ДонНТУ   Портал магистров

Гаврилов Никита Сергеевич

Факультет инженерной механики и машиностроения

Кафедра энергомеханических систем

Специальность Гидравлические и пневматические машины

Повышение эффективности работы пневматического насоса вытеснения

Научный руководитель: д.т.н., проф. Кононенко Анатолий Петрович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор исследований и разработок
• 4. Анализ насосных аппаратов
• 5. Струйно-эрлифтная установка
• Список источников

Введение

Для откачивания жидкости из скважин и водосборников используют не только гидродинамические и объёмные насосы, а так же гидропневмоаппараты - насосы вытеснения, эрлифты, струйные аппараты. В условиях шахт средства гидротранспорта представлены специальными средствами водоотлива и гидроочистки, такими как эрлифты различной конструкции, гидроэлеваторы, шламовые насосы, и др. Применение этих средств в горных работах – один из перспективных способов их комплексной механизации.

1. Актуальность темы

Как указано выше, в настоящее время ведется много работ, связанных с увеличением производительности насосных агрегатов, поиском агрегатов, которые при относительно небольших габаритах будут давать хорошую производительность. В шахтах, где эксплуатационные работы вести тяжело, используют эрлифты, но они не очень актуальны в наше время.В магистерской работе будет рассмотрена струйно-эрлифтная установка, которая сочетает в себе преимущества эрлифта и струйного аппарата. По некоторым данным, установка сможет заменить эрлифт в качестве транспортировщика воды, органа золошлако-очищения.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является рассмотрение струйно-эрлифтной установки как таковой. Построение математической модели установки. Получение результатов параметров для оптимальной работы.

Основные задачи исследования:

1. Рассмотрение струйного аппарата, рассмотрение эрлифта со струйным аппаратом;
2. Построение математической модели струйно-эрлифтной установки;
3. Анализ полученных данных. Проверка полученных данных с помощью ПО.
4. Обосновать экономическую эффективность эксплуатации данной установки;

Объект исследования: струйно-эрлифтная установка.

Предмет исследования: построение математической модели струйно-эрлифтной установки.

3. Обзор исследований и разработок

В монографии [1] обобщены теоретические основы, опыт разработки и применения погружных пневматических насосов вытеснения для откачки жидкости при проведении горных выработок и промывки скважин в условиях поглощения очистного агента. Приведены результаты научных исследований автора, посвящённые разработке, повышению надежности теории расчёта рабочего цикла и подачи пневматических насосов, применяемых для внутри скважины. Книга предназначена для специалистов, практикующих вся в области исследования, разработки и внедрение насосных установок в горную отрасль и бурение скважин, работников научно-исследовательских организаций этого профиля, а также может быть полезна горных ВУЗов и факультетов.

В книге [2] даются основы теории, расчета и порядок эксплуатации эрлифта, применяющихся для подъёма твердого из подземных выработок шахтного водоотлива, чистки подземных емкостей удаление золы и шлака на тепловых на станциях. Приводятся основы автоматизации. Изложенный материал подготовлен для студентов горных и металлургических специальностей и может быть использован инженерами при проектировании и эксплуатации эрлфитных установок.

В книге [3] излагаются основные вопросы теории и практики периодического газлифта, разработанные отечественными и зарубежными исследователями. Проанализированы положения теории периодического газлифта, и на основе обширных стендовых опытов по-новому освещается сущность процессов, происходящих при выбросе столба жидкости, кроме того устанавливаются новые закономерности между различными параметрами и показателями процесса выброса. Предлагается система классификации, позволяющая точно и надежно выбрать тип периодическое установки, наиболее подходящий для данных условий, а также новый расчёт параметров установки и метод опытного установления режима работающей скважины.

В книге [4] изложена теория методика расчёта струйных аппаратов. Основные расчетные уравнения иллюстрируется примерами. Приведены номограммы для определения достижимых параметров и оптимального отношения сечений аппаратов с цилиндрической камерой смешения. Предложена классификация струйных аппаратов. Приведены результаты экспериментальных исследований, обосновывающие правильность расчетных зависимостей и рекомендуемых опытных коэффициентов для струйных аппаратов с упругими и не упругими средами.

4. Анализ насосных аппаратов

Пневматические насосы вытеснения представляют собой аппараты, работающие с полным или частичным использованием потенциальной энергии сжатого воздуха. Пневматические насосы вытеснения рекомендуется классифицировать на основе энергетического показателя - коэффициента полезного действия. По этому показателю их дифференцируют на насосы:

1. Работающие с полным или частичным использованием потенциальной энергии сжатого воздуха (насосы первого класса камерного типа);
2. Работающие без использования потенциальной энергии сжатого воздуха (насосы второго класса камерного элитного типа с подачей жидкости стационарным и нестационарным расходом).

Такой принцип классификации определяет качественные характеристики насосов и связывает их в определённую систему на базе основного энергетического показателя - коэффициента полезного действия.

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.

Целью повышения производительности можно совместить два пневматических насосов в одном агрегате. В этом случае необходимо наличие общего аппарата управления, роль которого состоит в поочередной подачи сжатого в одну или в другую камеру установки. Двухкамерные установки могут быть использованы для откачки и перекачки жидкостей из зубов и участковых вода сборников.
С применением подушки сжатого воздуха в нагнетательный трубопровод такие установки можно применять также для откачки жидкости из камер при проведении вертикальных стволов и для перекачки воды с горизонта на горизонт.

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.

Струйный аппарат, устройство для нагнетания или отсасывания жидких (газообразных) веществ, основанное на обмене механической энергией двух потоков веществ в процессе их смешения. Поток с более высоким давлением называется рабочим (или потоком рабочей среды).
Их использование целесообразно, например, при наличии рабочей жидкости, находящейся под большим избыточным давлением (в частности, в теплофикационных сетях), а также при недопустимости пропуска подсасываемой жидкости через рабочий орган действующего нагнетателя (например, при перекачивании пульпы или отсасывании взрывоопасных газов).
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].
В зависимости от вида рабочей жидкости (газа, пара или воды) струйные нагнетатели называются эжекторами, инжекторами и элеваторами. Любой такой аппарат может перемещать газ или воду, т. е. может выполнять роль насоса, вентилятора, компрессора. Осуществляется это значительно менее экономично, хотя и несравненно проще.
Преимущество струйных аппаратов в том, что для них не обязательна глубина погружения, а из недостатков низкий КПД.

5. Струйно-эрлифтная установка

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.

Из графика выше видно, что коэффициент инжекции зависит от давления на входе в эрлифт (давление на выходе из струйного аппарата). Для увеличения коэффициента инжекции аппарата при расчетном режиме следует выбрать отношение сечения из условия равенства расчётного и предельного давления сжатия pс_пр=p_с=0,3 МПа .

Список источников

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.