Szivattyúk viselkedése kétfázisú közegek szállítása során

Szivattyúk viselkedése kétfázisú közegek szállítása során Előadó: Dr. Csizmadia Péter Tantárgy: Áramlástechnikai tervezés BME Gépészmérnöki Kar, Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék pcsizmadia@hds.bme.hu 2018. november 27. www.hds.bme.hu

Az előadás felépítése Bevezetés Kétfázisú közegek Nemnewtoni közegek Összefoglalás 2

Bevezetés: kétfázisú közegek szivattyúkban Szilárd szemcsék, zagy közegek Szálas anyagok Gáztartalom Vegyszertartalom Viszkozitás (newtoni, illetve nemnewtoni közegek) 3

Zagy közegek Szilárd szemcsék: Homok, kavics, pernye, ételszármazék, szén, ércek, stb. Jelleggörbéket befolyásoló tényezők: Szemcseméret (Ød) Koncentráció (C v ) Sűrűség (ρ p ) Homogenitás 5

Szemcseméret, osztályozás Kicsi szemcsék d ws Ød ~1 mm Pl.: pernye, por állóvizes vizsgálat: süllyedési sebesség: lamináris Rep áramlástani leírás: Stokes-formula A folyadék sűrűségét és viszkozitását változtatja meg a jelleggörbe módosulása számítható Nagy szemcsék Ød ~1 mm Pl.: durva homok, kavics állóvizes vizsgálat: süllyedési sebesség: turbulens Jelentős jelleggörbe módosulás Meghatározás: Pl.: rázószita, többtestes hidrociklon, stb. Jellemzés Pl.: d 50 medián szemcseméret 2 p ( p 18 w d s p foly foly foly foly ) g! 1 6

Zagy közeg, hatás a szivattyúra Szivattyú jelleggörbék Sűrűség (ρ kev ): növekszik Szállítómagasság csökken (ΔH) Emelőnyomás: Δp= ρ kev g (H-ΔH)? Súlyos, finom szemcsék (pl. ércek): javítják az emelést Könnyű, durva szemcsék (pl. szén): csökkentik az emelést Felvett teljesítmény: növekszik (drágább üzemeltetés) Üzemeltetési határ (koncentráció) Koptató hatás Szivattyú járókerék megfelelő anyagválasztás megfelelő zagy előkezelés (pl. homokfogó) 7

Zagy közeg, hatás a rendszerre Rendszer (Vízszintes szakaszon) leülepedés növekvő csősúrlódás, csökkenő áramlási keresztmetszet: növekvő veszteségek Ülepedés elkerülése: minimális sebesség: v folyadék > v ülepedési, de min. 0,5 m/s; Vízszintes: 1,2 m/s Függőleges: 2 m/s Szerelvények: Fojtás kerülendő (kopás, eltömődés) fordulatszám szabályzás Jelentős rendszer jelleggörbe módosulás 8

Zagy közeg, CFD 1. példa Főbb paraméterek: n q = 19 H = 28 m Q = 87 m 3 /h n =1450 1/min ØD = 108 mm (jk.) Lapátszám: 2 Vizsgált szemcsék: homok Ød = 0,1 30 mm, C v = 2% CFD: RNG k-ε, 850k cella Vizsgált mennyiségek: Nyomás Sebesség Turb. Intenzitás Hatásfok W J Wang, G Yin, Y Wang, Y R Cui, G D Li and Q H Liang: The effect of different particle diameters on waste submersible motorpump's two-phase flows, 6th International Conference on Pumps and Fans with Compressors and Wind Turbines, 2013. 9

Zagy közeg, CFD 2. példa Főbb paraméterek: n q = 12 H = 8 m Q = 6 m 3 /h n =1450 1/min ØD = 160 mm (jk.) Lapátszám: 5 Vizsgált szemcsék: Ød = 0,01 0,25 mm C v = 5 18% ρ p = 500 3000 kg/m 3 Fix: 0,1 mm; 5%; 2500 kg/m 3 CFD: RNG k-ε, 510k cella Vizsgált mennyiségek: Nyomás Sebesség Hatásfok (Szivattyú indítás) ZHANG Yuliang, LI Yi, *, CUI Baoling, ZHU Zuchao1, and DOU Huashu, Numerical Simulation and Analysis of Solid-liquid Two-phase Flow in Centrifugal Pump, CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, Vol. 26, No. 1, 2013. 10

Szálas anyagok Kommunális szennyvíz: Rongy, szövet, zsebkendő, stb. Negatív hatások: Eltömődés, karbantartási költség (munkaidő + bosszúság) Perdületes belépés, pl.: nem a tervezési pontban üzemel a szivattyú Q csökkenés (pl. 10-15%) P be növekedés (pl. 50%) Védekezés: megfelelő szivattyú (pl. egycsatornás) rács (automata) 12

Szálas anyagok Ajánlás I.: zárt, egylapátos jk. Csigakerék Szabad áramlású jk. Ajánlás II.: Előlap nélküli, félig nyitott járókerék, Profilozott belépőél, vágóél Hatásfok eltömődés kockázata: üzemeltetési költség karbantartási (káreseményi) költség 13

Zagyszivattyúk kívánalmai, tulajdonságai Megfelelő (megnövelt) hozzáfolyás (NPSH) A szívócsőben növekvő veszteség! Minél kevesebb lapátcsatorna (megfelelő átfolyási keresztmetszet), zagy szárazanyag tartalom: 3%-ig: többcsatornás jk. 3-5% : egycsatornás jk. 5-7% : szabad áramlású jk. 7% felett: csigakerék Kis áramlási seb., kis fordulatsz. leülepedés Nagy kopásállóságú anyagválasztás Meredek H(Q) görbe (dugulási kockázat csökkentése) Vízkenésű csapágyak, résvíz legyen szilárd szemcsétől mentes pl. nyomó oldali by-pass ágba kötött hidrociklon, tiszta víz visszavezetés Résméret után állítási lehetőség 14

Gáztartalom Gázok előfordulása a folyadékban: elnyelt, oldott állapotban (telítési állapot, függ: p, T) (T nő vagy p csökken oldhatóság csökken) buborékként együtt lebegve (döntő szerep) Bekerülés: 1. Technológia része (üzemszerű) Ívóvíz: klór Szennyvíz: szerves anyag bomlik a csőben A csökkenő nyomás oldhatóság is csökken: kiválás 2. Meghibásodás által (üzemzavar) szívóoldali tömítetlenség (szívórendszer, szivattyú) légtölcsér kialakulása a szívómedencében 16

Gáztartalom Hatások: Jelentős jelleggörbe módosulások (akár kis % gáztartalom esetén) Zárási nyomás leesik, indítási nehézség Suhogó hang, de nincs kavitációs roncsolás (nem roppan össze a buborék) Légpárna a rendszerben növekvő veszteség Növekvő szívócső veszteség: szívóképesség csökken kavitációs veszély Vízkenésű csapágy nyomóági by-pass hidrociklon Védekezés: Speciális járókerék kialakítás: minél kevesebb lapát; légpárna átengedés (inducer: szívó járókerék, propeller a belépés elé) n, illetve n q csökkentés Szabad áramlású járókerék (7%-ig), vízgyűrűs szivattyú Terelőlemez a szívótérben: perdületmentes belépés, légörvény esélye minimális Jelentős hozzáfolyás (növelt NPSH a érték) gáztalanító, vízszint alatti bevezetéssel rendelkező (elő)tartály; MP-ban való üzemeltetés (nem részterhelésen) Emelkedő szívócső lokális maximum nélkül. 17

Gáztartalom 18

Vegyszerek (szennyvízipar) Pl. szappan, mosószer, tisztítószer, illetve ipari vegyszerek Hatások: felületi feszültség módosítása: Csökkenő σ rontja a szívóképességet Ld. Pl. szappan 0,2% tömeg% hatása Maró hatás: megfelelő anyagválasztás 20

Viszkozitás, víztől eltérő (newtoni közegek) Ipari példák: petrolkémia, vegyipar A súrlódás, így a veszteségek is növekednek A jelleggörbék vízre vannak megadva; módosulnak (csővezeték is!), de korrekciós tényezőkkel becsülhető, pl. gyári katalógusok, nomogram, de ezek korlátoltak: Newtoni közeg Kis szemcsetartalom Főként radiális gépek Trend: romlanak a jellemzők (kivétel: szívóképesség) Örvényszivattyú alkalmazásának határa: ν = 500 10-6 m 2 /s E felett térfogatkiszorítású gépek (csavar-, fogaskerék-, dugattyússzivattyú 22

Viszkozitás, víztől eltérő (newtoni közegek) 23

Viszkozitás, víztől eltérő (newtoni közegek) 24

Nemnewtoni közegek, ipari példák Az ipari gyakorlat során gyakran találkozhatunk nemnewtoni reológiájú közegekkel. erőműipar (sűrűzagy: por, pernye + víz) élelmiszeripar (pépes folyadékok) gyógyszeripar, vegyipar (gélek, krémek, zselék, stb.) szennyvízkezelés (eleveniszap) stb. 26

Reológia Szennyvíz közegek általában alkalmazott modelljei 27

A kutatás célkitűzése I. A folyadékot szállító, gépészeti berendezések tartalmaznak egyenes csövet, csőidomokat (könyök, diffúzor, stb.); amelyeknek tervezési, méretezési szempontból ismerni kell a hidraulikai ellenállását. Pontos méretezés megfelelő szivattyú energiahatékony üzemeltetés Eu-s előírások: 2007-2020 között 20%-kal csökkenteni az energiafelhasználást. USA: Jelenleg a víz és szennyvíz kezelés során használt energia 80%-a a szivattyúzásra fordítódik. (U.S. EPA Office of Water, 2006. Wastewater Management Fact Sheet, Energy Conservation. p.7.) Kép forrása: http://www.chemicaltankerguide.com/chemical-cargo-unloading-safe-practice.html 28

A kutatás célkitűzése II. Veszteségtényező: Newtoni közeg (víz, levegő): alapvetően ismertek az irodalomban Reynolds-szám: Re p v 2 D v B 2 be Hedström-szám: 2 D 0 He 2 B Kép: Idelchik (1986) nyomán Nemnewtoni közegek: kevésbé ismert Analitikus megközelítés korlátozott Kísérletek, mérések (labor) drága Numerikus szimulációk: CFD (Computational Fluid Dynamics) Módosított Reynolds-szám: 29

Numerikus módszer: CFD Ansys CFX (17.2) Numerikus áramlástani szoftver Geometria és hálózás: ICEM CFD Egyenletek: Navier-Stokes egyenlet (mozgásegyenlet, Reynolds átlagolt N-S) Kontinuitási egyenlet Turbulens mennyiségek transzportja (2 illetve 7 egyenletes modellek) Anyagtörvény, nemnewtoni közegre (beépített) Iteratív megoldás 30

CFD beállítások Előtanulmányok (2 és 3 dimenziós modellek) Hálófüggetlenség Turbulenciamodellek (lamináris, k-ε, SST, BSL) Belépő csőszakasz hossza (kialakult áramlás) Laboratóriumi mérésekkel, irodalommal történő összevetés Végleges, 3D modell ~ 1,2 M cella 50D cső a belépő és 10D a kilépő szakaszokon SST turbulenciamodell Stacionárius számítás Hidraulikailag sima (súrlódó) csőfal Előírt belépősebesség, illetve állandó nyomás D = 0,1 (m), v be = 0,1 10 (m/s) Re = 625 221 000 31

A kutatás további motivációja Egyszerű, jól kontrollálható tesztfeladatok Tapasztalatok alapján összetett berendezések is biztonsággal modellezhetőek. 32

Eredmények - csősúrlódás A hagyományos Reynolds-szám használata korlátos. A módosított Reynolds-számok bevezetése rendezi a súrlódási tényezőket, mindhárom modell esetében. Az eredmények konzisztensek az irodalommal. 33

Eredmények (R/D=1) könyök veszteségei A módosított Reynolds-szám bevezetése a veszteségtényező értékeket is rendezi. A lamináris turbulens átmenet közelében a legnagyobb az eltérés. Méretezési szempontból: a sebességeket is figyelemmel kell kísérni. 34

Eredmények: Pl. Bingham plasztikus közegek veszteségtényezői 35

Az előadás felépítése Bevezetés Kétfázisú közegek Zagyok Szálasanyagok Zagyszivattyúk kívánalmai Nemnewtoni közegek szállítása Összefoglalás 36

Összefoglalás, útravaló Kétfázisú közegek szivattyúzása nagyobb körültekintést igényel. Felmérendő a szállított közeg: Szálasanyagtartalom Szemcsék (méret, összetétel) Gáztartalom Koncentráció Vegyszertartalom Viszkozitás Megfelelő szivattyú választás (biztonság felé, pl. szálas anyagok) Megfelelő hozzáfolyás (NPSH), mivel növekszik a szívócső vesztesége (akár jelentősen) Szabályozás: fordulatszámváltoztatással Leülepedés elkerülése, minimális sebesség betartása Mind a szivattyú mind a rendszer jelleggörbe változik (üzemeltetési határ) 37

Köszönöm a megtisztelő figyelmet! 38

Felhasznált források Józsa István: Örvényszivattyúk, 2003. KSB Aktiengesellschaft: Örvényszivattyúk kiválasztása, segédlet. Sulzer gyár nyomán; Sulzer Centrifugal Pump Handbook, Sulzer Brothers Ltf, Winterthur, Switzerland, 1989- BME HDR Tanszék, Dr. Pandula Zoltán: Szennyvízátemelő szivattyúk munkapontjának ellenőrzése, vizsgálati jelentés BME HDR Tanszék, Dr. Pandula Zoltán: Örvényszivattyúk működési problémái szennyvízátemelés során, vizsgálati jelentés BME HDR Tanszék, Dr. Kullmann László: Szakvélemény szivattyúmeghibásodás kapcsán, 1976. Csizmadia P., Sűrűzagy keverőben lezajló áramlási folyamatok kísérleti és numerikus vizsgálata, PhD dolgozat, Budapest, 2016. P. Csizmadia and S. Till: Numerical investigation of loss coefficient of elbow in the case of non-newtonian sludge. 9th Eastern European Young Water Professionals Conference, 2017. pp 404-409. Stefan Gerlach, Rita Ugarelli and Sveinung Sægrov: Analysis of a wastewater pumping station using an IAM-approach, 2015. W J Wang, G Yin, Y Wang, Y R Cui, G D Li and Q H Liang: The effect of different particle diameters on waste submersible motor-pump's twophase flows, 6th International Conference on Pumps and Fans with Compressors and Wind Turbines, 2013. Carsten Skovmose Kallesøe, Supervision of Pumps and their Operating Conditions in Sewage Pumping Stations, Water Practice& Technology Vol 5 No 2 IWA Publishing 2010 (Grundfos) Jens Skødt, and Mick Eriksen: Optimal control in sewage applications, Water and Wastewater, World pumps (Grundfos) ZHANG Yuliang, LI Yi, *, CUI Baoling, ZHU Zuchao1, and DOU Huashu, Numerical Simulation and Analysis of Solid-liquid Two-phase Flow in Centrifugal Pump, CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, Vol. 26, No. 1, 2013. ZHANG Yuliang LI Yi, ZHU Zuchao and CUI Baoling, Computational Analysis of Centrifugal Pump Delivering Solid-liquid Two-phase Flow during Startup Period, CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, Vol. 27, No. 1, 2014. Graham B. Wallis, One-Dimensional Two-Phase flow, McGraw.Hill Inc., 1969. https://www.pinch-valves.com/2017/05/04/abrasion-resistant-valves/ (2017.09.11.) I. Idelchik, Handbook of hydraulic resistance, 3rd Edition. Begell House Inc.,New York, NY, 2003. http://www.chemicaltankerguide.com/chemical-cargo-unloading-safe-practice.html Balogh Zsolt (DMRV): Szennyvízátemelő üzemeltetési problémái, újszerű megoldások, Országos Víziközmű konferencia, Tapolca, 2017. Lajos T., Az áramlástan alapjai. Műegyetem kiadó, 2008. ISBN 978 963 06 6382 3. 39