CC BY
1
УДК 621.6: 664
АЛГОРИТМ ВЫБОРА ОДНОВИНТОВЫХ НАСОСОВ В ПИЩЕВОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Н.Л. Великанов1, В.А. Наумов2
Калининградский государственный технический университет (КГТУ),
Россия, 236000, г. Калининград, Советский пр., 1.
Получены зависимости подачи, мощности одновинтового насоса Atlas W53 от частоты вращения ротора при различных давлениях, определено влияние вязкости жидкости на подачу и затраченную мощность. Установлена связь стоимостных характеристик и подачи одновинтовых насосов при максимальном перепаде давления.
Ключевые слова: одновинтовой насос, частота вращения ротора, вязкость жидкости, затраченная мощность.
ALGORITHM FOR SELECTING SINGLE-SCREW PUMPS IN THE FOOD INDUSTRY
N. L. Velikanov, V. A. Naumov
Kaliningrad State Technical University (KSTU), Russia, 236000, Kaliningrad, Sovetsky Ave., 1.
The dependences of the supply and power of the Atlas W53 single-screw pump on the rotor speed at different pressures are obtained, the influence of the viscosity of the liquid on the supply and the power consumed is determined. The relationship between the cost characteristics and the flow rate of single-screw pumps at maximum pressure drop has been established.
Keywords: single-screw pump, rotor speed, fluid viscosity, power consumed.
Введение
В пищевой промышленности широко применяются одновинтовые насосы (ОВН) для транспортирования жидких компонент. Среди преимуществ ОВН можно назвать: равномерную подачу перекачиваемой среды без скачков давления и пульсаций, широкую номенклатуру перекачиваемых веществ, включая высоковязкие и пастообразные, низкую шумность и вибрацию при работе, отсутствие перемешивания при транспортировании, точную регулировку производительности в широком диапазоне, бесперебойную работу в среде с газовыми пробками, широкий спектр дополнительного оснащения, автоматизации.
Усовершенствованию транспортирования жидкостей с помощью ОВН посвящено большое количество публикаций [1-6].
Несмотря на многочисленные опубликованные результаты исследований, выбор ОВН для использования в пищевой промышленности весьма затруднен. Дело в том, что производители ОВН [7-10] приводят значения технических параметров своих агрегатов, полученные в результате испытаний при перекачивании воды. Тогда как вязкость жидких пищевых продуктов может превосходить вязкость воды в сотни и тысячи раз.
Кроме того, ни в одной из перечисленных выше публикаций не затронут вопрос стоимостных характеристик ОВН. Цель данной статьи - рассмотреть указанные вопросы и предложить рекомендации по выбору ОВН для использования в пищевой промышленности.
Методика расчета
Исследования [1, 5, 6], проведенные на воде, показали, что подача ОВН Qo и затраченная мощность No зависят линейно от частоты вращения ротора (ЧВР) n и нелинейно - от напора (перепада давления AP). Экспериментальные точки подачи ОВН хорошо описываются следующей зависимостью:
Qo = W(n - no), (1)
где no - минимальная ЧВР начала перекачивания жидкости, об/мин; Vi - объем жидкости, перекачиваемой за один оборот ротора (при no=0), м3.
В общем случае, имеет место нелинейная зависимость no и V1 от перепада давления:
no = fo(p)n, Vi = fi(p)n p = AP/Pa, (2) где p - безразмерный перепад давления; PA - атмосферное давление, кПа.
1Великанов Николай Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой судостроения, судоремонта и морской техники, тел. 8 (4012) 56 48 02; e-mail: [email protected];
2Наумов Владимир Аркадьевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой техносферной без-
опасности и природообустройства, тел. 8 (4012) 99 53 37; e-mail: [email protected].
Зависимость затраченной мощности ОВН от ЧВР и перепада давления, как в [5], аппроксимируем формулой
N0 = An, A = f2(p), (3)
где A - работа ОВН за один оборот ротора.
Исходные данные
На рис. 1 показан внешний вид ОВН компании Alpha Dynamic Pumps [7] с загрузочным бункером и шнеком. Технические и стоимостные характеристики этих насосов представлены в табл. 1 (np - ЧВР, указанная как рабочая).
Рисунок 1 - Одновинтовой насос Atlas WSM с загрузочным бункером и шнеком [7]
Таблица 1 - Характеристики ОВН компании Alpha
D
Модель Up, об/мин Подач®(м3/час) при a AP Цена, тыс. РУб
200 кПа ^400 i кПа 600 кПа
Atlas W21-1B 750 2.52 c P2,47 2.33 254,65
Atlas W31-1B 750 7.0 m 6,1 p 5.2 327,36
Atlas W38-1B 520 12.5 s 11.0 8.0 482,57
Atlas W45-1B 520 20.8 19.5 15.6 521,40
Atlas W53-1B 370 24.0 20.9 17.1 652,41
Atlas W63-1B 370 41.0 37.0 32.6 797,94
На рис. 2 показано устройство ОВН завода «Диспергатор» [9]. Технические и стоимостные характеристики этих насосов представлены в табл. 2.
Рисунок 2 - Устройство одновинтового насоса ОНВ [9]: 1 - винт (ротор), 2 - обойма (статор), 3 - торсион, 4 - торцевое уплотнение, 5 - корпус насоса, 6 - подшипниковый корпус, 7 - муфта,
8 - электропривод, 9 - рама
Заметим, что в табл. 1 и 2 стоимостные показатели были указаны на 01. 10.2023, но имеется примечание, что их нужно уточнять у менеджера по продажам. Тем не менее, общие закономерности могут быть проанализированы.
Результаты и их обсуждение
На рис. 3, 4 представлены зависимости подачи и затраченной мощности ОВН компании А1-падах давления. Видно, что результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Н.Л. Великанов, В.А. Наумов
,, Ар, кВт
Таблица 2 - Характеристики одновинтовых насосов ОВН завода «Диспергатор» [9, 11]
Модель Подача, м3/час (при ДР=500 кПа), Мощность, кВт Пр, об/мин Цена, тыс. руб.
ОНВ-1-00 0,7 1,1 750 86,8
ОНВ-1-01 0,9 1,1 1000 86,8
ОНВ-1-02 1,5 1,1 1500 86,8
ОНВ-2-00 1,6 1,1 750 105,0
ОНВ-2-01 2,0 1,5 1000 105,0
ОНВ-2-02 3,0 2,2 1500 105,0
ОНВ- 3-00 2,5 1,1 750 113,4
ОНВ-3-01 3,5 1,5 1000 113,4
ОНВ- 3-02 5,0 2,2 1500 113,4
ОНВ-4-00 3,0 1,1 750 122,5
ОНВ-4-01 4,0 1,5 1000 122,5
ОНВ-4-02 6,0 2,2 1500 122,5
„ О0; м/'час.
60
45
30
2, 1 ф
____
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 л, об./мин
Рисунок 4 - Зависимость мощности ОВН Atlas W53 от ЧВР при различных давлениях: 1 - p = 0,
2 - p = 2, 3 - p = 4, 4 - p = 6. Точки - экспериментальные данные [7], линии - расчет по (3)
Опорные точки в табл. 2 позволили восстановить зависимость подачи винтовых насосов серии ОНВ от ЧВР при наибольшем допустимом перепаде давления (ДР=500 кПа). По рис. 5 видно, что опытные точки хорошо ложатся на прямые, проходящие через начало координат. Это случай довольно распространен. Ему соответствуют экспериментальные данные нескольких компаний [7, 8]. Разработанный метод позволяет пересчитать зависимости на рис. 5 на меньшие значения ДР.
4/
3/"
_1___
200
400
600
800
1000 1200 1400 п, об./мин
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 п, об./мин
Рисунок 3 - Зависимость подачи ОВН Atlas W53 от ЧВР при различных давлениях: 1 - p = 0,
2 - p = 2, 3 - p = 4, 4 - p = 6. Точки - экспериментальные данные [7], линии - расчет по (1)
Рис. 3 - 5 построены по результатам испытаний, проведенных при перекачивании воды. Далее необходимо учесть влияние вязкости перекачиваемой жидкости на нагрузочные характеристики ОВН. В [4] с помощью анализа экспериментальных данных были получены эмпирические формулы для безразмерной подачи Qb и затраченной мощности Nb: (справедливость формул под-т
в Qb = Q/Q0 = 1 - 0,000780^(vb - 1), (4)
е р
Рисунок 5 - Зависимость подачи винтовых насосов серии ОНВ от ЧВР при р = 5:
1 - ОНВ-1, 2 - ОНВ-2, 3 - ОНВ-3, 4 - ОНВ-4. Точки - данные испытаний из табл. 2, линии - расчет по формуле (1)
т = N/N0 = 1 + 0,001765^Ь - 1), (5) где vb = v/vo, V - коэффициент кинематической вязкости перекачиваемой жидкости, м2/с; Vo - коэффициент кинематической вязкости воды при 20°С, м2/с; Qo, N0 - соответственно, значения подачи и затраченной мощности ОВН, полученные при перекачивании воды; Q, N - при перекачивании пищевой жидкости.
На рис. 6 представлены результаты расчета по формулам (4), (5). Видно, что с увеличением вязкости пищевой жидкости подача ОВН заметно падает, а затраченная мощность возрастает. Т а к
д
е н
р и
Q, мУчас.
25
22
19
16
13
10
а)
10
5
6 4
0 150 300 450 vb iV, кВт
б) 3
i—"
150
300
450 vb
130 L20 110 100 50 80
С, тыс. руб.
а)
1
3 4 5 6 0, м^час.
800
600
400
200
F"*—
• б)
О
10 20 30 40 О, и/'час.
Рисунок 6 - Влияние вязкости жидкости на подачу (а) и затраченную мощность (б) ОВН Atlas W53 при n = 370 об/мин и разных перепадах
давления: 1 - p = 2, 2 - p = 3, 3 - p = 5
На рис. 7 показана связь стоимостных характеристик с подачей ОВН при максимальном перепаде давления Atlas W53 и ОНВ-4. Видно, что эта связь может быть, вполне удовлетворительно аппроксимирована параболической функцией, коэффициенты которой зависят от технических параметров и особенностей конструкции серии ОВН.
Заключение
Таким образом, можно рекомендовать следующую последовательность выбора ОВН:
Задать необходимый в технологическом процессе расход пищевой жидкости (компонента) Q, транспортируемой по трубопроводу.
Определить коэффициент кинематической вязкости этой жидкости при заданных условиях (температуре транспортирования) v; найти отношение vb = v/vo.
По гидравлической схеме технологического трубопровода рассчитать потери давления ДР при течении пищевой (неньютоновской) жидкости с расходом Q.
Рисунок 7 - Связь стоимостных характеристик и подачи ОВН при максимальном перепаде давления: а - Atlas W53 (при n = 370 об/мин), б - ОНВ-4 (при n = 1500 об/мин)
По формуле (4) найти, какой большей подаче на воде Qo соответствует рассчитанный выше расход жидкости Q.
По таблицам технических параметров (см. табл. 1 и 2) подобрать ОВН с наиболее близкими значениями Qo и ДР. При необходимости уточнить требуемую ЧВР (см. рис. 3, 5).
Аналогичным образом рассчитать затраченную мощность ОВН при транспортировке пищевой жидкости N, и какой меньшей мощности на воде No она соответствует.
Проверить достаточность мощности электродвигателя в компоновке, предлагаемой производителем.
Оценить стоимостные характеристики установки (см. рис. 7).
Литература
1. Nelik L., Brennan J. Progressing Cavity Pumps Down-hole Pump and Mudmotors. Houston, Texas: Gulf Publishing Company, 2005. 214 p.
Балденко Д.Ф., Балденко Ф.Д., Гноевых А.Н. Одновинтовые гидравлические машины. В 2 т. - М.: ООО «ИРЦ Газпром».-2005. - Т.1 Одновинтовые насосы. - 488 с. Bi H, Wu M and Zhang X 2016 Design of parameters optimization system for crew pump well // Int Journal of Simulation: Systems, Science and Technology. 2016. Vol. 17, pp. 11-16.
Великанов Н.Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Работа одновинтовых насосов с жидкостями различной
вязкости // Технико-технологические проблемы сервиса. 2020. № 4 (54). С. 40-44.
5. Наумов В.А. Оценка влияния вязкости жидких пищевых продуктов на нагрузочные характеристики одновинтовых насосов // Техника и технология пищевых производств. 2021. Т. 51, № 2. С. 290-300.
6. Akhmedova N.R., Naumov V.A. Determination of the load characteristics of singlescrew pumps used at the enterprises of the agroindustrial complex // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022. 1045 012074.
7. Alpha Dynamic Pumps Atlas WSM [Electronic resource]. URL: https://www.alphadynamic.eu/products/at-las-progressive-cavity-pump/atlas-wsm/ (date of access: 01.10.2023).
8. CSF Inox Eccentric Screw Pumps [Electronic resource]. URL: https://www.csf.it/en/products/volumetric-pumps/eccentric-screw/mc-series/ (date of access: 01.10.2023).
Завод «Диспергатор». Винтовые насосы ОНВ [Электронный ресурс]. URL: https://zavod-dispergator.ru/na-s
ГМС Гидромаш. Технические руководства [Электронный ресурс]. URL: https://www.hms-livgidro-
y
onv/ (дата обращения: 01.10.2023). Русская ферма. Винтовые насосы [Электронный ресурс]. URL: https ://www. russkayaferma.ru/cata-
УДК 621.64: 621.67
РЕШЕНИЕ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ ЗАДАЧ В СИСТЕМАХ С СЕКЦИОННЫМИ ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАСОСАМИ
Н.Л. Великанов1, В.А. Наумов2, С.И. Корягин3
1'2Калининградский государственный технический университет (КГТУ),
Россия, 236000, г. Калининград, Советский пр., 1;
3Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. Канта),
Росссия, 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14.
Описаны метод и алгоритм расчетов при выборе варианта секционного центробежного насоса по гидравлическим и стоимостным параметрам. Приведены примеры расчетов. Показана нелинейность решаемой задачи.
Ключевые слова: секционные центробежные насосы, номинальная подача, стоимостные параметры, задача оптимизации.
SOLVING OPTIMIZATION PROBLEMS IN SYSTEMS WITH SECTIONAL CENTRIFUGAL
PUMPS
N. L. Velikanov, V. A. Naumov, S. I. Koryagin
Kaliningrad State Technical University (KSTU), Russia, 236000, Kaliningrad, Sovetsky Ave., 1.
Immanuel Kant Baltic Federal University (IKBFU), Russia, 236041, Kaliningrad, st. A. Nevsky, 14
The method and algorithm of calculations when choosing the option of a sectional centrifugal pump according to hydraulic and cost parameters are described. Examples of calculations are given. The nonlinearity of the problem being solved is shown.
Keywords: sectional centrifugal pumps, nominal flow, cost parameters, optimization problem.
Введение
Исследованию характеристик центробежных насосов посвящено большое количество статей [1-4]. Так в [1] описана платформа с открытым исходным кодом для решения сложных задач оптимизации, которая предоставляет множество
возможностей, включая эволюционные алгоритмы, алгоритмы роевого интеллекта, алгоритмы многоцелевой оптимизации, алгоритмы оптимизации с поддержкой.
1Великанов Николай Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой судостроения, судоремонта и морской техники, тел. 8 (4012) 56 48 02; e-mail: [email protected];
2Наумов Владимир Аркадьевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой техносферной безопасности и природообустройствател. 8 (4012) 99 53 37; e-mail: [email protected];
3Корягин Сергей Иванович - доктор технических наук, профессор, профессор образовательно-научного кластера «институт высоких технологий», тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: [email protected].
