Повышение эффективности работы пневматического насоса вытеснения

Аннотация

Н.С. Гаврилов магистрант
Рассматриваются методы откачивания жидкости, их принципы действий. Приведены преимущества и недостатки каждого метода. Предложена новая схема откачивания и транспортирования жидкости, показаны её основные зависимости

Для откачивания жидкости из скважин и водосборников используют не только гидродинамические и объёмные насосы, а так же гидропневмоаппараты - насосы вытеснения, эрлифты, струйные аппараты.

Пневматические насосы вытеснения представляют собой аппараты, работающие с полным или частичным использованием потенциальной энергии сжатого воздуха.

При открытии воздушного вентиля сжатый воздух проходит через кольцевой эжектор в атмосферу, создавая вакуум в корпусе насоса. При этом шар клапана на всасывающем трубопроводе откатывается от седла до крайнего положения, открывая отверстие всаса. Под действием атмосферы жидкость поступает по всасывающему шлангу в насос. По мере заполнения насоса жидкостью поплавок перемещается вверх до крайнего положения.

При этом поршень перекрывает выход воздуха в атмосферу, а сжатый воздух через шлицевые пазы в корпусе эжектора поступает внутрь и создает давление на поверхность воды в насосе. Шар клапана на всасе закрывает отверстия всасывающего трубопровода, и жидкость из корпуса насоса вытесняется в нагнетательный трубопровод. По мере вытеснения жидкости в нагнетательный трубопровод поплавок опускается. В крайнем нижнем положении он отводит поршень в нижнее положение, сжатый воздух снова поступает в эжектор, и цикл повторяется.
Преимущества данного аппарата только в том, что он не требует смазки, а так же является саморегулирующим.

К недостаткам можно отнести:

1. Низкий коэффициент полезного действия (КПД);
2. Малый объем камеры (что является причинной малой производительности);
3. Ограничение высоты подъема;
4. Периодическое использование.

Эрлифт – пневматический насос, который осуществляет откачку жидкости посредством использования энергии закачиваемого воздуха или газа (газлифт).
Перемещение смеси (воздуха и жидкости) происходит за счет разности мощностей потока воздуха, вводимого в эрлифт, и смеси, выходящей из него. Необходимая разность мощностей создается компрессором.

Воздухопровод подключается к компрессору, который создает давление в смесителе, достаточное для того, чтобы вытеснить жидкость из воздухопровода и обеспечить её транспортирование через подъемную трубу эрлифта в воздухоотделитель. В воздухоотделителе происходит разделение воздуха и жидкости. Затем жидкость стекает по сливному трубопроводу.
Подача эрлифта зависит от глубины погружения, а так же относительного погружения:

К основным преимуществам эрлифтов можно отнести:

1. Простота конструкции;
2. Отсутствие движущихся частей.

К недостаткам относят:

1. Низкий КПД (коэффициент полезного действия);
2. Проблемы с подачей при малых глубинах погружения;
3. Отсутствие мобильности.

Для тех случаев, когда α < 0.15, используются специальные типы эрлифтов – эрлифты с элементами струйного аппарата.

Эрлифтная установка, оборудованная смесителем с элементами струйного аппарата, содержит подъемный трубопровод 7, воздухопровод 8, соединенный с цилиндрическим коллектором 2, на котором установлен конический насадок 4 с основанием, выполненным в виде решетки 3,подводящую трубу 1, цилиндрическую камеру смешения 5. Камера смешения содержит начальный участок 9 и переходный участок 6. Выходное сечение подводящей трубы 1 расположены в одной плоскости с местом перехода конического насадка 4 в начальный участок 9 камеры смешения и образует с ним кольцевую щель для впуска сжатого воздуха в камеру смешения. Конструкция смесителя способствует упорядочению структуры и созданию рационального поля скоростей потока сжатого воздуха перед входом в кольцевой цеп; позволяет использовать кинетическую энергию сжатого воздуха в кольцевой щели.
Недостаток такого эрлифта - низкий КПД и необходимая глубина погружения смесителя эрлифта ( h ).

В случаях невозможности обеспечить глубину погружения, применяют струйные аппараты.

При течении, струи через сопло в нем резко увеличивается скорость и динамическое давление, вследствие чего соответственно уменьшается статическое давление. В месте истечения жидкости, где скорость максимальна, создается значительное разрежение, благодаря чему в кольцевой зазор между соплом и приёмной камерой устремляется подсасываемая жидкость, которая перемешивается с рабочей жидкостью и нагнетается в сеть[6].
Преимущество струйных аппаратов в том, что для них не обязательна глубина погружения, а из недостатков низкий КПД.

В представленной установке воздух подаётся из компрессора 1 с помощью воздухопроводов 3, 2 на струйный аппарат 4 и смеситель 7, затем с водосборника 5 начинает за счет разности давлений откачиваться жидкость. Далее водовоздушная смесь попадает в нагнетательный трубопровод 6, создавая искусственное погружение. Затем, через смеситель, по подъемной трубе 8, смесь попадает в воздухоотделитель 9, откуда вода отводится по назначению по трубопроводу 10.
Основу математической модели рабочего процесса струйно - эрлифтной установки составляют следующие зависимости[4]:

1. Относительное погружение струйно - эрлифтной установки
   

   где p_см– избыточное давление в смесителе; L– длина подъемной трубы эрлифта;

2. Относительное давление (по газодинамическим таблицам[4]
   

   где p_н–давление инжектируемого потока; p_р– давление рабочего потока;

3. Оптимальное отношение сечений :
   
   где f₃–площадь выходного сечения камеры смешения; f_p*– площадь критического сечения сопла; Δp_c=p_c-p_н– перепад инжектируемого и выходного давлений; - значение относительного давления (П_p*≈0,528); φ₁,φ ₂–коэффициенты скорости потока; q _р.н.-приведенная скорость рабочего потока; λ_р.н.-газодинамическая функция;
4. Предельное значение давления сети (давление на выходе из аппарата)
   
5. Коэффициент инжекции

   u = u_т - u_г
   так как газоводяной струйный аппарат всасывает жидкость не смешанную с газом, то u_г=0, следовательно: u = u_т;

6. Коэффициент инжекции по твердому
   

   где φ₃–коэффициент скорости потока, k_p–показатель адиабаты.;

Решение математической модели рабочего процесса струйно - эрлифтной установки позволит определить рациональные режимы её работы.

Список использованной литературы

1.Филимоненко Н.Т. Пневматические насосы вытеснения: монография/ Н.Т. Филимоненко. - Донецк: из-во «Ноулидж» (Донецкое отделение) 2012.- 294 стр. 2.Эрлифтные установки: Учебное пособие/ Гейер В. Г., Козыряцкий Л. Н., Пащенко В. С., Антонов Я. К. - Донецк : ДПИ, 1982. 64 стр.
3.Белов. И.Г. Теория и практика периодического газлифта. М., «Недра», 1975, 144стр.
4.Соколов Е. Я., Зингер Н. М., Струйные аппараты, Изд. 2, М., «Энергия»,1970. 288 стр.
5.Божко Р.И., Обоснование параметров рабочего процесса эрлифтной установки для гидроочистки шахтных водоотливных емкостей [электронный ресурс]: http://masters.donntu.ru/2014/fimm/bozhko/diss/index.htm.
6.Строительный информационный портал, [электронный ресурс]: http://www.stroitelstvo-new.ru/nagnetateli/tipy-strujnyh-apparatov.shtml.