CC BY
7
УДК 621.65:637.1.02
ОСОБЕННОСТИ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВИХРЕВЫХ НАСОСОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
О.И. Левичева, В. А. Наумов
FEATURES OF THE WORKING CHARACTERISTICS OF PERIPHERAL PUMPS USED
IN THE FOOD INDUSTRY O.I. Levicheva, V.A. Naumov
Аннотация. Проведен анализ рабочих характеристик вихревых насосов (ВН), используемых в пищевой промышленности. Нельзя использовать ВН с малым торцевым зазором между рабочим колесом и корпусом. Косвенным признаком достаточности торцевого зазора является линейность зависимости напора и затраченной мощности от подачи. Результаты проведенных в лабораторных испытаний ВН компании Leo вполне удовлетворительно согласуются с линейными регрессионными зависимостями. Максимальное значение КПД этого насоса с учетом энергетических затрат электродвигателя равно 20,7%. Если подача не выходит за границы рабочей области, целесообразно выбор ВН производить не по КПД, а по величине показателя удельных энергетических затрат.
Ключевые слова: вихревые насосы; рабочие характеристики; линейная аппроксимация; лабораторные испытания; показатели энергетической эффективности.
Abstract. An analysis of the performance characteristics of peripheral pumps (PP) used in the food industry has been performed. PP with a small end gap between the impeller and the housing is not recommended. The linearity of the dependence of the pressure and the power consumed on the supply is an indirect sign of the sufficiency of the end gap. The results of laboratory tests of the Leo PP are quite satisfactorily consistent with linear regression dependencies. The maximum efficiency of this pump, taking into account the energy costs of the electric motor, is 20.7%. It is advisable to choose the PP not by efficiency, but by the value of the indicator of specific energy costs, if the supply does not go beyond the boundaries of the working area.
Keywords: peripheral pumps; performance characteristics; linear approximation; laboratory tests; energy efficiency indicators.
Введение
Как известно [1, 2], рабочее колесо (РК) вихревого насоса (ВН) представляет собой плоский диск с короткими радиальными прямолинейными лопатками, расположенными на периферии РК. В корпусе имеется кольцевая полость, в которую входят лопатки РК. Внутренний уплотняющий выступ, плотно примыкая к наружным торцам и боковым поверхностям лопаток, разделяет всасывающий и напорный патрубки, соединенные с кольцевой полостью. При вращении РК жидкость увлекается лопатками и одновременно под воздействием центробежной силы закручивается. В кольцевой полости ВН образуется вихревое движение. Один и тот же объем жидкости, движущейся по винтовой траектории, многократно попадает в межлопастное пространство РК ВН, где каждый раз получает дополнительное приращение энергии. Поэтому при одинаковых габаритах и частоте вращения РК колеса n напор ВН в несколько раз больше, чем у центробежных насосов. Это позволяет проектировать и использовать ВН значительно меньших размеров по сравнению с центробежными насосами. Достоинством ВН является также и то, что они обладают самовсасывающей способностью. Недостатком вихревых насосов является невысокий КПД и быстрый износ деталей при работе с жидкостями, содержащими твердые частицы.
В пищевой промышленности ВН может работать с широким ассортиментом продуктов, не содержащих твердые примеси, например, в виноделии и производстве масел, а
также в перекачивании молочных продуктов. Все части ВН, вступающие в контакт с жидкими пищевыми продуктам, изготавливают из специальных материалов, например, ВН компании Ъюхгшт БЬ-АЬ - из нержавеющей стали А1Б1 316 (рис. 1).
Рисунок 1 - Внешний вид ВК компании 1похш1ш БЬ-ЛЬ [3]
Нередко можно встретить утверждение, что ВН пригодны для перекачивания только чистой воды или жидкостей с близкой вязкостью. Однако в руководстве по эксплуатации [4] указано, что ВК компании АО ГМС «Ливгидромаш» предназначены для перекачивания жидкостей с коэффициентом кинематической вязкости до 36-10-6 м2/с (в 36 раз больше, чем у воды). В указанный диапазон вязкости попадают многие молочные продукты.
Нагрузочные характеристики ВН
В [5, 6] было исследовано влияние конструктивных параметров на нагрузочную характеристику ВК. В [6] было установлено (см. рис. 2), что уменьшение торцевого зазора 5 между РК и корпусом приводит к увеличению напора Н. Причем при малых 5 характеристика подача-напор (<0~Н) имеет вид прямой, а при больших 5 - становится нелинейной.
Использование для транспортировки молочных продуктов по трубопроводу ВН с уменьшенным торцевым зазором не целесообразно. Это может привести к засорению агрегата и усложнению его промывки в межоперационный период. Следовательно, в
молочной промышленности можно рекомендовать использовать ВК с линейной характеристикой (Q—H). Такие характеристики ВК компании Leo показаны на рис. 3.
Total manomelric head Н (m)
О 0.5 1.0 1.5 2.0 2,5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5 5 m'fh
Capacity Q ь-
Рисунок 3 - Нагрузочные характеристики ВН компании Leo [7] Вид всех рабочих характеристик одного из ВН АО ГМС «Ливгидромаш» показан на
рис. 4.
Характеристики на рис. 4 получены при перекачивании воды 20°С, частота вращения РК - 1450 об/мин. Обратим внимания на известную особенность зависимости затраченной мощности N от подачи Q. В отличие от характеристики центробежного насоса, у ВН с
увеличением Q затраченная мощность уменьшается. ВН, применяемые в пищевой промышленности, как правило, имеют зависимость Q-N, близкую к линейной. Поэтому функции H = fi(Q), N = f2(Q) далее будем считать линейными.
Лабораторные исследования
В лаборатории Калининградского государственного технического университета (КГТУ) были проведены испытания ВН APm37 компании Leo в рабочей области. Результаты испытаний представлены на рис. 5 и 6. Затраченная мощность NE измерялась ваттметром, т.е. включает и мощность электродвигателя. На наш взгляд, для электронасосных установок это более удобно, так как позволяет сразу рассчитать затраты электроэнергии на перекачивание.
25 20 15 10
5
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0,л/с
Рисунок 5 - Зависимость напора ВН APm37 от подачи. Точки - результаты испытаний в лаборатории КГТУ, прямая - линейная аппроксимация iVE,KBr
0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 О, л/с Рисунок 6 - Зависимость затраченной мощности электроагрегата APm37 от подачи.
Обозначения, как на рис. 5
Была проведена проверка погрешности аппроксимации результатов испытаний линейными функциями. Так индекс детерминации H = fi(Q) достаточно высок 0,821. Среднеквадратичная погрешность, рассчитанная для N = f2(Q), оказалась невелика, всего 3,2%. Пользоваться линейной аппроксимацией вполне допустимо.
Многие производители ВН, в том числе [7], в технической документации не приводят показателей энергетической эффективности своих агрегатов. Пользуясь методикой [8, 9], рассчитаем КПД по напору и затраченной мощности электродвигателя:
Я, и
= q,Q) = 100 • VwgíQ = 100. р^. Q .Ш
N
(1)
где р„ - плотность воды, g - ускорение свободного падения.
Как в [9], рассчитаем показатель удельных энергетических затрат:
Е = Ые / 0.
(2)
Рассчитанный КПД и показатель Е приведены на рис. 7. Видно, что величина Е снижается при увеличении подачи выше номинального значения, тогда как КПД ухудшается.
Е, кДж/л 4
\Е
% 20
15
10
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0,л/с
Рисунок 7 - Зависимость КПД и показателя удельных энергетических затрат установки от
подачи
Приведем пример оценки энергетической эффективности электронасоса. По рис. 7 КПД, равный 15 %, будет при двух подачах: 01 = 0,278 л/с, 02 = 0,638 л/с. Но при 01 показатель удельных энергетических затрат Е1 = 1,13 кДж/л, а при 02 всего Е2 = 0,217 кДж/л, в 5 раз меньше. Правда, не следует забывать, при этом подача будет примерно в два раза больше. Если подача не выходит за границы рабочей области, целесообразно выбор электронасоса производить по величине Е.
П
Заключение
Таким образом, для перекачивания пищевых жидкостей нельзя использовать вихревые насосы с малым торцевым зазором между рабочим колесом и корпусом. Это может привести к засорению агрегата и усложнению его промывки в межоперационный период. Косвенным признаком достаточности торцевого зазора является линейность зависимости напора и затраченной мощности от подачи. Результаты проведенных в лаборатории КГТУ испытаний вихревого насоса компании Leo вполне удовлетворительно согласуются с линейными регрессионными зависимостями. Был рассчитан КПД этого насоса с учетом энергетических затрат электродвигателя. Максимальное значение указанного КПД равно 20,7% при подаче 0,49 л/с. Если подача не выходит за границы рабочей области, то целесообразно выбор электронасоса производить не по КПД, а по величине показателя удельных энергетических затрат.
ЛИТЕРАТУРА
1. Спасский К.Н., Шаумян В.В. Новые насосы для малых подач и высоких напоров. Москва: Машиностроение, 1972, 160 с.
2. Карелин В.Я., Минаев А.В. Насосы и насосные станции: учебник. Москва: Стройиздат, 1986. 320 с.
3. Inoxmim FL-AL liquid ring pumps [Electronic resource]. URL: https://www.inoxmim.com/en/agitators-pumps/liquid-ring-pump (accessed: 01.12.2021).
4. АО ГМС «Ливгидромаш». Насосы вихревые типов ВК, ВКС, ВКО и агрегаты электронасосные на их основе. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. URL: https://www.hms-livgidromash.ru/documentation/rukovodstva/260/1188/ (дата обращения: 01.12.2021).
5. Жданов И.Л., Хаустов А.И., Сергиевский Э.Д., Овчинников Е.В .Расчет течения жидкости в каналах вихревого насоса // Вестник МАИ. 2003. Т. 10, № 2. С. 47-51.
6. Левочкин П.С., Ромасенко Е.Н., Видишев В.И., Голубков С.Б. Разработка и исследование малорасходной герметичной установки с вихревым насосом // Конверсия в машиностроении. 2006. № 1. С. 28-32.
7. Leo Group. Peripheral Pumps APm [Electronic resource]. URL: https://leopump.com/1-1-1-4-peripheral-pump.html (accessed: 05.01.2021).
8. Великанов Н. Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Методика выбора центробежных скважинных насосов типа ЭЦВ // Технико-технологические проблемы сервиса. 2017. № 1 (39). С. 18-21.
9. Наумов В.А., Левичева О.И. Оценка энергетической эффективности центробежных насосов для пищевой промышленности // Известия КГТУ. 2021. № 63. С. 89100.
REFERENCES
1. Spasskij K.N., Shaumyan V.V. Novye nasosy dlya malyh podach i vysokih naporov [New pumps for small flows and high pressures]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1972, 160 p.
2. Karelin V.Ya., Minaev A.V. Nasosy i nasosnye stancii: uchebnik [Pumps and pumping stations: textbook]. Moscow: Strojizdat, 1986. 320 p.
3. Inoxmim FL-AL liquid ring pumps [Electronic resource]. URL: https://www.inoxmim.com/en/agitators-pumps/liquid-ring-pump (accessed: 01.12.2021).
4. AO GMS «Livgidromash». Nasosy vihrevye tipov VK, VKS, VKO i agregaty elektronasosnye na ih osnove. Rukovodstvopo ekspluatacii [JSC HMS "Livgidromash". Vortex pumps of VK, VKS, VKO types and electric pump units based on them. Operation Manual]. [Electronic resource]. URL: https://www.hms-livgidromash.ru/documentation/rukovodstva/260/1188/ (accessed: 01.12.2021).
5. Zhdanov I.L., Haustov A.I., Sergievskij E.D., Ovchinnikov E.V. Raschet techeniya zhidkosti v kanalah vihrevogo nasosa [Calculation of fluid flow in vortex pump channels]. Vestnik MAI. 2003. Vol. 10, No. 2, pp. 47-51.
6. Levochkin P.S., Romasenko E.N., Vidishev V.I., Golubkov S.B. Razrabotka i issledovanie maloraskhodnoj germetichnoj ustanovki s vihrevym nasosom [Development and research of a low-flow sealed installation with a vortex pump]. Konversiya v mashinostroenii. 2006. No. 1, pp. 28-32.
7. Leo Group. Peripheral Pumps APm [Electronic resource]. URL: https://leopump.com/1-1-1-4-peripheral-pump.html (accessed: 05.01.2021).
8. Velikanov N. L., Naumov V.A., Koryagin S.I. Metodika vybora centrobezhnyh skvazhinnyh nasosov tipa ECV [Method of selection of centrifugal borehole pumps of the ECV type]. Tekhniko-tekhnologicheskieproblemy servisa. 2017. No. 1 (39), pp. 18-21.
Вестник науки и образования Северо-Запада России, 2021, Т.7, №4
- http://vestnik-nauki.ru -^ 24i3-9858
9. Naumov V.A., Levicheva O.I. Ocenka energeticheskoj effektivnosti centrobezhnyh nasosov dlya pishchevoj promyshlennosti [Evaluation of the energy efficiency of centrifugal pumps for the food industry]. IzvestiyaKGTU. 2021. No. 63, pp. 89-100.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Левичева Оксана Игоревна ООО «Балтфармацевтика», г. Багратионовск Калининградской области, начальник участка водопользования и водоотведения; E-mail: csu411@rambler.ru
Levicheva Oksana Igorevna LLC «Baltpharmaceutics», Bagrationovsk, Kaliningrad region Head of the Water use and Sanitation section;
E-mail: csu411@rambler.ru
Наумов Владимир Аркадьевич Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, Россия, доктор технических наук, профессор кафедры техносферной безопасности и природообустройства, действительный член Российской инженерной академии, E-mail: van-old@rambler.ru
Naumov Vladimir Arkad'evich Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia, Doctor of Technical Science, Professor of The Technosphere Safety and Environmental Engineering Department, Member of Russian Engineering Academy, Member of Russian Academy of Natural Science, E-mail: van-old@rambler.ru
