Совершенствование очистителей рабочих жидкостей насосов с использованием гидроэлектрических технологий (стр. 8 )

1.6.2. Задачи исследования.

1. Разработать научно-методические основы для создания очистителей рабочих жидкостей насосов, использующих гидродинамический эффект очистки, в которых необходимо обосновать возможность замены источника движения частиц в гидродинамических очистителях в одном из направлений на пондемоторную силу с целью упрощения конструкции и значительного повышения тонкости очистки.

2. На базе полученных научно-методических разработок по электромагнитным очистителям разработать конструкции указанных очиститителей и провести их апробацию в лабораторных и промышленных условиях.

3. Определить целесообразность и пути использования очистителей, работающих с использований гидроэлектрических технологий применительно к динамическим насосам, в том числе: разработать принципы расчета и конструирования очистителей перекачиваемой среды динамическими насосами, применение которых не окажет существенного влияния на рабочие характеристики указанных насосов, в частности на их всасывающую способность;

4. Разработать конструктивные решения и методику инженерных расчетов очистителей, встроенных в системы охлаждающей и смазывающей жидкостей динамических насосов.

5. Осуществить поиск дополнительных путей защиты щелевых уплотнений динамических насосов путем использования гидродинамического эффекта разделения фаз рабочей жидкости.

РАЗДЕЛ 2

СОЗДАНИЕ ОЧИСТИТЕЛЕЙ, НЕ ИЗМЕНЯЮЩИХ УРОВЕНЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ОЧИЩАЕМОЙ ЖИДКОСТИ И ЗАЩИЩАЮЩИХ СИСТЕМУ ОТ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

2.1. Математическое моделирование процессов кондиционирования жидких сред в магнитном и электрическом поле.

Как было показано в первом разделе, обработкой магнитным полем можно достаточно эффективно очищать различные жидкости от ферромагнитных и других примесей. При этом в отличие от других методов в жидкостях не наблюдается изменения их основных характеристик и образование примесей. Учитывая, что очистители различных типов используются для фильтрации различных жидкостей, рассмотрим более подробно принципы работы и возможность разработки электромагнитных очистителей.

Ферромагнитные загрязнения возникают в результате изнашивания элементов оборудования и по другим причинам, подробно рассмотренные в первом разделе. Наличие этих загрязнений в охлаждающих жидкостях приводят к быстрому износу оборудования, которое эксплуатируется на предприятиях [19, 107].

Традиционные магнитные очистителя с возбуждением от постоянных магнитов и электромагнитов обладают рядом недостатков, описанных ранее, поэтому задача создания магнитных очистителей, которые способны при большой грязеемкости обеспечивать нужную степень очистки, остается открытой, и в данной работе автор попытался ее частично решить [74, 24].

2.1.1. Электромагнитные очистители со сложной конфигурацией магнитного поля.

Очиститель, имеющий сложную конфигурацию электромагнитного поля (ОСМП), изображен на рис.2.1 и представляет собой трубу 4 из неферромагнитного материала с намотанной на ней намагничивающей катушкой 5.

Рис.2.1. Электромагнитный очиститель.

1-входной/выходной штуцер; 2, 8 – пластины; 3 – втулка; 4 – труба;

5 – намагничивающая катушка; 6 – стержень; 7 – улавливающий диск;

9 – гайка; 10 – шпилька.

В трубе сделаны патрубки 1 для ввода загрязненной жидкости и вывода очищенной жидкости. Внутри трубы установлена улавливающая система, представляющая собой неферромагнитный стержень 6 с надетыми на него улавливающими дисками 7 из магнито-мягкого материала. Для прохода жидкости в улавливающих дисках проделаны отверстия, причем диски одеваются на ось так, чтобы оси отверстий в двух соседних дисках не совпадали. Поток жидкости и магнитное поле при этом направлено так, что ферромагнитные частицы загрязнений улавливаются на торцах улавливающих дисков, не забивая отверстия в них.

Испытания такого электромагнитного очистителя показали его высокую эффективность, и вместе с тем, выявили ряд проблем, наиболее существенной из которых было нахождение взаимосвязи между параметрами течения жидкости и конструктивными и силовыми параметрами электромагнитного поля очистителя, для определения их рациональных значений, обеспечивающих заданную тонкость очистки.

Для решения этой задачи нами было сделано следующее: определены поля скоростей вязкой жидкости, движущейся через перфорированную перегородку, используя которые были найдены силы сопротивления Стокса, действующие на частицу загрязнений, перемещающуюся в жидкости. Далее были определены выражения для пондеромоторной силы, действующей на ферромагнитную частицу загрязнений со стороны магнитного поля. На основании принципа суперпозиции мы учли влияние этих сил на движение ферромагнитной частицы загрязнений, движущейся в потоке вязкой неэлектропроводной немагнитной жидкости под действием неоднородного постоянного магнитного поля.

2.1.2. Определение поля скоростей вязкой жидкости

При нахождении поля скоростей вязкой жидкости, текущей через перфорированную перегородку, были приняты следующие допущения:

- движение характеризируется малыми числами Рейнольдса;

- жидкость немагнитная и неэлектропроводная;

- жидкость считаем несжимаемой, однородной и изотермической;

- примесь пассивна;

- частицы шарообразны и однородны;

- отсутствуют электростатические силы, поверхностные силы, силы адгезии и влияние стенок;

- не учитывается взаимодействие движущихся частиц и броуновское движение;

- не учитывается инерционность частиц, т. е. не учитывается проскальзывание частицы относительно жидкости в продольном потоке;

- не учитывается возможный дрейф частицы из-за ее вращения под действием различных скоростей на ее поверхности;

- возможно применение метода линейной суперпозиции.

Из этих допущений, на наш взгляд, наибольший вес имеет не учитывание инерционности частиц. Это проверено будет в работе позже.

Течение жидкости при малых числах Рейнольдса описывается уравнениями Стокса для медленного течения [57]

,

В общем случае выведение функции тока, которая однозначно характеризовала бы составляющие скорости при трехмерном течении жидкости, невозможно. Однако, для осесимметричных течений, к которым и относится рассматриваемое течение через круглое отверстие, функция тока существует, и удобнее всего ее представить в системе координат сплюснутого эллипсоида (x, h,j). Эти преобразования выполнены в [35]. Используя эти преобразования были получены значения составляющих скорости жидкости сначала в системе координат сплюснутого эллипсоида, а затем в цилиндрической системе координат

, .

Таким образом, были определены поля скоростей при течении жидкости через одно отверстие. Для нахождения суммарной скорости жидкости, текущей через несколько отверстий, использовался принцип линейной суперпозиции и были найдены скорости жидкости в любой точке междискового пространства, по которым однозначно определяется сила сопротивления Стокса, действующая на одиночную частицу загрязнений в неограниченной жидкости. Так была решена первая задача исследований – определено поле скоростей жидкости в произвольной точке междискового пространства, что позволило определить силу сопротивления Стокса, действующую на частицу загрязнений.

При определении поведения одиночной частицы в потоке вязкой жидкости примем следующие допущения:

-частица имеет сферическую форму и малые размеры, поэтому сила сопротивления подчиняется закону Стокса;

-движение является однородным и стационарным;

-частицу при движении окружает постоянный объем жидкости.

Для описания такого течения используют уравнение Бассе-Буссинеска-Озеена [59]. В работе [34] обобщили это уравнение для случая движения жидкости с переменной скоростью. При этом, дополнив слагаемым, которое учитывает влияние градиента давления в среде на движущуюся частицу, и получили следующее выражение

(2.1)

.

Второе слагаемое в правой части уравнения представляет собой силу сопротивления при стоксовом режиме течения жидкости. Третье слагаемое - эффект присоединенной массы, т. е. кажущееся увеличение массы шара на половину массы вытесненной им среды; четвертое - градиент давления; пятое - силу Бассе, которая характеризует мгновенное гидродинамическое сопротивление, возникающее при большом ускорении частицы и приводящее к существенному увеличению силы сопротивления. Учитывая, что уравнение (2.1) базируется не на строгих математических выкладках, а на физических интуитивных соображениях, более корректный вывод уравнения неравномерного движения стоксовой частицы, на наш взгляд, приведен в [59], где на основании анализа воздействий на частицу и с учетом поля скоростей среды получено следующее уравнение

(2.2)

В этом уравнении учитывается поправка Факсена к стоксовому сопротивлению в виде его членов, содержащих . Силу сопротивления Стокса, действующую на частицу, можно определить зная поле скоростей. Силами тяжести и выталкивания на частицу в этом случае можно пренебречь из-за их малости в данном случае.

Следует учитывать, что последние три члена уравнения (2.2) существенны лишь в том случае, если плотность жидкости одинакового порядка с плотностью частицы или превышает ее. Сила Бассе характеризует мгновенное гидродинамическое сопротивление, возникающее при большом ускорении частицы, что существенно увеличивает силу сопротивления. В нашем случае эти силы можно не учитывать, т. к. плотность частицы намного больше плотности жидкости, а движение считаем стационарным. Не учитывается также явление термофореза, т. е. движения частиц из более нагретых областей в более холодные, т. к. жидкость считаем изотермической. Движение частиц происходит при малых числах Рейнольдса, поэтому турбофорез, или же направленной смещение частиц в сторону снижения интенсивности пульсаций, также мы не рассматривали.