УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕГАЗАЦИИ ЖИДКОСТИ Российский патент 1995 года по МПК B01D19/00 

Изобретение относится к насосотроению, может быть использовано для любых лопастных насосов, перекачивающих аэрированные жидкости.

Лопастные насосы надежно работают на чистой жидкости или на жидкости, незначительно аэрированной, где объем газа на входе в насос при частоте вращения меньше 820-1030 1/с составляет 5-10% от объема перекачиваемой жидкости. Увеличение степени аэрации до величины, превышающей допустимую, приводит к срыву в работе насоса. Для обеспечения его работоспособности необходимо снизить степень аэрации потока перед насосом.

Для деаэрации жидкости на входе в насос устанавливаются специальные отводящие газ устройства. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для дегазации жидкости, включающее лопастной насос, в патрубке ввода которого установлен шнек [1] В таком устройстве исключены дополнительные затраты энергии на закрутку потока на режимах с развитыми обратными токами, и газ из потока удаляется до осевого колеса. Однако эффективность устройства невелика, так как его опробование показало, что через полый заборник, установленный в центре газожидкостного потока, удаляется газожидкостная смесь с очень большим (до 25%) количеством рабочей жидкости, причем эти потери существенно возрастают с уменьшением интенсивности обратных токов.

Целью изобретения является увеличение эффективности деаэрации потока жидкости на всех режимах работы насоса с обратными токами на его входе.

Цель достигается тем, что на входном патрубке лопастного насоса, работающего на режимах с обратными токами, в зоне скопления газовых включений в периферийной части потока создают застойные зоны, из которых производится отсос газа. Для этого в застойной зоне в плоскости, перпендикулярной оси вращения насоса, устанавливаются конические заборники газа с осями симметрии, параллельными касательным к окружности патрубка в месте установки заборников, наибольший диаметр заборника равен 0,084-0,09 диаметра шнека и уменьшается в направлении против вращения ротора, расстояние от края наибольшего диаметра заборника до шнека и до стенок патрубка равно 0,02-0,025 диаметра шнека, при этом устройство снабжено сборным коллектором и отводящими трубками, соединяющими заборники и сборный коллектор, и перегородкой в виде усеченного конуса, установленной в патрубке перед заборниками, меньшее основание перегородки расположено ближе к заборникам, ось симметрии перегородки совпадает с осью патрубка, больший диаметр перегородки равен внутреннему диаметру патрубка, плоскость меньшего диаметра перегородки расположена на расстоянии 0,1-0,115 диаметра шнека от степени патрубка, и расстояние от плоскости меньшего диаметра перегородки до плоскости осей заборников равно 0,072-0,1 диаметра шнека.

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство; на фиг.2 вид А на фиг.1.

На фиг.1, 2 обозначены: 1 конические заборники, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси вращения насоса; 2 шнековое колесо шнекоцентробежного насоса; 3 отводящие трубки; 4 сборный коллектор; 5 перегородка в виде усеченного конуса
Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При работе шнекоцентробежного насоса на разных по расходу режимах существуют такие, при которых часть жидкости у периферии шнека выбрасывается навстречу основному потоку Q_н на расстояние l_o. Затем эта часть жидкости, называемая обратным током, поворачивает на 180^о и снова идет на вход в насос в направлении основного потока. Наличие и интенсивность обратных токов характеризуются величиной расходного параметра
q ,
где tg β_п тангенс угла входа потока на лопатки на данном режиме;
tg β_л тангенс угла установки лопатки.

При q, близком к нулю, интенсивность обратных токов максимальна, с ростом q она уменьшается и при q ≈ 0,5 обратные токи практически пропадают.

Работа шнекоцентробежного насоса на режимах с обратными токами является распространенной, так как приводит к улучшению кавитационных качеств насоса.

Как показали визуальные наблюдения, зона обратных токов имеет вихревую структуру, составляя единое целое с вихревыми системами потока на входе в шнек. Газ, находящийся в газожидкостном потоке, при входе в шнековое колесо активно концентрируется в вихревых системах и выбрасывается в зону обратных токов, где концентрация газа оказывается в несколько раз выше, чем во входном потоке насоса Q_н. Основной поток Q_н, занимающий перед насосом все сечение, перед входом в шнек вынужден обтекать образовавшиеся обратные токи, проходное сечение как бы сужается. Кроме осевой скорости, частицы жидкости в зоне обратных токов имеют и большую окружную скорость, т.е. вся зона обратных токов вращается в направлении вращения колеса. При этом, если осевая скорость составляет 1-1,5 м/с, то при оборотах насоса n=4000 об/мин и диаметре шнека D_ш=100 мм окружная скорость в зоне обратных токов U ≈18 м/с.

Таким образом у периферии шнека имеет место сильно аэрированный поток жидкости, вращающейся со значительной скоростью практически в окружном направлении.

Проведенные исследования показывают, что если создать во вращающемся слое обратных токов застойные зоны, в которых возникают локальные области разрежения, то свободные газовые включения из движущегося газонасыщенного вихревого слоя концентрируются в застойных зонах, из которых возможно произвести их отсос. С целью создания таких застойных зон в газонасыщенный поток на периферии шнека установлены конические заборники 1, которые обтекаются потоком от меньшего диаметра к большему, причем ось заборника параллельна касательной к окружности трубопровода в месте установки заборника. При обтекании заборника 1 потоком за его большим диаметром образуется каверна К, заполненная газом из потока. Газ по трубкам 3, соединяющим заборники с коллектором 4, попадает в этот коллектор, оттуда в сборную емкость, где создается давление более низкое, чем в потоке.

Удаление газа из каверны немедленно компенсируется поступлением на его место новых порций из потока, процесс становится непрерывным, что и обеспечивает снижение газонасыщенности жидкости.

Газовые включения, имеющиеся в потоке Q_н, попадая на вход шнекового колеса 2, захватываются имеющимися в шнековом колесе вихревыми системами и обратными токами выносятся из шнека на периферию трубопровода в кольцевую вращающуюся зону, в которой газосодержание существенно превышает газосодержание основного потока Q_н.

При обтекании заборников 1 обратными токами в окружном направлении за большим диаметром конического заборника образуется застойная зона каверна К. В эту каверну и попадает газ из зоны обратных токов, а из каверны К по трубкам 3 эвакуируется в коллектор 4, откуда и удаляется.

Предлагаемое устройство предназначено для одной из разработанных систем топливоподачи. Геометрические соотношения были получены опытным путем при оптимизации его характеристик в условиях функционирования в широком диапазоне расходного параметра q и высокого уровня газонасыщенности компонента.

Газонасыщенный слой жидкости располагается по периферии входного трубопровода. Именно в этой зоне равномерно по окружности и располагаются служащие для отбора газа полые заборники, ориентированные в потоке таким образом, что за ними образуются области разрежения. Эксперименты показали, что при одинаковой скорости потока и степени его аэрации максимальное количество газа можно сконцентрировать в застойных зонах и с меньшим количеством жидкости отобрать из потока при увеличении диаметра заборника при более равномерном обтекании заборника со всех сторон. Заборник, установленный вплотную у стенки входного патрубка, где затруднено обтекание верхней части заборника, удаляет на 20-25% меньше газа, чем заборник, несколько удаленный от стенки. Удаление заборника от шнека также приводит к уменьшению количества отсасываемого газа.

Для определения оптимального диаметра заборника и расстояния его от стенки трубопровода были проведены эксперименты с одиночным заборником, выполненным из тонкостенной трубки диаметром 2 мм (толщина стенки 0,1 мм), которая могла перемещаться по радиусу трубопровода. При каждом положении заборника измерялось количество удаляемого через него газа и жидкости, при этом насос работал на следующем режиме:
n=4000 об/мин; Р_вх=1,6 кг/см²; q=0,328; δ_вх=9%
При заглублении заборника на 12 мм (дальнейшее заглубление не проводили из-за опасности касания с вращающимся шнеком) максимальное количество удаляемого газа оказалось при l₂=7,7 мм 0,077 равным 11,5 см³/с. Вблизи стенки удаляется существенно меньше газа, чем в глубине обратных токов. Непосредственно у стенки 0,6 и лишь при = 0,02-0,025 составляет 0,8-0,85 от максимального. Можно определить также толщину зоны, где желательно располагать заборники. Приняв, что отбираемый расход не должен быть менее 0,8-0,85 от максимального, получают толщину оптимальной зоны
= 0,11-(0,02-0,025) 0,085-0,09 нижняя граница которой с учетом расстояния от стенки составляет (0,02-0,025)+(0,085-0,09)=0,1-0,115.

При том же режиме работы насоса были проведены аналогичные эксперименты по заглублению конического заборника диаметром 8,5 мм. Как и для двухмиллиметрового заборника в непосредственной близости от стенки количество удаляемого газа существенно меньше максимального и равно 0,85Q_гmax также при 0,02. Очевидно, что это в обоих случаях связано с ухудшением обтекания заборника у стенки.

Исходя из описанных экспериментов, расстояние и выбрано равным 0,02-0,025.

Максимальное количество газа, удаленного заборником D=8,5 мм оказалось при равным 117 см³/с.

При дальнейшем увеличении количество удаляемого газа уменьшается.

Сравнение результатов испытаний с заборниками D=2 и 8,5 мм позволяет определить оптимальный диаметр заборника.

В табл.1 представлены результаты такого сравнения. Видно, что при увеличении диаметра заборника в 4,25 раза количество удаляемой жидкости возросло примерно в том же соотношении (5,35), а количество удаляемого газа увеличилось в 15,4 раза, т.е. пропорционально квадрату отношения диаметров, а соотношение отбираемых компонентов увеличилось почти в 3 раза. Таким образом для деаэрации потока более благоприятным оказывается установка заборников большого диаметра. Определена оптимальная толщина слоя для расположения заборников = 0,085-0,09. Очевидно, что диаметр заборника должен быть равен толщине этого слоя, т.е. =0,085-0,09. Такой выбор диаметра заборника подтверждается и экспериментами с заборником D=8,5 мм. При максимальном количестве отобранного газа = 0,03= 0,03 нижний край заборника находится от стенки на расстоянии
+= 0,03 + 0,085 0,115
Дальнейшее увеличение ведет к снижению Q_г. Нижняя граница оптимальной зоны примерно на 20% шире толщины расчетной зоны обратных токов, т.е. оптимальная толщина зоны обратных токов захватывает частично участок с противоположным направлением осевых скоростей, где, как показали визуальные наблюдения, сконцентрировано много газа. Дальнейшее заглубление заборника приводит к проникновению в активный поток, где количество газа существенно меньше. Потому выбрана относительная величина диаметра заборника
= 0,085-0,09
Для определения оптимального расстояния проводили эксперименты с заборником D=8,5 мм, отодвигая его от шнека изменением толщины прокладки S₁. Первоначально заборник установили на расстоянии , аналогично , исходя из необходимости хорошего обтекания заборника и исключения касания его о шнек. Испытания проводили при q=0,328 и q=0,43. При удалении от шнека количество отбираемого газа убывает, причем тем быстрее, чем меньше интенсивность обратных токов (т. е. чем больше q). Поэтому в заявке величина расстояния выбрана равной
= = 0,02-0,025
Размеры заборников, выбранные указанным способом для средней величины q= 0,3, обеспечивают улучшение газоотделения и при q<0,3, так как уменьшение q увеличивает интенсивность обратных токов, расширяет толщину слоя обратных токов и количество накопленного в нем газа. При q>0,3 и толщина слоя, и количество газа постепенно уменьшаются, заборник может частично выйти из зоны обратных токов, газоотделение уменьшается. Для интенсификации обратных токов, а следовательно, и улучшения газоотделения на режимах q>0,3, вводится коническая перегородка. Кроме улучшения газоотделения коническая перегородка устраняет полностью возможные кавитационные колебания в насосе и в зависимости от диаметра конуса, т.е. от размера , можно улучшить или ухудшить энергетические характеристики насоса. Чтобы избежать возможного ухудшения характеристик, размер выбран таким образом, чтобы конус не был заглублен в поток больше, чем заборники, т.е.

= += (0,02-0,025)+(0,084-0,09) 0,1-0,115
При этом были проведены испытания по выявлению влияния конуса на напорную и кавитационную характеристики насоса и его коэффициент полезного действия. Эффективность газоотделения с конусом существенно возрастает.

Для определения расстояния от заборника до конуса () были проведены испытания при разных величинах , изменяемых за счет увеличения прокладок S₂. Первоначально, по аналогии с размерами и расстояние от заборника D=8,5 мм до конуса было выбрано равным 0,02, при этом получилось
= 0,02 + 0,0625
Однако при увеличении расстояния до 0,07 количество удаляемого газа увеличилось. При дальнейшем увеличении Q_ri не менялось. Поэтому в заявке и выбрано , увеличение расстояния не повышает эффективности газоотделения, хотя увеличивает осевые габариты устройства.

Предлагаемое устройство с успехом использовано при создании бустерного насоса, перекачивающего аэрированную жидкость с газосодержанием δ_вх40% работающего в широком диапазоне расходного параметра q=0,56-0,16. В табл.2 приведены результаты оценки эффективности предлагаемого устройства с прототипом. Расчет устройства проводился для номинального режима работы с q=0,32.

В приведенной таблице δ_кр.исх= критическое газосодержание на входе в насос, при котором происходит срыв насоса; δ_кр то же с применением устройства, не имеющего конусной перегородки;
Δδ эффективность заявляемого устройства, показывающая, на сколько можно повысить степень аэрации потока во входном патрубке насоса;
Q_отс.ж. количество жидкости, теряемой при деаэрации потока;
δ _{перег.кр} критическое газосодержание устройства с перегородкой.

Приведенные данные показывают, что насос, оборудованный газоотделительным устройством, выполненный по рекомендуемым размерам, обеспечивает повышение работоспособности насоса на газожидкостной смеси и в зависимости от режима в 2-8 раз, а также существенное по сравнению с прототипом снижение потерь рабочей жидкости при отсосе газа в процессе деаэрации потока.

Устройство включает лопастный насос, в патрубке ввода которого установлен шнек. Оно снабжено равномерно установленными по окружности патрубка ввода перед шнеком коническими заборниками газа, которые расположены в плоскости, перпендикулярной оси вращения насоса, с осями, параллельными касательным к окружности патрубка в месте установки заборников. Наибольший диаметр заборника равен 0,084 - 0,09 диаметра шнека, расстояние от края наибольшего диаметра заборника до шнека и до стенок патрубка равно 0,02 - 0,025 диаметра шнека. Устройство снабжено сборным коллектором, отводящими трубками, соединяющими заборники и сборный коллектор, и перегородкой в виде усеченного конуса, установленной в патрубке перед заборниками. Меньшее основание перегородки направлено в сторону заборников, ось симметрии перегородки совпадает с осью патрубка, больший диаметр перегородки равен внутреннему диаметру патрубка, плоскость меньшего диаметра перегородки расположена на расстоянии 0,1 - 0,115 диаметра шнека от стенки патрубка, а расстояние от плоскости меньшего диаметра перегородки до плоскости осей заборников равно 0,072 - 0,100 диаметра шнека. 2 ил., 2 табл.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕГАЗАЦИИ ЖИДКОСТИ, включающее лопастной насос, в патрубке ввода которого установлен шнек, отличающееся тем, что, с целью увеличения эффективности в работе устройства, оно снабжено равномерно установленными по окружности патрубка ввода перед шнеком коническими заборниками газа, которые расположены в плоскости, перпендикулярной оси вращения насоса, с осями, параллельными касательным к окружности патрубка в месте установки заборников, наибольший диаметр заборника равен 0,084 0,09 диаметра шнека, расстояние от края наибольшего диаметра заборника до шнека и до стенок патрубка равно 0,02
0,025 диаметра шнека, при этом устройство снабжено сборным коллектором, отводящими трубками, соединяющими заборники и сборный коллектор, и перегородкой в виде усеченного конуса, установленной в патрубке перед заборниками, меньшее основание перегородки направлено в сторону заборников, ось симметрии перегородки совпадает с осью патрубка, больший диаметр перегородки равен внутреннему диаметру патрубка, плоскость меньшего диаметра перегородки расположена на расстоянии 0,1 0,115 диаметра шнека от стенки патрубка, а расстояние от плоскости меньшего диаметра перегородки до плоскости осей заборников равно 0,072 0,100 диаметра шнека.