Вiдцентрова очистка рiдин

Вiдцентрова очистка рiдин - це вiддiлення частинок забруднень з очищуваної рiдини в поле вiдцентрових сил.

Вiдцентрове силове поле штучно створюється шляхом швид-кого обертання рiдини в роторi вiдповiдного виконання (рис. 7.15).

Рис. 7.15. Вiдцентрове силове поле: 1 - силовi лiнiї; 2 - еквiпотенцiальнi лiнiї силового поля

Основною характеристикою вiдцентрового си­лового поля є його напруженiсть:

E = w ²R,(7.4)

де E - напруженiсть вiдцентрового поля; w=p n/ 30 - кутова частота

обертання; n - частота обертання ротора, об/хвил; R - радiус обертання розглядуваної точки (вiдстань вiд центру обертання до розглядуваної точки).

З формули (7.4) виходить, що кожному радiусу обертання вiдповi- дає визначена напруженiсть вiдцентрового поля, тобто еквiпотенцiаль­нi поверхнi (поверхнi рiвного потенцiалу поля) у вiдцентровому полi являють собою концентричнi цилiндричнi поверхнi.

Пiд дiєю вiдцентрового поля на частинку забруднення масою m діє сила

F _в = mE.

При цьому частинка буде рухатися вiд центру зi швидкiстю, що виз­начається вiдношенням вiдцентрової сили до сили опору.

Сила опору руху частинки, як i у випадку осадження в гравiтацiйному полi, залежить вiд числа Рейнольдса. Для частинок мiкрон­них розмiрiв для пiдрахунку сили опору руху можна скориста­тися формулою (для Re <1):

F _с = 3pm dv _в,

де m - коефiцiєнт динамiчної в'язкостi очищуваної рiдини, (кг ^. c)/м²; d - дiаметр осаджуваної частинки, м; v _в - швидкiсть руху частинки пiд дiєю вiдцентрової сили, м/ с.

При усталеному русi, який настає в лiченi частки секунди, буде мати мiсце рiвнiсть:

F _в = F _с,

m w ²R = 3pm dv _в.

З огляду на те, що вiдцентрова сила буде дiяти не тiльки на частинку, але й на кожний елементарний об'єм очищуваної рiдини – ре­зультуюча сила буде пропорцiйна рiзницi густини рiдини i щільності матерiалу частинок забруднень. Отже:

pDr d³ w ² R/ 6 = 3 p m d v _в

або

d² Dr w² R

v _в = --------- (7.15)

18 m

де Dr = r_ч- r_р - рiзниця щiльністі частинок i густини рiдини; r_ч - щiльність матерiалу частинок; r_р - густина очищуваної рiдини.

З формули (7.2) очевидно, що при Dr = 0 рiдина не буде очища­тися.

Якщо протiкання процесу вiдцентрової очистки буде вiдбуватися вiдповiдно до закону Стокса, то

d v _вr_р

Re = ----- (7.16)

m

Розв'язавши рiвняння (7.15) i (7.16) щодо швидкостi, одержимо формулу для визначення розмiру частинок, що при осаждении в потоку вiдцентрових сил задовольняють умовi Re <1:

d = .

Створити вiдцентрове поле для очистки рiдини можна двома шляха­ми: обертанням потоку рiдини в нерухомому пристрої i обертанням ро­тора разом iз рiдиною, що мiститься в ньому. Апарати першого типу називають гiдроциклонами, а другого –центрифугами або вiдцентро­вими очищувачами.

Гiдроциклони мають цилiндричну, цилiндро-конiчну i конiчну фор­ми. За характером руху рiдини через внутрiшню порожнину гiдро­циклонів вони можуть бути прямострумнi i протиструмнi - у них напрямок потоку змiню-ється на 180^о. Закручення потоку рiдини в гiдроциклонах забезпечується або встановленням спецiальних завихрювачiв (акси­альнi гiдроциклони), або бiчним (тангенцiальним) пiдводенням потоку рiдини. На рис. 7.16. показанi схеми гiдроциклонов iз рiзноманiтним способом організації потоку. Прямострумнi (аксіальнi) гiдроциклони показанi на рис.7.17..

В апаратах цього типу на входi встановлюють ґвинтовi або розетоковi завихрювачi. Пройшовши цi пристрої, потiк рiдини отримує обертальний рух, внаслідок чого частинки забруднень, які мають щільність бiльшу, нiж густина очищуваної рiдини, відкидаються до пе­риферiї внутрiшнього простору гiдроциклона. Пiд дiєю сили тяжкіння, забруднення, яке накопичилося, осаджується в нижній частині гiдро­циклона, звiдкi перiодично вилучається через зливальний патрубок.

Рис. 7.16. Протиструмнi гiдроциклони: iз тангенцiальним пiдводом потоку рiдини а); iз спiральним пiдводом б); з ґвинтовим завихрюва-чем в); з розетковим завихрювачем г)

Рис. 7.17. Аксиальнi гiдро-циклони з винтовим а) та розет-ковим завихрювачем б)

Із збiльшенням дiаметра гiдроциклона збiльшується його продуктив­нiсть, проте знижується ефективнiсть очистки. Зменшання дiаметра гiдроциклона призводить до пiдвищення ефективностi очистки i збiльшення гiдравлiчного опору.

Для збiльшення пропускної здатностi при зберiганнi ефективностi очистки рекомендується з'єднувати паралельно декiлька гiдроцикло­нiв малого дiаметра.

Аксіальнi гiдроциклони мають менший гiдравлiчний опiр i бiльш низьку ефективнiсть очистки.

Протиструмнi гiдроциклони мають бiльш високу ефективнiсть очист­ки. Пiдвищений гiдравлiчний опiр цих гiдроциклонiв спричинений, в основному, змiною напрямку руху рiдини на 180^о.

Гiдроциклони характеризуються деякими позитивними власти-востями: у них вiдсутнi рухомi частини i тому нема потреби в їхньому ущiль­неннi й обслуговуваннi; їх вiдрiзняє простота конструкцiї, великий термiн служби. Порiвняно велика пропускна здатнiсть i низький гiдравлiчний опiр (у порiвняннi з фiльтрами) дозволяють застосову­вати їх у якостi пристроїв попередньої фiльт-рацiї i встановлювати на лiнiях зливу малогрузьких нафтопродуктiв iз транспортних засобiв.

Центрифуги є апаратами, в яких очистка рiдини вiдбувається в роторi, що обертається з великою частотою. Якщо вiн одержує обер­тання вiд якогось механiчного приводу (електродвигуна, двигуна внутрiшнього згорання та iн.), то такi центрифуги називають актив­ними. На вiдзнаку вiд активних iснують центрифуги реактивнi. Ротор таких центрифуг обертається, використовуючи енергiю потоку рiдини, що протiкає через його внутрiшню порожнину.

Найбiльше простi за конструкцiєю товстошарові центрифуги (рис. 7.18). На практиці такi пристрої застосовують для грубої очистки рiдини. Пристрiй складається зi статора 1 i ротора 2, який обертається на пiдшипниках 4. Ротор може бути приведений до руху вiд приводу будь-якої конструкцiї. У реальних конструкцiях ротора може розмiщатися центральне тiло 3. Воно розташовується в малое­фективнiй зонi (через слабку напруженiсть вiдцентрового поля) i може слугувати вiссю або валом ротора або виконувати функцiї, пов'язанi з органiзацiєю потоку рiдини всерединi центрифуги.

Рис. 7.18. Схема товстошарової центрифуги: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - центральне тiло; 4 - пiдшипник

Забруднена рiдина надходить у порожнину ротора i проходить через кiльцевий простiр на вихiд. Шлях рiдини показаний стрiл-ками на рис. 7.18. Внаслідок впливу вiдцентрових сил частинки забруднень осаджуються на внутрiшнiй поверхнi цилiндричної частини ротора.

За час, протягом якого рiдина пройде вiдстань L в осьовому нап­рямку, частка забруднення повинна встигнути пройти вiдстань

l = R - r _0.

Позначив швидкiсть прямування механiчних частинок в осьовому напрямку через v_р, а в радiальному v _в, можна записати

звідки

.

Таким чином, довжина ротора L буде прямо пропорцiйна вiдстанi l. Звідси вмходить, що з метою скорочення зовнiшнiх габаритiв до­цiльно зробити шлях, який проходить частка в радiальному напрямку (l), якмога меншим. Витрата очищуваої рiдини при однаковiй довжинi ротора (L) може бути збiльшена (вона пропорцiйна швидкостi рiдини v _р) у стiльки разiв, у скiльки буде менше вiдстань l. Внутрiшню порожнину ротора необхiдно роздiлити на декiлька тонких шарів, по яких буде проходити очищувана рiдина. Це досягається шляхом установлення в ротор спецiальної вставки. Такi центрифуги одержали назву тонкошарових. На рис. 7.19 зображена центрифуга з ци­лiндричною багатошаровою вставкою 2, яка являє собою блок концентрично розташованих циліндрів (труб). Така вставка роздiляє потiк рiдини на велику кiлькiсть тонких шарів.

Рис. 7.19. Схема центрифуги з тонкошаровою вставкою у виглядi блока концентричних цилiндрiв: 1 - ротор; 2 - блок концентричних цилiндрiв; 3 – перегородки

Очистка рiдини здiйснюється в усiх кiльцевих шарах одночасно. За рахунок малого шляху, який треба пройти частцi до поверхнi осадження, значно пiдвищується продуктивнiсть i тонкість очистки тонкошарових цент­рифуг. З огляду на те, що напруженiсть вiдцентрового поля збiль­шується зi збiльшенням радiуса R, тонкошаровi вставки роблять iз перемiнною (що збiльшується) товщиною D i. Це забезпечує однакову тонкість очистки в усiх кiльцевих зазорах. Мiнiмальний розмiр частинок d _min осаджуваних у роторi центрифуги (тонкість очистки) за один прохiд рiдини можна визначити за формулою

d _min= , (7.8)

де D i i R _i - вiдповiдно товщина i радiус обертання i -ї кiльцевої шару.

Вираз (7.8) дає можливiсть проаналiзувати вплив конструк­тивних параметрiв ротора центрифуги на тонкість очистки i продук­тивнiсть центрифуги. Якщо врахувати, що середня швидкiсть руху рiдини через внутрiшню порожнину ротора повинна задовольняти умовi (7.8), то можна визначити витрату очищуваної рiдини Q в одиницю ча­су:

Q = p v _ж (R² - r ₀ ²),

а з урахуванням осадження необхiдного розмiру частинок

p L(R² - r₀²)d² Drw ² R_i

Q = -----------------.

18mD i

Тонкість очистки рiдини можна буде визначити по формулi

,

Враховуючи, що

p n

w = ---,

де n - частота обертання (об/ хвил), можна визначити необхiдну частоту обертання ротору для очистки рiдини з прокачуванням Q i тонкісттю очистки, яка дорiвнює d:

.

З метою покращення технологiчностi виготовлення застосовують тонкошаровi спiральнi вставки (рис. 7.20). Їх виконують iз металевої фольги, накрученої у виглядi однозахідної спiралi. Для одержання необхiдного зазора для прокачування

рiдини при накручені спiралi мiж сусiднiми шарами укладають прокладки 3 або роблять виступи.

Рис. 7.20. Схема тонкошарової центрифуги з однокамерною спiральною вставкою: 1 - корпус ротора; 2 - спiральна вставка; 3 - прокладка

Тонкошарова вiдцентрова очистка може бути досягнута шляхом ви­готовлення багатокамерної вставки, яка виконана у виглядi багатозаход­ної спiралi або багатопроменевої системи. Багатокамернi вставки складнiше виготовити, проте вони мають багато переваг, головним серед яких є можливiсть утворення брудозбiрних камер. Вставка являє со­бою перфоровану трубку 5 (рис. 7.21), до зовнiшньої поверхнi якої прикрiплено стрiчки з металевої фольги. Мiж стрiчками утворюються камери, в яких здiйснюється вiдцентрова очистка рiдини. Для рiв­номiрного пiдведення рiдини в камеру на трубцi 5 повинно бути стiльки рядiв отворiв, скiльки утворено камер. При вiдцентровiй очистцi рiдина рухається вiд центру до периферiї ротора вздовж камер. Частинки забруднень, які осiли пiд дiєю вiдцентрових сил на внутрiшню поверхню стрiчок, можуть або залишатися на цiй поверхнi до зупинки ротора, або рухатись по нiй до периферiї. Це залежить вiд кута нахилу спiралi. Механiчнi частинки, досягнувши кiнця стрiчки, через вiкна влучають у простi або автоматичнi грязеуловлювачі.

Рис. 7.21. Схема центрифуг iз багатокамерними вставками: а) варiант iз спiральною багатокамерною вставкою; б) варiант iз багатопромiн­ною вставкою; 1 - ротор; 2 - вставка; 3 - прокладки; 4 - перегородка з вiкном; 5 – перфорована трубка пiдводу рiдини.

Високу тонкість очистки можна одержати в центрифузi, в роторi якої розмiщений пакет конiчних тарiлок (рис.7.22).

Рис. 7.22. Схема тонкошарового вiдцентровування з пакетом конiчних тарiлок: 1 - корпус ротора; 2 - конiчна тарiлка

Конiчнi тарiлки розташованi в корпусi таким чином, що є зазор для проходу рiдини як уздовж внутрiшньої стiнки корпусу, так i мiж сусiднiми тарiлками. Рiдина, проходячи через пакет, дiлиться на численнi тонкi шари. Пiд дiєю вiдцентрової сили твердi частинки осаджуються на внутрiшнiй поверхнi конуса. При визначеному кутi конусностi цi частинки можуть рухатися уздовж утворюючої конусної поверхнi доти, поки не осядуть на внутрiшнiй цилiндричнiй поверхнi корпусу. У цiй конструкцiї вiдцентрового очищувача реалiзована перевага тонкошарового центріфугування, а накопичення вилучених забруднень вiдбувається на набагато меншiй поверхнi, ніж у цилiнд­ричнiй центрифузi зi спiральною вставкою. Це iстотно полегшує про­цес очистки центрифуги. Якщо ж зробити осаджувальну поверхню ко­нусною, то накопичення забруднень пiд час очистки рiдини буде вiдбуватися в дуже обмеженому, спецiально передбаченому просторi - брудозбиральнiй камерi.

За своєю конструкцiєю вiдцентровi очищувачi рiзноманiтнi. Всi во­ни мають тi або iншi позитивнi або негативнi якостi. Теоретичнi аспекти вiдцентрової очистки рiдин, конструкцiї i класифiкацiя очистки докладно розглянутi в роботi [5].

Вже багато рокiв в авiацiйнiй промисловостi серійно випускається i широко використовується стенд для тонкої очистки рiдин, у якому використовують тонкошарову центрифугу ГЦН-904.

Конструкцiя вiдцентрового очищувача ГЦН-904, який виконанй з тонко­шаровою спiральною вставкою, показана на мал.7.23. Очищувач гЦН-904 призначений для очистки авiацiйного гасу й рiдини АМГ-10. За один прохiд вилучаються практично всi твердi частинки розмiром бiльш 5 мкм. Центрифуга ГЦН-904 є одночасно очищувачем рiдини i насосом. На осi 10 центрифуги на двох пiдшипниках ковзання 5 i 19 обертається ротор 2, який складається зi спiральної вставки 3, втулки 1, верхньої 8 i нижньої крильчатки 11.

Ротор центрифуги розкручується вiд електродвигуна потужнiстю 1,5 кВт через клинопасову передачу. Вставка ротора виготовлена шляхом намотування металевої стрiчки (фольги) на втулку 1 у спiраль iз постiйним кроком 0,5 мм, якого досягають встановлюючи прокладки вiдповiдної товщини. Внутрiшнiй дiаметр центрифуги дорiвнює 150 мм, а височiнь спiральної вставки становить 140 мм. Припустима вит­рата рiдини до 50 л/хв при частотi обертання n =7500 об/хв.

Центрифуга ГЦН-904 створює тиск рiдини до 3,5 кг/ см².

Стенд очистки рiдини СОГ-904 має власний бак, центрифугу, електродвигун, систему пуску i гiдравлiчну арматуру. Стенд призна­чений для тонкої очистки рiдин i промивки гiдравлiчних агрегатiв при їхньому виготовленнi i збиранні. За його допомогою можна здійснювати перiодичну очистку робочих рiдин гiдравлiчних систем верста­тiв i автоматичних лiнiй при виробництвi лiтакiв, двигунiв та iнших виробiв. Стенд також можна використовувати для очистки мастильних матерiалiв i рiдин гiдросистем лiтакiв при пiдготовцi їх до зап­равки i для регенерацiї вказаних рiдин на пiдприємствах i нафтоба­зах.

Рис. 7.23. Конструкцiя серiйної тонкошарової центрифуги типу ГЦН (герметична центрифуга насос): 1 - вiсь; 2 - ротор; 3 - спiральна вставка; 4 - вiдводний патрубок; 5, 11 - пiдшипники ковзання; 6 - пробка; 7 - приймач; 8 - верхня крильчатка; 9 - нижня криль­чатка; 10, 12,13 - деталi ущiльнення; 14, 15 - вихiдний i вхiдний штуцери; 16 - втулка

Дата добавления: 2015-09-06