CC BY
37
-□ □-
Дослиджено структуру течи в тдвидному пристрог осьового хiмiчного насоса. Встановлено основш причини та зони гiдравлiчних втрат. Враховуючирезуль-тати дослидження, запропоновано модертзовану конструкцию тдвидного пристрою та виконане чисельне моделювання течи в ньому, яке показало зниження гiдравлiчних втрат майже вдвiчi в порiвняннi з базо-вою конструкщею
Ключовi слова: тдвидний пристрш, гiдравлiчнi втрати, осьовий хiмiчний насос, чисельне моделю-вання
□-□
Исследована структура течения в подводящем устройстве химического осевого насоса. Установлены основные причины и зоны гидравлических потерь. Учитывая результаты исследования, предложена модернизированная конструкция подводящего устройства и выполнено численное моделирование течения в нем, которое показало снижение гидравлических потерь почти вдвое в сравнении с базовой конструкцией
Ключевые слова: подводящее устройство, гидравлические потери, осевой химический насос, численное
моделирование -□ □-
УДК 621.65
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.39454|
МОДЕРН1ЗАЦ1Я П1ДВ1ДНОГО ПРИСТРОЮ ОСЬОВОГО Х1М1ЧНОГО НАСОСА
М. Л. З а i* к i н а *
E-mail: marinka.zaikina@mail.ru О. А. MaTBieH ко
Кандидат техшчних наук, асистент* E-mail: olhamatvienko@gmail.com *Кафедра прикладноТ гщроаеромеханки Сумський державний уыверситет вул. Римського-Корсакова, 2, м. Суми, УкраТна, 40007
1. Вступ
Ортофосфорна кислота, яка в наш час отримала ши-роке розповсюдження, використовуеться в якост флюсу при пайщ чорних металiв, окислено! мда та нержавшчо! стал! Молекулярш дослвдження, що проводяться рiзни-ми лабораторiями також виконуються за участю дано! кислоти. Комбiнованi та фосфатш добрива, що отриму-ють за допомогою ортофосфорно! кислоти, популярнi серед фермерських господарств завдяки тому, що надають рослинам та культурам стшюсть до несприятливих умов клiматy сприяють швидкому достиганню врожаю.
Просякнутi кислотою дерев'яш конструкцп проти-стоять вогню. Завдяки негорючосп багато виробникiв будiвельних матерiалiв також використовують ортофос-форну кислоту.
Окрiм того, широке використання ортофосфорна кислота знайшла у виробництвi харчових продуктiв як добавка Е338.
Зважаючи на широке використання актуальним завданням е створення високоефективного обладнання для виробництва дано! речовини.
2. Аналiз лкератури та постановка задачi
Ортофосфорна кислота у промислових масштабах отримуеться екстракцшним способом [1]. При цьо-му для зменшення технологiчного часу протiкання хiмiчноi реакцii необхiдна iнтенсифiкацiя процесу перемшування робочого середовища за рахунок його примусового прокачування мiж вiдсiками реактора.
Традицшно, для такого технологiчного процесу використовують насоси з осьовими проточними ча-
стинами, що мштять послiдовно розташоваш робоче колесо та випрямний апарат (тип РВ). Проте лопатевi системи такого типу у процес експлуатацп показу-ють низьку ефективнiсть та високу юльюсть поломок у процес роботи [2], що зумовлено особливостями перекачуваного середовища.
Таким чином, необхщне створення такого насосного обладнання, яке б мштило мжмальну юль-кiсть дифузорних д^янок проточно! частини, осюль-ки !х наявнiсть призводить до спов^ьнення потоку, i, вiдповiдно, до кристалiзацii продукту. Кристали продукту поступово вщкладаються товстим шаром в каналах проточно! частини насоса, що призводить до зниження параметрiв, а подекуди i до повного !х зриву.
На кафедрi ПГМ Сумського державного ушверси-тету було запропоновано створення проточно! частини осьового хiмiчного насосу, що мштить послщовно розташований напрямний апарат та робоче колесо (тип НР) [3]. Основною перевагою тако! конструктивно! схеми е тдвищена прохiдна спроможшсть, а також мiнiмальна кiлькiсть лопатей для зниження заростання проточно! частини при кристалiзацii продукту. Крiм того, конструктивна схема такого типу не поступаеться за рiвнем ККД традицшнш [4].
Проте, основною проблемою на шляху широкого використання конструктивних схем такого типу е не-достатшсть вiдомостей щодо методики проектування проточних частин такого типу, а також особливостей робочого процесу, що вщбуваеться в них. Якщо в роботах [5-7] докладно представлено основш принципи проектування робочих колк з вщ'емним моментом швидкостi на вход! то шформацп щодо напрямного апарату, на даний момент, маемо досить мало.
3. Мета та задачi дослщження
Виконаний аналiз дозволяе наступним чином сформулювати мету дано! роботи - пщвищення енер-гетично! ефективностi пiдвiдного пристрою осьового хiмiчного насоса.
Для досягнення поставлено! мети необхщно вирь шити ряд задач:
- обгрунтування дощльносп використання лопа-тево! системи типу НР в хiмiчних насосах для отри-мання ортофосфорно! кислоти;
- виконати чисельне моделювання течii в пщвщно-му пристро! хiмiчного насоса з метою вивчення струк-тури потоку;
- на основi результапв чисельного моделювання модершзувати пiдвiдний пристрiй осьового хiмiчного насоса.
4. Матерiали та методи дослщження
4. 1. Методика проведення чисельного дослщження течп в пщвщному пристро! осьового хiмiчного насоса
Для досягнення поставлено! мети використовував-ся програмний комплекс ANSYS CFX унiверситетськоi версп. В основу даного програмного продукту закла-дено метод чисельного виршення фундаментальних законiв гiдромеханiки [8].
Моделлю потоку рiдини прийнято представлення чисельного розв'язання турбулентних течш рiвняння-ми Рейнольдса (1).
и,и, - д
Р—-— = Р^ +— дх дх.
-Р8,
ди-4
дх дХ:
-РЦЦ
ди-Л
дх дХ:
(рк)+дХ" (ри-к)=дХ"
дх
дХ;
Эк :дх
+ рк -Ре>
и
дгИ+^НКН^ "Рс"е)'<3)
J .) \ J /
г> ди;
де Рк =-ри:и-—L - член, що виражае генерацiю
- дх-
енергii к:
Гк = Ц + —, Ге = ц + ^-.
Параметри 8 та |т визначаються наступним чином:
е = —
/ V ди'
. дх,
\ > /
г к2
(1)
Де змшш, що осередненi по часу, вiдмiченi рискою зверху, а пульсацшш складовi - апострофом. Лiва частина рiвняння <нестацiонарний член) описуе змшу кiлькостi руху рiдкого об'ему внаслщок змiни в часi осереднено! складово! швидкостi. Ця змiна компен-суеться осередненими зовнiшнiми силами Р^, осе-редненими силами тиску - р8,-, в'язкiсними силами
Крiм того, в праву частину рiвняння
входять турбулентнi напруження (напруження Рейнольдса), РЦЦ що враховують додатковi втрати та перерозподiли енергii в турбулентному потощ.
Для замикання рiвнянь Рейнольдса використана модель турбулентностi к-8, що враховуе особливостi течii бшя твердих стiнок i у зовшшньому потоцi та забезпечуе задовiльнi результати для розрахунюв по-токiв, що обмежуються стiнками:
Неодноразова апробацiя програмного продукту пщтвердила його придатнiсть до виршення задач на-сособудування.
Для чисельного дослщження було побудовано не-структуровану розрахункову сггку для напрямного апарата, що нараховувала 1,5 млн. комiрок. Для належ-ного опису пограничних шарiв поблизу твердих стiнок було побудовано 5 шарiв призматичних комiрок.
Пiсля генерацп сiток в препроцесорi задавалися ви-хiднi данi. В якосп гранично! умови на входi в розрахункову область задавалася масова витрата, на виходi -статичний тиск. Для вах стшок розрахунково! областi було задано умову рiвностi нулю швидкостi. Шорсткiсть стшок була прийнята Яа 6,3 (за ГОСТ 2789-73). Робоче середовище (вода за нормальних умов) приймалося не-стисливим, режим течп турбулентний.
Величина змшно! Y+ знаходилася в межах вщ 10 до 100 одиниць, що вщповщае рекомендацiям, при-веденим в поибнику користувача [9, 10].
Моделювання проводилось для води у дiапазонi подач вщ 0,7 Црозр до 1,2 Цро3р.
4. 2. Методика визначення параметрiв пiдвiдного пристрою
З метою визначення мтмально! юлькост еле-ментiв сiтки, що забезпечують прийнятну точшсть отриманих результатiв, було виконане дослщження сиково! незалежностi.
Для цього було побудовано 5 неструктурованих сиок розрахунково! областi, якi вiдрiзнялися величиною максимального глобального елементу та шдльш-стю комiрок бiля твердих стшок (табл. 1).
Таблиця 1
Основы характеристики побудованих неструктурованих
(2)
№ Максимальный глобальний елемент Загальна кшькють ком1рок
Сижа № 1 12 1 156 497
Сижа № 2 11 1 559 608
Сижа № 3 10 1 833 722
Сижа № 4 8 2 639 577
Сижа № 5 7 2 944 039
За отриманими даними було побудовано графж залежносп втрат напору вщ загально! юлькоси ко-мiрок, що мштить сiтка (рис. 1). Головною метою було знайти межу пе! юлькост комiрок, перетинаючи яку
к
к
результати розрахунк1в не залежатимуть в1д структу-ри с1тки.
турбулентна, кр1м того анал1зуючи це значення за граф1ком Шкурадзе можна зробити висновок, що турбулентный режим е квадратичним, тобто коефь ц1ент г1дравл1чного тертя не залежить в1д числа Рейнольдса.
На рис. 3, а представлено розподш повного тис-ку в напрямному апарап для оптимального режиму роботи насоса. Потш мае складну просторову структуру. Як видно з рис. 3, б на виход1 з напрям-ного апарату кнуе п'ять зон вихроутворення, що вщповщае кшькосп лопатей. Дан1 зони виникають внасл1док наявност1 вторинних ток1в 1 зумовлюють основну частину втрат в напрямному апарать
Рис. 1. Откова незалежнiсть
З рис. 1 видно, що при загальнш к1лькост1 2 639 577 елемент1в с1тки значення втрат напору не змшюються. Тобто, загущувати с1тку б1льше вказаного числа не мае необх1дност1, оск1льки це вже не впливатиме на розрахунок. Тому для подальших розрахуншв було прийнято с1тку № 5.
5. Результати чисельного моделювання базового та _модершзованого тдвщного пристрою_
Особлив1стю конструктивно! схеми типу НР е не-обх1дн1сть формування особливо! структури потоку перед робочим колесом. Дана функщя виконуеться дифузорним шдвщним пристроем.
При цьому на вход1 в робоче колесо наявний момент швидкостк
к4 = ^Уи1,
де R1 - рад1ус входу в робоче колесо; Vu1 - колова скла-дова абсолютно! швидкост1 на вход1 в робоче колесо.
Тому для дослвдження було використано тдвщний пристр1й (рис. 2), який спроектований за рекомендащ-ями [1] на параметри: подача 2000 м3/год, нашр 3,5 м, глибина всмоктування 2,2 м.
Рис. 2. Зовшшнш вигляд напрямного апарату
В результат! розрахунюв отримана структура про-сторового потоку в п!дв!дному пристро! осьового хь м!чного насоса. Розрахувавши число Рейнольдса на середньому перетиш п!дв!дного пристрою отримали значення Re=6,17•105. Це означае, що теч!я у пристро! -
Рис. 3. Вiзуалiзацiя течи в напрямному апарал: а — розподт повного тиску в напрямному апарал; б — ядра вихорiв
Внасл!док надм!рного повороту потоку на перегиш лопатки граничний шар в торцевш зон! починае згор-татися у вихор (рис. 3, б), який поступово розширю-еться до виходу з напрямного апарату.
На рис. 4 представлено графш залежноси втрат напору в напрямному апарат! в!д значення коефвден-ту подач!. Дан! втрати становлять 2...5,5 % вщ значень розрахункового напору (в залежност! в!д режиму роботи). Таким чином, маемо резерв для шдвищення енергетично! ефективност! шдвщного пристрою, !, в!дпов!дно, самого насосного агрегату.
Головною умовою модершзацп е збереження па-раметр!в потоку на вход! в робоче колесо (абсолютно! швидкоси, кута потоку, циркуляцп) з одночасним зниженням пдравл!чних втрат.
На рис. 5 представлено розподш вщносно! швидко
V
ст! ( V' = ——, де - абсолютна швидк!сть на поточно
Усер
му рад!ус!, Vсep - осереднена по масовш витрат! швид-к!сть у вих!дному перетин!) на виход! з напрямного апарату. Вщносним рад!усом вважаеться в!дношення
а
поточного рад1усу до зовшшнього рад1усу напрямного апарату на виходг
0,3 0,35
КОС4>1Ц)ЕНТ подач!
Рис. 4. Втрати напору в базовому пщвщному пристроТ осьового хiмiчного насоса
Як видно з рис. 5, у зош ядра потоку (в район в1с1 напрямного апарату) спостер1гаеться зниження зна-чень швидкост1, при цьому на периферп величини швидкост зростають.
Осюльки на втрати значною м1рою впливають ви-хори, котр1 утворюеться на лопатках, було прийнято р1шення щодо 1х розс1ювання. Для щеТ мети було спро-ектовано напрямний апарат, котрий м1стить в соб1 не лише лопатки, а й обтжач.
Для дослщження було спроектовано напрямний апарат (рис. 6) для насоса на параметри: подача 2000 м3/год, натр 3,5 м, глибина всмоктування 2,2 м.
В результат! розрахунюв отримана структура просторового потоку в напрямно-му апарат1 осьового х1м1чного насоса.
На рис. 7, а представлено розподьч пов-ного тиску в напрямному апарат1 для оптимального режиму роботи насоса. Як \ в попередньому випадку, потж мае складну просторову структуру. За обтжачем спосте-р1гаеться вихровий с.гпд (рис. 7, б), проте, в пор1внянш з попередшм випадком, вш знач-но менший.
0.45
Рис. 5. Розподт вiдносноТ швидкосп на виходi з напрямного апарату
Рис. 7. Вiзуалiзацiя течiТ в напрямному апарат з обтiкачем: а — розподт повного тиску в напрямному апарал; б — ядра вихорiв
На рис. 8 представлено графж залежност втрат напору в напрямному апарат в1д значення подач.
Рис. 6. Зовшшнш вигляд шдвщного пристрою з обтiкачем
Рис. 8. Втрати напору в модержзованому шдвщному пристроТ осьового хiмiчного насоса
Даш втрати становлять 0,9...2,74 % вщ значень роз-рахункового напору в залежност1 в1д режиму роботи.
а
Рис. 9. Розподт вщносноТ швидкостi на виходi з напрямного апарату
На рис. 9 представлено розподш абсолютно! швид-костi на виходi з напрямного апарату. Вщносним ра-дiусом вважаеться вiдношення поточного радiусу до зовшшнього радiусу напрямного апарату на виход!
Як видно з рис. 9 у зош ядра потоку (в район вiсi напрямного апарату) спостертеться зниження зна-чень швидкосп, при цьому на периферii величини швидкоси зростають. Таке рiзке зменшення швид-
кост1 зумовлене наявн1сть пограничного шару поблизу твердо! стшки обтжача.
6. Висновки
В результатi проведених дослщжень було встановлено наступне:
В технолопчному процесi виробни-цтва ортофосфорно! кислоти доцiльно ви-користовувати осьовi насоси з лопатевою системою типу НР (напрямний апарат -робоче колесо), осюльки вони мають бшь-шу надiйнiсть в порiвняннi з класичними конструктивними схемами, при збережен-т рiвня ККД.
Дослвджено структуру потоку в тдввд-ному напрямному пристро! осьового хiмiч-ного насоса з лопатевою системою типу НР. Встановлено основш зони гiдравлiчних втрат. Встановлено, що гiдравлiчнi втрати в пiдвiдному пристро! ста-новлять вiд 2 до 5,5 % ввд значень розрахункового напору в залежносп вiд режиму роботи.
Запропоновано конструкщю модернiзованого тдввд-ного пристрою. Проведено чисельне дослвдження потоку у ньому, встановлено, що гiдравлiчнi втрати в порiвняннi з базовою конструкцiею знизились на 54,3 %.
Лиература
1. Злотников, Э. Г. Краткий справочник по химии [Текст] / Э. Г. Злотников. - С.-Петербург, 2012. - 192 с.
2. Гусак, А. Г. Создание вертикального осевого насоса с лопастной системой типа НР для интенсификациии технологического процесса получения аммофоса [Текст] / А. Г. Гусак, А. А. Евтушенко, И. В. Островский, А. А. Папченко // Вюник Сумського державного ушверситету. Сер1я Техшчш науки. - 2008. - № 3. - С. 47-51.
3. Гусак, А. Г. Расчет и проектирование проточной части осевого химического вертикального насоса ОХВ 2000/3,5 с лопастной системой типа НР [Текст]: матер. наук.-тех. конф. / А. Г. Гусак, А. А. Евтушенко, И. В. Островский, А. А. Папченко // Конференщя викладач1в, сшвроб^нигав, асшранйв i студенев факультету техшчних систем та енергоефективних технологш: конференщя присвячена Дню науки в Укра!ш. - Суми : СумДУ. - 2009. - Ч. III. - С. 38.
4. Гусак, А. Г. О резервах повышения КПД лопастной системы типа НР [Текст]: матер. Всеук. мiжв. наук.-техн. конф. / А. Г. Гусак, А. А. Евтушенко, В. А. Панченко // Сучасш технологи в промисловому виробництвг - Суми: СумДУ. - 2010. -Ч. III. - С. 38-39.
5. Гусак, А. Г. Совершенствование проточных частей погружных моноблочных насосных агрегатов высокой быстроходности [Текст]: дис. ... канд. тех. наук. 05.05.17 / А. Г. Гусак. - Суми, 1996. - 213 с.
6. Кочевський, О. М. Оптимiзацiя геометричних параметрiв вщвщних пристро!в насоав високо! швидкост з лопатевою системою типу НР [Текст]: автореферат / О. М. Кочевський. - Суми: Сумський державний ушверситет, 2001. - 19 с.
7. Федотова, Н. А. Обзор существующих данных о лопастной системе типа HP [Текст]: матер. наук.-тех. конф. / Н. А. Федотова // Конференщя присвячена Дню науки Укра!ни та 60^ччю СумДУ. - Суми: СумДУ. - 2008. - Ч. II. - С. 129.
8. Матвieнко, О. А. Малогабаритний осьовий стутнь свердловинного насоса з тдвищеною енергетичною ефектившстю [Текст]: дис. ... канд. наук 05.05.17 / О. А. Матвieнко. - Суми, 2013. - 148 с.
9. ANSYS CFX 11.0 Solver Theory. Release 11.0 [Electronic resource] / 2008. - 261 p. - Available at: http://www.ansys.com
10. ANSYS CFX 11.0 Solver Models. Release 11.0 [Electronic resource] / 2000. - 549 p. - Available at: http://www.ansys.com
