Техническое содержание и задачи экспериментальных исследований вакуумных агрегатов на базе жидкостно-кольцевых машин

Техническое содержание и задачи экспериментальных исследований вакуумных агрегатов на базе жидкостно-кольцевых машин

С.С. Мелейчук, асп.

Сумский государственный университет

Введение

В ряде производств технологии переработки пищевых продуктов на основе процессов консервирования и сушки используются системы тепло- и парогенерации. Замена технологий удаления жидкой фазы путем ее нагрева и выпарки на более низкотемпературные процессы в условиях вакуума повышает качество продукции.

Для откачки парогазовой смеси в рассматриваемых установках применяются золотниковые вакуумные насосы, выбор которых не является оптимальным с позиций энергосбережения и загрязнения окружающей среды, что довольно актуально в настоящее время. Кроме того, при использовании золотниковых вакуум-насосов практически невозможно обеспечить регламентируемый уровень парциального давления водяного пара в откачиваемой парогазовой смеси. Так, например, вакуумные агрегаты золотникового типа АВП_Л-90Т и АВП_Л-180Т с повышенной способностью по откачке паров воды имеют уровень максимально допустимого давления паров воды 4,7 кПа [1, 2]. Таким образом, работа подобного агрегата в составе установки вакуумного охлаждения при температурах раствора выше 35 С будет сопровождаться конденсацией пара внутри рабочей полости, образованием водомасляной эмульсии и существенным ухудшением режимных характеристик и показателей надёжности как самого насоса, так и установки в целом.

В отличие от золотниковых вакуумных насосов применение жидкостно-кольцевых машин (ЖКМ) имеет ряд преимуществ: ЖКМ не требуют смазки рабочей полости, просты в эксплуатации, надёжны и сравнительно дёшевы.

Одноступенчатые ЖКМ проектируют и изготавливают на давления всасывания 20-30 кПа при оптимальной объемной производительности. Однако в ряде процессов технологического вакуумирования требуется обеспечение более низких давлений (1-5 кПа). Требуемый вакуум невозможно достичь в одноступенчатой ЖКМ вследствие своих конструктивных особенностей: наличия торцевых зазоров между лопастным колесом и корпусом ЖКМ, что приводит к перетоку газа, а также регламентируемым парциальным давлением паров рабочей жидкости [2]. Соответственно возникает необходимость в переходе к многоступенчатому сжатию.

Для решения вышеупомянутых задач предприятиями-изготовителями практикуются выпуск двухступенчатых одновальных ЖКМ, а также агрегатирование одноступенчатых ЖКМ эжекторными ступенями [3-6].

Актуальным с научной и практической точек зрения является исследование вакуумных агрегатов на базе ЖКМ с предвключенной воздушной эжекторной ступенью.

Цель работы и постановка задачи

Целью работы являются:

1) создание экспериментального стенда для исследования вакуумного агрегата;

2) разработка эффективной методики согласования характеристик жидкостно-кольцевого вакуумного насоса и предвключенного воздушного эжектора, т.к. существующие методики громоздки и недостаточно точны (графоаналитический, комплексный методы [7]);

3) создание расчётных и экспериментальных методик для определения оптимальной геометрии проточной части воздушного эжектора и обоснования диапазона работы эжектора в качестве предвключенной ступени ЖКМ, т.к. большая часть известных методик основана на эмпирических зависимостях;

4) получение экспериментальных данных по энергетическим характеристикам вакуумного агрегата - ЖКМ с предвключённым воздушным эжектором;

5) оптимизация вакуумного агрегата по затрачиваемой удельной мощности.

Описание экспериментального стенда

В лаборатории кафедры ТТФ СумГУ создан экспериментальный стенд «ВВН-3» для исследования характеристик вакуумных агрегатов на базе ЖКМ с предвключённой эжекторной ступенью, принципиальная схема которого представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Принципиальная схема экспериментального стенда исследования характеристик вакуумных агрегатов

Стенд включает в себя ЖКМ 1, объемной производительностью
3 м³/мин с расположенным на всасывающем патрубке воздушным эжектором 2, водоотделитель 3, служащий для отделения жидкости и газа на выходе из ЖКМ, соединительные трубопроводы, арматуру и систему измерительных приборов.

Привод насоса осуществляется от двигателя постоянного тока с изменением окружной скорости вращения рабочего колеса посредством регулирования напряжения на генераторе и реостатом, включенным в цепь якоря. Измерение частоты производится при помощи штатного тахометра, измерение удельных характеристик мощности - с помощью мотор-весов и динамометра. При помощи системы измерительных приборов производится контроль теплофизических параметров откачиваемой среды Р₁, t₁ и рабочей жидкости Р₃, t₃, t₅, а также регулирование их расходных характеристик V₁, V₂, V₃.

Подача рабочей жидкости осуществляется из сети и регулируется вентилем Д₅. Кроме того, предусмотрено регулирование объемной производительности откачиваемой среды при помощи вентилей Д₁-Д₄ и Д₆. Имеется возможность контроля параметров потока перед жидкостно-кольцевой машиной Р₂, t₂ и за ней t₄.

Как показал анализ литературных источников, в составе вакуумного агрегата применяется только прямоструйный воздушный эжектор. Однако данный тип эжектора обладает рядом недостатков: работа эжектора при сверхзвуковых скоростях вызывает необходимость использования для ввода активного потока специально спрофилированного сопла Лаваля, которое при своей работе чувствительно к пульсации давлений и к изменению режима работы; отсутствие возможности полного и эффективного перемешивания активного и пассивного потоков в камере смешения эжектора; имеют место потери на трение по длине в осевом диффузоре, а также сложность обеспечения безотрывности потока [8].

В составе вакуумного агрегата в качестве предвключенной ступени предложен воздушный эжектор, основанный на вихревом принципе эжекции [9-11], конструктивная схема которого представлена на
рисунке 2.

Рисунок 2 - Конструктивная схема воздушного эжектора

Воздушный эжектор состоит из сопла 1 пассивного потока, каналов 2 подвода активного потока, камеры смешения 3 и диффузора 4.

Активный поток через каналы 2 поступает в камеру смешения 3, где образуется вращающийся поток с приосевой областью пониженного давления. В эту область через сопло 1 эжектируется пассивный поток. Оба потока перемешиваются в камере смешения 3, где происходит выравнивание их скоростей. Скорость активного потока уменьшается, а пассивного - увеличивается. Длина камеры смешения выбирается из условия получения на выходе из неё равномерного потока. В диффузоре 4 за счёт торможения давление смешанного потока возрастает.

Особенностью подобного агрегата является то, что активный поток расширяется в каналах подвода активного потока не за счёт раннее приобретённого им потенциала статического давления, а посредством перераспределения энергии, подводимой на привод вакуумного насоса.

В вихревом эжекторе за счёт подачи закрученного активного потока, перемещающегося по спирали в осевом и радиальном направлениях к камере смешения, обеспечивается достаточно высокое и наиболее полное перемешивание взаимодействующих потоков [12].

Значительное влияние на эффективность работы воздушного эжектора в качестве предвключённой ступени оказывает правильный расчёт геометрических параметров основных размеров проточной части. Существующие методики расчёта геометрических параметров не корректны для применения в расчётах на условия работы воздушного эжектора как предвключённой ступени с давлением активного потока, равным атмосферному. В установке предусмотрена возможность следующих параметрических исследований:

– изменение конструкции каналов ввода активного потока с помощью вставок (спиральной, тангенциальной, тангенциально-лотковой, многосопловой) (таблица 1);

– реализация наклонного расположения каналов по отношению к оси камеры смешения;

– изменение длины камеры смешения (4-10 диаметров сопла пассивного потока);

– изменение ширины щели диффузора (0,01-0,5 длины камеры смешения);

– исследование как противоточного, так и прямоточного схемного решения воздушного эжектора.

Исследование характеристик вакуумного агрегата предполагает построение зависимости объёмной производительности от создаваемого вакуума для всех компонентов, входящих в состав вакуумного агрегата (рисунок 3).

Согласно рисунку 3 самостоятельно работающая ЖКМ при некотором требуемом давлении всасывания имеет сравнительно низкую производительность, характеризующуюся величиной в точке О^*, . Если ЖКМ работает совместно с воздушным эжектором при том же давлении откачки из вакуумного аппарата, то производительность (скорость откачки) увеличивается по сравнению и рассматривается в этом случае как производительность агрегата .

Таблица 1 - Конструкция канала активного потока

На данном рисунке представлено семейство характеристик производительности собственно воздушного эжектора и точки совместной работы с ЖКМ (С,С,С). Соответствующие значения производительности агрегата выражаются ординатами в точках О,О,О.

Рисунок 3 - Характеристики совместной работы предвключённого воздушного эжектора и ЖКМ; -давление пассивного потока; -давление активного потока; -давление смешанного потока; характеристика ЖКМ; характеристика предвключённого воздушного эжектора

Отношение этих ординат к ординатам в точках С, С, С является величиной коэффициента откачки эжектора. Из рисунка следует, что из всего семейства характеристик только одна дает оптимум коэффициента откачки эжектора и соответственно максимальную всасывающую способность агрегата при давлении . Поставленная задача согласования характеристик сводится к нахождению оптимальных значений коэффициента откачки эжектора при расчетных параметрах сред в газовом тракте вакуумного агрегата.

Заключение

Проведены наладка и испытание экспериментального стенда исследования характеристик вакуумных агрегатов на базе ЖКМ с предвключённой эжекторной ступенью. Полученные предварительные экспериментальные данные позволяют утверждать о правильности выбранного направления исследования. Автор выражает глубокую благодарность сотруднику кафедры ТТФ доценту Арсеньеву В.М. за помощь, оказанную в подготовке данной статьи.

Summary

This article presents the description of the experimental stand for studding of vacuum units on the base of liquid in ring machines with enclosed frontal by air ejector. Different variants of arrangement of the main elements of running part of air ejector are brought in the article too. The need of the reception of strategy of co-ordination of features of components of vacuum unit is shown. This article delivers the main tasks of studying and the ways of their realization.

Список литературы

1. Головинцов А.В., Румянцев В.А. Ротационные компрессоры.- М.: Машиностроение, 1964.-316 с.

2. Механические вакуумные насосы /Е.С. Фролов, И.В. Автономова, В.И. Васильев и др.- М.: Машиностроение, 1989.- 288 с.

3. Райзман И.А. Жидкостно-кольцевые вакуумные насосы и компрессоры.- Казань, 1995.- 258 с.

4. Триполко С.С. Повышение предельного вакуума водокольцевых и ротационно-пластинчатых вакуум-насосов с помощью газового эжектора // Химическое машиностроение.-1962.-№5.-С.23-24.

5. Жидкостно-кольцевой вакуумный насос: А.с. 423940 СССР, МКИ F04c7/00; F04c19/00 /И.А. Райзман, А.И. Рудаков и Э.М. Мац (СССР).-1844497/24-6; Заявл. 09.11.72; Опубл. 15.04.74, Бюл. №14.- 2с.

6. Жидкостно-кольцевая машина: А.с. 1566085 СССР, МКИ F04c7/00; F04c19/00 /В.А. Максимов, В.А. Пирогов и Л.Г. Рецман (СССР).-4402405/40-29; Заявл. 04.04.88; Опубл. 23.05.90, Бюл. №19.-2с.

7. Рудаков А.И. Исследование эжекторных приставок жидкостно-кольцевых машин: Автореф. дис…канд.тех.наук: 05.04.90/Казанск.химико-технолог.ин-т.-Казань, 1975.-19 с.

8. Аркадов Ю.К. Новые газовые эжекторы и эжекционные процессы.- М.: Изд-во Физико-математической литературы, 2001.- 336 с.

9. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике.-М.: Машиностроение, 1969.-184 с.

10. Вихревые аппараты/А.Д. Суслов, С.В. Иванов, А.В. Мурашкин, Ю.В. Чижиков.-М.: Машиностроение, 1985.-256 с.

11. Мартынов А.В., Бродянский В.М. Что такое вихревая труба?-М.: Энергия, 1976.-152 с.

12. Епифанова В.И., Ивакин О.А., Костин В.К. Некоторые результаты теоретического и экспериментального исследования вихревого эжектора // Вихревой эффект и его промышленное применение: Материалы 3-й Всес. науч.-техн. конф. - Куйбышев, 1981.-С.13-15.