CC BY
39
УДК 629.7.063.6.
ГАЗОЖИДКОСТНАЯ ОЧИСТКА ТРУБОПРОВОДНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ ИЗДЕЛИЙ, РАБОТАЮЩИХ ПРИ НИЗКОМ РАБОЧЕМ ДАВЛЕНИИ
© 1999 В.М. Решетов, В.И. Санчугов
Институт акустики машин, г. Самара
Разработана технология и создан стенд для газожидкостной очистки трубопроводных магистралей изделий, работающих при низком рабочем давлении. Принцип работы стенда заключается в частичном дозированном заполнении магистралей изделия порцией жидкости и проталкивании этой порции воздухом под давлением, не превышающем рабочего значения. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров газожидкостной смеси, выполнена оценка эффективности процесса очистки.
Одним из важнейших условий обеспечения функциональной и параметрической надежности гидравлических систем изделий машиностроения является соблюдение промышленной чистоты циркулирующей в системе жидкости.
Общеизвестно [1, 2], что присутствие в жидкости посторонних частиц и веществ (продуктов механической обработки, пыли, остатков шлифовальных и доводочных паст, сколы микронеровностей резьбовых поверхностей и т.д.) является одной из основных причин появления отказов и неисправностей в работе гидравлических систем.
Очистка трубопроводных магистралей изделий, работающих при низких рабочих давлениях (теплообменников, термоплат, панелей и т.д.) является весьма сложной задачей, связанной с ограничениями по давлению (не более 0,25...2,0 МПа (2,5...20 кГ/см2)), значительным гидросопротивлением (от 0,03 до 1,5 кГ/см2) и объемом (от 0,5 до 300-10"3м3 (0,5...300 л)), обусловленных большой протяженностью и разветвленностью магистралей.
В настоящее время очистка изделий низкого давления осуществляется путем прокачки моющей жидкости (чаще всего очищенным керосином или бензином) с расходами от 15 до 200-10-6м3/с (0,9... 12 л/мин). При этом скорость рабочей жидкости не превышает 0,6 м/ с для эквивалентного диаметра магистрали 22-10"3м. Проведен анализ эффективности действующей технологии путем отбора проб жидкости на входе и выходе промываемого
изделия, представляющего собой панель с внутренним диаметром 18 мм на следующих режимах: давление нагнетания за насосом Рнагн = 1,35 кГ/см2, давление на входе и выходе из изделия Р = 0,5 кГ/см2, Р = 0,15 кГ/
вх. вых.
см2, объемный расход Р = 22 л/мин.
Результаты анализа показали, что технологический процесс очистки обладает очень низкой эффективностью, так как за все время очистки количество частиц загрязнений, выносимых из изделия, незначительно превышает количество частиц, попадающих в изделие с моющей жидкостью. Об этом свидетельствуют и результаты наложения на изделие вибраций, при которых количество частиц на выходе резко возрастает.
Анализ существующих подходов к решению проблемы позволил сделать вывод о том, что использование таких интенсифицирующих методов, как очистка нестационарным (пульсирующим) потоком (необходимое минимальное давление Ртт >= 3,0 МПа) и искусственное введение твердых частиц в данном случае [1, 2, 5] не представляется возможным. Наиболее приемлемым является использование газожидкостного потока. В настоящее время разработан технологический процесс газожидкостной очистки с непрерывным вводом газа в поток жидкости, установлены оптимальные объемные газосодер-жания смеси Р, которые равны при отрыве Р = 0,74 ... 0,81 и выносе Р = 0,55 ... 0,6 частиц загрязнений. Однако и здесь существуют ограничения в связи с разветвленностью очи-
Рис. 1. Принципиальная схема стенда
щаемых каналов и их высоким гидросопротивлением.
С целью дальнейшего совершенствования процесса очистки разработан технологический процесс, заключающийся в частичном дозированном заполнении магистралей изделия порцией жидкости и проталкивании этой порции очищенным газом (воздухом) под давлением, не превышающим рабочего значения.
Процесс очистки газожидкостным потоком может быть представлен как трехфазная система (газ, жидкость, твердое тело) с четкими границами раздела фаз, полагая, что фазовые превращения отсутствуют. Такая система характеризуется рядом свойств, таких как смачивание, адгезионное взаимодействие, капиллярное давление, поверхностное натяжение на границе двух текущих фаз (газ -жидкость). Предварительные расчеты показали, что значения работы, затрачиваемой газом на адгезионный отрыв жидкости (~0,05 Дж), количества жидкости, оставшейся на стенках трубопровода (1ост< 3 мм при ёу=6 мм), капиллярного давления (менее 10 Па) малы и ими можно пренебречь.
Разработанный процесс очистки рас-
сматривался в общем виде как совокупность движения столбиков газа, заключенных между столбиками жидкости, с учетом потерь давления на трение газа и жидкости по длине трубопровода (Ь) диаметром (ё) и на изменение состояния газа при его расширении по изотермическому закону, поскольку относительная длина трубопровода (Ь/ё) обычно велика.
В результате теоретического совмещения расчетов и формул, описывающих отдельно газовое и жидкостное трение по трубопроводу, составлена методика расчета газожидкостного течения, позволяющая определить параметры потока во входном сечении: давление на входе в трубопровод и скорость движения столбика жидкости на начальном участке. Расчет параметров производится путем последовательных решений на ЭВМ системы уравнений:
Р„=м К /а> т(«„ 2/28)+Рн,-.;
Р., = <р,2 + X [1, Р„о , ,2/(ки1) (1/ Р,)]}1'2;
Ч.М = “,Г Р„и „(1/ Р„ -1/ Р,м>>
где Р - давление газа на входе в трубопровод;
Рн,, Рк, - давление газа в сечении, находящемся соответственно ближе к началу и концу трубы;
X- коэффициент потерь на трение газа;
Я - универсальная газовая постоянная;
Т - температура газа;
1,- длина столбика газа в начале трубы;
и и>кР и>к,+1- скорости столбика жидкости соответственно на входе, в ьм и (,+1)-м сечениях трубы;
1ж- длина столбика жидкости;
ё - внутренний диаметр трубопровода;
1- коэффициент сопротивления жидкости;
у - удельный вес жидкости.
Главным условием достижения заданного класса чистоты трубопроводов по ГОСТ 17216-71 является создание на стенках трубопровода соответствующих значений касательного напряжения (т ) [2]. Так, например, для достижения 6-го класса чистоты необходимо создать касательное напряжение,
Рис. 2. Циклограмма работы распределителя
з
*
з
Время очистки, мин х - газожидкостная очистка; о - очистка прокачкой жидкости
Рис. 3. Сравнительный анализ эффективности газожидкостного и стационарного способов очистки
равное 2000 Па, тогда средняя по сечению минимально необходимая скорость для жидкости АМГ -10 (р=850 кг/м3) равна
и= [8Тп0тр./(Хр)]1/2 - 28 м/с.
Проведенные исследования влияния параметров процесса на значения потребного давления на входе и длины промываемого трубопровода при потребной скорости на входе ивх = и о показали следующее.
1. Наиболее существенное влияние на длину очищаемого трубопровода оказывают его внутренний диаметр, давление на входе и длина столбика газа. При этом для протяженных газовых участков (более 20 м) при повышении давления на входе наблюдается уменьшение длины эффективно очищаемого трубопровода. Это позволяет увеличивать длину очищаемого трубопровода при небольших давлениях на входе.
2. Увеличение длины столбика жидкости приводит к незначительному уменьшению длины эффективно очищаемого трубопровода и резкому увеличению давления на входе.
3. Увеличение касательных напряжений из-за перестройки профиля скоростей жидкости по сечению трубопровода приводит к снижению потребной скорости на входе в трубопровод.
Данные выводы были подтверждены
экспериментальными исследованиями, проведенными на натурном трубопроводе длиной 92 м и внутренним диаметром ёу = 10 мм. При этом определялось оптимальное соотношение столбиков жидкости (1ж = 0,05; 0,1; 0,3;
0,5) и газа (1г = 5; 10; 15; 30) по соотношению скорости движения столбика жидкости и давления на входе в трубопровод. Наибольшая скорость течения смеси при наименьших энергозатратах получалась при соотношении 1г-ж = 1ж/1г = 0,1/15 для данного трубопровода (ил1 = 15 м/с). Кроме этого, установлено, что при увеличении давления на входе свыше 2,0 МПа скорость течения увеличивается незначительно, поэтому увеличение давления свыше 2,0 МПа для данного трубопровода нецелесообразно. При этом сказывается эффект газового течения по трубам круглого сечения.
На основе проведенных исследований был разработан и изготовлен стенд ПГЖ 01.00.000 для газожидкостной очистки трубопроводных магистралей изделий низкого давления, схема которого представлена на рис. 1. Основными устройствами стенда являются дозатор-порционер (ПР) и дроссельный распределитель (РП). Дозатор обеспечивает формирование и контроль объема порций жидкости, а распределитель организует выдачу этих порций в изделие и проталкивание их по каналам изделия. Работа стенда осуществляется в автоматическом режиме в соответствии с циклограммой (рис. 2). Очищенная жидкость от насосной станции через штуцер Ш1, открытый вентиль ВН2 (вентиль ВН1 закрыт), обратный клапан ОК поступает в полость дозатора и к штуцеру “Б” распределителя. При этом газовая полость дозатора через канал распределителя “А-В” сообщается со сливной линией стенда. Происходит заполнение полости дозатора. Г аз через штуцер Ш2, редуктор давления РД1 и канал распределителя “Г -Д” поступает в очищаемое изделие (87о30’-145о). При угле поворота 145о-165о каналы “А-В”, “Г-Д” распределителя закрываются и подача газа в изделие прекращается. При дальнейшем повороте распределителя (180о) газ от редуктора РД2 поступает через канал “Е-А” в газовую полость дозатора. Под давлением газа жидкость по каналу “Б-Д” поступает в очищаемое изделие.
После этого канал “Б-Д” закрывается и цикл очистки повторяется.
Экспериментальная оценка эффективности разработанного технологического процесса проводилась в ГНП РКЦ “ЦСКБ-Прогресс” (г.Самара) при повторной очистке предварительно промытой по действующей технологии в течение 6 часов панели. В качестве насосной станции использовался стенд центробежной очистки гидрожидкостей СОГ-904, заправленный керосином. В качестве источника воздуха - магистраль высокого давления с установленными в ней дополнительными фильтрами. Анализ чистоты проб жидкости выполнялся на приборе АЗЖ-905.
Эффективность газожидкостного способа очистки оценивалась по числу дополнительно выносимых частиц загрязнений из каналов изделия, предварительно очищенных по действующей технологии.
Оценка чистоты изделия по действующей технологии осуществлялась при подаче потока жидкости из стенда С0Г-904 через вентиль ВН1 (вентиль ВН2 закрыт) в изделие при выключенном распределителе РП. Давление на входе в изделие составило 0,11 МПа (1,1 кГ/см2). Эффективность очистки определялась как разность количества частиц загрязнений между входом Квх и выходом N : АК = N - N . Результаты анализов
вых. вых. вх. *
проб жидкости показали, что по условиям действующей технологии изделие считается промытым и удовлетворяющим ТУ (отсутствуют механические частицы размером более 40 мкм).
Очистка изделия по разработанной технологии проводилась при том же давлении нагнетания керосина путем включения привода распределителя РП и установления ча-
стотой вращения объема порции жидкости, равного 250см3 при открытом вентиле ВН2 и закрытом ВН1. Очистка осуществлялась поэтапно по 10 порций жидкости, продолжительность этапов составляло около 1,5 мин. Через каждые 10 порций срабатывания дозатора-порционера ПР осуществлялся отбор проб жидкости на анализ. Через 75 порций распределитель был выключен и в течение 3 минут была реализована прокачка керосина без воздуха, произведен отбор жидкости на анализ.
В результате сравнительного анализа (рис. 3) установлено, что разработанная технология позволяет значительно (в 10-20 раз) сократить длительность процесса, снизить энергоемкость очистки рабочей жидкости и повысить объективность анализа отбираемых проб жидкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белянин П.Н., Данилов В.М. Промышленная чистота машин. - М.: Машиностроение, 1982.- 224 с.
2. Тимиркеев Р.Г., Сапожников В.М. Промышленная чистота и тонкая фильтрация рабочих жидкостей летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1986.- 152 с.
3. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. -М.: Наука, 1976. - 447 с.
4. Гликман Б.Ф. Нестационарные течения в пневмогидравлических цепях. -М.: Машиностроение, 1979.-256 с.
5. Совершенствование технологического процесса промывки гидравлических каналов изделий: Технический отчет/САИ (СГАУ), НПО “Импульс”; Руководитель В.И. Санчугов. -Самара, 1991.
GAS-FLUID CLEANING OF LOW-PRESSURE PIPELINES
© 1999 V.M. Reshetov, V.I. Sanchugov
Institute of Machines Acoustics, Samara
The technology for gas-fluid cleaning of low-pressure pipelines was developed and corresponding test bench was created. The operating principle of this bench is based on partial volumetric feed of fluid and propelled them by gas pressure, which is not bigger then operational one. The performance of gas-fluid cleaning was demonstrated. It is estimated that this method can decrease the operating time by the factor 10. ..20.
