кандидат технических наук, доцент, кафедра теплоэнергетических систем, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва», г. Саранск
Зленко Иван Владимирович
магистр, направление подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника», Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва», г. Саранск
На сегодняшний день сложившаяся ситуация в области науки и техники показывает, что получение новых знаний, открытие новых технологий и материалов, ведет к внедрению в экономике, особенно в отраслях промышленности, нового или усовершенствованного оборудования или технологий, в которых применяются новые знания. Подобное положение характерно и для сферы конструирования и эксплуатации насосного оборудования. Например, развитие органической химии полимеров привело к созданию ряда новых материалов со специфическими свойствами, применяемых в том числе при разработке насосного оборудования. Так называемая мембранная технология позволила создать насосы нового типа, получившие название диафрагменных [1].
Диафрагменные или мембранные насосы широко используются в современной промышленности для перекачивания различных видов жидкости, в том числе с различной степенью агрессивности и вязкости. Вопросам конструирования, расчета и эксплуатации диафрагменных насосов сегодня уделяется большое внимание. Одним из перспективных направлений в области транспортировки жидкости является повышение энергоэффективности мембранных насосов, а также водоподъемных устройств на их основе. Задача создания энергоэффективного водоподъемного устройства с мембранным насосом является актуальной.
В качестве решения повышения энергоэффективности предполагалось использовать потенциал импульсного течения жидкости, что позволило бы повысить располагаемый напор. Для реализации данной идеи была предложена новая конструкция водоподъемного устройства, включающая в себя мембранный насос и гидравлический таран. Основным узлом гидравлического тарана является ударный узел, генерирующий импульсы давления и расхода жидкости, протекающей через него.
Нами разработана функциональная схема экспериментальной установки, имитирующей водоподъемное устройство (рис. 1).
МН – мембранный насос; ГА – гидроаккумулятор ; ОК – обратный клапан; УУ – ударный узел; Б – бак; К – кавитатор; Р – датчик давления; Т – датчик температуры; V – расходомер
Рис.1. Принципиальная схема экспериментальной установки имитирующей водоподъемное устройство
Установка работает следующим образом. Вода забирается из бака Б с помощью включенного мембранного насоса МН. В результате этого ее скорость достигает 0,5 м/с, а расход составляет 2 т/ч. В начальный момент времени клапан ударного узла УУ находится в открытом положении и пропускает жидкость. При резком закрытии клапана УУ происходит гидроудар, что приводит к резкому увеличению давления среды и формируется импульс, направленный в противоположную сторону от УУ. Перед мембранным насосом установлен обратный клапан ОК, который позволяет блокировать противоток, вследствие чего вода начинает поступать в гидроаккумулятор ГА, через клапан ОК. Гидроаккумулятор ГА служит для компенсации скачков давления жидкости, то есть для уменьшения пульсаций. Вода из ГА, поступает обратно через кавитатор К в бак Б.
В качестве мембранного насоса была использована тормозная камера ТИП-20 от автомобиля КАМАЗ [2]. Для того что использовать камеру в качестве насоса, к мембране камеры, с помощью резьбового соединения и двух шайб, присоединен металлический шток диаметром 10 мм и длиной 150 мм. В качестве электропривода использовалось тракторное втягивающее реле стартера, при помощи которого производится всасывание жидкости в насос. Реле представляет собой электромагнит. Нагнетание осуществляется жесткой пружиной, расположенной между мембраной и верхней чашкой камеры.
На рисунке 2 показан градиент скорости жидкости при всасывании насосом за счет работы втягивающего устройства. В качестве начальных условий были выбраны объемный расход на всасывании 2 л/мин и полное давление в камере 0,15 МПа.
Рис. 2. Градиент скорость мембранного насоса при всасывании
Основным узлом установки является ударный узел. Он предназначен для генерации серии гидравлических ударов при подаче через него движущейся жидкости [3]. В качестве привода клапана ударного узла использовалось втягивающее реле стартера легкового автомобиля. Резкое закрытие клапана происходит за счет жесткости пружины, расположенной внутри ударного узла. Корпусом устройства послужила крестовина с внутренним диаметром 40 мм. Составными частями являются втулка, шток и заглушка (рис. 3). Также в узле присутствует автоматический воздухоотводчик прямого подключения для удаления воздуха из системы.
В качестве компенсатора давления использовался гидроаккумулятор марки Wester модель WAV12. В роли бака для воды использовался модернизированный гидроаккумулятор объемом 20 литров с отверстиями и вваренными трубками с шаровыми кранами.
Для измерения давления в гидравлической сети применялся преобразователь избыточного давления ПД-Р, ПАО «Саранский приборостроительный завод» (г. Саранск). При выполнении исследований применяли преобразователь избыточного давления ПД-Р с верхним пределом измерения 1,6 МПа (16 бар), с пределом допускаемой основной погрешности ±1,0.
Рис. 3. Схема ударного узла
Для измерения расхода воды применялся метод переменного перепада давления. Метод основан на том, что поток вещества, протекающего в трубопроводе, неразрывен, и в месте установки сужающего устройства скорость его увеличивается. При этом происходит частичный переход потенциальной энергии давления в кинетическую энергию скорости, вследствие чего статическое давление в суженном сечении будет меньше давления перед местом сужения. Перепад давления перед суженным участком и в месте сужения зависит от расхода протекающего вещества и является мерой расхода. Данный метод является достаточно точным и удобным [4].
Для сбора данных использовали согласующее устройство, которое является многофункциональным прибором и может использоваться для ввода в ПК сигналов от датчиков систем: давления в системе водоснабжения; расхода в системе водоснабжения; давления в демпфере; напряжения и тока фазы асинхронного электродвигателя. Для организации обмена информацией между согласующим устройством и персональным компьютером применяется плата E14-440 производства ЗАО «Л-КАРД». Плата E14-440 является быстродействующим и надежным устройством для ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации в персональных IBM совместимых компьютерах. При обработке данных использовали программный комплекс LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) – интегрированная среда разработчика для создания интерактивных программ сбора, обработки данных и управления периферийными устройствами [5].
Началу проведения эксперимента предшествовал этап заполнения системы холодной водой и проведение гидравлического испытания на прочность и плотность. Величина пробного давления выбиралась из условия расчетного давления воды в системе, равного 3,5 кгс/см2.
Для определения характеристики работы водоподъемного устройства и построения зависимости среднего давления от частоты работы мембранного насоса и ударного клапана были проведены эксперименты с частотами работы ударного клапана 1Гц, 1,5Гц, 2,3Гц. Нами исследовалось изменение избыточного давления преобразователями между насосом и ударным узлом, а также до и после измерительной диафрагмы. Создаваемый работой водоподъемного устройства расход жидкости определялся по перепаду давления на измерительной диафрагме.
На рисунках 4 и 5 представлены фрагменты процесса работы мембранного насоса при частоте работы 1 Гц и 1,5 Гц соответственно. Верхняя кривая показывают изменение давления между мембранным насосом и закрытым ударным узлом, две средние – на измерительной диафрагме, находящейся между гидроаккумулятором и баком. Нижняя кривая отражает разность показаний давления потока жидкости до и после измерительной диафрагмы.
Рис. 4. Изменение давления при работе мембранного насоса (частота 1Гц)
Рис. 5. Изменение давления при работе мембранного насоса (частота 1,5 Гц)
На рисунках 6 и 7 представлены фрагменты процесса работы водоподъемного устройства с мембранным насосом, при частоте работы насоса и ударного узла 1 Гц и 1,5 Гц.
Рис. 6. Изменение давления при работе водоподъемного устройства (частота 1 Гц)
Рис. 7. Изменение давления при работе водоподъемного устройства (частота 1,5 Гц)
В ходе проведения исследований получены экспериментальные данные зависимости средних давлений жидкости при работе мембранного насоса (МН) и водоподъемной установки (ВУ) от частоты (рис. 8).
Рис. 8. График зависимости средних давлений воды при работе насоса и водоподъемной установки от частоты работы ударного узла и насоса
Из графика видна разница среднего давления при работе мембранного насоса и водоподъемной установки в целом, а также повышение создаваемого установкой давления при росте частоты работы ударного узла.
Проведенные эксперименты по определению характеристик водоподъемного устройства с мембранным насосом при частотах работы ударного клапана 1 Гц, 1,5 Гц, 2,3 Гц показали, что при увеличении частоты происходит увеличение объема перекачиваемой жидкости мембранным насосом, т.е. повышение давления и подача зависит от скорости колебаний.
Следовательно, можно полагать, что импульсный режим движения позволяет увеличить давление в контуре после мембранного насоса, что в свою очередь снижает затраты энергии на привод насоса.
Список использованных источников
- Левцев А. П., Макеев А. Н. Импульсные системы тепло- и водоснабжения : монография / Под общ. ред. д-ра техн. наук проф. А. П. Левцева. Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2015. 172 с.
- Водоподъемное устройство : пат. 99553 Рос. Федерация, МПК F04F 7/00. № 2010125580/06 / А. П. Левцев, А. Н. Макеев.; заявл. 22.06.2010 ; опубл. 20.11.2010, Бюл. № 32.
- Обзор и анализ основных конструкций ударных клапанов для создания гидравлического удара / А. П. Левцев, А. Н. Макеев, Н. Ф. Макеев, Я. А. Нарватов, А. А. Голянин // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2-2. URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=23253 (дата обращения: 20.03.2021).
- Мальцев С. А. Применение управляемых демпферов для стабилизации гидравлического режима в системе водоснабжения сельскохозяйственных объектов : дис. … канд. техн. наук : 05.20.01. Саранск, 2006. 167 с. : ил.
- Макеев А. Н. Импульсная система теплоснабжения общественного здания : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.23.03. Пенза, 2010. 19 с.
Kuznetsov Dmitriy
PhD in Technical science, associate professor, Department of heat power engineering systems, N. P. Ogarev National research Mordovian State University, Saransk
Zlenko Ivan
master’s degree, direction of training «Heat power and heat engineering», N. P. Ogarev National research Mordovian State University, Saransk
DEVELOPMENT OF ENERGY EFFICIENT WATER LIFTING DEVICE WITH DIAPHRAGM PUMP
The article deals with the energy efficiency improving of a water lifting device with a diaphragm pump. The operation of an experimental device that combines a pump and a hydraulic ram is described. The instrumental results of the research are presented.
Keywords: energy efficiency, water lifting device, diaphragm pump, impact unit, frequency, pressure, flow rate, hydraulic accumulator.
© АНО СНОЛД «Партнёр», 2021
© Кузнецов Д. В., 2021
© Зленко И. В., 2021