КОМБИНИРОВАННАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ АПК

Родионов Юрий Викторович; Никитин Дмитрий Вячеславович; Зорин Александр Сергеевич; Рыбин Григорий Вячеславович

Вестник РГАТУ, 2022, т 14, № 2, с. 166-176 Vestnik RGATU, 2022, Vol 14, № 2, рр 166-176

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Научная статья УДК 621.521

DOI: 10.36508/RSATU.2022.54.2.020

КОМБИНИРОВАННАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЖИДКОСТНОКОЛЬЦЕВОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА

ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ АПК

Юрий Викторович Родионов12, Дмитрий Вячеславович Никитин12^, Александр Сергеевич Зорин1, Григорий Вячеславович Рыбин1

1Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Россия

2Мичуринский государственный аграрный университет, г. Мичуринск, Россия

1 rodionow.u.w@rambler.ru

2 vacuum2008@yandex.ru

3 zorin619@bk.ru

4 enot1237@gmail.com

Аннотация.

Проблема и цель. Основным недостатком существующих конструкций жидкостнокольцевых вакуумных насосов, применяемых в технологических процессах АПК, является низкий КПД (до 60 %). Целью исследования являлось разработка комбинированной конструкции жидкостно-кольцевого вакуумного насоса с улучшенными значениями эксплуатационных параметров и КПД. Методология. Для достижения поставленной цели анализировались причины низкого КПД существующих конструкций жидкостнокольцевых вакуумных насосов. На основании проведенного анализа спроектированы конструктивные решения для комбинированной конструкции жидкостнокольце-вого вакуумного насоса. Проведен сравнительный анализ преимуществ разработанной конструкции в сравнении с существующими конструкциями жидкостнокольцевых вакуумных насосов посредством теоретического исследования аналитических зависимостей основных эксплуатационных параметров (удельной мощности и быстроты действия).

Результаты. Теоретические расчеты показали, что разработанная конструкция комбинированного жидкостнокольцевого вакуумного насоса в сравнении с традиционной конструкцией с неподвижным корпусом характеризуется меньшими затратами (до 30 %) на преодоление сил трения жидкости в безлопаточном пространстве. Использование системы регулирования проходного сечения нагнетательного окна в конструкции комбинированного жидкостнокольцевого вакуумного насоса позволяет: на начальных режимах работы вакуум-насоса исключить пересжатие газовой фазы и перетекание газовой фазы из области нагнетания в область всасывания; на предельных режимах работы насоса - обеспечить вытеснение газовой фазы из рабочей полости и исключить эффект «запирания» вакуумного насоса. Тем самым обеспечивается наиболее экономичный режим работы комбинированного жидкостнокольцевого вакуумного насоса с точки зрения затрат мощности на сжатие газовой фазы (до 10-15 %). Предложенные конструктивные изменения и введение системы мониторинга теплового баланса позволяют снизить потери быстроты действия предположительно на 15-20 %.

Заключение. Разработана комбинированная конструкция жидкостнокольцевого вакуумного насоса, характеризующаяся меньшими затратами мощности на преодоление сил гидравлического сопротивления (до 30 %), сниженными затратами на сжатие газовой фазы (до 10-15 %), а также улучшенными показателями быстроты действия (15-20 %). В совокупности улучшенные показатели обеспечивают повышение КПД комбинированной конструкции жидкостнокольцевого вакуумного насоса.

Ключевые слова: технологические процессы АПК, жидкостнокольцевые вакуумные насосы, низкий КПД, конструктивные решения, новая конструкция, улучшенные показатели

Для цитирования: Родионов Ю.В., Никитин Д.В., Зорин А.С., Рыбин Г.В. Комбинированная конструкция жидкостно-кольцевого вакуумного насоса для технологических процессов АПК // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева. 2022. Т14, №2. С166-176 https://doi.org/10.36508/RSATU.2022.54.2.020

Original article

COMBINED DESIGN OF A LIQUID RING VACUUM PUMP FOR TECHNOLOGICAL PROCESSES

IN THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX

Yury V. Rodionov12, Dmitriy V. Nikitin12 , Alexanders. Zorin1, Gregory V. Rybin1

Tambov State Technical University, Tambov, Russia Michurinsk State Agrarian University, Michurinsk, Russia

1 rodionow. u.w@rambler.ru

2 vacuum2008@yandex.ru

3 zorin619@bk.ru

4 enot1237@gmail.com

Abstract.

Problem and purpose. The main disadvantage of the existing designs of liquid ring vacuum pumps used in the technological processes of the agro-industrial complex is low efficiency (up to 60%). The aim of the study was to develop a combined design of a liquid ring vacuum pump with improved operating parameters and efficiency.

Methodology. To achieve this goal, the reasons for the low efficiency of existing designs of liquid ring vacuum pumps were analyzed. Based on the analysis carried out, design solutions for the combined design of a liquid ring vacuum pump were designed. A comparative analysis of the design advantages of the developed design in comparison with existing designs of liquid ring vacuum pumps was carried out by means of a theoretical study of the analytical dependences of the main operational parameters (specific power and speed of action). Results. Theoretical calculations have shown that the developed design of the combined liquid ring vacuum pump, in comparison with the traditional design of a liquid ring vacuum pump with a fixed casing, is characterized by lower costs (up to 30 %) to overcome the fluid friction forces in the bladeless space. The use of a control system for the flow section of the discharge window in the design of a combined liquid ring vacuum pump allows: at the initial operating modes of the vacuum pump - to exclude overcompression of the gas phase and the overflow of the gas phase from the injection region to the suction region; at the limiting operating modes of the pump - to ensure the displacement of the gas phase from the working cavity and eliminate the effect of "locking" the vacuum pump. This ensures the most economical mode of operation of the combined liquid ring vacuum pump in terms of power consumption for compressing the gas phase (up to 10-15 %). New design changes and the introduction of a heat balance monitoring system make it possible to reduce the loss of speed of action, presumably by 15-20 %.

Conclusion. A combined design of a liquid ring vacuum pump has been developed, characterized by lower power consumption to overcome the forces of hydraulic resistance (up to 30%), reduced costs for compressing the gas phase (up to 10-15%), as well as improved speed of action (15-20%). Taken together, the improved performance increases the efficiency of the combined design of the liquid ring vacuum pump.

Key words: technological processes of the agro-industrial complex, liquid ring vacuum pumps, low efficiency, design solutions, new design, improved performance.

For citation: Rodionov Yu. V., Nikitin D. V., Zorin A. S. , G. V. Rybin G. V. Combined design of a liquid ring vacuum pump for technological processes in the agro-industrial complex. //Bulletin of the Ryazan State Agrotechnological University named after P.A. Kostychev.2022.T14, No.2. Р 166-176 (in Russ.).https://doi.org/ 10.36508/RSATU.2022.54.2.020

Введение транспортировании мелкодисперсных раститель-

Жидкостнокольцевые вакуумные насосы ных материалов, обеспечить высокие санитарно-(ЖВН) в качестве самостоятельных откачных гигиенические условия и отсутствие технологиче-средств, а также устройств для создания разреже- ских нарушений воздушной среды [3]. ния в технологических линиях и установках АПК, Современные вакуумныесистемыс использова-получают все большое распространение. Насосы ния ЖВН используются в технологиях и технических этого типа были успешно применены в процессах средствах мойки и дезинфекции емкостей сбора, сушки и экстрагирования сельскохозяйственного хранения и транспортирования молока, машинном сырья [1,2]. Это позволило в указанных процессах доении, а также рыбной промышленности [4-7]. существенно снизить потери биологически актив- Основными преимуществами ЖВН являются ных веществ и функциональных компонентов в ко- простота конструкции, длительная эксплуатация, нечном продукте (высушенном сырье, экстрактах, отсутствие масла в рабочем пространстве, что по-концентратах). зволяет не загрязнять откачиваемый газ парами

Применение ЖВН в вакуумных системах для масла, низкий уровень шума, возможность откачи-перемещения сыпучих сред позволяет: снизить вания пара, капельную жидкость, жидкие среды с травмируемость перемещаемого сырья, обеспе- инородными включениями.

чить требуемые нормы взрывобезопасности при Недостатками существующих конструкций

ЖВН, ограничивающими их использование в технологических процессах АПК, являются значительные затраты удельной мощности на процесс вакуумирования, потери реальной быстроты действия на различных режимах работы и, как следствие, низкий КПД.

Поэтому вопросы совершенствования конструкций, теории и эксперимента рабочего процесса в ЖВН привлекают внимание отечественных, а также зарубежных исследователей и по сегодняшний день [8-12].

Методы исследования Целью исследования является разработка новой комбинированной конструкции ЖвН с улучшенными эксплуатационными показателями и КПД.

Объектом исследования выступали существующие и разрабатываемая конструкции ЖВН.

Для достижения поставленной цели анализируются причины низкого КПД существующих конструкций ЖВН, применяемых в технологических процессах АПК.

На основании проведенного анализа необходимо разработать новые конструктивные решения для комбинированной конструкции ЖВН. Провести сравнительный анализ преимуществ разработанной конструкции в сравнении с существующими конструкциями ЖВН посредством теоретического исследования аналитических зависимостей для основных эксплуатационных параметров (удельной мощности и быстроты действия).

Разработка комбинированной конструкции жидкостнокольцевого вакуумного насоса Существенным недостатком традиционных ЖВН является постоянная степень внутреннего сжатия в ячейках рабочего колеса [13] и существенные гидравлические потери на трение жидкости о неподвижный корпус насоса [14]. В первом случае это приводит к перерасходу мощности сжатия газовой фазы и увеличению общей потребляемой мощности ЖВН на процесс вакуумирования. Во втором случае к дополнительным затратам мощности на преодоление гидравлического трения. Как следствие, традиционные конструкции ЖВН с неподвижным корпусом (ЖВН НК) имеют низкий КПД (порядка 30-60 %), что ограничивает область их применения в технологических процессах АПК.

Для снижения гидравлических потерь разработана конструкция ЖВН с кинематическим замыканием лопаток вращающейся втулки и лопаток рабочего колеса (ЖвН КЗ), позволившая снизить затраты мощности на преодоление гидравлического трения. Для снижения перерасхода мощности сжатия газовой фазы на различных режимах работы разработана конструкция ЖВН с регулируемым нагнетательным окном (ЖВН РНО). В результате уменьшены затраты мощности на процесс вакуумирования и увеличено значение быстроты действия.

Опыт эксплуатации и результаты проведенных испытаний подтверждают значительный потенциал в повышении эффективности (КПД) конструкций ЖВН за счет совершенствования их конструктивных элементов и технологических параметров

[15]. Установлено, что температура, область подачи и расход дополнительной подаваемой рабочей жидкости значительно влияют на эксплуатационные параметры ЖВН. Неточное конструктивное расположение области подачи дополнительно подаваемой рабочей жидкости приводит к снижению глубины достигаемого вакуума на различных режимах работы ЖВН. Недостаточное количество, а также повышение температуры дополнительно подаваемой рабочей жидкости ведет к значительным потерям быстроты действия и возникновению кавитационных явлений. В совокупности указанные вредные явления снижают общий КПД ЖВН.

С целью устранения перечисленных недостатков, снижающих общую эффективность, а также для расширения области использования ЖВН в процессах АПК на кафедре «Механика и инженерная графика» ФГБОУ ВО ТГТУ разработана конструкция комбинированного ЖВН (ЖВН КМ). Конструкция ЖВН КМ не только сохраняет все основные достоинства конструкций ЖВН КЗ и ЖВН РНО, но и превосходит по ряду показателей.

Конструкция ЖВН КМ состоит из рабочего колеса 1 с лопатками, передающего вращение лопаткам 2 корпуса 3 (рис. 1). Нагнетательное окно 4 снабжено механизмом регулирования проходного сечения, который приводится в действие с помощью привода 5 под управлением блока 6. Управляющий блок 6 принимает сигнал от системы слежения 7 за параметрами рабочего процесса (температура и расход дополнительное подаваемой рабочей жидкости, давление во всасывающем и нагнетательном трубопроводах) и рабочими характеристиками ЖВН КМ (быстрота действия, эффективная мощность). Всасывающая область снабжена штуцерами 8 для подачи дополнительной рабочей жидкости, которые управляются блоком 9, принимающим сигнал от системы слежения 7.

По мере создания вакуума привод 5 механизма регулирования проходного сечения нагнетательного окна 4 принимает сигнал от системы слежения 7 и при необходимости изменяет размеры проходного сечения нагнетательного окна, тем самым снижая перерасход мощности сжатия газовой фазы. Это позволяет уменьшить общую потребляемую на процесс вакуумирования мощность и, как следствие, повысить КПД вакуумного насоса.

Во время работы ЖВН КМ в область всасывания осуществляется подача дополнительной рабочей жидкости через штуцеры 8, тем самым уменьшаются перетечки газовой фазы из области сжатия в область всасывания, возникающие при стадии сжатия газовой фазы. Дополнительно система слежения 7 осуществляет контроль температуры жидкости Tж в рабочей полости комбинированной конструкции ЖВН. В случае нарушения теплового баланса в рабочей полости осуществляется подача необходимого количества дополнительной рабочей жидкости через штуцеры 8.

Так как спектр использования ЖВН в процессах переработки сельскохозяйственной продукции неуклонно возрастает, разработаны 12 типоразмеров ЖВН КМ (табл. 1).

а)

б)

Рис. 1 - ЖВН КМ а) поперечный разрез ЖВН КМ; б) продольный разрез ЖВН КМ (Liqiud ring pump combined. a) Cross section; b) Longitudinal section)

Таблица 1 - Геометрические параметры ЖВН КМ типоразмерного ряда

Быстрота действия S, [м3/ч] Малая Средняя Большая Особо большая

Типо-^^^размер Параметр 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Радиус рабочего колеса г, мм 45 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480

Радиус корпуса R, мм 54 96 144 200 250 300 350 400 450 500 550 600

Эксцентриситет е, мм 9 16 24 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Число лопаток на рабочем колесе Z1 7 12 12 15 15 20 20 25 25 30 30 35

Число лопаток на корпусе Z2 6 10 10 12 12 16 16 20 20 24 24 28

Передаточное отношение и12 0,875 0,83(3) 0,83(3) 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8

Относительный эксцентриситет е 0,16(6) 0,2 0,2 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25

Теоретические исследования

Проведем анализ конструктивных особенностей комбинированной конструкции ЖВН КМ для определения затрат мощности на процесс вакуу-мирования и быстроту действия.

Основным показателем эффективности каждого типоразмера ЖВН является удельная мощность вакуумного насоса:

где ~ эффективная мощность на валу кВт;

£ - теоретическая быстрота действия

м3/ч; т

X - коэффициент подачи.

Эффективная мощность Ме на валу ЖВН КМ

складывается из мощности лгж , затрачиваемой

на вращение жидкости в рабочей полости, мощности, затрачиваемой на сжатие парогазовой смеси 1УСЖ .мощности А^ , затрачиваемой на преодоление трения в сальниках и подшипниках, мощности 3, учитывающей потери на трение в зацепле-

нии лопаток корпуса и лопаток рабочего колеса

(2)

В случае, когда требуется использование ЖВН КМ больших мощностей и с высокими значениями быстроты действия необходимо использование различных приводов. Тогда необходимо учитывать мощность дг , затрачиваемую на потери в приводе:

N =]\Г +N

4 Л Ч I -Л Т __

+ Д,

(4)

Мощность N равна

р.к.

(5)

^5л =

1000

где е - эксцентриситет, м;

Ф - угол поворота рабочего колеса град;

1к - высота лопаток корпуса, м. Определим момент силы трения жидкости М, действующий на всей протяженности безлопаточного пространства, считая, что сила сопротивления приложена относительно оси рабочего колеса с плечом, равным г +к/2:

(3) М = ]>(/; +Ь/2)(](р:

(8)

Мощность на вращение жидкости в рабочей полости складывается из мощности на вращение жидкости в лопаточном пространстве корпуса и рабочего колеса а также мощности на вращение жидкости в безлопаточном пространстве рабочей полости N : ДГ = N + N + V

Ж КОрП. ^^ р.Е. ОП

где Гг - радиус лопаток рабочего колеса, м. Сила сопротивления Р, действующая по всей ширине поперечного сечения безлопаточного пространства, определяется по формуле

Р = Р„

• и.

(9)

Мощность на вращение жидкости в лопаточном пространстве корпуса ЫКорп будет затрачиваться только в режиме пуска ЖВН КМ. С учетом изготовления вращающихся элементов ЖВН КЗ из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, обладающего низким коэффициентом трения, значение пусковой мощности будет значительно снижено. При достижении установившегося режима (при котором жидкость и корпус можно рассматривать как единое целое) этой мощностью можно пренебречь.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Дополнительным положительным эффектом является снижение весогабаритных показателей ЖВН КМ по сравнению с конструкциями ЖВН КЗ и ЖВН РНО.

где и2 - окружная скорость на периферии лопаток рабочего колеса, м/с;

к - коэффициент, учитывающий нерав-

Уф

номерность поля скоростей в безлопаточном про-

к =

И,

где Qж - расход жидкости через рабочее колесо насоса, м3/с;

НТ - теоретический напор, создаваемый рабочим колесом вакуум-насоса м;

кг/ - поправочный коэффициент, зависящий от критерия Рейнольдса;

р - плотность жидкости кг/м3. Определим мощность А,7Вл, затрачиваемую на преодоление гидравлического трения в безлопаточном пространстве:

М со

(6)

где м - момент силы трения, Нм;

ы - угловая скорость, рад/с. Для нахождения момента сил трения жидкости М в безлопаточном пространстве ЖВН КМ принято рассматривать течение жидкости в рабочей полости эквивалентно движению в открытом криволинейном канале прямоугольного сечения. В этом случае смачиваемый периметр такого канала равен 2h+b (Ь - ширина рабочего колеса). Высоту безлопаточного пространства определим по формуле (рис. 2):

(7)

странстве

= . Ь/(2к + Ь) ~ гидравлический радиус, м.

Закон изменения скорости V жидкости в безлопаточном пространстве определяется по методике, указанной в работе [16] с помощью результатов численного эксперимента. Подробное описание принятых допущений и формулировка граничных условий приведено в работе [16]. Геометрические размеры модели для численного эксперимента соответствовали экспериментальному образцу ЖВН, разработанному на кафедре «Механика и инженерная графика» Тамбовского государственного технического университете: радиус лопаток рабочего колеса - Г2=45,0 мм, радиус внутренней поверхности жидкостного кольца

- г22ф=31 мм, подвижная граница лопаток корпуса

- Р!к=46,0 мм, эксцентриситет - е=7,0 мм, число лопаток рабочего колеса - Z1=6, толщина лопаток рабочего колеса - s=2,0 мм. В качестве модельной жидкости использовался глицерин. Моделирование проводилось во всем диапазоне изменения давления всасывания р=5 -101 кПа, при угловой скорости рабочего колеса - ы=298,3 рад/с.

Подвижными границами для рабочей полости ЖВН КМ являются (рис. 2,а):

Г1- подвижная граница лопаток корпуса; Г2- подвижная граница лопаток рабочего колеса. При численном моделировании потока жидкости лопаточное пространство корпуса не используется, так как с достаточной степенью точности можно принять скорость в этом пространстве равной скорости лопаток корпуса. Результаты численного эксперимента представлены на рис. 2, б.

Коэффициент гидравлического трения для турбулентного режима течения определим формуле Альтшуля [16]

Лг =0,11[^/(4-Дг) + 68/Ке]°!25. (10)

Следует заметить, что для расчета используют к безразмерному виду). Как показали теоретиче-

среднее арифметическое значение Лг . Число Рейнольдса

Re = 4-V^-K-PJUm

(11)

где |j - динамическая вязкость жидкости, Па с.

Брзлогкшзчноя область

а)

Viscous flow in 2D

ские расчеты, конструкция ЖВН КМ в сравнении с конструкций ЖВН НК характеризуется меньшими затратами (до 30 %) на преодоление сил трения жидкости в безлопаточном пространстве, что положительно влияет на КПД вакуумного насоса.

FleiPDE Lilt 7.1ВЛМИ

б)

а) обозначение подвижных границ безлопаточного пространства; б) закон распределение абсолютной скорости жидкости в рабочей полости ЖВН КМ второго типоразмерного ряда малой быстроты действия (табл.1)

a) designation of movable boundaries of the bladeless space; b) the law of the distribution of the absolute velocity

of the liquid in the working cavity of the liqiud ring pump combined of the second standard-size series of low speed of action (Table 1) Рис. 2 - Численное моделирование движения вращающейся жидкости в безлопаточном пространстве (Numerical simulation of the movement of a rotating fluid in a bladeless space)

На рисунках 3 и 4 для сравнения представлены зависимости силы сопротивления и момента сил трения от угла поворота рабочего колеса в конструкциях ЖВН НК и ЖВН КМ (значения силы сопротивления и момента сил трения приведены

V

А

/1

* ■ \

V.

• *

300 Гры

Рис. 3 - Теоретическая зависимость силы сопротивления жидкости в безлопаточном пространстве насоса от угла поворота рабочего колеса: ■ - ЖВН НК;в - ЖВН КМ (Theoretical dependence of the fluid resistance

force in the bladeless space (Theoretical dependence of the fluid resistance force in the bladeless space of the pump on the angle of rotation of the impeller: ■ - Fixed Casing liquid Ring Vacuum Pump; • - Liqiud ring pump combined)

\ 1

■ 9

L \

V

-*———А

50 100 ISO 2M 2S0 300 C-tp«

Рис.4 - Теоретическая зависимость момента сил трения жидкости в безлопаточном пространстве насоса от угла поворота рабочего колеса: ■- ЖВН НК;^- ЖВН КМ (Theoretical phenomena of a strong dependence of the liquid on the vaneless concentration of the pump on the rotation of the impellers: ■ - Fixed Casing liquid Ring Vacuum Pump; • - Liqiud ring pump combined)

Мощность, затрачиваемая на сжатие парогазовой смеси в комбинированной конструкции ЖВН КМ, определяется как

f т-1 Л

= pS

т — 1

т

1

а

(12)

где S - быстрота действия ЖВН КМ, м3/ч р - давление всасывания Па, т - внутренняя степень сжатия ; т -показатель политропы, а = 1,0-1,5 - коэффициент, учитывающий обратное расширение газовой фазы.

Использование системы регулирования проходного сечения нагнетательного окна в конструкции ЖВН КМ позволяет: на начальных режимах работы вакуум-насоса исключить пересжатие газовой фазы и перетекание газовой фазы из области нагнетания в область всасывания; на предельных режимах работы насоса - обеспечить вытеснение газовой фазы из рабочей полости и исключить эффект «запирания» вакуумного насоса. В совокупности обеспечивается наиболее экономичный режим работы ЖВН КМ (по сравнению с режимом работы конструкций ЖВН КМ, ЖВН РНО) с точки зрения затрат мощности на сжатие газовой фазы, что подтверждается теоретическим расчетом (рис. 5).

№клВт

1,2

O.S

OA

о,г

\

\ i

ч N Ч. / /

N /

' 1 1 1_1

N,

60

где Р' - общая нагрузка на подшипник, Н

(13)

чатой паре эвольвентного профиля.

Для ЖВН КМ больших мощностей и особо больших значений быстроты действия вращение (табл. 1) рабочий процесс реализуется посредством вращения за корпус с помощью зубчатого венца прямозубой цилиндрической передачи и мультипликатора (рис. 6). Мощность привода ЛГир рассчитывается по стандартным методикам проектирования механических передач.

О » 40 60 М 100 Р.'П.

Рис. 5 - Теоретическая зависимость мощности сжатия от создаваемого вакуума:

---ЖВН НК; -•- ЖВН РНО; - ЖВН КМ

(Theoretical dependence of the compression power on the created vacuum:

---Fixed Casing liquid Ring Vacuum Pump;

-•- Liquid-ring pump with automatic control of through section of delivery port; - Liqiud ring pump combined)

По результатам теоретических расчетов затрачиваемая мощность на сжатие газовой фазы в ЖВН КМ может быть снижена до10-15 % по сравнению с конструкций ЖВН РНО и на 20-25 % по сравнению с конструкций ЖВН НК.

Мощность, затрачиваемая на преодоление трения в сальниках и подшипниках Nw :

P'-f-vB

1 - корпус, 2 - подшипниковые опоры, 3 - лопатки рабочего колеса, 4 - лопатки корпуса, 5 - зубчатое колесо, 6 - шестерня, 7- мультипликатор, 8 - муфта, 9 - асинхронный электродвигатель (1 - housing, 2 - bearing supports, 3 - impeller blades,

4 - housing blades, 5 - gear wheel, 6 - gear, 7 - multiplier, 8 - coupling, 9 - asynchronous electric motor)

Рис. 6 - Схема привода ЖВН КМ особо большой быстроты действия (Scheme of the drive liqiud ring pump combined of especially high speed of action)

Проанализируем действительную быстроту действия с учетом новых конструктивных особенностей ЖВН КМ:

д (14)

Теоретическая быстрота действия

(15)

- приведенный коэффициент трения в подшипнике, отнесенный к диаметру цапфы; окружная скорость цапфы,м/с Мощность кинематического замыканияЛ^ можно определить (в первом приближении) аналогично мощности потерь в цилиндрической зуб-

где - радиус внутренней поверхности вра-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

'22 <р

щающейся жидкости,М

Ф - коэффициент, учитывающий влияние толщины лопаток;

п- частота вращения рабочего колеса, мин-1 Коэффициент подачи Лп определяется по формуле:

где Лу , Л2 , Л^ - коэффициенты потерь действительной быстроты действия.

Коэффициентом Л1 учитываются потери действительной быстроты действия в результате течения объема газа из стороны нагнетания на сторону всасывания (потери быстроты действия в этом случае составляют до 15-20 %). В предложенной конструкции ЖВН КМ в связи с переменным значением степени сжатия т - уаг в первоначальный момент вакуумирования плавно выравнивается давление в ячейке сжатия и окне нагнетания, что обеспечивает устранение указанного вредного эффекта и, следовательно, = О .

В традиционных конструкциях ЖВН при вращении жидкостного кольца часть объема газовой фазы перетекает через торцевые зазоры (между рабочим колесом и боковыми крышками), что влияет на уменьшение действительной быстроты действия ЖВН (потери быстроты действия в этом случае составляют до 30 %). Эти потери учитываются коэффициентом а, . Для устранения этого эффекта в конструкции ЖВН КМ осуществлена подача дополнительной рабочей жидкости в область всасывания, и, следовательно, с достаточной степенью точности можно принять 12 - 0.

Во процессе работы ЖВН между жидкостью и газовой фазой происходят процессы тепло- и мас-сообмена, в результате чего капли жидкости испаряются в полезную часть объема рабочих ячеек, что ведет к уменьшению действительной быстроты действия. Эти потери быстроты действия характеризуются коэффициентом Д3- Нагрев жидкости происходит в связи с трением жидкости о стенки неподвижного корпуса и в результате теплообмена с откачиваемым газом. Уменьшение коэффициента потерь в ЖВН КМ осуществляется путем контроля температуры рабочей жидкости посредством системы слежения 7 (рис. 1) и подачей необходимого количества дополнительной рабочей жидкости для выравнивания теплового баланса. В итоге значение минимизируется. Тогда:

(17)

новые конструктивные изменения и введение системы мониторинга теплового баланса в ЖВН КМ позволяют практически исключить потери, характеризуемые коэффициентами Л и ^ , что в конечном счете улучшит показатели быстроты действия, предположительно на 15-20 %.

Заключение

Проведенные исследования показали, что в сравнении с существующими конструкциями ЖВН, разработанная конструкция ЖВН КМ характеризуется сниженными показателями затрат мощности на рабочий процесс, улучшенными показателями быстроты действия и, как следствие, увеличенным КПД (до 75-80 %).

Использование ЖВН в качестве самостоятельных откачных средств, а также устройств для создания разрежения в технологических линиях и установках АПК неуклонно возрастает [17-19],

-3

поэтому разработан широкий типоразмерный ряд ЖВН КМ.

Учитывая современные особенности процессов переработки сельскохозяйственной продукции (обеспечение безопасности конечного продукта, автоматизация процесса, экономия электроэнергии, универсальность использования откачных средств и пр.) в ближайшей перспективе необходимо сосредоточить фундаментальные и прикладные исследования для разработки новых конструктивных принципов, увеличивающих эффективность работы ЖВН. Это позволит создавать новые конструкции ЖВН, обладающие высокими эксплуатационно-техническими показателями и универсальностью использования с точки зрения достигаемой глубины вакуума и быстроты действия.

Работа выполнена в рамках гранта Фонда содействия инновациям «Разработка жидкостно-кольцевых вакуумных насосов для технологических процессов агропромышленного комплекса» договор №4128ГС1/68641от 19.07.2021.

Список литературы

1. Технологическая линия по производству экстрактов из растительного сырья / А. А. Гуськов, Ю. В. Родионов, С. А. Анохин [и др.] // Аграрный научный журнал. - 2019. - № 2. - С. 82-85. - DOI 10.28983/asj.y2019i2pp82-85. https://www.elibrary. ru/download/elibrary_37009115_74555337.pdf.

2. Инновационные конструкции и технологии сушки плодоовощной продукции / Э. С. Иванова, Ю. В. Родионов, О. А. Зорина [и др.] // Наука в центральной России. - 2021. - № 1(49).

- С. 43-53. - DOI 10.35887/2305-2538-2021-143-53. - URL: https://www.elibrary.ru/download/ elibrary_44745975_67639443.pdf.

3. Повышение эффективности механизации транспортирования сухих сыпучих растительных материалов / Ю. В. Родионов, В. П. Капустин, А. В. Кобелев [и др.] // Инновационная техника и технология. - 2017. - № 1(10). - С. 9-15. - URL: https://www. elibrary.ru/download/elibrary_28906754_56587197. pdf.

4. Использование и применение водокольце-вых насосов для доильных установок / Ю. Э. Альбрехт, А. В. Степанов, А. Е. Шонов, У. К. Сабиев // Развитие научно-инновационного потенциала России и направления его повышения : сборник статей по итогам Международной научно-практической конференции, Уфа, 12 мая 2018 года.

- Уфа: Общество с ограниченной ответственностью "Агентство международных исследований", 2018. - С. 4-7. - URL: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=34892573.

5. Наумов, В. А. Технические параметры вакуумных рыбонасосных установок на базе водо-кольцевых компрессорных машин / В. А. Наумов, А. А. Землянов // 63-я международная научная конференция Астраханского государственного технического университета, посвященная 25-летию Астраханского государственного технического университета, Астрахань, 22-26 апреля 2019 года. - Астрахань: Астраханский государственный

технический университет, 2019. - С. 228. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=39190802.

6. Кожевников, Ю. А. Ультразвуковая очистка деталей вакуумных водокольцевых насосов для доильных установок / Ю. А. Кожевников, Д. А. Кремнев, Б. Т. Федотов // Вестник ВИЭСХ. - 2014.

- № 4(17). - С. 34-37. - URL: https://www.elibrary.ru/ download/elibrary_22864156_27618997.pdf.

7. Наумов, В. А. Характеристики водокольцевых компрессорных машин вакуумных рыбонасос-ных установок / В. А. Наумов, Н. Л. Великанов // Рыбное хозяйство. - 2021. - № 1. - С. 94-98. - DOI 10.37663/0131-6184-2021-1-94-98. - URL: https:// www.elibrary.ru/item.asp?id=44687056.

8. Karlsen-Davies, N.D. & Aggidis, George. (2016). Regenerative liquid ring pumps review and advances on design and performance. Applied Energy. 164. 815-825. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.12.041.

- URL: https://www.researchgate.net/ publication/288700979_Regenerative_liquid_ring_ pumps_review_and_advances_on_design_and_ performance.

9. Zhang, R. Experimental study on gas-liquid transient flow in liquid-ring vacuum pump and its hydraulic excitation / R. Zhang, G. Guo // Vacuum.

- 2020. - Vol. 171. - P. 109025. - DOI 10.1016/j. vacuum.2019.109025. - URL: https://www.elibrary.ru/ item.asp?id=42240648.

10. Influence of Heat and Mass Exchange in a Liquid Ring Vacuum Pump on Its Working Characteristics / V. Osipov, S. Telyakov, R. M. Latyipov, D. Bugembe // Journal of Engineering Physics and Thermophysics.

- 2019. - Vol. 92. - No 4. - P. 1055-1063. - DOI 10.1007/s10891-019-02020-7. - URL: https://www. elibrary.ru/item.asp?id=41698569.

11. Experimental study on the flow and heat transfer behavior of polymer solutions in the closed liquid ring vacuum pump system / Y. Zhang, J. Li, J. Kang, F. Zhou // Applied Thermal Engineering.

- 2021. - Vol. 199. - P. 117525. - DOI 10.1016/j. applthermaleng.2021.117525. - URL: https://www. elibrary.ru/item.asp?id=47048286.

12. Jiang, L. Internal flow field in ejector of liquidring pump and its matching characteristic with liquidring pump / L. Jiang, R. Zhang, X. Chen // Huazhong Keji Daxue Xuebao (Ziran Kexue Ban). - 2021. - Vol. 49. - No 4. - P. 8-13. - DOI 10.13245/j.hust.210402. -URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=46771098.

13. Регулирование размеров проходного се-

чения нагнетательного окна / К. Ю. Скопинцев, Р. С. Горюшин, А. В. Дьяченко, А. И. Скоморохо-ва // Наука и Образование. - 2020. - Т. 3. - № 4. - С. 93. - URL: https://www.elibrary.ru/download/ elibrary_44642356_14723794.pdf.

14. Шелковый, И. Н. Исследование водоколь-цевого вакуумного насоса с вращающимся корпусом / И. Н. Шелковый, А. И. Удовкин, Р. В. Ко-пица // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - 2011. - № 1-1. - С. 172-175. - URL: https://www.elibrary.ru/download/ elibrary_17105957_27445962.pdf.

15. Герасимова, О. А. Экспериментальное исследование энергосберегающего привода во-докольцевого вакуумного насоса / О. А. Герасимова // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2015. - № 7(129). - С. 129-134. - URL: https://www.elibrary.ru/download/ elibrary_25717634_43409097.pdf.

16. Родионов, Ю. В. Совершенствование теоретических методов расчета и обоснование параметров и режимов жидкостнокольцевых вакуумных насосов с учетом особенностей технологических процессов в АПК : специальность 05.20.01 "Технологии и средства механизации сельского хозяйства" : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Родионов Юрий Викторович. - Тамбов, 2013. - 434 с. URL: https://www. elibrary.ru/item.asp?id=22337256.

17. Совершенствование конструктивных элементов и процесса вакуумного пневмотранспорти-рования / Г. В. Рыбин, Ю. Ю. Родионов, Д. А. Матвеев [и др.] // Наука и Образование. - 2020. - Т. 3. - № 4. - С. 165. - URL: https://www.elibrary.ru/ download/elibrary_44642428_52691171.pdf

18. Гуськов, А. А. Перспективные технологии переработки побочной продукции растениеводства / А. А. Гуськов, Г. В. Рыбин // Пищевые системы. -2021. - Т. 4. - № 3S. - С. 71-74. - DOI 10.21323/2618-9771-2021-4-3S-71-74. - URL: https://www.elibrary. ru/download/elibrary_46631888_56272714.pdf.

19. Великанов, Н. Л. Перекачивание жидкости с использованием водокольцевого вакуумного насоса / Н. Л. Великанов, В. А. Наумов, С. И. Корягин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2020. - № 8(725). - С. 51-59. - DOI 10.18698/0536-1044-2020-8-51-59. - URL: https:// www.elibrary.ru/item.asp?id=43911668.

Вклад авторов:

Все авторы внесли эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The work was carried out within the framework of the grant of the Innovation Promotion Fund "Development of liquid-ring vacuum pumps for technological processes of the agro-industrial complex" contract No. 4128GS1/68641ot 07/19/2021

References

1. Tekhnologicheskaya liniya po proizvodstvu ekstraktov iz rastitel'nogo syr'ya / A. A. Gus'kov, YU. V. Rodionov, S. A. Anohin [i dr.] //Agrarnyj nauchnyj zhurnal. - 2019. - № 2. - S. 82-85. - DOI 10.28983/asj. y2019i2pp82-85. https://www.elibrary.ru/download/elibrary_37009115_74555337.pdf.

2. Innovacionnye konstrukciiitekhnologii sushkiplodoovoshchnojprodukcii/ E. S. Ivanova, YU. V. Rodionov, O. A. Zorina [i dr.]//Nauka v central'noj Rossii. - 2021. - № 1(49). - S. 43-53. - DOI 10.35887/2305-2538-2021-1-43-53.URL: ttps://www.elibrary.ru/download/elibrary_44745975_67639443.pdf.

3. Povyshenie effektivnosti mekhanizacii transportirovaniya suhih sypuchih rastitel'nyh materialov / YU. V. Rodionov, V. P. Kapustin, A. V. Kobelev[idr.]//Innovacionnayatekhnikai tekhnologiya.

- 2017. - № 1(10). - S. 9-15. - URL: https://www. elibrary.ru/download/elibrary_28906754_56587197. pdf.

4. Ispol'zovanie i primenenie vodokol'cevyh nasosov dlya doil'nyh ustanovok / YU. E. Al'brekht, A. V. Stepanov, A. E. SHonov, U. K. Sabiev // Razvitie nauchno-innovacionnogo potenciala Rossii i napravleniya ego povysheniya : sbornik statej po itogam Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, Ufa, 12 maya 2018 goda. - Ufa: Obshchestvo s ogranichennoj otvetstvennost'yu "Agentstvo mezhdunarodnyh issledovanij", 2018.

- S. 4-7. - URL: https://www.elibrary.ru/item. asp?id=34892573.

5. Naumov, V. A. Tekhnicheskie parametry vakuumnyh rybonasosnyh ustanovok na baze vodokol'cevyh kompressornyh mashin / V. A. Naumov, A.A. Zemlyanov //63-yamezhdunarodnaya nauchnaya konferenciya Astrahanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, posvyashchennaya 25-letiyu Astrahanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, Astrahan', 22-26 aprelya 2019 goda. - Astrahan': Astrahanskij gosudarstvennyj tekhnicheskij universitet, 2019. - S. 228. - URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=39190802.

6. Kozhevnikov, YU. A. Ul'trazvukovaya ochistka detalej vakuumnyh vodokol'cevyh nasosov dlya doil'nyh ustanovok / YU. A. Kozhevnikov, D. A. Kremnev, B. T. Fedotov // Vestnik VIESKH. - 2014. -№ 4(17). - S. 34-37. - URL: https://www.elibrary.ru/ download/elibrary_22864156_27618997.pdf.

7. Naumov, V. A. Harakteristiki vodokol'cevyh kompressornyh mashin vakuumnyh rybonasosnyh ustanovok / V. A. Naumov, N. L. Velikanov // Rybnoe hozyajstvo. - 2021. - № 1. - S. 94-98. - DOI 10.37663/0131-6184-2021-1-94-98. - URL: https:// www.elibrary.ru/item.asp?id=44687056.