Наполнение резервуара жидкостью с помощью вакуума Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УДК 621.52:532.54 НАПОЛНЕНИЕ РЕЗЕРВУАРА ЖИДКОСТЬЮ С ПОМОЩЬЮ

ВАКУУМА

Н.Л. Великанов1, В.А. Наумов2, С.И. Корягин3

хъБалтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. Канта),

236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14;

2Калининградский государственный технический университет (КГТУ),

236000, г. Калининград, Советский пр., 1

Рассмотрен процесс наполнения резервуара под вакуумом. В начале процесса жидкость в емкости отсутствует. Затем откачивается газ (как правило, воздух) из резервуара. В данной статье рассмотрен этап всасывания жидкости в резервуар.

Особенность процесса заключается в том, что по мере поступления жидкости в резервуар, объем воздуха в нем уменьшается, а давление возрастает. Это будет продолжаться до тех пор, пока перепад давления, вызывающий движение жидкости, не сравняется с давлением столба жидкости. Представлены математические модели процессов. Использованы нагрузочные характеристики водокольцевого вакуумного насоса ELRS-60.

Ключевые слова: вакуумный насос, производительность за цикл, давления воздуха в камере

FILLING THE TANK OF LIQUID USING A VACUUM

N. L. Velikanov, V. A. Naumov, S. I. Koryagin

The Baltic federal university of Immanuil Kant (BFU of Kant), 236041, Kaliningrad, st. A. Nevsky, 14;

Kaliningrad State Technical University (KSTU), 236000, Kaliningrad, Sovetsky Ave., 1

The process of filling the tank under vacuum is considered. At the beginning of the process, there is no liquid in the container. Then the gas (usually air) is pumped out of the tank. This article describes the stage of liquid suction into the tank.

The peculiarity of the process is that as the liquid enters the tank, the volume of air in it decreases, and the pressure increases. This will continue until the pressure drop that causes the liquid to move is equal to the pressure of the liquid column. Mathematical models of processes are presented. The load characteristics of the ELRS-60 water ring vacuum pump are used.

Keywords: vacuum pump, capacity per cycle, air pressure in the chamber

В отличие от сжатого воздуха, который обычно подается по трубопроводам в места потребления из центральной компрессорной станции вакуум создается в самих цехах-потребителях, где для этой цели устанавливают вакуум-насосы. В зависимости от производственных возможностей протяженность вакуум-линий стремятся сократить до минимума, чтобы в них не попадал воздух [1].

Передавливание жидкостей сжатым воздухом является весьма распространенным

видом транспортировки. Существенными преимуществами этого метода по сравнению с перекачиванием насосами являются простота конструкции, легкость обслуживания установки. Ввиду отсутствия движущихся частей аппараты для передавливания могут быть изготовлены из различных коррозионностойких материалов или защищены с помощью соответствующих обкладок и футеровок [2].

1Великанов Николай Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиноведения и технических систем, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: monolit8@yandex.ru;

2Наумов Владимир Аркадьевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водных ресурсов и водопользования, КГТУ, тел. 8 (4012) 99 53 37; e-mail: vladimir.naumov@klgtu.ru;

3Корягин Сергей Иванович - доктор технических наук, профессор, директор инженерно - технического института, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: SKoryagin@.kantiana.ru

Рассмотрим процесс наполнения под вакуумом (рис. 1), когда объем жидкости в резервуаре 3 больше объема резервуара 2. В начале процесса жидкость в резервуар отсутствует, все вентили закрыты. Открывают вентиль 4, и ВКН 1 откачивает газ (как правило, воздух) из резервуара. Анализ и расчет процесса откачки воздуха с помощью ВКН до некоторого давления ро приведен в [3]. В данной статье рассмотрим следующий этап - всасывание жидкости из резервуара 3 в резервуар 2 под действием перепада давления. Открыты вентили 7, все остальные закрыты.

Рисунок 1 - Схема работы установки при наполнении резервуара 2 под вакуумом:

1 - вакуумный водокольцевой насос (ВКН),

2 - наполняемый резервуар, 3 - резервуар с жидкостью, 4 - вентиль ВКН, 5 - вентиль линии

сжатого воздуха, 6 - вентили линии атмосферного воздуха, 7 - вентили всасывающего трубопровода, 8 - вентиль нагнетательного трубопровода

Особенность процесса заключается в том, что по мере поступления жидкости в резервуар, объем воздуха в нем уменьшается, а давление возрастает. Это будет продолжаться до тех пор, пока перепад давления, вызывающий движение жидкости (Ар=рл-р), не сравняется с давлением столба жидкости. Откуда максимальное давление в резервуар

Ртх = Ра - Р- g• (Но + А И), (1)

где р - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, Но - начальная высота (см. рис. 1), АН - понижение уровня жидкости в резервуаре 3, рл - атмосферной давление.

Как показано в работах [3-5], процесс сжатия воздуха можно считать изотермическим, тогда справедливо равенство:

Ро V = р(г)• (У0 - V(г)), (2)

где V - объем резервуара, р(£) - давление воздуха в момент времени Ь, У(Ь) - объем жидкости, закачанной в резервуар к моменту времени г.

Тогда максимальный объем жидкости, который будет закачан в резервуар за один цикл до достижения давления ртах:

(3)

Перепад давления, вызывающий движение жидкости смеси, будет со временем уменьшаться. Следовательно, течение жидкости будет нестационарным. Воспользуемся уравнением Бернулли для нестационарного турбулентного течения жидкости (см., например, [6]), в нашем случае оно будет иметь следующий вид:

1 ( - Ро V) ^

Я V- ^ (4)

^ г д Ж

-(И о + ЛН ) g =

-ах,

2 - - ^ д г

где последнее слагаемое обусловлено нестационарным характером течения; Ж - средняя по поперечному сечению скорость жидкости, а1, а2 -коэффициенты неравномерности профиля продольной скорости жидкости; £ - обобщенный коэффициент гидравлического сопротивления; Г -длина трубопровода.

Дифференциальное уравнение для объема жидкости, поступившей в резервуар:

^ =-ж(,) ч, Sо = п

d г

4

(5)

Vmax V0 - (1 ро / ршах ) ,

где £о - площадь поперечного сечения трубопровода;

й - внутренний диаметр трубы.

Система уравнений (4)-(5) решалась численным методом с начальными условиями:

Ж (о) = о, V (о) = о. (6)

Далее, для определенности будем полагать, что используется водокольцевой вакуумный насос ELRS-60 [7], нагрузочные характеристики которого представлены на рис. 2 (О - объемный расход откачиваемого воздуха, N - затраченная мощность). Жидкость - 8о% раствор серной кислоты при 2о°С, плотностью р=1727 кг/м3; коэффициент кинематической вязкости V = 1,34^ 1о-5 м2/с [8]. Исследуется один из наиболее распространённых резервуаров химической промышленности с объемом Vо = 3 м3, за исключением серии расчетов по исследованию влияния величины Vо на характеристики процесса.

КПД будем рассчитывать по затраченной А1 и полезной работе А2:

п = 1оо- А2/А1,

г

А! =|р(г)• О(р(г)) аг, (7)

о

н

А2 = й-1Ж(г)-(Ра-р(г)) а, (8)

о

где г1 - продолжительность откачки воздуха;

г2 - время закачки жидкости (за цикл).

Было исследовано влияние различных параметров на процесс работы установки.

Влияние начального давления в резервуар показано на рис. 3-8.

Н.Л. Великанов, В.А. Наумов, С.И. Корягин

в л3/мин 125

120

115

110

1 члг

N кВт 120

90

60

30

10 20 30 40 50 60 70 80 90ЛкПа

Рисунок 2 - Нагрузочные характеристики водокольцевого вакуумного насоса ELRS-60 при

420 об/мин: представлены результаты экспериментальных замеров [7] (точки) и расчетных зависимостей [4] (линии)

IV, м/с

1.2

0.9

0.6

0.31

~~— 2 1

50

100

150

200

250

300

КПД получается при значениях начального давления вблизи ро = 20 кПа.

Рисунок 3 - Изменение давления воздуха в камере во время процесса закачивания жидкости при

Но = 2 м; L = 100 м; Vо = 3 м3; d = 100 мм и различных значениях начального давления:

1 - ро = 10 кПа; 2 - ро = 20 кПа; 3 - ро = 30 кПа; 4 - р0 = 40 кПа; 5 - р0 = 50 кПа

Рисунок 4 - Изменение скорости жидкости в трубопроводе в процессе закачивания жидкости при Н0 = 2 м; L = 100 м; У0 = 3 м3; d = 100 мм и различных значениях начального давления:

1 - р0 = 10 кПа; 2 - р0 = 20 кПа; 3 - р0 = 30 кПа;

4 - р0 = 40 кПа; 5 - р0 = 50 кПа Видно, что увеличение начального давления в рабочей камере приводит к снижению объема жидкости, перекачиваемой за один цикл (рис. 6), уменьшению скорости и числа Рейноль-дса в трубопроводе (рис. 4 и 5); конечное давление несколько увеличивается (рис. 3). При увеличении р0 с 10 до 50 кПа максимальный объем перекачиваемой за один цикл жидкости снижается 2,37 до 0,60 м3 (рис. 6в), время заполнения камеры - с 5,8 до 3,7 мин. (рис. 7а), средняя за цикл производительность - с 6,8 до 2,7 дм3/с (рис. 7б), коэффициент полезного действия - с 40,7 до 27,7% (рис. 7г). Небольшое возрастание

Рисунок 5 - Изменение чисел Рейнольдса в трубопроводе в процессе закачивания жидкости при Н0 = 2 м; L = 100 м; У0 = 3 м3; d = 100 мм и различных значениях начального давления:

1 - р0 = 10 кПа; 2 - р0 = 20 кПа; 3 - р0 = 30 кПа; 4 - р0 = 40 кПа; 5 - р0 = 50 кПа

Рисунок 6 - Изменение объема жидкости в процессе закачивания жидкости при Н0 = 2 м; L = 100 м; У0 = 3 м3; d = 100 мм и различных значениях начального давления: 1 - р0 = 10 кПа; 2 - р0 = 20 кПа; 3 - р0 = 30 кПа; 4 - р0 = 40 кПа; 5 - р0 = 50 кПа

Ч'А

1 \

\

20

30 40 ^01кПа

10 20 30 40 ^кПа 10

в) г)

Рисунок 7 - Влияние начального давления в резервуаре на параметры работы установки:

а)- время заполнения резервуар; б) - средний расход жидкости в трубопроводе; в) - максимальный объем заполнения резервуар, г - КПД

На рис. 8 представлены результаты исследования влияния внутреннего диаметра трубопровода ё на параметры работы установки. Диаметр трубопровода не влияет на максимальный объем наполнения резервуар (^ах= 1,74 м3). При увеличении диаметра с 8о до 15о мм время заполнения камеры снижается с 12,2 до 2,3 мин. (рис. 8а), средняя за цикл производительность возрастает с 2,4 до 12,7 дм3/с (рис. 8б). Коэффициент полезного действия слабо возрастает (от П=37,2% до 38,3%).

в) г)

Рисунок 9 - Влияние объема резервуар при Но = 3 м; L = 80 м; ро = 15 кПа; d = 100 мм: а) - время заполнения резервуар; б) - максимальный объем заполнения резервуар; в) -средний расход жидкости в трубопроводе, г - КПД

На рис. 1о представлены результаты исследования влияния начального перепада уровней Но на параметры работы установки. При увеличении Но с о до 4 м время заполнения камеры возрастает с 4,1 до 5,8 мин. (рис. 1о а), максимальный объем жидкости, перекачиваемой за один цикл, также снижается с 2,4 до 1,1 м3 (рис. 1о б), средняя за цикл производительность падает с 1о,2 до 3,2 дм3/с (рис. 1о в), коэффициент полезного действия снижается с 46,7 до 25,3% (рис. 1о г).

110 130 d, мы 70 90 110 130 А мм а) б

Рисунок 8 - Влияние диаметра трубопровода при Ho = 3 м; L = 80 м;ро = 15 кПа; Vo = 3 м3:

а) - время заполнения резервуар, б) - средний расход жидкости в трубопроводе

На рис. 9 представлены результаты исследования влияния объема рабочей камеры V0 на параметры работы установки. При увеличении Vo с 1 до 5 м3 время заполнения камеры возрастает с 2,0 до 8,8 мин. (рис. 9а), максимальный объем жидкости, перекачиваемой за один цикл, также возрастает с 0,67 до 2,47 м3 (рис. 9б), средняя за цикл производительность падает с 6,5 до 4,7 дм3/с (рис. 9в), коэффициент полезного действия снижается с 42,2 до 32,4% (рис. 9г). Последние два показателя говорят о том, что увеличение рабочей камеры нецелесообразно.

3 и

3 Я„,м 0 1 2 3 Яц.и в) г)

Рисунок 1о - Влияние начального перепада уровней НО приро=15 кПа; L=80 м; Уо=3 м3; d=100 мм:

а) - время заполнения резервуар; б) - максимальный объем заполнения резервуар; в) -средний расход жидкости в трубопроводе; г) - КПД

На рис. 11 представлены результаты исследования влияния длины трубопровода Г на параметры работы установки. Длина трубопровода не влияет на КПД (п=43,1%) и максимальный объем наполнения резервуар (^ах= 2,о95 м3). При увеличении Г с 4о до 13о м время заполнения камеры возрастает с 3,5 до 6,6 мин. (рис. 11а), средняя за цикл производительность падает с 9,8 до 5,3 дм3/с (рис. 11 б).

Рисунок 11 - Влияние длины трубопровода L при р0=15 кПа; Н0 = 2 м; У0=3 м3; d=100 мм:

а) - время заполнения резервуар; б) - средний расход жидкости в трубопроводе

Заметим, что расчет средней производительности за цикл выполнялся без учета времени работы вакуумного насоса г1, так как оно составляло всего несколько секунд. При использовании менее мощного насоса время его работы заметно возрастет и может стать сравнимым со временем перекачивания жидкости Т. Тогда величину г1 следует учитывать в расчете.

Литература

1. Бакланов Н.А. Транспортировка жидкостей в химических производствах. - Москва: Машгиз, 1962. 157 с.

2. Леонтьев В.К., Барашева М.А. Расчет насосной установки: учебное пособие. - Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2о13. 134 с.

3. Великанов Н.Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Откачивание стоков вакуумной машиной. - Технико-

технологические проблемы сервиса. 2020. № 1(51). С. 11-14.

4. Великанов Н.Л., Наумов В.А. Моделирование характеристик водокольцевых вакуумных насосов.-Известия вузов. Машиностроение. 2019. № 10. С. 7077.

5. Naumov VA., Velikanov N.L. Simulation of operational characteristics of the water-ring vacuum pumps.-IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019. 537 032029. doi:10.1088/1757-899X/537/3/032029.

6. Fox J.A. Hydraulic analysis of unsteady flow in pipe networks. - London: Macmillian Press Ltd. 1977. 234 p.

7. ERSTVAK. Catalogs of the equipment. Water ring vacuum pumps [Electronic resource]. - URL: http://www. erstvak.com/katalog/vodokolcevye-vaku-umnye-nasosy.pdf.

8. Ибрагимов Г.З., Хисамутдинов Н.И. Справочное пособие по применению химических реагентов в добыче

УДК 658.5

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

В.Г. Бурлов1, В.Д. Маньков2, М.А. Полюхович3

Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29

Исследование посвящено вопросам управления безопасностью электрических сетей. Аварийные отключения в большей степени вызваны воздействием метеорологических факторов. К рассмотрению предлагается технология управления безопасностью с применением геоинформационной системы для устойчивого функционирования электрических сетей.

Ключевые слова: электрическая сеть, управление безопасностью, геоинформационная система, модель решения человека.

DEVELOPMENT OF SAFETY MANAGEMENT TECHNOLOGY OF ELECTRIC POWER NETWORKS BASED ON THE APPLIANCE OF GIS

V.G. Byrlov, V.D. Mankov, M.A. Polyukhovich

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 195251, St. Petersburg, Polytechnicheskaya, 29

The study focuses on the safety of electrical power networks. Emergency shutdowns are largely caused by meteorological factors. A safety management technology using a geo information system for the stable operation of electrical power networks is proposed for consideration.

Keywords: electrical power network, safety management, geo information system, human decision model.

Введение

В настоящее время человечество зависимо от доступного и качественного электроснабжения. Промежуточным звеном в системе источник-потребитель являются электрические

сети (ЭС). ЭС - совокупность различного напряжения линий и подстанций, обеспечивающая передачу электроэнергии потребителям и ее распределение.

1Бурлов Вячеслав Георгиевич - доктор технических наук, профессор, тел.: +7(911)100-41-01, e-mail: bur-lovvg@mail. ru;

2Маньков Виктор Дмитриевич - кандидат технических наук, доцент, e-mail: viktor.mankov@mail.ru;

3Полюхович Максим Алексеевич - аспирант, тел.: +7(911)236-72-87, e-mail: mpolyukhovich@gmail.ru