CC BY
60
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 532 (075.8)
В.А. Зверева, А. В. Гулякин
ЗВЕРЕВА ВАЛЕНТИНА АЛЕКСАНДРОВНА - кандидат технических наук, доцент кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: V.Zvereva2010@yandex.ru ГУЛЯКИН АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ - студент Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: reinolds@bk.ru
ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК НА СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ РАБОТЕ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК
Рассмотрены способы снижения потерь напора на преодоление гидравлических сопротивлений в системах с использованием полимерных добавок и их влияние на режим работы насосной установки. Представлены результаты экспериментальных исследований работы центробежного насоса при наличии в воде полимеров.
Ключевые слова: гидравлические сопротивления, потери напора, насосная установка, турбулентное течение, полиакриламид, полимерная добавка, коэффициент трения.
The action of polymer additives on the reduction of power consumption of pump fitting when operating. Valentina A. Zvereva, Alexander V. Gulyakin, School of Engineering, Far Eastern Federal University, Vladivostok.
The article deals with the methods of decreasing the pressure losses when overcoming hydraulics resistances in the systems where polymer additives are used and the effect they have on the operational regime of pump fitting. It presents the results of experimental studies on the centrifugal pump with polymers present in the water.
Keys words: hydraulics resistance, pressure losses, pumping fitting, turbulent flow, polyacrylamide, polymer additive, constant of frictions.
Для перемещения по трубам различных жидкостей, газов, их смесей и смесей жидкостей и твердых частиц на значительные расстояния, используются гидравлические системы, главным элементом которых являются насосные установки.
Насосные установки и трубопроводы - наиболее важные составные части любого технологического процесса.
Их используют в производственных процессах нефтяной и газовой промышленности, связанных с транспортированием нефти и газа от места добычи до места переработки и далее до потребителя; для перемещения глинистых и цементных растворов в строительной, горной, химической промышленностях, а также в системах: промышленного водоснабжения
© Зверева В.А., Гулякин А.В., 2013
и снабжения питьевой водой городов и поселков, водоотведения, пожаротушения и пр. Работа таких систем требует огромных энергетических затрат.
Насосная установка включает: насос, электродвигатель, трубопроводы (напорные и всасывающие), приборы контроля и регулирования.
Потребляя энергию от электродвигателя, насос отдает ее жидкости для транспортирования по трубам. Движущаяся по трубам жидкость теряет полученную энергию на преодоление гидравлических сопротивлений, т.е. на потери напора, которые бывают двух видов - потери на трение и местные потери.
Коэффициент полезного действия и энергетические затраты насосной установки напрямую связаны с потерями напора движущейся по трубам и в насосе жидкости.
В настоящее время в связи с ростом цен на электроэнергию актуальным становится вопрос повышения эффективности работы насосов и трубопроводов с целью снижения эксплуатационных затрат на перемещение нефти, газа, нефтепродуктов, воды и пр.
Известно, что потери напора на преодоление сил трения могут быть определены для круглых труб по уравнению Дарси:
где X - коэффициент гидравлического сопротивления трения; 1 - длина трубопровода; ё -внутренний диаметр трубы; V - средняя скорость потока.
Потери напора на преодоление местных гидравлических сопротивлений определяются по уравнению Вейсбаха:
где £ - коэффициенты местного сопротивления.
К местным гидравлическим сопротивлениям относят краны, вентили, задвижки, клапаны, фильтры, колена, участки сужения трубопровода и расширения (конфузор и диффузор) и прочее, что является причиной дополнительных потерь напора (энергии) в трубопроводе, т.е. местных потерь.
Полные потери напора в трубопроводе:
Средняя скорость движения жидкости в трубе:
VI
V =
тг а
1 >
(3)
(4)
где 0 - расход жидкости в трубе, равный подаче насоса 0н - количеству жидкости, подаваемой насосом в трубопровод в единицу времени.
Важнейшей задачей при проектировании и эксплуатации гидравлических систем и повышения эффективности их работы является снижение потерь напора движущейся жидкости.
Уравнения (1), (2), (4) показывают, что для уменьшения потерь напора, а значит и затрат энергии насосной установки, наиболее простой способ - увеличение диаметра трубы «ё», ведущее к уменьшению скорости движения жидкости в трубе «V».
Однако увеличение диаметра трубы может существенно увеличить строительную стоимость гидравлической системы.
Снижение потерь напора в трубах можно получить, изменяя вид и уменьшая число местных гидравлических сопротивлений либо используя трубы малой шероховатости и пр., но эти способы не дают большого эффекта по снижению потерь напора.
Уменьшение энергетических затрат любой системы, в том числе гидравлической системы «насос-трубопровод», ведет к увеличению коэффициента полезного действия системы.
Коэффициент полезного действия насоса:
где Кпт - потребляемая насосом мощность (близка к мощности электродвигателя); N - полезная мощность насоса.
Полезная мощность насоса равна:
(6)
где Нн - напор насоса; Он - подача насоса; рн - давление насоса; р - плотность перекачиваемой жидкости.
Работа насосной установки и ее энергетические показатели оцениваются характеристиками насоса Нн = ОДн); Кпот = ДОн); пн =
На рисунке представлены рабочие характеристики Нн = ДОн) и пн = А(Он) центробежного насоса марки 2К-6 и характеристики насоса после добавление ПАА.
Характеристики насоса 2К-6: Нтр1 = - характеристика трубопровода, соответствующая диаметру трубопровода - Нтр2 = f(Q) - характеристика трубопровода, соответствующая диаметру d2>dl
Энергетические параметры насоса Нн; пн; Он, подающего жидкость в трубопроводу, определяются «режимной» точкой (точкой А на рисунке), т.е. точкой пересечения главной характеристики насоса Нн = ДОн) с характеристикой трубопровода Н^ = Г(О). «Режимная», или рабочая, точка насоса - это точка, соответствующая материальному и энергетическому равновесию системы. Используя вышесказанные способы снижения потерь напора в системе, можно изменить характеристику трубопровода таким образом, чтобы насос работал с большим КПД.
В последние десятилетия для снижения потерь напора в гидравлических системах используют метод, направленный на уменьшение коэффициента трения X (уравнение (1), зависящего в общем случае от числа Рейнольдса Яе, и относительной шероховатости трубы
В функциональном виде: где Дэ - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности трубы.
В настоящее время для уменьшения коэффициента трения в системах с турбулентным режимом движения жидкости успешно используются полимерные добавки, снижающие гидравлические сопротивления за счет гашения турбулентности в пограничном слое вдоль стенок трубопровода.
Впервые явление снижения гидравлических сопротивлений с помощью добавок полимеров в жидкость было открыто в 1948 г. английским химиком Б. Томсом и названо в дальнейшем «эффектом Томса». Б. Томс установил, что при добавлении в воду полимеров трение между турбулентным потоком и стенкой трубопровода значительно снижается. Этот эффект Томса успешно используется на практике и теоретически и экспериментально исследуется в нашей стране и за рубежом.
В нашей стране первые исследования по снижению коэффициента X в трубопроводах с помощью высокомолекулярных добавок были проведены в 1964 г. на кафедре гидравлики МИНХ и ГП им. И.М. Губкина. В качестве добавки к перекачиваемой воде использовались растворы карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ). В результате проведенных экспериментов при различных числах Рейнольдса коэффициент трения X был снижен на 15-20%. Под руководством профессора И.А. Чарного несколько позже была разработана первая методика определения оптимальной дозы полимера в воде для значительного снижения потерь напора в трубах [3].
При движении по трубам воды с добавками полимеров коэффициент трения X при турбулентном режиме движения жидкости может быть определен по уравнению [4]:
(8)
где V пор - пороговая динамическая скорость, зависящая от вида полимера, при достижении которой начинается снижение потерь напора; V - средняя скорость движения жидкости в трубе; в - коэффициент, зависящий от вида полимера и его концентрации.
Критические значения динамической скорости т-'^р — ^ [5], при которых начинается
интенсивное разрушение макромолекул некоторых полимеров, - (0,05^0,15) м/с.
_ *
Для полиакриламида (ПАА) рекомендуется принимать V пор = 0,05 м/с, а коэффициент в находить по эмпирической формуле:
если С - объемная концентрация полиакриламида - находится в пределах 0,005%<C<0,012%.
В некоторых случаях при концентрации ПАА порядка 0,01% потери напора были снижены на 70% [3].
При отсутствии полимерной добавки (С = 0; в = 0) уравнение (9) преобразуется в известную формулу гидравлики, формулу Кольбрука-Уайта [4]:
Экспериментально установлено, что незначительное содержание в воде линейных высокомолекулярных полимеров - полиакриламида (ПАА) или полиэтиленоксида (ПЭО) при турбулентном режиме движения воды ведет к снижению гидравлических сопротивлений трения и увеличению пропускной способности трубы [1].
Исследования ряда авторов показали, что применение полимерных добавок эффективно при движении не только воды, но и нефтепродуктов как малой, так и большой вязкости.
В настоящее время полимерные добавки используются для увеличения скорости перекачки по трубам при турбулентном режиме нефтепродуктов, эмульсий, водных
*
суспензий, снижая энергозатраты, а значит и мощность силовых установок. при нефтедобыче и газодобыче, увеличивая скорость проходки пород при бурении скважин.
А.Х. Мирзаджанзаде и соавторы экспериментально доказали, что для снижения потерь напора в магистральных нефтепроводах в качестве нефтерастворимых полимеров возможно применение добавок асфальгенов и смол-продуктов, содержащихся в нефтяных остатках после переработки нефти [2]. Проводившие масштабные исследования по влиянию полимерных добавок на снижение гидравлических сопротивлений в трубах и пожарных шлангах (в частности, они добавляли полимер во всасывающую линию насоса, тем самым снижая гидравлические потери и в самом насосе) Ю.Г. Абросимов и Хоанг Зань Бинь (Вьетнам) показали, что добавка полимера (ПЭО), составляющая 0,02% по объему, приводит к значительному снижение трения, в результате - к увеличению скорости и дальности струи, вытекающей из пожарного брандспойта [1].
На кафедре инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ проводились исследования по влиянию полимерной добавки ПАА на работу центробежных насосов 2К-6 и К20/18. При работе насосов в воду добавлялся высокомолекулярный полимер дозой 0,01%.
Сравнение рабочих характеристик насосов, перекачивающих воду с добавлением ПАА, с паспортными характеристиками показало улучшение характеристик насосов. На рисунке представлены паспортные характеристики насоса, а также полученные в процессе испытаний при введении в воду ПАА.
Сравнение этих характеристик показало, что подача насоса Qн увеличилась примерно на 30%, а коэффициент полезного действия - на 10%.
Таким образом, исследования дают возможность сделать вывод о том, что использование полимерных добавок повышает эффективность работы насосных установок и значительно снижает их энергозатраты. Кроме того, применение полимеров позволяет получать заданные рабочие параметры насоса, не увеличивая диаметра трубопровода.
На следующем этапе исследований нами планируется оценить влияние различных концентраций используемого полимера на оптимальный режим работы насоса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абросимов Ю.Г., Хоанг Зань Бинь. Эффект аномального снижения гидравлического сопротивления при введении в поток линейных высокомолекулярных полимеров // Технологии техносферной безопасности: интернет-журн. 2009. Вып. 1.
URL:http://ipb.mos.ru/ttb (дата обращения: 20.04.2013).
2. Гидравлика глинистых и цементных растворов / А.Х. Мирзаджанзаде, А.А. Мирзоян, Г.М. Гевшиян, М.К. Сенд-Рза. М.: Недра, 1966. 300 с.
3. Лебедев Н.М. Снижение гидравлического сопротивления труб с помощью добавок полиакриламида // Сб. тр. МИНТ. 1976. № 521. С. 58-61.
4. Онабинович Е.З. Гидравлика: учеб. пособие для вузов. М.: Недра, 1980. 278 с.
5. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1956. 712 с.
6. Sellin K. Experiments with Polymer additives in long pipeline, Proc. Int. Conf. Drag. Reduct., Cambridge, Cranfeild, 1974; S.a., G 2/19-G 2/30.
REFERENCES
1. Abrosimov JG, Hoang Binh Zan. The anomalous drag reduction when injected into the flow of linear high molecular weight polymers. Technology technospheric security : online journal . 2009. Vol. 1. URL: http://ipb.mos.ru/ttb (date accessed: 20.04.2013). [Abrosimov Ju.G., Hoang Zan' Bin'. Jeffekt anomal'nogo snizhenija gidravlicheskogo soprotivlenija pri vvedenii v potok linejnyh vysokomolekuljarnyh polimerov // Tehnologii tehnosfernoj bezopasnosti: internet-zhurn. 2009. Vyp. 1. URL:http://ipb.mos.ru/ttb (data obrashhenija: 20.04.2013)].
2. Hydraulics of clay and cement mortar. AH Mirzadzhanzade, AA Mirzoyan , GM Gevshiyan, MK Sand-Reza. Moscow, Nedra, 1966. 300 p. [Gidravlika glinistyh i cementnyh rastvorov / A.H. Mirzadzhanzade, A.A. Mirzojan, G.M. Gevshijan, M.K. Send-Rza. M.: Nedra, 1966. 300 s.].
3. Lebedev NM. Drag reduction tubes with additives polyacrylamide. Proc. MINT, 1976, N 521. P. 58-61. [Lebedev N.M. Snizhenie gidravlicheskogo soprotivlenija trab s pomoshhju dobavok poliakrilamida // Sb. tr. MINT. 1976. № 521. S. 58-61].
4. Onabinovich EZ. Hydraulics: studies. manual for high schools. Moscow, Nedra, 1980. 278 p. [Onabinovich E.Z. Gidravlika: ucheb. posobie dlja vuzov. M.: Nedra, 1980. 278 s.].
6. Sellin K. Experiments with Polymer additives in long pipeline, Proc. Int. Conf. Drag. Reduct., Cambridge, Cranfeild, 1974; S.a., G 2/19-G 2/30.
