Методология гидродинамического процесса перекачивания гидрофобных эмульсий в пневмомагистрали Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Методология гидродинамического процесса перекачивания гидрофобных эмульсий в пневмомагистрали

А.В. Колпаков, к.т.н, Оренбургский НЦ УрО РАН

Изучение гидродинамического процесса перекачивания агрегативно и седиментационно неустойчивых гидрофобных дисперсных систем (золи, суспензии, эмульсии, пены) является одной из центральных задач в области использования трубопроводного транспорта при доставке сырья. В достаточно концентрированных эмульсиях с содержанием дисперсной фазы свыше

1% (натуральное молоко и молочные продукты, яичный желток, млечные соки, лекарства и косметические средства, сырая нефть с содержанием воды, растворов солей и твёрдых механических примесей до 60%) происходит интенсивная коагуляция и коалесценция частиц дисперсной фазы, с последующей адгезией на внутренние поверхности технологического оборудования [1].

Изменение устойчивости многокомпонентных эмульсий приводит к негативным послед-

ствиям в отраслях промышленности: пищевой, химической, медицинской — снижению качества перекачиваемого сырья; текстильной — нежелательному пенообразованию; нефтяной — интенсивной адгезии природных компонентов дисперсной фазы сырой нефти на внутренние поверхности трубопроводов и т.д. В конечном итоге снижаются качественные показатели продукции на выходе и уменьшается внутреннее эффективное сечение технологического оборудования (ТО), что приводит к необходимости повышения развиваемого давления насосов, а значит, увеличению энергозатрат.

Целью научной работы является обоснование и разработка ТО для трубопроводной транспортировки эмульсий и средств его оптимального проектирования на основе ресурсосберегающего параметрического синтеза [2].

Нами изучены современные модели процесса трубопроводного транспорта эмульсий и дана оценка воздействий внутренних поверхностей насосов и трубопроводных магистралей на агре-гативную и седиментационную устойчивости гидрофобных эмульсий (молоко, соки, жидкие лекарства и косметические средства). Проведена классификация существующих типов эмульсионных насосов, их рабочих органов, выявлены их преимущества и недостатки [3]. Доказано, что снижение воздействия факторов конструктивной и эксплуатационной групп приводит к повышению эффективности процесса транспортировки.

Основные положения эффективности эксплуатации эмульсионных насосов в технологических системах «вакуум — атмосферное давление», обоснование конструктивных параметров рабочих органов изложены в трудах исследователей: Карла Пфлейдерера, А. Тепела, Дж. Кэмпбэла, Н.В. Барановского, И.И. Волчкова, Т.М. Башта, Ю.А. Цоя, Л.П. Карташова, А.К. Михайлова, Б.М. Елисеева, А.А. Ломакина, Е.И. Админа, В.Г. Мохнаткина, В.Н. Шулятьева, В.М.Русских, А.Н. Федюшина, Р.М. Горбунова и др. Теориями устойчивости гидрофобных эмульсий в условиях гидродинамических течений занимались: Карман, Прандтль, Гайзенберг, Лин, Тейлор,

A.А. Фридман, Л.В. Келлер, П.А. Ребиндер, Е.Д. Щукин, Б.Д. Сумм, Г.И. Фукс, А.В. Перцов, Е.А. Амелина, В.В. Аминский, В.А. Пчелин,

B.Д. Косой, С.Б. Юдин, В.Г. Левич, Н.Б. Урьев,

C.С. Руднев, Б.Б. Некрасов, В.В. Малюшенко и др.

В результате анализа процесса трубопроводной

транспортировки эмульсий нами выбраны для проведения параметрического синтеза опорные объекты: тихоходный насос центробежного типа и трубопроводная магистраль круглого сечения.

Рациональный выбор технологической схемы трубопроводной транспортировки и её параметрический синтез проведены такими методами вычислительного эксперимента, как математи-

ческое моделирование, алгоритмизация, программная реализация.

Математическое моделирование процесса состоит из разделов: выбор реологических параметров эмульсий; функциональные модели силового воздействия лопасти центробежного колеса с многокомпонентной эмульсией и диффузионной кинетики ламинарного и турбулентного потоков эмульсий в трубопроводе; расчёт конструктивно-эксплуатационных параметров центробежного эмульсионного насоса.

Результаты проведённого моделирования следующие:

1) функциональное выражение (1) траектории кривой, описывающей оптимальную лопасть центробежного рабочего колеса для эмульсий с конкретными реологическими параметрами:

х = (cosу)2“ • е

к

—у

3 • c • п 2 • р • d

• cos у-

N

m

• sin у

1 /1 /k ч2 k 1 к 2\ 2\

1-2-ю-(—)2---у + (юн— (—)2) у2)

mm 2 m

v у

(1)

^3• c • п ■ N

--------1 • sin у + — cos у

2 • р • d m

k /о ,/k л2ч

-(2 • га + (—) ) • у

mm

где ю — угловая скорость вращения колеса, с-1; k — динамический коэффициент, кг/с; m — масса частицы дисперсной фазы, кг;

N — сила нормального давления, Н; р — плотность эмульсии, кг/м3;

П — динамическая вязкость, сП; е — градиент скорости или среза, с-1; d — средний диаметр (размер) частицы дисперсной фазы, м;

2) функциональное выражение (2) длины участка установления диффузионного режима распределения вещества, графический анализ которого позволил сделать вывод, что наименьшие контактные взаимодействия в ламинарном диффузионном пограничном слое возникают в области установления стационарного диффузионного режима:

H

\3

Г (1) 3

•П • е

гП3

• R3

ио . DR

(2)

и R

: 1,4625 • 10-4 —0— -ri'7a1 ^-4 D

0,73110 Ra • Pr• R,

где п — безразмерная величина (подстановка); R — радиус трубопровода, м;

D — коэффициент диффузии коллоидных частиц, м2/с;

и0 — максимальная скорость в центре трубы (г = 0);

Ке — число Рейнольдса;

Рг — число Прандтля;

н

н

3) методики расчёта теоретических и действительных параметров насоса, выбора и расчёта основных размеров центробежного колеса, определения функциональных соотношений основных параметров насоса с геометрией рабочего колеса.

Алгоритмизация процесса трубопроводной транспортировки эмульсий проведена с помощью метода построения блок-схемы математического моделирования (рис. 1).

Программная реализация. Расчёт параметров процесса трудоёмок и требует применения современных средств вычислительной техники. Поэтому созданы программы (свидетельства о гос. рег. программы для ЭВМ № 2008610484, 2009616867) в среде программирования C++ Builder 6.0. С целью повышения ресурсоэф-фективности процесса перекачивания они позволяют быстро провести расчёт и оптимизацию технологического оборудования управляемого воздействия на многокомпонентные гидрофобные эмульсии (рис. 2).

Натуральное моделирование процесса трубопроводной транспортировки в системе «вакуум — атмосферное давление» проводилось на комплексе лабораторно-испытательного оборудования, в который входили стенды для моде-

лирования гидродинамических режимов течения газожидкостной смеси (патент 2321773), устройство для заполнения молочного насоса (патент 2321774), устройства для изучения контактных взаимодействий эмульсий с внутренними поверхностями насоса (патент 2348915) и участками гидравлических сопротивлений трубопроводов, устройство для моделирования загрязнений и гидродинамической очистки внутренних поверхностей трубопроводов, устройство для оценки качества очистки поверхностей от адгезивных загрязнений (патент 2378825).

Программа экспериментальных исследований процесса трубопроводной транспортировки эмульсий включает три цикла, в каждый из которых входят две серии опытов.

Первый цикл посвящён определению эксплуатационных параметров процесса трубопроводной транспортировки эмульсий насосом центробежного типа. Найдены оптимальные значения параметров для прямой эмульсии (сырое молоко): динамический коэффициент пропорциональности ^пт = 5,685; усилие Мопт = 27,279-10"3 Н, соответствующее нормальному закону распределения жировых шариков по размерным классам ^ = 20—30%, d = 3—4 мкм) (рис. 3).

Составление алгоритма по математической модели

Решение системы дифференциальных уравнений взаимодействия лопасти рабочего колеса с молоком Векторная оптимизация

Теоретическое обоснование параметров и разработка программных средств (ПС)

Определение реологических параметров молока Определение конструктивных параметров молока Определение эксплуатационных параметров процесса Определение техникоэкономических параметров

Корректировка

математической

модели

Идентификация ПС

Работа с реологическими параметрами молока Работа с конструктивными параметрами насоса Выбор эксплуатационных параметров процесса Фиксирование технико-экономических параметров процесса

Тестирование ПС и проведение ^ Удовлетворяет

экспериментальных исследований ~^><С^^ПС экспериментальным —► Корректировка ПС

молочного насоса значениям?

Корректировка

конструктивных

параметров

Оптимальная конструкция рабочего колеса?

Эксплуатация ПС

Оптимизация конструктивных параметров молочного насоса

Создание новых конструкций (структурных синтез)

Оптимизация конструкций (параметрический синтез)

Рис. 1 - Схема решения задачи математического моделирования

Рис. 2 - Интерфейсные окна технико-экономических параметров программных средств: а) - ПС№1, б) - ПС№2

Н=7,115-е"°,245'х, при Х<7,855% (3)

{ H=4,714-4,101•log X, при 7,855<Х<100% (4)

В третьем цикле опытов исследовали влияние конструкций рабочих колёс на эксплуатационные параметры процесса трубопроводного транспорта эмульсий. Получено семейство уравнений нелинейной регрессии (5) — (9) и найдены оптимальные конструктивные параметры рабочего колеса: углы установки лопастей на входе в колесо р1=30° и выходе р2=14°, полярный угол установки лопастей у=60°, число лопастей z=6. При этом основные параметры насоса имеют значения: расход Q=4,419 м3/ч, напор Н=9,274 м, мощность N=0,706 кВт, к.п.д.=0,163, удельная мощность N^=0,16 кВт/(м3/ч).

Рис. 3 - Результаты определения нормального усилия N

Во втором цикле опытов исследовали влияние конструктивно-режимных параметров центробежной насосной установки и прососа воздуха в технологическое оборудование на эффективность процесса перекачивания прямой эмульсии.

Определены оптимальные значения конструктивно-геометрических параметров насосной установки линии первичной обработки молока: внутренний диаметр трубопровода — 0,038 м, высота установки насоса — 0,7 м. Максимально допустимое значение содержания воздуха в прямой эмульсии, соответствующее высокой эффективности процесса трубопроводной транспортировки, составляет X = 3,525%, при этом основные параметры насоса снижаются до значений: подача Q = 2,833 м3/ч, напор Н = 3 м, мощность N = 0,6 кВт, к.п.д. = 0,053.

Q=4,023-2,363•Pl2+0,560•p2+0,013•z2 (5)

Н=-1,321+3,729^-0,377^2+0,857-р22 (6)

N=0,733+0,221-^ (7)

к.п.д. =-0,025+0,058^-0,0056^2 (8)

^д=0,275+0,991-Рі2-0,613-в2 (9)

Исследования по определению гидромеханического воздействия оптимальной (РКУ) и серийной (НМУ—01.01.170.000) конструкций рабочих колёс на агрегативную и седимента-ционную устойчивости прямой эмульсии показали, что снижение травмирования жировых шариков молока на 8,9% за счёт внедрения РКУ привело к сокращению потерь молочного жира до 0,28% (при базовой жирности 3,18%). Годовой экономический эффект от внедрения РКУ центробежного насоса в пневматическую линию первичной обработки молока (в расчёте на 200 коров, среднегодовая продуктивность 3467,5 кг) составит 550 тыс. руб.

В результате проведенных НИОКР созданы опытные образцы ресурсосберегающего технологического оборудования.

Колесо РКУ

Инновационные эффекты — снижение травмирования жировых шариков (в сравнении с крыльчаткой НМУ-01.01.170.000 насоса НМУ-6А) на 8,9%, позволяющее сократить потери жира до 0,28% (при базовой жирности 3,18%); высокая стабильность работы насоса с рабочим колесом в условиях перекачивания из-под вакуума 50 кПа (частота вращения — 2810 об/мин., расход — 4,42 м3/ч, напор — 9,27 м); унифицированность РКУ, с целью применения в молочных насосах центробежного типа (достигается при помощи механизма фиксации колеса на валу электродвигателя). Форма лопастей — лопатки с изменяющейся кривизной (профиль получен на основе модели силового взаимодействия лопасти рабочего колеса насоса с молоком).

Силъфонный пневматический аккумулятор УЗН

Инновационные эффекты: обеспечение надёжных запусков в работу молочных насосов в условиях просасываемого воздуха в рабочую камеру; автоматизация процесса заполнения молоком рабочей камеры насоса.

Устройство контроля промывки УКП Инновационный эффект — простой способ осуществления контроля санитарного состояния поверхностей молокопроводов после циркуляционной промывки.

Таким образом, предложенная нами методология гидродинамического процесса перекачивания гидрофобных эмульсий является эффективным инструментом ресурсосберегающего параметрического синтеза технологического оборудования отраслей промышленности и сельского хозяйства страны.

Работа выполнена в рамках темы «Изучение кинематической устойчивости жидкодисперсных систем в условиях контактных взаимодействий с твердыми телами различной кривизны» и включена в план НИР Отдела биотехнических систем Оренбургского научного центра УрО РАН на 2009-2011 гг., № ГР 01200952374. Научный руководитель — д.т.н. Л.П. Карташов.

Литература

1. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Т.1: Коллоидная химия // Избранные труды. М.: Наука, 1978. 384 с.

2. Карташов Л.П., Зубкова Т.М. Параметрический и структурный синтез технологических объектов на основе системного подхода и математического моделирования. Екатеринбург: УрО РАН, 2009. 225 с.

3. Колпаков A.B. Совершенствование процесса перекачивания молока насосом доильной установки: дисс. ... канд. техн. наук: 05.20.01. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2008.