Определение вязкости жидкости по контролируемым параметрам насоса Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 632.13:621.659

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ ПО КОНТРОЛИРУЕМЫМ ПАРАМЕТРАМ НАСОСА

Э.Г. ТЕЛЯШЕВ, д.т.н., проф., чл.-корр. АН РБ, директор И.М. АРПИШКИН, к.т.н., начальник отдела В.Р. НИГМАТУЛЛИН, к.т.н., замдиректора В.И. ИОНОВ, к.ф-м.н., первый замдиректора

ГУП «Институт нефтехимпереработки РБ» (Россия, 450065, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Инициативная, д. 12). E-mail: aim@oildesign.ru М.И. АРПИШКИН, студент

ФГБОУ ВО Уфимский государственный авиационный технический университет (Россия, 450008, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. К. Маркса, д. 12).

Предлагается способ определения вязкости, в котором чувствительным элементом является ротационный насос, перекачивающий жидкость, вязкость которой определяется. Вязкость вычисляется аналитически по контролируемым технологическим параметрам насоса.

Ключевые слова: насос, способ, вязкость, перепад давления, частота вращения, обороты, температура, сила тока, момент.

характеристики таких вискозиметров, в частности надежность при измерении вязкости на потоке.

Известен способ измерения вязкости [4], предусматривающий погружение пробы жидкости в ротационный вискозиметр - винтовой насос. В момент измерения закрывают выход насоса и измеряют разность давлений в кольцевом зазоре насоса при вращении шнека с известной скоростью. Вязкость жидкости рассчитывают с использованием измеренной величины разности давлений и скорости вращения шнека по формуле

Вязкость является основным определяющим параметром пластиков. Поэтому одной из основных целей управления технологическим процессом полимеризации этилена является достижение заданного качества производимого полиэтилена. Последнее характеризуется заданным значением индекса расплава (ИР) [1] - оценкой вязкости полиэтилена, заключающейся в измерении массы полиэтилена, выдавленного прессом через отверстие определенного сечения при заданных температуре, давлении, длительности эксперимента.

Целью управления процессом производства полиэтилен-терефталата также является достижение требуемой вязкости, которая измеряется поточным вискозиметром.

Известен способ измерения вязкости жидкости на капиллярном вискозиметре, включающем шестеренчатый насос с термостатируемым капилляром и дифманометр. Способ основан на измерении перепада давления на капилляре при постоянном объемном расходе через него контролируемой жидкости [2]. Как показывает опыт, эти вискозиметры не получили распространения в системах автоматического контроля технологических процессов. В реальных условиях эксплуатации, например в производстве полиэтилена, такие вискозиметры неработоспособны из-за забивки капилляра.

Известен способ измерения вязкости легкорасслаива-ющихся суспензий на ротационном вискозиметре путем создания циркуляции суспензии в рабочем зазоре между коаксиальными цилиндрами за счет перепада давления по высоте зазора и поддержания этого перепада на расчетном значении [3]. Однако такие ротационные вискозиметры достаточно сложны по конструкции. Кроме того, необходимость регулирования перепада давления и поддержания его в расчетном интервале значений усложняет способ, что в конечном счете ухудшает эксплуатационные

A- Ap

(1)

где п - скорость вращения шнека насоса; Ар - разность давлений; А - постоянный коэффициент.

Однако необходимость периодического запирания в данном способе измерения вязкости выхода насоса усложняет его конструкцию и дает дискретность показаний.

Мы попытались исключить необходимость запирания выхода насоса, получить непрерывность показаний вязкости, а также привязать способ измерения вязкости к существующему оборудованию, в частности к ротационному насосу перекачивающему жидкость на потоке в любом технологическом процессе.

КПД насоса можно определить через момент на его валу [5].

Крутящий момент Мпр, затрачиваемый на приводном валу насоса, равен сумме следующих моментов:

- теоретического момента МТ, затрачиваемого на создание давления жидкости в объеме, описываемом рабочими элементами насоса;

- момента механического трения ММТР, зависящего от величины перепада давления, создаваемого насосоми включающего трения в зацеплении, подшипниках качения и торцах шестерен при наличии поджатия;

- сопротивления Мгидр, не зависящего от величины нагрузки и связанного с гидравлическими и механическими потерями, зависящими от числа оборотов.

М,

пр

■ МТ + ММТР + Мгидр■

(2)

Теоретическая работа насоса [5], совершаемая за 1 оборот ротора насоса, равна произведению теоретического момента на угол 2-п или произведению перепада давления на насосе Ар = рнагн - рвс на производительность за 1 оборот:

АТ = 2п • МТ = Ар • qт, (3)

n

НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU

1ИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ -#

откуда

MT

Ар-qT _ Ар - QT

(4)

2л 2л-п

Теоретическая производительность шестеренчатых на сосов прямопропорциональна частоте вращения шесте рен [5]:

QT _2-л-n-b-

( f2 Л

R2 - г2 - ^ е 12

-Ю-0 _A-n,

A _2-л-n-b-

( 12 Л Rl - г2 - ^ е 12

-10-6 _ const,

(5)

(6)

MT _-

(

A _2-л-b-

2л

12 Л

Rl - г2 - ^ е 12

-10

-6

: const,

(7)

(8)

M

m.mp

4л_р( -г4),

^ т

(9)

где р - вязкость; ю - частотная скорость вращения шестерни, 1/мин; Яе - радиус окружности головок; г - радиус начальной окружности; БТ - толщина торцевого зазора. Тогда:

M

m.mp

_ C-ц- ю _ 2л-C-n -ц,

(10)

где C _ — ( - г24 ) -постоянная величина.

M,

p.mp ■

п V mx +1 1

Ц-Ю-ReX 1 x —

z

1 m +1

S 2- Se

(11)

a(p,:

12-v-y-u-L S2-g '

(12)

где V = р/у - коэффициент кинематической вязкости, Ь -ширина зубьев; г - число зубьев; Б^ - зазор между зубом и корпусом; Бе - толщина вершины зуба; тх - число угловых шагов, находящихся в переходной зоне от нагнетания к всасыванию.

Ар _

12-v- у-u- L _ 12-1- ю-г- L

s2- g

s2- g

D _

_ D-1- ю_2-л-n, (12) 12-г- L

s2- g

(13)

где Ог - теоретическая производительность насоса; п -число оборотов ротора насоса; Ь - ширина зуба;

□ т-(г + 2)

Яе = —^—- - радиус окружности головок;

Я - радиус начальной окружности; - основной шаг; т - модуль насоса; г - число зубьев шестерен насоса.

Параметры - г, т, Ь, Яе, г, ?0 являются конструктивными величинами шестеренчатого насоса. Тогда

Л-Ар

где у — удельный вес рабочей жидкости; р — коэффициент кинематической вязкости; и — скорость жидкости в щели; I — длина щели по оси; э — величина зазора; д — ускорение силы тяжести.

Таким образом,

M

р.тр

- 2 - л- E- ц- n,

где

E _

4-л-Rе -b

mx +1

Re

m„+1

1 S i 2 - Se 1

Z DrSi

_ const.

(14)

(15)

С учетом формулы (2):

Мм тр - может быть учтен неполным механическим КПД. Примем Мм тр постоянным и обозначим как В = Мм тр.

~ м.тр м.тр

Мгидр - зависит от скорости жидкости, частоты вращения вала или шестерни насоса, перепада давления на насосе и конструктивных параметров насоса. Гидравлические потери включают потери на жидкостное трение в торцовых и радиальных зазорах, на преодоление сил инерции, на перерезание струи жидкости и на вытеснение жидкости из защемленного объема через разгрузочные устройства.

Для шестеренчатого насоса момент, возникающий от гидравлических потерь, складывается из момента потерь через торцевые и радиальные зазоры.

Момент жидкостного трения в торцевом зазоре определяется по формуле [4, с. 82]:

M

пр

Ар-А 2п

+ Ммтр +2- п-С- ц- n + 2- п- E- ц- n. (16)

Момент ротора насоса Мпр является хорошо измеряемой

величиной. Тогда

2-п-Мпр-Ар-А-2-п-М

м.тр

где

n-(С + Е) 2-п-Мпр-Ар-А-2-п-В n-(С + Е) 2-п-Мпр-Ар-А-F

= n-G '

F = 2 • п • В, G = (C + Е).

Таким образом, имеем

КО =

2-л-Мпр-Ар-А-F ю-G

l(to) _ f(|(t)),

(17)

(18) (19)

(20) (21)

Момент, возникающий от гидравлических потерь через радиальные зазоры, определяется по формуле [5, с. 83]:

4л- Я2 ■ Ь

где /4, Г, в - постоянные коэффициенты; ¡0 - приведенная температура.

Из формулы (20) по измеренным значениям режимных параметров п, Мпр (или Мпр = /(/)), Ар рассчитывают вязкость р контролируемой жидкости при измеряемой температуре I. По формуле (21) с учетом известных из справочной литературы закономерностей зависимости вязкости от температуры для контролируемой жидкости пересчитывают значение этой вязкости на значение вязкости для стандартной температуры ?0.

На рис. 1 приведен чертеж устройства, используемого для осуществления способа.

3 • 2016

НефтеГазоХимия 21

Принципиальная схема устройства определения вязкости:

1 - термостат, 2 - датчик измерения температуры, 3 - привод, 4 - редуктор, 5 - шестеренчатый насос, 6, 7 - линии соответственно подвода контролируемой жидкости к всасывающей камере и отвода жидкости из нагнетательной камеры насоса; 8 - датчик перепада давления Ар в нагнетательной и во всасывающей камерах насоса, 9 - датчик скорости вращения, 10 -ведущая шестерня насоса, 11 - датчик измерения силы электрического тока, 12 - датчик измерения момента на ведущем валу насоса, 13 - вычислительное устройство.

Устройство содержит термостат 1 с датчиком измерения температуры 2; привод 3 с редуктором 4 шестеренчатого насоса 5; линии 6 и 7 соответственно подвода контролируемой жидкости к всасывающей камере и отвода жидкости из нагнетательной камеры насоса; датчик 8 разности давлений Ар в нагнетательной и во всасывающей камерах насоса; датчик 9 скорости вращения п ведущей шестерни 10 насоса 5; датчик 12 измерения момента Мпр на ведущем валу насоса (датчик 11 измерения силы электрического тока I, питающего электродвигатель насоса, по которой производится расчет значения момента Мпр на ведущем валу насоса); вычислительное устройство 13.

Чувствительным элементом данного устройства является насос 5 с приводом 3 и редуктором 4. Этот элемент помещают в термостат 1, которым обеспечивают изотермические условия контроля.

Способ осуществляют следующим образом.

Насос работает от действия электрического привода 3. При этом в вычислительное устройство 13 подаются сигналы от датчиков:

- 8 - разности давлений Ар в нагнетательной и во всасывающей камерах насоса,

- 9 - скорости вращения ю ведущей шестерни 10 насоса 5,

- 12 - измерения момента Мпр на ведущем валу насоса (или 11 -измерения силы электрического тока, питающего электродвигатель насоса, по значению которого определяется значение момента Мпр на ведущем валу насоса).

В вычислительном устройстве 13 производится вычисление значения вязкости р при температурах ? и ?0.

Контроль вязкости выполняют непрерывно в автоматическом режиме.

Таким образом, предлагается к рассмотрению способ измерения вязкости жидкости, перекачиваемой ротационным насосом, где чувствительным элементом является сам ротационный насос, а вязкость вычисляется по контролируемым параметрам насоса. НГХ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Калашник Д.В. Усовершенствованное управление трубчатым реактором производства полиэтилена по индексу расплава: Автореферат дис. ... к.т.н.Уфа, - 2013.

2. Фарзане И.Г. Технологические измерения и приборы. М.: Высшая школа, 1989. С. 54.

3. Авторское свидетельство СССР № 1242757. 1985.

4. Патент № 2029284. Способ определения вязкости. Кобяков А.И., Арпишкин И.М.// Опубл. 20.02.1995.

5. Юдин Е.М. Шестеренчатые насосы. Основные параметры и расчет. Изд. 2-е. М.: Машиностроение, 1964.

DETERMINATION OF VISCOSITY OF THE LIQUID ON

CONTROLLED PARAMETERS OF THE PUMP_

Telyashev E.G., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Corresponding Member of the Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan, Director Arpishkin I.M., Cand. Sci. (Tech.), Head of Department Nigmatullin V.R., Cand. Sci. (Tech.), Deputy Director Ionov V.I., Cand. Sci. (Ph.-m.), First Deputy Director

Institute of Petroleum Refining and Petrochemistry of RB (12, Iniciativnaya St., 450065, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia). E-mail: aim@

oildesign.ru

Arpishkin M.I., student

Ufa State Aviation Technical University (USATU) (12, K. Marx St., 450008, Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia).

ABSTRACT

Suggested a method for determining the viscosity where the sensing element is a rotary pump, pumping liquid, whose viscosity is being determined. The viscosity is calculated analytically by controlled process parameters of the pump.

Keywords: pump, method, viscosity, pressure drop, rotating frequency, revs, temperature, current strength, moment.

REFERENCES

. Kalashnik D.V. Usovershenstvovannoye upravleniye trubchatym reaktorom proizvodstva polietilena po indeksu rasplava. Diss. dokt. tekh. nauk [Improved management of the tubular reactor for production of polyethylene by melt index. Dr. tech. sci. diss.]. Ufa, 2013.

. Farzane N.G. Tekhnologicheskiye izmereniya i pribory [Technological measurements and devices]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1989. p. 54.

. Avtorskoye svidetel'stvo SSSR №1242757 [Copyright certificate of the USSR

№ 1242757]. 1985.

3. Kobyakov A.I., Arpishkin I.M Sposob opredeleniya vyazkosti [The method for determining viscosity]. Patent RF, no. 2029284, 1995.

4. Yudin Ye.M. Shesterennyye nasosy. Osnovnyye parametry i raschet [Gear pumps. Basic parameters and calculation]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1964.

Рис. 1