ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ГАЗОСОДЕРЖАНИЯ ПРИ ДВУХФАЗНОЙ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ПРОМЫВКЕ

SELECTION OF THE OPTIMAL GAS CONTENT DURING TWO-PHASE PULSATING FLUSHING

Elena Lebedeva

Candidate of Technical Sciences, Lomonosov Northern Arctic Federal University, Institute of Shipbuilding and Marine Arctic Engineering, Russia, Severodvinsk

Аннотация. При промывке протяженных судовых систем может быть использован смешанный двухфазный поток воды и воздуха. Данный способ промывки судовых систем имеет хорошую перспективу для внедрения на производстве. Для разработки технологии промывки систем пульсирующим двухфазным потоком необходимо определить оптимальное газосодержание. Количество воздуха поступающее в промываемую систему может быть определено в соответствии с возможностями промывочного насоса.

Abstract. When flushing extended ship systems, a mixed two-phase flow of water and air can be used. This method of washing marine systems has a good prospect for implementation in production. To develop a technology for flushing systems with a pulsating two-phase flow, it is necessary to determine the optimal gas content. The amount of air entering the flushing system can be determined according to the capabilities of the flushing pump.

Ключевые слова: промывка систем, двухфазный поток, газосодержание.

Keywords: flushing of systems, two-phase flow, gas content.

При промывке систем двухфазным потоком в исследовании [1], остался не выясненным вопрос об оптимальном содержании воздуха в промывочной смеси. Содержание воздуха в потоке воды определяется не только условиями флотации, которое выражается количеством воздуха по отношению к частицам загрязнений. Но в первую очередь обусловлено возможностями промывочного насоса, осуществляющего прокачку промывочной среды по промываемым трубопроводам. Поэтому, необходимо установить условие, при котором будут обеспечиваться равновесная работа механизма на промываемую сеть.

Для определения условий равновесной работы насоса на промываемую сеть воспользуемся графо - аналитическим методом [5]. Графо - аналитический метод предполагает совмещение двух характеристик: промывочного насоса и промываемой системы с целью нахождения рабочей точки системы.

Для определения рабочей точки системы необходимо установить энергетический и материальный балансы:

где  и  подача и напор, создаваемый насосом, и  расход и потребный напор сети.

Для определения потребного напора сети построим характеристику промываемого трубопровода:

.

где  – статический напор, определяемый геометрией сети,  – часть характеристики, определяемой сопротивлением сети ( – коэффициент сопротивления сети).

Значение  может быть определено через потери давления в двухфазном потоке:

где  – плотность промывочной смеси,  – потери давления при транспортировке двухфазной смеси.

Потери давления  при транспортировке двухфазного потока, могут быть потрачены на преодоление местных сопротивлений  и на трение :

Для определения  воспользуемся данными приведенными в статье [2]. Потери давления на транспорт двухфазного потока в соответствии с [2] определяются по формуле:

Где k – массовое газосодержание,  - плотность жидкости,  - плотность газовой фазы,  – коэффициент гидравлического трения смеси жидкости и газа,  – средняя скорость однофазного потока,  – длина промываемых труб,  – внутренний диаметр промываемых труб.

Поскольку потери давления имеют линейный рост от газосодержания k, то очевидно, что ограничения в промывочном потоке по k определяются непосредственно из конкретных возможностей самого промывочного насоса.

Если предположить, что характеристика насоса является неизменной в зависимости от k, а характеристика промываемого трубопровода меняется в зависимости от k, то можно получить следующие графики и проследить, чтобы рабочая точка системы попала в рабочее поле данного насоса и соответствовала выбранному режиму при заданной средней скорости промывки. Далее необходимо провести проверку по затратам мощности.

Подбор массового содержания воздуха показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Совместная характеристика промываемой системы и промывочного насоса

Кривые потребного напора р₁(Q)-p₄(Q) соответствуют различным значения массового содержания воздуха k₁ – k₄, причем k₁ < k₂ <k₂ <k₄. Кривые потребного напора построены для определенной средней скорости потока в трубопроводе, обеспечивающего наилучшие условия выноса частиц загрязнений, обозначенной . Заштрихованная область соответствует рабочему полю промывочного насоса (динамического типа). Следовательно, рабочая точка системы (точка пересечения двух характеристик насос и сети) должна попасть в заштрихованную область. На рисунке этому соответствуют кривые потребного напора р₁(Q) и p₂(Q), построенные для k₁ и k₂. Получаем две рабочие точки А₁ и А₂, соответственно. Сложность определения рабочей точки системы, в которой перекачивается двухфазный поток, состоит в определении расхода смеси, водной фазы, давления и мощности, развиваемого насосом для перекачивания двухфазного потока.

Для понимания процесса определения максимального массового содержания воздуха необходимо рассмотреть работу насоса на систему.

Через промывочный насос перекачивается промывочная вода. Потом через смеситель в поток воды подается воздух. В результате вместо одной воды к промываемой системе подается смесь воды и воздуха, рисунок 2.

Рисунок 2. Пример подключения промывочного стенда с использованием двухфазного потока

1-термометр, 2- насос, 3- дроссельный клапан, 4- расходомер, 5- клапан проходной, 6- смеситель, 7- накопительный бак, 8- воздушная труба, 9- сливной клапан

Например, примем, что k₁=0 соответствует однофазному потоку. Тогда рабочая точка для однофазного потока в промываемой системе А₁ со значениями Q₁, p₁, N₁. При подаче в устройство 6 (смеситель) воздуха от компрессора, средняя скорость смешанного потока в промываемой системе увеличивается в соответствии с формулой, представленной в (4) для средней скорости смеси в зависимости от содержания воздуха k в потоке:

.

При увеличении средней скорости потока и секундного объема смеси в трубопроводе увеличиваются потери давления, то есть кривая идет более круто (например, кривая потребного напора, построенная для k₂ > 0). Гидравлический механизм обладает свойством самонастраивания, поэтому промывочный насос при увеличении объема рабочей среды в системе переходит на другую рабочую точку с уменьшением количества выдаваемой среды А₂. При этом количество смеси в единицу времени в системе остается прежним, то есть Q₁=Q_см.

Сохраняя ранее введенные обозначения, запишем Q₁= Q_см =. Разница между Q₁ и Q₂ на графике (рисунок 1) обозначен ΔQ, которая равна на самом деле секундному объему воздушной фазы , то есть Q₁ - Q₂=Q_см. При этом давление промывочного насоса соответствует значению p₂, а мощность насоса определяется  по формуле в соответствии с [4] и будет составлять величину большую, чем N₁. Также определение требуемой мощности можно определить при помощи значений, снятых с графика:

N= p₂Q_см, Вт

Таким образом, алгоритм определения максимального значения массового содержания воздуха при помощи характеристики промывочного насоса следующий:

1. Построение совмещенных характеристик промывочного насоса и промываемой системы на одном графике с учетом гидростатического давления p_ст;

2. Определение рабочей точки системы при условии промывки однофазным потоком со скоростью, установленной в диапазоне =3,5-4,0 м/с (что соответствует наибольшей средней скорости, развиваемой насосом) или максимальной подачи Q_max развиваемой насосом в пределе рабочего поля по правой границе, рисунок 3;

Рисунок 3. К определению максимально возможного массового содержания воздуха в смеси

3. Графическое построение нескольких характеристик системы с учетом разного содержания воздуха в потоке при условии сохранения прежней средней скорости однофазного потока ;

4. Выбор на графике рабочего поля промывочного насоса;

5. На графике определяем Q_min с учетом левой границы рабочего поля насоса, рисунок 3.

6. Определяем максимально возможное количество воздуха в смеси по объему: = Q_max - Q_min= Q_см -

7. Далее воспользовавшись предположением, что =, где  – максимальное значение газа в смеси по массе:

Считая,     , получаем                              

Откуда можно определить максимальное массовое содержание воздуха

или

8. Далее необходимо провести проверку по давлению и потребной мощности:

, Па

Для удобства построения характеристики промываемой системы выразим давление в системе в зависимости от объемного расхода жидкости в сети в соответствии с выражением : :

, Па     

Мощность двухфазного потока можно оценить, как:

, Вт

Поскольку характеристики насоса построены для Н-Q, где значения Н указаны в м.вод.ст., то при проведении проверки можно пользоваться значениями напора Н_С:

, м.вод. ст,

где Н_Н – значение напора промывочного насоса.

Плотность смеси определяется по формуле [4]:

Или через коэффициент k [2]:

.

При попадании рассчитанных значений р_с и N на графике в рабочие параметры поля промывочного насоса, полученное значение  по формуле:

нужно считать максимально возможным при промывке.

Таким образом, проведен этап теоретической подготовки к выполнению опытных работ по промывке судовых систем в плане определения массового содержания воздуха в промывочном двухфазном потоке, определенного по оптимальным характеристикам применяемого промывочного насоса.