Совершенствование очистителей рабочих жидкостей насосов с использованием гидроэлектрических технологий (стр. 6 )

При решении задач по определению очистительной способности гидродинамических фильтров использовался математический аппарат решения дифференциальных уравнений в частных производных в координатах сплющенного эллипсоида, решения уравнения Навье-Стокса для определения устойчивости пограничного слоя вдоль фильтрующего элемента при наличии отсасывающей поверхности [47, 48].

Понятно, что движение частиц вдоль и поперек поверхности, разделяющих их по крупности может быть под действием не только полей, перепада давления, но (и) магнитных, электрических и других полей. В случае их совместных действий (комбинаций) уместно говорить об использовании электрогидравлических технологий.

Развитие теории и практики гидравлической очистки было выполнено в трудах док. техн. наук , , канд. техн. наук , Аль-Хавальдах Абдалла Сулейман, , и других [6, 27, 118].

На протяжении 40 лет гидродинамические фильтры нашли применение в горной, автомобильной, металлургической, авиационной, электротехнической, машиностроительной, нефтедобывающей, автодорожной, химической и других отраслях промышленности. Как правило, при этом использовались фильтры небольшой производительности (до 300 л/мин.) на давление до 40 МПа. Новый подход к созданию фильтров потребовался при разработке и изготовлении очистителей сверхвысокой пропускной способности.

Традиционная схема фильтрования, при которой поток двигался вдоль образующей цилиндрического фильтроэлемента и сбрасывал в торце этого фильтроэлемента крупные частицы, требовала создания громоздких аппаратов с весьма малыми зазорами между корпусом и фильтроэлементом. На рис.1.5 изображена схема фильтра с поперечным движением смывающего потока.

 

Рис.1.5.Фильтр с поперечным движением смывающего потока.

Загрязненная жидкость поступает в приемный патрубок 2, затем движется в сужающемся зазоре между эксцентрично расположенными фильтроэлементом 1 и корпусом 6 и выходит через патрубок 4 и дроссель 7 на слив. Большая часть жидкости (85-90)% очищается и поступает в систему, схема которой изображена на рис.1.6.

В настоящее время гидродинамические фильтры сверхвысокой производительности выпускают на расходы от 40 м3/час до 6000 м3/час на давление в системе до 3 МПа, при загрязненности очищаемой жидкости до 11г/дм3 и наличии отдельных крупных частиц до 70 мм. Эти фильтры широко применяются в первую очередь для очистки сточных вод, а также в системах оборотного водоснабжения на промышленных предприятиях.

.

 

Рис.1.6. Схема включения гидродинамических фильтров.

Проданы лицензии на изготовление подобных фильтров в России и Польше. Но, несмотря на удовлетворительную работу этих очистителей, их общий недостаток состоит в том, что они очищают жидкость, которая подается на них от динамических насосов. Иными словами, защищая от загрязнений гидроузлы находящиеся под давлением или в линии слива. Сам же агрегат, генерирующий гидравлическую энергию, остается беззащитным.

В работах канд. техн. наук показано, что проблема предварительной очистки загрязненной жидкости от механических примесей является наиболее значимой для гидродинамических шламовых и грунтовых насосов, хотя имеются ряд устройств, в том числе и автора этой диссертационной работы, предохраняющих систему от попадания чрезвычайно крупных частиц, размер которых превышает проходное сечение в корпусе насоса [76, 120]. Защита от мелких частиц, определяющих возможность, во первых, забивания выходных патрубков, во-вторых, прогрессивного абразивного изнашивания щелевых уплотнений, в-третьих, увеличения перепада давления на динамической машине и снижения производительности. Поэтому одна из главных задач насосостроения – защита гидродинамических насосов от мелких механических примесей.

В первой части этого раздела отмечалось, что более 65% загрязнений составляют ферромагнитные. Эти загрязнения оказывают существенное, а иногда и решающее влияние не только на качество продукции, но на ход технологического процесса, понижая потенциальный уровень производства, уменьшая надежность оборудования и увеличивая трудозатраты [88, 45].

Существующие способы очистки рабочих и охлаждающих жидкостей от ферромагнитных загрязнений или весьма сложны по конструкции, или требуют остановки машины для замены очищающих элементов, Особенные трудности возникают при очистки сильно загрязненных жидкостей. Одним из главных требований к очистителям является обеспечение грязеемкости очистителя при требуемой чистоте рабочей жидкости. Решение этой проблемы связывается с очисткой жидкости в силовых полях – электростатическом, центробежном или магнитном [114, 78, 76, 99, 109, 110, 77, 52, 32, 33, 113].

Очистка в электростатическом поле ограничивается жидкостями, не проводящими электрический ток, невозможностью использования во взрывоопасных средах и необходимостью создания высокой разности потенциалов. Определенные трудности вызывает отсутствие инженерной методики расчетов электростатических очистителей в связи с трудностью определения зарядов частиц.

Центрифуги имеют ряд преимуществ перед механическими фильтрами, но по сравнению с другими очистителями они сложнее по конструкции, более трудоемки при изготовлении и наладке. Они имеют значительно большую массу и габаритные размеры, требуют сравнительно больших энергетических затрат, сложный привод для получения скоростей вращения больше 500 рад/с. Существуют большие сложности при очистке центрифуг. Для получения качественной очистки необходимо жидкость многократно пропускать через центрифугу. Поэтому в большинстве случаев применяют механические фильтры [77, 36, 108].

Для очистки от ферромагнитных загрязнений применяют магнитную очистку. Конструкция магнитных очистителей определяется эксплуатационными факторами: производительность, размер трубопровода, плотность и температура жидкости, давление и крупность ферромагнитных загрязнений. По конструктивным особенностям эти устройства разделяются на 2 группы: ловушки и фильтры. В ловушках процесс улавливания происходит при прохождении жидкости через рабочее межполюсное пространство, а магнитные тела удерживаются непосредственно на элементах магнитной системы. В фильтрах сепарируемая жидкость проходит через рабочую область магнитного поля, заполненную фильтрующим магнитным наполнителем (например, в виде дисков или шаров), на котором и осаждаются магнитные включения. Магнитное поле в этих устройствах создается постоянными магнитами или электромагнитами. Применение постоянных магнитов обеспечивает следующие преимущества: отсутствие необходимости электроснабжения, устойчивость к влиянию атмосферных условий, безопасность при использовании во взрывоопасных и воспламеняющихся средах, экономичность. Применяются постоянные магниты при легких и средних режимах нагрузки (небольшие расходы жидкости, малая концентрация ферромагнитных загрязнений). Недостатки – малый радиус действия, малая грязеемкость и трудность при очистке устройств от извлеченных магнитных тел [114, 78, 4, 101, 76, 99, 109, 77, 13, 113, 95, 36, 108, 49, 94].

Очистители с электромагнитным возбуждением применяются в более сложных условиях, когда в рабочих зонах необходимо создавать магнитные поля большой напряженности. Достоинствами таких очистителей является также возможность регулирования рабочей напряженности магнитного поля применительно к условиям эксплуатации и отключения электромагнитного поля, что упрощает регенерацию устройств. Основной недостаток – необходимость в надежном источнике этого поля.

Очистители с электромагнитным возбуждением магнитного поля принято называть электромагнитными очистителями или сепараторами [13, 50, 94, 56, 104]. Основой этих конструкций является цилиндрический корпус, снаружи которого размещена электромагнитная система, а внутри цилиндра расположена улавливающая система (ферромагнитная насадка) [49, 94, 56]. Такие очистители работают при низких скоростях жидкости, грязеемкость их большая, но затруднена регенерация. В конструкции электромагнитного очистителя из [49] имеется скребковое устройство, которое смонтировано в центральном канале очистителя. Этот тип очистителя работоспособен при малых расходах жидкости и имеет небольшую грязеемкость. Для работы при малых расходах жидкости предназначен и очиститель из [94]. Его отличительная особенность – использование неоднородного магнитного поля внутри очистителя.

Эффективность работы очистителей определяется извлекающими усилиями, которые они могут создать, и зависит от градиента магнитного поля. Для повышения градиентов магнитного поля предложено много конструкций описанных в [32, 36, 56, 104]. Например, в очистителе описанном в [56], внутренняя насадка выполнена в виде зигзагообразных ферромагнитных перфорированных пластин. Система улавливания в очистителях описанных в [32, 94] выполнена в виде шаров. Такие очистители имеют малую пропускную способность и грязеемкость. Открытым остается вопрос разработки новых видов очистителей, которые могут обеспечить высокую степень очистки жидкости при значительных ее расходах и грязеемкости.

Решением задачи очистки жидкостей от механических примесей с наличием хотя бы 35% мелкодисперсионных ферромагнитных частиц явилось создание и исследование электромагнитных очистителей со сложной конфигурацией магнитного поля [118]. В этом очистителе учитывались не только силы электромагнитного взаимодействия, но и силы, определяемые механикой жидкостей, т. е. влияние стоксовых сил, сил взаимодействия частиц с потоком. Вместе с тем при расчете не учитывались силы инерции, не учитывалось изменение гидродинамических сил при их приближении к твердым стенкам.

Кроме того, этому очистителю был присущ общий недостаток – необходимость регенерации, т. е. очистка его от уловленных механических примесей.

Изложенное выше позволяет отметить, что загрязненность жидкостей, эксплуатируемых в различных отраслях промышленности, превышает допустимые нормы иногда в несколько раз. При этом требования к чистоте жидкостей являются заниженными, что вызвано несоответствием характеристик имеющихся очистных устройств, в первую очередь по грязеемкости и связанным с ней перепадом давлений, с реальной загрязненностью и динамикой поступления загрязнений.