацією. Пристрої, які забезпечують механічне відділення частинок забруднень, називають фільтрами. З цієї точки зору, вираз «відцентровий фільтр», «магнітний фільтр» та інше, в яких відсутня механічна очистка, є некоректним. І краще, з нашої точки зору, використовувати термін «очищувати», що ми і здійснювали у даній роботі.

Насоси - один з найпоширеніших видів технологічного устаткування, вживаного у всіх галузях промисловості і сільського господарства. На привід насосів використовується до 20% електроенергії, що виробляється в країні. Це один із значущих видів продукції машинобудівного комплексу України, що поставляється як для внутрішніх потреб, так і на експорт. Тому підвищення якості створення і експлуатації насосів є актуальним напрямом діяльності фахівців в області машинобудування і енергозбереження.

Згідно ГОСТ 17398-72 за принципом дії насоси діляться на об'ємні і динамічні. Через свої конструктивні особливості об'ємні насоси і гідромашині системи на їх основі (об'ємний гідропривід) є особливо чутливими до забруднень робочої рідини. Тому саме по відношенню до об'ємних гідромашин в першу чергу розвивалися засоби очищення робочих рідин. Стосовно динамічних насосів дана проблема також розв'язувалася - тут можна відзначити спроби створити вхідні фільтри для живильних насосів теплової і атомної енергетик, а також створення загальної станції очищення для систему підтримки пластового тиску (ППТ) на нафтових родовищах. Слід також сказати, що завжди увага надавалася проблемі очищення мастильної та охолоджуючої рідин для опорно-ущільнювальних вузлів динамічних насосів, при цьому найбільше розповсюдження одержало використовування малогабаритних гідроциклонів і відцентрових фільтрів. Окремо, по відношенню до динамічних насосів, слід говорити про необхідність захисту від зносу шпаринних ущільнень, що визначає термін служби, надійність і економічність в роботі динамічних насосів.

В цілому, можна констатувати факт - розробка засобів очищення робочих рідин по відношенню до об'ємних гідромашин опередила практику таких розробок стосовно динамічних насосів.

Вкажемо на нові розробки, які доцільно використовувати при створенні і експлуатації динамічних насосів. Перш за все це стосується нового класу очищуючих пристроїв, принцип дії яких заснований на так званому гідродинамічному ефекті, виявленому і обгрунтованому проф. Фінкельштейном З.Л.. Суть вказаного ефекту зводиться до наступного - можливо створити умови, при яких через отвори поверхневого фільтроелементу проходитимуть частинки, розмір яких істотно менше за розміри отворів «в світлі». Ці умови створюються в гідродинамічних очищувачах за рахунок організації участі частинки в двох рухах: уздовж поверхні фільтроелементу (подовжня швидкість частинки в потоці ) і паралельно його осі отвору (швидкість поперечного потоку). Схема гідродинамічного фільтрування представлена на рис. 1.

Орієнтуючись на представлену схему гідродинамічного очищувача (рис.1), вкажемо, що якщо результуюча швидкість центру тяжіння частинки направлена у момент зіткнення із стінкою отвору таким чином, що лінія дії цієї результуючої пройде вище за крапку А, то виникне момент, що вириває частинку з отвору, якщо ж лінія дії швидкості буде нижче за крапку А - частинка пройде через фільтроелемент. Таким чином є можливість відділення частинок, діаметр які менше розмірів отвору.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Іншими словами, створювати фільтри з тими або іншими виробниче-технологічними показниками (масогабаритні характеристики і інші) або експлуатаційними показниками (співвідношення величин основного і відвідного потоків, перепад тиску на фільтрі і інші) можна змінюючи склад і величини сил, діючих на частинку.

Виконаний огляд інформаційних джерел показав також, що існуючи напрацювання по очищувачам не забезпечують вирішення проблеми якості очищення рідини від феромагнітних забруднень. Важливою проблемою є також створення очищувачів для насосів, які б не змінювали рівень гідравлічної енергії потоку рідини, яка очищується, або, створення очищувачів з нульовим перепадом тиску на них. Останнє практично неможливо без створення очищувачів з іншим принципом дії, а саме, наприклад, шляхом використання енергії магнітного поля.

У другому розділі викладені результати створення очищувачів, які не змінюють рівень гідравлічної енергії потоку рідини, яка очищується, і захищаючи систему від феромагнітних забруднень.

Викладені результати розробки принципово нового виду очищувачів - електромагнітних. В цих очищувачах використовується принцип гідродинамічного розподілу фаз рідин, при цьому рух рідини в одному із напрямків забезпечуються за рахунок дії пондеромоторної сили, джерелом якої є магнітне поле.

Для підвищення ступеня очищення при великій грязеємності автор пропонує вирішити використовуванням двох нових типів очищувачів, кожний з яких доцільно використовувати в своєму діапазоні в'язкості рідини, що очищається.

Очищувач з складною конфігурацією електромагнітного поля, зображений на рис.2 і є трубою 4 з неферомагнітного матеріалу з намотаною на ній катушкою 5, що намагнічує.



Рис.2. Електромагнітний очищувач 1-вхідний/вихідний штуцер; 2, 8 - пластини; 3 - втулка; 4 - труба; 5 - катушка, що намагнічує; 6 - стрижень; 7 - уловлюючий диск; 9 - гайка; 10 - шпилька).

Всередині труби встановлена уловлююча система, що є неферомагнітним стрижнем 6 з надітими на нього уловлюючими дисками 7 з магнито-м'якого матеріалу. Для проходу рідини в уловлюючих дисках виконані отвори, причому диски одягаються на вісь так, щоб осі отворів в двох сусідніх дисках не співпадали. Потік рідини і магнітне поле при цьому направлено так, що феромагнітні частинки забруднень уловлюються на торцях уловлюючих дисків, не забиваючи отвору в них.

Для зручності регенерації очищувач виготовляється у вигляді двох уловлюючих систем. Дослідження очищувача були направлені на знаходження взаємозв'язку між параметрами перебігу рідини, конструктивними і силовими параметрами електромагнітного поля очищувача, для визначення їх раціональних значень, що забезпечують задану тонкість очищення.

Це вимагало визначити поле швидкостей в'язкої рідини, що рухається через уловлюючу систему, вираз для пондеромоторной сили, діючої на частинку забруднень з боку цих сил і сил гідравлічного опору. Використані допущення є загальноприйнятими при даних концентраціях забруднень і розмірах їх частинок. Допустимість їх, зокрема, доводиться Хаппелем і Бреннером.

Оскільки лінії струму при русі рідини в дисках є гіперболічними, функцію струму представлялася в координатах сплюснутого еліпсоїда, а потім переводилася в циліндрову систему координат.

де - маса частинки забруднення; - швидкості частинки і рідини відповідно; - пондеромоторная сила; - в'язкість рідини; - радіус частинки забруднення; - магнітна проникність вакууму; - магнітна сприйнятливість феромагнітної частинки; - сила струму; - кількість витків; - радіус уловлюючого диска; - відстань між уловлюючими дисками; - циліндрова система координат; V- об'єм частинки забруднення; - витрата рідини; - радіус отвору в диску; - система координат сплюснутого еліпсоїда.

В цій системі рівнянь перші два рівняння є законом руху частинки в проекції на циліндрові осі координат ; третій і четвертий вираз - пондеромоторна сила; п'яте і шосте - складові швидкості рідини; останні два - перехід від циліндрової системи до системи координат сплюснутого еліпсоїда.

Для вирішення цієї системи диференціальних рівнянь була розроблена модель і структурна схема на основі програми Matlab (рис.3).

За допомогою цієї моделі була побудована різні залежністі основних характеристик очищувача від часу для електромагнітного фільтру при варієруємих параметрах рідини і фільтру: в'язкість рідини, витрата, радіус уловлюючого диска, відстань між дисками, діаметр отворів в диску, сила, що намагнічує, магнітна проникність.

Оскільки описаний вище очищувач потребує періодичної зупинки, розбирання і очищення деталей уловлюючої системи від забруднень, що осіли на них, нами був запропонований фільтр з електромагнітним полем, що біжить, зображений на рис. 4

Рис.3. Структурна схема моделі електромагнітного фільтру з складною конфігурацією магнітного поля.

Цей очищувач дозволяє економити електроенергію, зняти проблеми з регенерацією очищувача, а також понизити витрату електротехнічної сталі за рахунок відсутності уловлюючої системи як це було в раніше розроблених фільтрах з складною конфігурацією магнітного поля.

На зовнішній поверхні корпуса 2 розташована у верхній частині електромагнітна система 3, створює магнітне поле, що біжить. Магнітне поле з одного боку, притягає феромагнітні частинки, що знаходяться в зазорі між корпусом 2 і відвідною рідину трубою 1, до зовнішньої стінки фільтру, а з другого боку переміщає притягаючі феромагнітні частинки у бік бункера 5, де вони утримуються електромагнітом постійного струму 4.

Рухоме магнітне поле створюється короткочасною подачею напруги на окремі катушки електромагнітної системи. Закон зміни електромагнітного поля усередині очищувача залежить від в'язкості рідини, параметрів частинок забруднення і т.д. При необхідності видалення відокремлених від рідини феромагнітних частинок з очищувача електромагніт 4 відключається від мережі і відкривається затвор 6. Обчищена рідина через вихідну трубку поступає до споживача.

Рис.4. Електромагнітний очищувач з рухомою хвилею: 1 - вихідна трубка; 2 - корпус фільтру; 3 - електромагнітна система; 4 - постійний електромагніт; 5 - збираючий бункер; 6 - затвор.

Розрахунок поля швидкостей під дією гідродинамічних і пондеромоторних сил діючих на частинку забруднень в кільцевій щілині як в радіальному так і вертикальному напрямах дозволили побудувати наступну математичну модель.

де - радіус фільтру; - довжина внутрішньої труби - перепад тиску; - висота щілини.

Для вирішення одержаної системи диференціальних рівнянь була розроблена автором структурна схема і одержані рішення цієї системи з використанням програми «Matlab». Розроблена структурна схема моделі фільтру зображена на рис. 5.

Ця модель дозволяє врахувати початкові і граничні умови в системі рівнянь, що описують очищувач з магнітною рухомою хвилею

За допомогою цієї структурної моделі була одержана залежність координат частинки, пондеромоторной сили, діючої на неї, сил опору протидіючих її руху, швидкодії очищувача від конструктивних розмірів, сили, швидкості рухомого електромагнітного поля і в'язкості рідини, що намагнічує.

Експериментальні дослідження на стендах очищувачів з складним електромагнітним полем і з рухомим електромагнітним полем проводилися залежно від витрати рідини, що очищається, і її в'язкості відстані між дисками і сили, що намагнічує, для першого з очищувачів, частоти перемикання обмоток - для другого.

Як критерій оптимізації був вибраний ступінь очищення, визначуваний по ГОСТ 17216-71 виразом

,

де - індекси забрудненості до і після очищувача відповідно.

Рис.5. Структурна схема моделі очищувача з електромагнітною рухомою хвилею в програмі «Маtlab».

Індекс забрудненості визначається:

де - кількість частинок в 100 мл в інтервалі від до мкм;

- кількість волокон.

Сила, що намагнічує, контролювалася по величині напруги на обмотці електромагнітної системи. Швидкість потоку рідини визначалася по її витраті - , а в'язкість рідини змінювалася за рахунок зміни її температури.

Випробування проводилися на спеціально виготовленому стенді в широкому діапазоні витрати рідини через дослідні екземпляри (від 6 до 30 л/хв) і температури рідини.

В результаті максимальна розбіжність між теоретичним і експериментальним значенням ступеня очищення склала 16%, що з урахуванням можливої погрішності визначення гранулометричного складу забруднень цілком допустимо.

Виготовлені очищувачі випробувані в промислових умовах ремонтно-транспортного цеху Алчевського відділення компанія «Луганськвода» при регенерації мінеральних масел, що використовуються при роботі дизельних двигунів. В результаті при обкатці двигунів кратність використовування одного і того ж масла досягла 5 разів замість 3-х, а вартість очищувача окупилася через 0,5 роки.

Можна вважати встановленим:

- дослідження запропонованого і виготовленого очищувача з складною конфігурацією магнітного поля показали, що збільшення витрати і в'язкості рідини незначно зменшують ступінь очищення, а збільшення радіусу уловлюю чого диска і відстані між дисками знижують ступінь очищення. Збільшення величини струму підвищує ступінь очищення до певної величини, після чого ступінь очищення не змінюється, але збільшуються теплові втрати.

- дослідження запропонованого і виготовленого очищувача з рухомим магнітним полем показали, що збільшення сили струму і діаметра частинки приводить до підвищення швидкодії очищувача і ступеня очищення, але швидкодія лінійно залежить від температури рідини (в'язкості) і не залежить від витрати.

- очищувачі з складною конфігурацією магнітного поля доцільно використовувати для очищення більш в'язких рідин, а фільтри з рухомим магнітним полем - для рідин з малою в'язкістю.

- результати експериментальних і промислових випробувань дослідних зразків очищувачів підтвердили теоретичні розрахунки і висновки, а також економічну і технічну доцільність використовування розроблених очищувачів в існуючих гідросистемах.

У третьому розділі викладені результати розробки очищувачів робочих рідин динамічних насосів.

В роботі детально розглянуто проблему створення вхідних очищувачів середовища, яке перекачується, для динамічних насосів. Зроблено висновок про необхідність розробки типорозмірного ряду таких очищувачів, які були б однотипними (взаємозамінними) для однотипних насосів - енергетичних, насосів систем підтримки пластового тиску нафтових родовищ, насосів шахтного водовідливу та інших.

Виходячи з наявного досвіду зроблено висновок - таким типовим очищувачем може бути гідродинамічний очищувач. В роботі наводяться результати розробки типового очищувача на параметри насосу систем ППТ нафтових родовищ ЦНС-180. Основним недоліком розробленого типового представника очищувачів, які створювались, є наявність перепаду тиску на очищувачі - цим на визначену величину погіршується всмоктувальна здатність динамічного насосу і виникає загроза появи в ньому кавітаційних явищ. Для усунення цього недоліку запропоновано технічне рішення - перехід на рециркуляційну схему - забезпечити комбіноване використання у вхідному очищувачі гідродинамічного очищувача та струменевого насосу, який живиться потоком рідини з лінії нагнітання динамічного насосу (рис.6).

Підтвердженням працездатності запропонованої схеми є роботи Б.І. Боровського, Б.Ф. Лямаева. Додаткову перевірку проведено в лабораторії шахтного водоотліву ДонДТУ на насосі ЦНС 60-66.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Принципова схема всмоктуючого пристрою з рециркуляцією частин потоку, якій нагнітається: 1 - споживач; 2 - обвідний трубопровід; 3 - дросель-вентиль; 4 - насос; 5 - очищувач; 6 - струменевий насос; 7 - всмоктувальний трубопровід; 8 - дросель; 9 - мановакуумметр; 10 - манометр.

За отриманими результатами - введення рециркуляційного потоку (45% подачі) навіть без струменевого насосу, підвищує всмоктувальну здатність динамічного насосу на 0,02МПа, що досить для компенсації перепаду тиску на гідродинамічному очищувачі. Таким чином, ми вважаємо що, запропоноване технічне рішення повністю вирішує проблему створення вхідних очищувачів для динамічних насосів.

В роботі окремо розглянута проблема створення очищувачів для потоків охолоджуючих та мастильних рідин динамічних насосів. Зроблено висновок, що дана проблема також може вирішуватись шляхом використання гідродинамічних очищувачів, вбудованих в лінії подачі відповідних рідин. На рис.7 наводиться принципова схема такого очищувача.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.7. Схема неповнопоточного очищувача.

Встановлюється очищувач в лінії нагнітання відповідної рідини. Як показано на рис.2 схематично очищувач є вставкою в трубопровід 1, має відгалуження 4 на трубку, в яку поступає рідина з високими вимогами до її чистоти. Вставка складається з фільтруючого сітчастого циліндра 3 і корпуса вставки 2. При включенні вентиля подачі рідини, що очищається, частина рідини поступає по трубопроводу 4, яка очищалася перегородкою 3.

В роботі наводиться методика розрахунку та приклади розрахунків таких очищувачів. Дана розробка впроваджена на Сумському заводі «Насосенергомаш». Нарешті, в роботі розглянута теорія і практика проектування вузлів шпаринних ущільнень динамічних насосів, розроблено спосіб додаткового захисту вказаних ущільнень від абразивного зносу шляхом використання гідродинамічного ефекту розподілу фаз робочої рідини.

В даному випадку мова іде про вказані ущільнення динамічних насосів, через які витоки відбуваються у напрямі від центру (вісь ротора) до периферії (зовнішній діаметр робочого колеса). Такі напрями руху витоків мають місце у деяких існуючих насосах, або можуть бути створені (робота Яхненко С.М.) примусово. В таких ущільненнях задача захисту вирішується за рахунок гідродинамічного ефекту - шляхом забезпечення відповідного співвідношення між швидкістю потоку рідини, який протікає через ущільнення і швидкістю основного потоку, який протікає через робоче колесо (рис.8). Співвідношення між вказаними швидкостями, яке забезпечує захист ущільнення від потрапляння твердих часток, наступне - , де - швидкість рідини, яка рухається через ущільнення; - швидкість основного потоку рідини, що рухається вздовж ущільнення; - найбільший розмір забруднюючих частинок, що не викликають зношення поверхні ущільнень; - розмір щілини між нерухомою поверхнею ущільнення і поверхнею, що рухається.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.8. Розрахункова схема шпаринного ущільнення динамічного насосу.

Висновки

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної задачі - вдосконалюванню очищувачів робочих рідин насосів з використанням гідроелектричних технологій.

Основні результати і висновки по даній роботі такі:

1. Розроблений, теоретично і експериментально обґрунтований, принципово новий клас гідродинамічних очищувачів робочих рідин гідравлічних систем, в яких робочий процес базується на комбінованому використанні гідроелектричних технологій, зокрема шляхом використання в якості джерела руху часток в одному із напрямів пондеромоторних сил.

2. Створені експериментальні та промислові зразки електромагнітних очищувачів нового принципу дії (зі складною конфігурацією магнітного поля і з бігучою електромагнітною хвилею), при цьому проведені стендові і промислові випробування підтвердили технічні параметри, отримані аналітичним шляхом, зокрема, значно вищу тонкість очищення (до 10 мкм), зниження експлуатаційних витрат по витраті енергії (у 2 рази) і підвищення економічної ефективності в промислових умовах (зниження вжитку змащувальних матеріалів на 30%).

3. Доведена доцільність і можливість використання очищувачів робочих рідин, розроблених для об'ємних гідромашин, стосовно гідродинамічних машин, у тому числі: - запропонована принципова нова конструкція для очищення середовища, яке перекачується динамічними насосами без погіршення всмоктуючої здатності останніх.

4. Вперше розроблені конструкції і створені інженерні методики розрахунку очисників для систем мастильної та охолоджуючої рідин динамічних насосів.

5. Розширена теорія і практика проектування вузлів шпаринних ущільнень динамічних насосів, що забезпечують додатковий захист цих ущільнень від абразивного зношування шляхом використання гідродинамічного ефекту розділення фаз робочої рідини.

Список опублікованих праць здобувача

1. Финкельштейн З.Л., Гидродинамическая очистка жидкостей./ З.Л. Финкельштейн, Л.Н. Бойко, Н.З. Бойко //- Тр. НИИ прикладных проблем гидроаэромеханики и теплообмена. - Черкассы. Изд. ЧИТИ, 1997.- С. 29-35. (автором запропоновані нові схеми очищення рідин).

2. Бойко Н.З. Расчет намагничивающей силы при электромагнитной очистке./ Н.З.Бойко, М.А.Ямковая // Проблемы создания новых машин и технологий: Тр. Кременчугского политехн.у-та. Вып. 1. 2001. - С. 521-533. (теоретичні дослідження).

3. Финкельштейн З.Л. Фильтры сверхвысокой пропускной способности / З.Л. Финкельштейн, Н.З. Бойко// - Вестник НТТУ “КПИ”. Машиностроение. Вып. 41, 2001, С.102-194. (питання виникнення забруднень рідини і можливості їх очищення).

4. Пат. А:134688 Польша Filtr dynamiczny do cieczy. В01Д29/11/ Wasylecko Zenon, Bojko Nikolaj Zelmanowicz. // Biuletyn urzedu patentowego, Nr3 (733)2002.07.24 (обґрунтовані принципи очищення в силових полях).

5. Финкельштейн З.Л. Применение гидродинамических фильтров в оборудовании горно-металлургическго комплекса./ З.Л. Финкельштейн, Н.З. Бойко // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины, - “Дніпровська навчальна книга”, N13, т.2, 2002. - С.85-89. (питання виникнення забруднень рідини і можливості їх очищення).

6. Z.Фinkelshtein Опыт диагностики рабочих гидравлических жидкостей./ Z.Фinkelshtein, N.Boyko.// - Technicra diagnostika strojй a vyrobnicka univerzita Ostrava. Asociace technickych diagnostaru Ceska republiky. - Dolu Paskjb, 2003. (діагностичні принципи контролю чистоти рідини).

7. Пат. № 9771 Очисник FIL55/24 /Финкельштейн З.Л., Пляцук Л.Д., Бойко Н.З. опуб. 17.10.02 Бюл.№10. (обґрунтовані принципи очищення в силових полях).

8. Бойко Н.З. Фильтр с бегущей электромагнитной волной./ Н.З. Бойко // Сб. научных трудов ДонГТУ, - Алчевск, N19. 2005. - С.314-322. (розглянути принципи роботи фільтра).

9. Евтушенко А.А. Математическая модель гидродинамического фильтра с бегущим магнитным полем./ А.А. Евтушенко, Н.З. Бойко // Вісник Сумського державного університету „Технічні науки” №1 -Суми, СумДУ, 2007, -С.16-22. (теоретичні дослідження).

10. Бойко Н.З. Электрогидравлические методы очистки жидкости от ферромагнитных частиц./ Н.З.Бойко, А.А. Евтушенко // Вісник Східно-Українського національного університету ім. В.Даля.№3(109), част.2, 2007. -С.34-38.( автором запропоновані нові схеми очищення рідин).

11. N.Bojko Filtr for water cleaning with running magnetic field. / . N.Bojko, M.Yamkowaja // Motorization and power industry in agriculture. Tom 10A, Lublin, 2008. s.31-36. (теоретичні дослідження).

12. Бойко Н.З. О необходимости и целесообразности использования электрогидравлических технологий очистки рабочих жидкостей применительно к динамическим насосам / Н.З. Бойко // Вісник Сумського державного університету „Технічні науки” №1 -Суми, СумДУ, 2009, -С.14-20. (обґрунтована можливість використання очищувачів вказаного типу в динамічних насосах).

Підписано до друку ___.___.2009. Формат 60х90/16. Папір офсетний.

Наклад 100пр. Обл.-вид.арк. 0,8. Гарнітура

Замовлення № Ум. друк. арк. 1,1. Times New Roman Cyr. Друк офсетний.

Видавництво СумДУ. Свідоцтво №3062 від 17.12.2007 р.

40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.

Друкарня СумДУ, 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.

Размещено на Allbest.ru

...