На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны, испытаны пружинно-насосные устройства для перекачки жидких и полужидких с материалов, в частности нефтепродуктов. Для выкачки жидкостей из фляг, бочек жидкость захватывается витками пружины и по кожуху перемещается к сливному патрубку.
Для транспортировки высоковязких жидкости из емкостей традиционными способами возникают определенные трудности. В этом случае могут быть использованы: двигатель на 0,2 кВт, кожух полиэтиленовый (нержавеющие материалы) диаметром 38 мм, проволока диаметром 3…4 мм, частота вращения 1500 мин-1.
Пружина средним радиусом вращается с угловой скоростью и движется вдоль трубы с линейной скоростью Диаметр про волоки пружины обозначим , ход винта - s,плотность жидкости -,ее кинематическая вязкость -.
Сила, действующая на жидкость со стороны одного витка проволочного винта, равна лобовому сопротивлению обтекающего его потока и вызывается разностью давлений по обе стороны потока и напряжениями трения: , где - коэффициент лобового сопротивления, - площадь проекции витка на плоскость поперечную движению, - относительная скорость набегающего потока. Перепад давления по потоку, обтекающего виток проволоки, определяется по формуле: , в которую подставляется скорость смеси , и коэффициент сопротивления .
В случае подъема жидкости и движения проволочного винта в канале скорость перемещения жидкости относительно пружины где - линейная осевая скорость движения проволочного винта, а - осевая скорость жидкости относительно канала. Запишем уравнение Бернулли данного движения для объема, со ответствующего шагу s винта вдоль оси z,
(1)
где - потери напора в трубопроводе на данном участке.
Принимая во внимание, что шаг винта пружины равен -20..60 мм, то на такой длине потери напора в уравнении (4) можно не учитывать. Тогда, подставив значение перепада давления из-за движения пружины из формулы:
, (2)
в уравнение (4), получим уравнение для определения осевой скорости жидкости
(3)
Далее, решая это квадратное уравнение, получаем значение скорости движения жидкости по трубопроводу:
, при . (4)
Знак выбирается из физических условий, чтобы скорость движения была положительной.
В случае, когда коэффициент сопротивления из уравнения (4) следует решение: . Критическая скорость при =0.
Экспериментами установлено, что подача (производительность) барды влажностью 90,16 %, плотностью r = 907 кг/м3, вязкостью v=28,896 мм2 /с температуры 20°С пружинным насосом d = S = 35 мм, d = 3 мм, высоты подъема Н = 1,3 м, Dк = 40 мм составляет W = 975,5 кг/ч, N = 0,307 кВт. При этом, коэффициент осевого отставания материала kv.= υ /u = 0,495, зависимости которого от частоты вращения показана на рис. 1. Зависимости производительности W и N от частоты вращения пружины n приведены в таблице.
Таблица 1. Зависимости производительности W и N от частоты вращения пружины n
n, мин-1 | W, кг/ч | zn,м/с | zm, м/с | Кυ | N,BT | Nуд, Вт/кг/ч |
1560 | 215,6 | 0,91 | 0,298 | 0,327 | 160 | 0,742 |
2590 | 824,4 | 1,51 | 0,718 | 0,475 | 225 | 0,275 |
2940 | 975,5 | 1,715 | 0,848 | 0,495 | 300 | 0,307 |
3400 | 1245,9 | 1,98 | 0,933 | 0,47 | 390 | 0,310 |
4220 | 1833,0 | 2,46 | 1,167 | 0,47 | 510 | 0,278 |
4970 | 2025,0 | 2,899 | 1,474 | 0,508 | 600 | 0,292 |
5350 | 2180,0 | 3,12 | 1,75 | 0,56 | 690 | 0,316 |
6110 | 2617,2 | 3,564 | 2,0 | 0,56 | 1032 | 0,394 |
Анализ таблицы показывает, заборная способность примерно идентичны. Коэффициент осевого отставания колеблется в пределах kv=0,327..0,56, при этом осевая скорость материала в большей степени отстаёт приn=1000..2000 мин-1. Наименьшие удельные энергозатраты достигаются при частоте вращения пружины n=2500..4000 мин-1.При частоте вращения пружины менее 1000 мин-1 жидкость в вертикальном положении не подаётся.
Увеличение вязкости до 28,896 сСт ведёт к уменьшению степени осевого отставания материала от осевой скорости винтовой поверхности пружины, что вдвое превышает kv при μ=3,744 сСт. Однако это не ведёт к заметному увеличению производительности перекачки, но наблюдается тенденция к началу забора жидкости при более низких частотах вращения пружины. Полученная теоретическая зависимость (4) позволяет, к тому же по значению критической частоты вращения (скорости пружины), при которой начинается подъем жидкости, определить истинное значение коэффициента . Коэффициент осевого отставания материала можно определить из формулы (4):
, и при ;
, (5)
Для сравнения полученной теоретической зависимости по формуле (6) с результатами экспериментальных исследований проведен расчет коэффициента осевого отставания материала kv.= v /u. Для цилиндрической трубы с внутренним диаметром D=40 мм, диаметром пружины =35 мм и диаметром проволоки δ =3 мм коэффициент равен 1,3.
Рисунок 1. Зависимость коэффициента осевого отставания материала kv.= v /u от частоты вращения пружины при s=35 мм.
Обозначения: k(n) – заборная часть с прямоугольными окнами размером 10 х 80 мм, k1 – точками показаны экспериментальные значения; k2(n)– традиционная заборная часть без окон/
Исследования показали, что для жидкости с плотностью = 907 кг/м3 теоретическая зависимость удовлетворительно совпадает с результатами эксперимента и подтверждает механизм движения жидкости в сложных условиях вращения пружинного винта в канале и позволяет использовать полученные в работе данные при разработке и конструировании насосов и устройств, для транспорти рования различных жидкостей.
Библиографическая ссылка
Исаев Ю.М., Губейдуллин Х.Х., Гришин О.П, Аксенова Н.Н. ВЛИЯНИЕ ЗАБОРНОЙ ЧАСТИ НА ТРАНСПОРТИРОВКУ ЖИДКОСТЕЙ ИЗ ЕМКОСТЕЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2006. – № 6. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=643 (дата обращения: 04.11.2024).