ДонНТУ   Портал магістрів

Ракович Олександр Олександрович

Факультет інженерна механіка та машинобудування

Кафедра енергомеханічних систем

Спеціальність Гідравлічні машини, гідропривід, гідропневмоавтоматика

Підвищення енергетичної ефективності робочого процесу струменевого насоса

Науковий керівник: д. т. н., проф. Кононенко Анатолій Петрович

Резюме Біографія Реферат

Реферат по темі випускної роботи

Зміст

• Введення
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і завдання дослідження, плановані результати
• 3. Огляд дослідження
• 3.1 Конструкція і принцип дії гідроелеватора
• 3.2 Загальні положення
• 3.3 Моделювання стисненого потоку в триступеневому дифузорі
• Висновки
• Список джерел

Введення

Струменеві апарати (насоси) широко застосовуються при проектуванні гідротранспортних систем в будівництві, сільському господарстві, в енергетичних паротурбінних установках, в пожежній техніці (в якості змішувачів), в хімічній індустрії і набули особливого значення в гірничодобувній промисловості.[2]

Це викликано простотою конструкції і високою надійністю, тому що в конструкції струменевих апаратів відсутні рухливі механічні частини, це значно спрощує умови його експлуатації і полегшує його ремонт і обслуговування. Використання струменевих апаратів у багатьох галузях техніки дозволяє отримувати більш прості, ефективні і надійні технічні рішення в порівнянні із застосуванням механічних нагнітачів (компресорів, насосів, газодувок, вентиляторів та ін.).[3][4]

Гідроструйними насосами називають пристрої, призначені для здійснення процесу взаємного переміщення струменя робочої (активної) рідини з потоком підсмоктується (пасивної) середовища і подальшого їх спільного транспортування. Пасивне середовище може бути рідиною, газом або гідросумішшю, що містить крім рідини тверді або газоподібні дисперсні домішки. З цього випливає, що зовнішня енергія до гідроструйних насосів підводиться робочою рідиною.[5]

Своє широке поширення гідроструйні апарати отримали завдяки ряду переваг, а саме:

1. висока самовсмоктуюча здатність;
2. можливість перекачувати рідину, гази, газожиткові суміші, гідросуміші, що містять домішки твердого, агресивні середовища;
3. відсутність рухомих деталей;
4. простота пристрою;
5. малі габаритні розміри і маса;
6. можливість зручного розміщення у важкодоступних місцях;
7. простота регулювання подачі і напору.

На жаль, гідроструйні апарати мають суттєві недоліки:

1. відсутність автономного приводу;
2. необхідність використовувати для приводу стороннього джерела напірної рідини;
3. низький ККД установки, в кращих конструкціях не вище 35 – 40 %

У гірничій промисловості неможливо обійтися без водовідливних установок, які призначені для відкачування води з шахтних виробок, таким чином, оберігаючи шахту від затоплення. Одним з найбільш простих, ефективних і надійних методів є використання гідроелеваторних водовідливних установок.

Гідроелеватори набули широкого поширення і застосування в методах очищення зумпфов головних і скіпових стовбурів шахт, тому що дозволяє забезпечити більш простий і надійний метод, а також значно зменшити частку некваліфікованої ручної праці.[6]

1. Актуальність теми.

Рідинні струменеві насоси широко використовуються в системах паливоподачі літальних апаратів, підвищення тиску всмоктування відцентрових насосів, гідродобутку і гідротранспорту твердих і сипучих матеріалів, водозниження і водовідведення, технічного водопостачання турбін гідроелектростанцій і багатьох інших. При цьому в більшості гідросистем ежектори тривалий час працюють в нестаціонарних умовах, наприклад, при запуску системи або в процесі її регулювання.

У системах водовідливу і спорожнення ємностей режим роботи ежектора протягом усього періоду відкачування є нестаціонарним. Тому ефективне застосування ежектора вимагає глибокого знання гідродинаміки робочого процесу, статичних і динамічних характеристик апарату. Дослідження щодо вдосконалення струменевих насосів різного призначення, що проводяться протягом ряду років на кафедрі Енергомеханічних систем, свідчать про те, що струменеві насоси, володіючи високою надійністю, у багатьох випадках споживають надмірно високі обсяги робочої рідини та енергії, а ежекційні можливості нестаціонарних струменів і апаратів на їх основі вивчені недостатньо. Існуючі методи розрахунку орієнтовані виключно на усталені режими роботи струменевих насосів з безперервним активним струменем, а перехідні режими, характерні для багатьох гідросистем зі струменевими насосами, практично не розглядаються.[7]

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати.

Метою даної роботи є розробка параметрів триступеневого дифузора на підставі поставленого завдання, шляхом моделювання проточної частини дифузора в середовищі SolidWorks FlowSimulation.

Для досягнення поставленої мети необхідно виконати завдання:

1. Розглянути і проаналізувати фізичні процеси протікають в триступеневому дифузорі;
2. Визначити особливості робочого процесу та шляхи підвищення ефективності роботи;
3. На підставі результатів дослідження визначити параметри підвищують ефективність роботи струменевого насоса.

Планується розробити гідроелеватор з використанням даної технології для очищення скіпового стовбура шахти.

3. Огляд дослідження

3.1 Конструкція і принцип дії гідроелеватора

Гідроелеватор – це насос струменевого типу, призначений для підйому і транспортування по трубопроводу гідросумішей і рідин, на малюнку 1 представлена схема гідроелеватора. Принципу дії гідроелеватора полягає в наступному: енергія потоку робочої рідини, підводиться по трубопроводу робочою водою 1, в насадці 3 гідроелеватора відбувається перетворення в кінетичну енергію струменя. Частина кінетичної енергії струменя застосовується для переміщення потоку рідини, що транспортується по підвідному трубопроводу 8, до приймальної камери 2 і конфузора 4 до початку камери змішання 5.[1]

В процесі перемішування потоків в камері змішання відбувається передача енергії потоку робочої рідини транспортується. При цьому швидкість робочої рідини зменшується, а транспортується збільшується. Конфузор служить для підведення рідини, що транспортується до камери змішання і збільшення її швидкості, що знижує втрати енергії при перемішуванні потоків. У дифузор 6 приходить перетворення кінетичної енергії змішаного потоку в потенційну енергію 7 тиску, необхідну для переміщення потоку по напірному трубопроводу 7 гідроелеватора.

Завдяки простоті конструкції, відсутності обертових і тертьових поверхонь дозволяє забезпечити надійну і безвідмовну роботу на гідросуміші. Особливістю використання гідроелеватора є застосування не кваліфікованого обслуговування і постійної присутності людини при роботі. У разі підсосу повітря, гідроелеватор продовжує працювати, не вимагаючи відключення і дозволяє відкачувати воду насухо.

3.2 Загальні положення

Для переходу від меншого перетину труби (каналу) до великого (перетворення кінетичної енергії потоку в потенційні або динамічні тиску в статичне) з мінімальними втратами повного тиску встановлюють плавно розширюється ділянку – дифузор. На малюнку 3 представлений спектр потоку в дифузорах з різними кутами розширення.

Внаслідок того, що в дифузорі з ростом площі поперечного перерізу середня швидкість потоку при збільшенні кута розширення падає, загальний коефіцієнт опору дифузора, приведений до швидкості у вузькому (початковому) перетині, стає до певних меж меншим, ніж для такої ж довжини ділянки труби постійного перетину з площею, рівній початковій площі перетину дифузора.

Починаючи з деякого кута розширення дифузора заданої довжини, подальше збільшення цього кута значно підвищує коефіцієнт опору, так що він стає у багато разів більшим, ніж для прямої труби тієї ж довжини.[8]

Зростання коефіцієнта опору дифузора заданої довжини з подальшим збільшенням кута розширення викликається посилюється турбулентним переміщення потоку, відривом прикордонного шару від стінки дифузора і пов'язаним з цим сильним вихреобразованием. Прикордонний шар відривається від стінок під впливом позитивного градієнта тиску вздовж дифузора, що виникає внаслідок падіння швидкості при збільшенні поперечного перерізу (згідно з рівнянням Бернуллі).

При постійних умовах течії на вході і постійної відносної довжині або ступеня розширення дифузора, збільшення кута розширення, починаючи з α = 0 °, призводить послідовно до чотирьох основних режимів течії:

1. стійкий режим; безвідривна течія (безвідривні дифузори);
2. режим з великим невстановленим зривом потоку, коли розмір зони і інтенсивність відриву змінюються в часі (режим сильної пульсуючих течій, дифузори з місцевим відривом потоку);
3. режим повністю розвиненого відриву потоку, коли основна частина дифузора зайнята великою зоною зворотної циркуляції (дифузори зі значним відривом потоку);
4. режим струменевого течії, при якому основний потік відірваний від стінок дифузора по всьому периметру (дифузори з повним відривом потоку).

Початок відриву в дифузорі залежить як від його геометричних параметрів, так і від режиму течії і стану потоку на вході (товщини витіснення прикордонного шару або товщини втрати імпульсу, ступеня турбулентності і т.п.). Досліди показують, що при наявності дифузора з кутом α = 4 °, поміщеного як безпосередньо за плавним колектором, так і далеко за ним, не спостерігається відриву потоку на всій довжині дифузора навіть на довжині, відповідної перетину з відношенням площ.

У міру збільшення α (до 10 – 14 °), згідно з тими ж дослідами, величина при якій ще зберігається ядро постійних швидкостей, збільшується. Разом з тим при зазначених кутах розширення і певних довжинах з'являється, відрив потоку навіть при збереженні ядра постійних швидкостей.

Відрив потоку від стінок дифузорів з кутами розширення приблизно до α = 40 ° починається, як правило, не по всьому периметру перетину, а в тій області, де з тих чи інших причин (не симетрія дифузора, несиметричність профілю швидкостей на вході і швидкість потоку в пристінковому шарі менше, ніж в інших областях перетину. Як тільки відрив стався на одній стороні дифузора, подальше підвищення статичного тиску уздовж дифузора припиняється або послаблюється, і відрив потоку від поверхні дифузора на протилежній стороні вже не виникає. Ця обставина обумовлює несиметричний розподіл швидкостей по перетинах дифузорів.

У симетричному дифузорі з симетричним профілем швидкостей на вході відрив потоку від стінки виникає поперемінно то на одній, то на іншій стороні дифузора, що призводить до значних коливань потоку в цілому. При малих кутах розширення (α < 15–20 °) втрати в криволінійних дифузорах стають навіть більшими, ніж в прямолінійних. Тому криволінійні дифузори доцільно застосовувати тільки при великих кутах розширення.

3.3 Моделювання стисненого потоку в триступеневому дифузорі

Відомий дифузор, що містить конічний і циліндричний патрубки, ступінчасто з'єднані між собою. Однак даний дифузор має досить високі втрати тиску. Найбільш близьким за технічною сутністю і досягається ефекту до пропонованого є дифузор, що містить щонайменше три циліндричних патрубка, ступінчасто з'єднаних між собою. Однак відомий дифузор має значні осьові габарити. Мета скорочення осьового габариту дифузора.[10]

Зазначена мета досягається тим, що вихідний ділянку кожного патрубка, крім останнього по ходу потоку, розташований в подальшому патрубку з утворенням кільцевої пазухи. На малюнку 4 схематично зображений дифузор.

Дифузор містить три циліндричних патрубка 1, ступінчасто з'єднаних між собою. Вихідний ділянку 2 кожного патрубка, крім останнього по ходу потоку, розташований в подальшому патрубку 1 з утворенням кільцевої пазухи. Потік, проходячи з кожного попереднього перетину в подальше, раптово розширюється і відривається, утворюючи замкнуті вихрові порожнини. Наявність в дифузорі пазух 3 дозволяє зменшити його довжину, оскільки значна частина області відриву розміщується всередині пазухи 3.

Дифузор, що містить щонайменше три циліндричних патрубка, ступінчасто з'єднаних між собою, що відрізняється тим, що, з метою скорочення осьового габариту, вихідний ділянку кожного патрубка, крім останнього по ходу потоку, розташований в подальшому патрубку з утворенням кільцевої пазухи.

За допомогою внутрішньої функції Flow Simulation починаємо моделювання проточної частини дифузора виходячи з малюнка 5. Для виконання моделювання необхідна створити заглушки на вході і виході, для того, щоб створити замкнутий обсяг моделі. Задаємося граничними умовами, в нашому випадку це об'ємна витрата гідроелеватора і необхідно задатися граничними умовами тиску.[9]

Примітка: Так як розрахунок ведеться в замкнутому просторі, виникає неточність (потік впирається в заглушку і створює зворотну течію), яка заважає повноцінно оцінити результати моделювання. Тому ми створюємо модель дифузора з ділянкою трубопроводу на виході. Проведемо моделювання з зміна геометричних параметрів пазів (Lп – довжина паза; hп – висота паза):

Висновки

На підставі отриманих результатів можна зробити висновок, що при Lп=0мм відбувається різке розширення і відрив потоку, що веде до високих гідравлічних втрат і зриву потоку, малюнок 6, при збільшенні Lп і hп відбувається раптове розширення і відрив змішаного потоку, утворюючи замкнуті вихрові порожнини в пазах, що зменшує втрати тиску в дифузорі. При не значних значеннях Lп і hп щодо геометричних розмірів дифузора, лише невелика частина потоку утворює замкнуті вихрові порожнини, малюнок 7 і 10, при досягненні оптимального відношення Lп і hп, ми спостерігаємо раптове розширення і відрив змішаного потоку, утворюючи замкнуті вихрові порожнини в пазах, а також що частина потоку утворює вихрові порожнини в пазах сприяє прискоренню основного потоку малюнок 8 і 12, при подальшому збільшенні Lп і hп, спостерігаємо лише часткове утворення вихрових порожнин, що привід до збільшення гідравлічного опору.

Список джерел

1. Козыряцкий Л. М., специальные средства и схемы гидроподъема, водоотлива и очистки шахтных водоотливных емкостей. // Учебное пособие / В. М. Моргунов, В. М. Яковлев, О. А. Геммерлшг – Донецк: ДонНТУ, 2012. – 133с
2. Безуглов Н. Н. Гидроэлеваторы на угольных шахтах – М. – 1986.
3. Гейер В. Г.,Тимошенко Г. М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. М., Недра, 1987. – с. 270
4. Кривцов А. Г., Шейнберг В. А. Анализ работы шахтных водосборников исследования трубистости их очистки / / проектирования и строитель-ства угольных предприятий. — 1975. – № 2 – с. 7–9.
5. Куренков И. И. Расчет шахтных осветительных резервуаров и водосборников. – М.: Углетехиздат, 1951. – с. 39. Рабшович М. С. Подземные отстойники и механизация их очистки. – М.: ЦНТИ, 1955. –с. 32.
6. Рабинович М. С. Подземные отстойники и механизация их очистки. – М.:ЦИТИ, 1955.-С. 32.
7. Антонов Е. И., Жебеленко М. Г. Пак В. В. Совершенствование шахтных водосборников / Шахтное строительство. – 1986. – № 5 – с. 7–9.
8. Сосновский П. Шахтные водоотстойники. – М.: Госпортехиздат, 1975. – с. 172.
9. Попов В М. Водоотливные установки. Справочное пособие. М.: Над-ра. 1990. – с. 254.
10. Научная электронная библиотека [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=40098639.