Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Kar Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék APG 70 adalékanyag felhasználási technológiájának tervezése DIPLOMAMUNKA Készítette: Hajdu Boglárka Konzulens: Dr. Szepesi L. Gábor, egyetemi docens 2014.
Igazolás Alulírott Hajdu Boglárka (Neptun kód: D6MFTM, született: Nyíregyháza, 1989.07.22.) Igazolom, és büntetőjogi felelősségem tudatában kijelentem, hogy a leadott szakdolgozat a saját munkám. Miskolc, 2014. december 2. Hallgató Az igazolást átvettem. Miskolc, 2014. december 2. Tanszékvezető
A szerzői jogok részleges átadásáról szóló nyilatkozat Alulírott Hajdu Boglárka (Neptun kód: D6MFTM szül.hely: Nyíregyháza év: 1989 hónap: 07 nap: 22 ) ezúton nyilatkozom, hogy a dolgozat nem tartalmaz a tudományos etikát, valamint vállalatok és intézmények érdekeit sértő bizalmas információkat. Dolgozatom az Egyetemi Könyvtár részére mind elektronikus-, mind nyomtatott formában átadható, és annak tartalma a Szerző nevének és a Dolgozat címének feltüntetésével nyilvános tárhelyre feltölthető. Miskolc, 2014. december 2. Hallgató Az igazolást átvettem. Miskolc,. Intézetigazgató
Diplomamunka feladatkiírás Hajdu Boglárka Msc levelező tagozatos hallgató részére Dolgozat címe: APG 70 adalékanyag felhasználási technológiájának tervezése Elvégzendő feladatok: - Ismertesse a tenzidek tulajdonságait, csoportosítsa őket - Részletesen ismertesse a folyadékok szállítására alkalmas szivattyúkat - Válasszon szivattyút nagy viszkozitású folyadék szállítására - Határozza meg az adott csővezetékrendszer és szivattyú munkapontját - Ellenőrizze, hogy az adott csővezetékrendszer igényel-e hőszigetelést a megadott feltételek mellett. A Diplomamunka leadási határideje: 2014. december 3. A Diploma terjedelme: min. 50, max 60 A/4 oldal Konzulens: Dr. Szepesi L. Gábor, egyetemi docens, Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék Miskolc, 2014. december 3. Intézetigazgató i
Köszönetnyilvánítás Köszönetemet szeretném kifejezni témavezetőmnek, Dr. Szepesi L. Gábor egyetemi docensnek, hogy lehetővé tette a diplomamunkám megírását. Köszönettel tartozom munkám elkészítésében nyújtott szakmai segítségéért és útmutató tanácsaiért. Megköszönöm Kulcsár Ildikónak, a Cudy Future Kft. ügyvezetőjének hasznos szakmai tanácsait, támogatását, mely nélkülözhetetlen volt munkám megírásához. Hálával tartozom páromnak, Tamaga Norbertnek és családomnak, hogy megteremtették azt a nyugodt családi légkört, amely nélkül a diplomamunkám nem készült volna el. ii
Tartalomjegyzék 1. Bevezetés... 1 2. Cégismertető... 2 3. Felületaktív anyagok... 4 3.1. A tenzidek csoportosítása... 4 3.1.1. Kationaktív tenzidek... 4 3.1.2. Anionaktív tenzidek... 5 3.1.3. Amfoter tenzidek... 6 3.1.4. Nemionos tenzidek... 6 3.2. A határfelületi aktivitás gyakorlati jelentősége... 7 3.2.1. Diszpergáló hatás... 7 3.2.2. Nedvesítő hatás... 7 3.2.3. Emulgeáló hatás... 8 3.2.4. Habképző hatás... 8 3.2.5. Szennyvivő hatás... 8 3.2.6. Mosóhatás... 9 3.2.7. Korróziógátló hatás... 9 3.3. A tenzidek felhasználása... 10 3.4. Felületi feszültség... 11 3.5. Alkil-poliglükozidok... 12 3.5.1. APG 70... 14 4. Szivattyúk... 16 4.1. A szivattyúk osztályozása... 16 iii
4.2. Áramlástechnikai elven működő szivattyúk... 17 4.2.1. Centrifugál szivattyú... 17 4.2.2. Mamut szivattyú... 19 4.2.3. Sugárszivattyúk... 20 4.3. Volumetrikus elven működő szivattyúk... 21 4.3.1. Dugattyús szivattyúk... 22 4.3.2. Membránszivattyúk... 22 4.3.3. Fogaskerék-szivattyúk... 23 4.3.3.1. Fogaskerék-szivattyúk jelleggörbéi... 25 4.4. Szivattyú jelleggörbe és munkapont... 28 4.5. A folyadékszállítás elméleti összefüggései... 30 4.6. Az áramlás jellege... 32 5. Hőszigetelés... 34 5.1. Hővezetés... 35 5.1.1. A hővezetés differenciál egyenlete Fourier II.... 36 6. Kísérleti rész... 37 6.1. A szivattyú kiválasztása... 37 6.2. Üzemi alaprajz... 39 6.3. Számítási feladat... 40 7. Összefoglalás... 48 8. Summary... 49 9. Irodalomjegyzék... 50 iv
Absztrakt Munkahelyemen, a nyíregyházi székhelyű, Cudy Future Kft.-nél háztartás vegyipari és ipari tisztítószerek fejlesztésével, gyártásával, kereskedelmével foglalkozunk. Diplomamunkám során fő célkitűzésem egy nagy viszkozitású folyadékok szállításra alkalmas szivattyú kiválasztása volt, amely képes szállítani az AGP 70 nevű adalékanyagot. A Kft. termékeinek nagy része tartalmazza az APG 70 felületaktív anyagot. A gyártási folyamatokat jelentősen lerövidíti, ha ezen anyag szállítása az üzem területén az egyes gyártási folyamatoknál szivattyú segítségével történik. v
1. Bevezetés A jelenlegi fogyasztási termékekre irányuló növekvő követelmények miatt egyre nehezebb a felületaktív anyagok piacára bekerülni. Az új sikeres felületaktív anyagoknak méregtanilag (toxikológialiag) biztonságosnak, biológiailag azonnal lebonthatónak, más anyagokkal kombinálhatónak kell lenniük. Végezetül ezeket a tulajdonságokat ötvözni kell egy jó költség/teljesítmény aránnyal. A tenzidek, vagy más néven felületaktív anyagok olyan vegyületek, amelyek emulgeáló hatásuk révén leoldják a bőrfelszínről, textíliáról, vagy bármely más felületről a szennyeződéseket és a zsírt. A mosószerek, mosogatószerek, tisztítószerek, illetve a kozmetikumok közül a kézmosók, tusfürdők, samponok, arclemosók, de még a legtöbb fogkrém is ilyen tenzideket tartalmaz. A legismertebb tenzid a szappan. A tenzidek a zsírkedvelő részükkel a zsírokhoz, olajokhoz, a vízkedvelő részükkel pedig a vízhez kapcsolódnak, így a vízben gyakorlatilag a szennyeződött zsírral emulziót képeznek, majd ezt az emulziót lehet tiszta vízzel leöblíteni. A felületaktív anyag megnevezés onnan származik, hogy a tenzidek arra is képesek, hogy csökkentsék a víz felületi feszültségét, ami így be tud hatolni a legapróbb résekbe is, és a szennyeződéseket onnan is el tudja távolítani. A tenzidek fontos alapanyagai a háztartás vegyipari és ipari tisztítószereknek. A diplomamunkám első részében csoportosítom a tenzideket kémiai szerkezetük szerint és ismertetem a legfőbb tulajdonságaikat. Majd bemutatom a folyadékok szállítására, mozgatására alkalmas szivattyúkat, ismertetem a folyadékszállítás elméleti összefüggéseit. Munkám célja, hogy a nagy viszkozitású APG 70 felületaktív anyag szállítására a legalkalmasabb szivattyút kiválasszam, valamint a csővezetékrendszer és a választott szivattyú munkapontját meghatározzam. Zárásként számításokkal ellenőrzőm, hogy a csővezetékrendszer adott technológiai feltételek mellett igényel-e hőszigetelést. 1
2. Cégismertető A Cudy Future Kft. 2010-ben alakult, alapítói Kulcsár Ildikó vegyész és édesapja, Kulcsár Antal. A Kft. háztartás vegyipari és ipari tisztítószerek fejlesztésével, gyártásával, kereskedelmével és üzemhigiéniai szaktanácsadással foglalkozik. A cég székhelye és telephelye Nyíregyházán, a Tünde u. 18. sz. alatt található. A Kft. 100%-ban magyar tulajdonú vállalkozás, minden terméke hazai, Szabolcs-Szatmár- Bereg megyei munkaerővel készül, így támogatja a helyi gazdaságot. A cég vezetője, Kulcsár Ildikó több mint tíz éves szakmai tapasztalattal rendelkezik. Termékeiket folyamatosan fejlesztik, felhasználva a vegyipar legújabb kutatási eredményeit és a vevőik igényeit. Saját fejlesztésű tisztítószereket gyártanak és forgalmaznak. A Cudy Future Kft. céljai között első helyen szerepel, hogy tisztítószerei segítségével hozzájáruljon az intézmények és a háztartások veszélyes anyag kibocsátásának, környezeti terhelésének csökkentéséhez. Ennek érdekében jól lebomló, többségénél Ecolabel minősített alapanyagokat használnak, kiválasztásuk során fokozottan odafigyelnek arra, hogy a lehető legkisebb legyen a káros szennyezőanyag tartalmuk. A termékeikben kizárólag olyan színezőanyagokat használnak fel, amelyeket az Európai Unió ide vonatkozó rendeletei élelmiszerekben felhasználható színezékként engedélyez. A termékskála igen gazdag. Textilmosásra gyártanak: folyékony mosógélt, mosóport, textilöblítőket, folttisztítót, mosószappant többféle illatban és illatmentesen is. Konyhai tisztítószereket: mosogatószert, citromsavas vízkőoldót, mosogatógép öblítőt,mosogatóport. Ipari felhasználásra erősen lúgos, illetve savas tisztító- és fertőtlenítő szereket és koncentrátumokat. A Cudy Future Kft. felismerve a minőség gazdasági jelentőségét nagy hangsúlyt fektet a minőségpolitikára. A minőség folyamatos javítására törekszik. A cég alapvetően törekszik termékei olyan módon történő előállítására, amely különböző vevői szegmenseket céloz meg. Széleskörű marketing tevékenysége eredményeként eljut a prémium kategóriát, az általános elvárásokat megfogalmazó, valamint az adott felhasználási célra alkalmas terméket igénylők köréhez. Ezzel együtt igyekszik a termékpaletta változatosságának biztosítására, a minőségi 2
színvonal állandóságának megőrzésére, az egyedi vevői igények teljesítésére. A technológiai módszerek ismertetésével, szaktanácsadással segíti elő termékei megelégedettséggel történő felhasználását. Termékeik versenyképességét hatékonyságuk biztosítja, amely a különös gondossággal megtervezett hatóanyag típusokon és hatóanyag tartalmon alapul. Folyamatosan fejlesztik a termékek gyártásának technológiáját, és minden olyan tevékenységet, amely a vevői igények teljes körű kielégítését elősegíti. Értékes stratégiai célként kezelik a beszállítókkal a hosszú távú, megbízható kapcsolatra törekvést a magas minőségi színvonalú alapanyagok beszerzése érdekében. Mindezek elérését, folyamatosan fejlesztett és karbantartott eszközállománnyal, felkészült személyzettel, valamint hatékonyan működő MSZ EN ISO 9001:2009 szabvány szerinti minőségirányítási rendszerrel kívánják megvalósítani. Az MSZ EN ISO 14001:2005 rendszert működtetve folyamatosan javítják a cég környezetvédelmi teljesítményét. Ezért az általuk fejlesztett és előállított termékek életciklusok teljes intervallumában felhasználó- és környezetbarát tulajdonságokat hordoznak magukban. Nagy gondot fordítanak a termékek csomagolási épségének megóvására a termékek előállítása, a tárolása és szállítása során, betartva minden olyan előírást, amellyel a környezetkárosítás megelőzhető. A termékek teljes életútját figyelemmel kisérve a kiürített göngyölegeket visszavásárolják és újra töltik. 3
3. Felületaktív anyagok [1] Segédanyagoknak nevezzük azokat az anyagokat, amelyeket valamilyen gyártásfolyamatban alkalmaznak, de a termék alapvetően nem ezekből keletkezik. Kettős szerepük van, egyrészt megkönnyítik, illetve lehetővé teszik a gyártást, másrészt a termékbe beépülve annak tulajdonságait módosítják. A segédanyagokat két fő csoportba sorolhatjuk: felületaktív és nem felületaktív anyagok. A felületaktív anyagokat más néven tenzideknek nevezzük. A felületaktív anyagok tovább csoportosíthatók a vegyület kémiai szerkezete szerint, a nem felületaktív anyagok pedig a felhasználásuk célja szerint. 3.1. A tenzidek csoportosítása A felületaktív anyagok molekulái egy vízoldhatóságot biztosító poláris /hidrofil/ részből és egy apoláris /hidrofób/ részből állnak. A tenzidek felületi feszültséget csökkentő hatása vizes oldataikban érvényesül főként, mert a víz felületi feszültsége /a folyadék-gáz határfelületen/ relatíve nagy. A tenzidek tulajdonságainak kialakításában meghatározó szerepet kap a hidrofil és hidrofób rész minősége és egymáshoz viszonyított nagysága. Bármely poláris csoport szerepelhet hidrofil csoportként. A hidrofób csoport lehet gyűrűs, de általában nagy szénatomszámú /10-18 szénatom/ alkilcsoport. A tenzideket disszociációjuk, illetve kémiai szerkezetük alapján csoportosítják. Eszerint megkülönböztetünk kationaktív, amfoter és nemionos, anionaktív tenzideket. 3.1.1. Kationaktív tenzidek Az anyag kationaktív, ha az ionos felületaktív anyagban a hidrofób részt tartalmazó ion pozitív töltésű. Felhasználásuk szűkebb körű, mint az anionaktívaké, elsősorban a textiliparban alkalmazzák őket. Néhány típusuk: -monoalkil-ammóniumsók -N-alkil-piridiniumsók -kvaterner ammóniumsók : 4
Dietil-fenil-metilammónium-bromid 3.1.2. Anionaktív tenzidek A tenzid anionaktív, ha az ionos felületaktív anyagban a hidrofób részt tartalmazó ion negatív töltésű. A legrégebben használt és még manapság is meghatározó anionaktív anyag a szappan, amely kémiailag különböző zsírsavak sóinak keveréke. A szappanok gyártásának alapanyagai a 14-18 szénatomszámú telitett és telítetlen zsírsavakat tartalmazó zsírok és olajok, vagy gázolajból nyert mesterséges zsírsavak. Szappanokká alakításuk lúgok /NaOH, KOH, Na 2 CO 3, stb./ segítségével történik. Az alkáliszappanok felületaktív tulajdonságai meglehetősen jók, előnyük továbbá, hogy olcsók. Hátrányuk, hogy savas közegben zsírsavaik kicsapódnak /savérzékenység/; lúgos hidrolízisük miatt károsítják a fehérjealapú szálakat, valamint a kemény vizekben oldhatatlan csapadékokat képeznek /mészérzékenység/. Az anionaktív anyagok között meghatározóak a szulfát típusúak, amelyek savanyú kénsav-észterek sói. Szerkezetükre jellemző, hogy a kénatom oxigénen keresztül kapcsolódik a szénatomhoz: R-CH 2 -O-SO 3 Na A szappanok mész- és savállóságát lényegesen javítja, ha karboxilcsoportok mellett hidrogén-szulfát-csoportot is beviszünk a molekulába. Ilyen típusú anyagok a szulfatált olajok, előállításuk kénsav segítségével történik telítetlen vagy hidroxizsírsavakat tartalmazó alapokból. Ilyen olajok pl. a ricinus-, a len-, a kukoricaés az olívaolaj. A szulfatált olajok mosóhatása gyenge, ugyanakkor nedvesítő és diszpergáló képességük megfelelő, emiatt jó textilipari segédanyagok. Az anionaktív tenzidek között leglényegesebbek a szulfonsavak sói, amelyeket szulfonátoknak is neveznek. Szerkezetükre jellemző, hogy a kénatom közvetlenül kapcsolódik az apoláris részhez: R-SO 3 Na 5
3.1.3. Amfoter tenzidek Az amfoter felületaktív anyagok molekulájában jelen van savas és bázikus csoport is, amelyek a közeg kémhatásától függően anionként vagy kationként disszociálnak. Jelentőségük kisebb a kationaktív tenzideknél, többnyire textilipari segédanyagok. Sajátos képviselőjük a betain: /CH 3 / 3 N + -CH 2 -COO - 3.1.4. Nemionos tenzidek A nemionos tenzidek molekulájában több poláris csoport van, azonban ezek a csoportok vizes közegben nem disszociálnak. A hidratálódást a poláris csoportok együttesen eredményezik. Meghatározó fontosságúak az etilén-oxid származékok, amelyek hidrogént tartalmazó vegyületekkel reagálva poli/oxi-etilén/-láncot képeznek. R-X-H + n CH 2 -CH 2 R-X-/CH 2 -CH 2 -O/ n-i -CH 2 -CH 2 -OH O X lehet O /alkohol/, S /merkaptán/, NH /amin/, COO /karbonsav/ A fenti reakciót etoxliezésnek nevezzük. A poli/oxi-etilén/-lánc minden oxigénatomja asszociálja a vízmolekulákat, ezért a lánc erősen hidrofil. Egyedi tulajdonságokkal rendelkező tenzideket kapunk, ha a lánc különböző hidrofób csoportokat tartalmazó alapvegyülethez kapcsolódik. A hidrofil-hidrofób arányt az etilén-oxid mennyiségével lehet változtatni. Az átlagos etoxilezési fok n = 3-50. Az etoxilezés során keletkező vegyületek további reakciókba vihetők: pl. észterezni lehet a láncvégi hidroxicsoportot. A tenzidek közül az etilén-oxid származékok szerkezete és tulajdonságai variálhatók a legszélesebb skálán. Előnyös sajátosságuk, hogy más tenzidekkel keverve sok esetben mutatnak szinergetikus hatást. Biológiailag ártalmatlan termékek is találhatóak közöttük, amelyeket gyógyszerkészítményekben és kozmetikumokban is felhasználhatnak. Előnyös tulajdonságaik miatt fokozódik az alkalmazásuk, a legszélesebb körben kerülnek felhasználásra, annak ellenére, hogy drágábbak a többi tenzidnél. 6
3.2. A határfelületi aktivitás gyakorlati jelentősége A tenzideket a következő tulajdonságaik miatt alkalmazzák: diszpergáló-, nedvesítő-, emulgeáló-, habképző-, szennyvivő-, mosó- és korróziógátló tulajdonság. A felsorolt hatások mind kapcsolatban vannak egymással, valamint a felületi feszültség csökkentésével. 3.2.1. Diszpergáló hatás Diszpergálás olyan fizikai kémiai folyamat, melynek során bármilyen halmazállapotú anyag igen apró részecskékre felosztva keveredik egy másik anyaggal. Ha szilárd anyagot diszpergálunk folyadékban, szuszpenzió; ha folyadékot diszpergálunk folyadékban, emulzió; ha gázt folyadékban, akkor hab képződik. Diszpergálásnál a tenzidek hatása kettős. Egyfelől elősegítik a diszperzió létrehozását, tehát magát a diszpergálást. Ez főleg szilárd anyagok diszpergálásnál fontos, mert a tenzid nedvesedést könnyítő hatása révén, a folyadék az egyes szemcséket teljesen körül tudja venni, így megakadályozva azt, hogy azok összeálljanak. A tenzid oldata bejut a szilárd szemcsék repedéseibe, ahol a kapillárisokat szétfeszítve tovább aprítja az anyagot. Másfelől a tenzid stabilizálja a kész diszperziót. A felületaktív anyag molekulái úgy veszik körül a diszpergált részecskéket, hogy hidrofil részük a vízbe nyúlik, és ezek taszításával magyarázható a védő-kolloid hatás. Mosás során a dörzsölés mechanikai hatása végzi a diszpergálást, amit a felületaktív anyag segít elő. 3.2.2. Nedvesítő hatás Nedvesedés során szilárd-gáz határfelület helyett szilárd-folyadék határfelület keletkezik. Vizes oldatokban a felületaktív anyagok nedvesítő hatása főként a víz felületi feszültségének csökkentésén alapszik, ezért szükséges, hogy a tenzid vízben oldódjon. A hőmérséklet-emelésekor erősen nő a víz nedvesítő képessége, ugyanakkor a tenzidek hatása némiképp csökken. Azok a felületaktív anyagok számítanak a legjobb nedvesítőszereknek, amelyeknek apoláris része vagy kondenzált gyűrűt tartalmaz vagy elágazó láncú. A nedvesítésnek lényeges szerepe 7
van a mosásnál, a textilszínezésnél, a kőolajbányászatnál, a nyomdászatnál és az útépítésnél. 3.2.3. Emulgeáló hatás Azokat a diszperz rendszereket, amelyekben adott hőmérsékleten mind a diszperz rész, mind a diszperziós közeg folyékony halmazállapotú, emulziónak nevezzük. A tenzidek emulgeáló hatása a felületi feszültség csökkentésével és a két folyadék határfelületén történő adszorpcióval van összefüggésben. Az emulgeálószereknek kevésbé kell nagy nedvesítő képességűnek lenniük, mint a diszpergálószereknek, ugyanis az emulgeálószereknél a hangsúly a stabilizáló hatáson van. Emulziók stabilizálásakor a tenzid filmszerűen fedi be az emulgeált cseppeket. A gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy emulgeálószerek keverékei eredményesebbek, mint a kémiailag egységes tenzidek. 3.2.4. Habképző hatás Azt a diszperz rendszert, amelyben a diszpergált rész légnemű, az összefüggő diszperziós közeg pedig folyadék, amely vékony hártyákká torzul, habnak nevezzük. A vékony hártyák, az úgynevezett lamellák választják el egymástól a gázbuborékokat. A habok előállításakor mechanikai hatásra (pl. keverésre) a gázbuborékok a folyadék felszíne fölé kerülnek, és a tenzidekből kialakul egy párhuzamos kettősréteg. A habok előállításának elsődleges célja a folyadék-gáz határfelület nagyarányú növelése. Főként mosásnál, illetve tűzoltásnál van nagy jelentőségük. A habok sokszor nem kívánt hatást is kifejtenek, például a mosószerekkel szennyezett vizek felszínén létesülő hab komoly veszélyt jelent a vizek élővilága és öntisztulása számára. 3.2.5. Szennyvivő hatás A szintetikus felületaktív anyagok segítségével végzett mosás dinamikus egyensúlyra vezető folyamat. Adott idő alatt ugyanannyi szennyeződés kerül a mosólébe, mint amennyi visszarakódik a mosandó felületre. A tenzidek az egyensúlyt a számunkra kedvező irányba tolják el, ezt a tulajdonságukat nevezzük 8
szennyvivő hatásnak. A szennyvivő hatás annál nagyobb, minél nagyobb micellákat képez a tenzid, valamint adalékanyagok hozzáadásával is növelhető. 3.2.6. Mosóhatás Azt az eljárást, amely során mosófolyadék segítségével távolítjuk el a szilárd felületre tapadt szennyeződéseket mosásnak nevezzük. A szennyeződések rendszerint nem alkotnak homogén keveréket. A mosás egymást követő részfolyamatokból áll: első lépésben történik a textília átnedvesítése a vizes tenzidoldattal; második lépésben a leszorított szennyeződés emulgeálása megy végbe a mosófolyadékban. A szilárd szennyeződések diszpergálással kerülhetnek a mosófolyadékba; az így létrejövő szuszpenziót a tenzidek stabilizálják. A jó szennyvivő képesség nagyban hozzájárul a mosás eredményességéhez. A mosóhatás nincs összefüggésben a habzóképességgel, ezáltal a gyengén habzó tenzidek is lehetnek jó mosóhatásúak. 3.2.7. Korróziógátló hatás A fémfelületek korrózió elleni védelmére is használhatóak némely tenzidek. Ezen anyagokat a motorok üzemanyagaihoz és fémipari hűtő- és kenőemulziókhoz keverik. Használatuk előnyös lehet víztárolókban, hűtő- és fűtővízrendszerekben is. 9
3.3. A tenzidek felhasználása A szappant a sumérok már időszámításunk előtt 2500 évvel ismerték, bár eleinte csak kozmetikumként és gyógyszerként alkalmazták. Mosószerként kb. 1000 éve használják. A tenzidek kutatása, előállítása, ipari szintézise csak a II. világháború után indult fejlődésnek. Jelentőségüket megnöveli, hogy alkalmazásuk új technológiákat tesz lehetővé, illetve javíthatja, egyszerűsítheti és olcsóbbá teheti a hagyományos munkafolyamatokat. Mivel a kedvező hatást általában már kis mennyiségű tenzid is biztosítja, így alkalmazásuk gazdaságos. Háztartás vegyipari segédanyagként mint mosó és tisztítószerek kerülnek alkalmazásra (mosószerek, mosogatószerek, súrolóporok, üveg-, padló-, szőnyegtisztítók, stb.). A tenzidek textilipari segédanyagként is fontosak, és a kozmetikai iparban is nélkülözhetetlenek. Némely termékben a tenzid a készítmény fő tömegét alkotja /samponok, habfürdők/; másokban a tenzid adalékanyag /bőr- és fogápolószerek/. Elengedhetetlen, hogy az itt felhasznált tenzidek a bőrrel jól összeférhetőek legyenek és nem lehetnek toxikusak. A gyógyszeripar a tenzideket kenőcsök, krémek készítésénél, gyártási és gyógyszerformálási segédanyagként alkalmazza. Tenzideket alkalmaznak a növényvédő szerek gyártásánál, kiszerelésénél, ugyanis a hatóanyagok nagy része vízben rosszul oldódik, nehezen szívódik fel, nem tapad. A tenzidek fontos segédanyagok a gumi- és műanyagipari latexek előállításához és stabilizálásához. Az élelmiszeriparban a tenzideket a gyümölcs- és zöldségfélék konzerválószereként, valamint élelmiszerek adalékanyagaként (pl. a kenyér kiszáradásának megakadályozására, és a margarin hőstabilitásának növelésére) hasznosítják. A kőolajbányászatban és feldolgozóiparban a tenzideket szekunder olaj kitermelésnél, vizes kőolajemulziók bontásánál, fúróiszapokban és korróziós inhibitorként használják. A tenzidek felhasználásának fontos területei továbbá: bőr- és szőrmeipar, a lakk- és festékipar, az élelmiszeripar, az építőipar, a papíripar, a fotóipar. 10
3.4. Felületi feszültség A felületi feszültség a fázisok határfelületén fellépő jelenség, amely minden olyan anyag sajátossága, amelynek részecskéi között az ütközés mellett más kölcsönhatás is fellép. Annak függvényében, hogy milyen fázisok érintkeznek egymással, különbséget tehetünk folyadék-gáz, folyadék-folyadék, szilárd-folyadék és szilárd-gáz határfelületek és felületi feszültségek között. Egy fázist alkotó részecskék között különbség tehető az alapján, hogy a fázis belsejében vagy a felületén helyezkednek el. Tiszta anyagoknál a felületi réteg felett az anyag gőz állapotú részecskéi vannak, amelyekben a részecskék átlagos távolsága jelentősen nagyobb a vonzerők jelentősen kisebbek -, mint a tömbfázis belsejében. A folyadék belsejében kompenzálják egymást a szomszédos molekulától eredő kohéziós erők, ezzel szemben a felületen ezeknek az eredője a folyadék belseje felé mutat. Tehát a felületi molekulákat a kohéziós erő a folyadék belseje felé próbálja elmozdítani. Ebből adódik, hogy a felület létrehozása vagy megszüntetése munkával jár. A felszín egységnyi hosszú szakaszára merőlegesen ható erőként definiálják a felületi feszültséget [N/m]. Tiszta folyadékok esetében a felületi feszültség az a munka, amely egységnyi új felület létrehozásához szükséges [J/m 2 ] A felületi feszültség az anyag kémiai felépítésével kapcsolatos fontos fizikai állandó, mely nagy mértékben függ a hőmérséklettől. Fontos megemlíteni, hogy a felület feszültség nagy mértékben függ az anyag tisztaságától, ugyanis kismértékű szennyezés is jelentősen megváltoztatja. Ennek megfelelően a koncentrációtól jelentős mértékben függ az oldatok felületi feszültsége. Attól függően, hogy a folyadék felületén nagyobb-e vagy kisebb, mint az oldat belsejében az oldott anyag koncentrációja változik az oldatok felületi feszültsége. Azon anyagokat, melyek csökkentik a felületi feszültséget felület- vagy kapilláraktív anyagoknak nevezzük (pl. mosószerek, tenzidek, alkoholok, stb.) Azon anyagokat, melyek a növelik a felületi feszültséget kapillár inaktív anyagoknak nevezzük (pl. cukrok, erős elektrolitok). [2] 11
3.5. Alkil-poliglükozidok Emil Fischer, több mint 100 évvel ezelőtt határozta meg és állította elő laboratóriumban az első alkil-glükozidot. Az irodalomban az alkil-poliglükozidokról először Emil Fischer 1893-ban tett említést. Az alkil-poliglükozidok, mint széles körben ismert, iparilag előállított termékek iránt hosszú ideig csak tudományos érdeklődés mutatkozott. Az alkil-glükozidok tisztítószerként való használatáról szóló szabadalmat 40 évvel később Németországban nyújtották be. Ezután hosszú időre elfeledték, feltehetőleg nem csak azért mert a gyártásuk nehéz volt, hanem mert nagyon sok más felületaktív anyagot gyártottak. Ezt követően mintegy 40-50 éve a különböző cégek kutatócsoportjai az alkil-glükozidokra irányították figyelmüket és fejlett technikai folyamattal előállították az alkil-poliglükozidokat. Történt néhány fejlesztés a C 8 -C 10 -alkil-poliglükozidokkal kapcsolatban az 1970-es évek közepén a Rohm & Haas amerikai cég és a Seppic francia cég részéről, akik szintén mutattak be termékeket a piacon (Triton BG 10, Triton CG 110), azonban a fogadtatásuk nem volt túl lelkes. Mindaddig nem következett be változás, amíg az 1980-as évek első felében ez a régi felületaktív anyag újra elő nem került, aminek hátterében a növekvő környezetvédelmi hullám állt. Az intenzív használata az anomerikus alkil-glükozidoknak, mint az n-oktil β-dglükoz és n-dodecil β-d-maltóz a biológiában, mint a membrán fehérjék effektív oldódást segítő anyaga, más alkalmazásokkal együtt jelezte, hogy ezek a feületaktív anyagok nagyon biztonságosak. Mindezt egy anyagcsere tanulmánnyal bizonyították, amikor száján át adtak be egy egérnek alkil- β-glükozidet. A kísérlet eredményeként váltak ezek a felületaktív anyagok ajánlott emulgeálószerekké az élelmiszerekben. Az alacsony méregtartalmuk és ökológiai biztonságuk valójában nem meglepő, ha összehasonlítjuk őket a biofelületaktív anyagok csoportjával és rájövünk, hogy mennyire hasonlóak hozzájuk. További kezdeményezések történnek az alkil-poliglükozidok széleskörű alkalmazására és használatuk előnyeit egyre inkább felismerik, különösen a hosszú láncú termékeknél. Olyan vállalatok, mint az A. E. Staley, Procter & Gamble, Henkel, Kao Corp. és Hüls kutatásokat és fejlesztéseket végeznek. A piac erős érdeklődését tükrözi ezen felületaktív anyagok iránt a szabadalmi statisztikák és az irodalmi kiadványok növekedése. 12
Számos szabadalom van, amelyek különösen az alkil-poliglükozidok speciális tulajdonságaira alapoznak, beleértve a kompatibilis és szinergikus hatását, amikor más egyéb felületaktív anyagokkal vagy felületaktív anyagok összetevőivel kombinálják. A jelenlegi nagy érdeklődést az alkil-ploiglükozidok iránt magyarázza kiváló ökotoxikológiai tulajdonságaik, illetve a rendkívüli gazdaságos költség/teljesítmény arány és nem utolsó sorban az a magas minőség, amit garantál, annak ellenére, hogy a gyártási folyamat irányítása nehéz. Ezért biztosra vehető, hogy alkil-poliglükozidoknak kiemelkedő szerepük lesz a felületaktív anyagok körében a jövőben is. Az alkil-poliglükozidokat közvetlenül glükózból és zsíralkoholból szintetetizálják. A zsíralkohol lánc hosszának és a glükóz csoportok számának változtatásával az alkil-poliglükozidok szerkezetének tulajdonságai befolyásolhatók. Az alkil-poliglükozidok világszintű gyártásának nemrégiben bekövetkezett növekedése a legfontosabb cukor alapú felületaktív anyagává tette. Az egész világon 60 tonna/év mennyiséget gyártanak. [3, 4, 5] 13
3.5.1. APG 70 Az alkil-poliglükozidok (APG) új generációs környezetbarát felületaktív anyagok. Nem ionos felületaktív anyagok, melyek kizárólag növényi nyersanyagokból készülnek. A 1990-es évekig nem gyártották ipari méretben őket. Az alkilpoliglükozidok teljes mértékben lebomlanak biológiailag, nem mérgező és nem irritáló tulajdonságúak, kiváló felületaktív tulajdonságokkal bírnak, ezért elterjedten alkalmazzák tisztítószerek, kozmetikumok, élelmiszerek és gyógyszerek alapanyagaként. Alkalmazásuk: Kemény felületek tisztítószereihez, mint fürdőszobai- és üvegtisztítók mivel csekély a maradékuk, ezáltal a hidratálódásuk és a folthagyásuk kiváló Erős alkáli közeggel szemben mutatott toleranciája rendkívül alkalmassá teszi ipari tisztítószerek komponenseként való használatát Magas elektrolit koncentráció mellet is megmarad a kiváló hidratálódása, ezért ilyen közegben is alkalmas felületaktív komponens [6] Az 1. ábrán az APG 70 termékminta látható. 1. ábra: APG 70 14
Az APG 70 fizikai tulajdonságai: Külső megjelenés: Sárgásbarna vagy színtelen viszkózus folyadék Aktív anyag koncentráció: kb. 70% Víztartalma (EN 13267): kb. 30% ph (EN 1262, 5 % vízben): kb. 8 Sűrűség (DIN 51757, 20 C) kb. 1,18 g/cm 3 Dermedési pont: kb. -15 C Forráspont: kb. 100 C Lobbanáspont: > 100 C A felületi feszültség desztillált víz esetén (2. ábra): Felületi feszültség [mn/m] APG 70 2. ábra: Felületi feszültség desztillált víz esetén Aktívanyag tartalom % (Forrás: APG 70 Safety Data Sheet, BASF, 2008) 15
4. Szivattyúk A különböző vegyipari műveletek, vegyipari technológiák üzemeltetése során a leggyakrabban előforduló feladat a folyadékok szállítása, mozgatása a vegyipari berendezésekben. A szállításhoz szivattyúkat használunk. Szivattyúnak nevezzük azon áramlástechnikai munkagépeket, amelyek folyadékokat, folyadékok és gázok vagy gőzök, folyadékok és szilárd anyagok keverékét, mint munkaközeget továbbítanak legtöbbször kisebb nyomású helyről adott távolságra lévő, magasabban elhelyezkedő vagy nagyobb nyomású térbe. Megfelelve a gazdaságossági törekvéseknek, az új technológiai eljárások megjelenésével manapság olyan szivattyúkat terveznek, amelyek kiválóan alkalmazhatók a továbbított folyadék fizikai és kémiai paramétereihez, továbbá a szükséges munkavégző képesség által megszabott feltételekhez. [7, 8, 9] 4.1. A szivattyúk osztályozása A szivattyúkat az alábbi főbb szempontok alapján sorolhatjuk osztályokba működési elv szállított közeg alkalmazási terület Működési elv alapján megkülönböztetjük: az áramlástechnikai elven működők, - turbinaszivattyúk (vagy más néven: örvényszivattyúk, centrifugál szivattyúk), - mamut szivattyúk, - sugárszivattyúk (vízsugár szivattyúk, gőzsugár szivattyúk) stb. a volumetrikus vagy térfogat kiszorítás elvén működők, - dugattyús szivattyúk, - fogaskerék szivattyúk, - membránszivattyúk, - csavarszivattyúk stb. 16
A szállított közeg szerinti csoportosítás a következő: vízszivattyúk szennyvízszivattyúk iszapszivattyúk sav- és lúgszivattyúk olajipari termékeket szállító szivattyúk cseppfolyósított gázokat szállító szivattyúk folyékony fémeket szállító szivattyúk vegyi- és élelmiszeripari anyagokat, keverékeket szállító szivattyúk Az alkalmazási területek szerinti csoportosítás: vízvezetéki és csatornarendszeri szivattyúk erőművi szivattyúk vegyipari szivattyúk ásványolaj-ipari szivattyúk mezőgazdasági és élelmiszeripari szivattyúk bányászati szivattyúk [7,8,9] 4.2. Áramlástechnikai elven működő szivattyúk Ezen típusú szivattyúknál az energiaátalakulás egy vagy több lapáttal ellátott forgó csatornákban, az úgynevezett járókerekekben megy végbe. Forgás közben a lapátok közötti terekből örvényszerűen távozik a folyadék, az örvényszivattyú elnevezés innen ered. [10] 4.2.1. Centrifugál szivattyú A legáltalánosabban használt folyamatos folyadékszállítást végző szivattyúk a centrifugál szivattyúk, vagy más néven örvényszivattyúk. Jellemzőjük, hogy közvetlenül kapcsolhatóak a hajtómotorral, valamint nincs ide-oda lengő tehetetlen tömegű dugattyújuk, így tág teljesítményhatárok és fordulatszámhatárok között üzemelnek. [8,9] 17
A centrifugál szivattyú elvi felépítése a 3. ábrán, szerkezeti kialakítása a 4. ábrán látható. 1 szívócsonk 2 szívótér 3 a járókerék szívótorka 4 járókerék 5 a járókerék lapátja 6 nyomótér (csigaház) 7 nyomócsonk 8 - nyomóvezeték 3. ábra: A centrifugál szivattyú elvi felépítése (Forrás: Dr. Fazekas Lajos: Általános géptan, Debreceni Egyetem Műszaki Kar) 1 járókerék 2 tengely 3 retesz 4 tengelyanya 5 csapágybak 6 közdarab 7 - csigaház 4. ábra: A centrifugál szivattyú szerkezeti kialakítása (Forrás: Dr. Fazekas Lajos: Általános géptan, Debreceni Egyetem Műszaki Kar) Működési elve: A gyorsan forgó járókerék a centrifugál szivattyú energia átalakító része, a forgómozgás révén bevitt energia előbb sebességi, majd nyomási energiává alakul át. A járókerékben a mozgási energia nő meg, ami a szivattyúházban nyomási energiává alakul. A szivattyúban lévő folyadékot a forgó járókerék lapátjai forgásra késztetik, amelyre így centrifugális erő hat. A forgás következtében a folyadék nyomása megnő, ennek hatására kifelé mozdul el a szivattyúház fala irányába, majd 18
a nyomócsonkon átfolyva távozik a szivattyúból. A folyadék nyomása a járókerék kilépő felületén megnő, a belépőben csökken, ezért a szívócsonkon keresztül folyadék áramlik be a lapátok közé. [8, 9, 12, 13] Üzemeltetésük: A járókerék nem illeszkedik pontosan a csigaházhoz, így ha a járókerék nincs mozgásban, akkor a folyadék visszafolyik mellette a szívócsőbe. Ugyanakkor, ha a járókereket úgy hozzák mozgásba, hogy a levegőben forog, nem tud szívóhatást gyakorolni. Nem önfelszívóak, ahhoz, hogy a folyadékszállítás elinduljon, indítás előtt fel kell tölteni a szivattyúházat folyadékkal. A szivattyú leállításakor a szívócső végén lábszeleppel gátolják meg a folyadék visszaáramlását. [8,9,12,13] 4.2.2. Mamut szivattyú A Mamut-szivattyú, vagy más néven légnyomásos vízemelő a folyadékot nagynyomású gáz segítségével szivattyúzza (5. ábra). A szivattyú egy nagy átmérőjű függőleges termelőcsőből áll, amely a kiszivattyúzandó vízbe merül. A függőleges termelőcsőbe felülről nyúlik be a nyomóvezeték csöve, amelybe a kompresszor által szállított levegőt alulról adagolják be. Bevezetett levegő és a folyadék keveredik, az így keletkezett kisebb fajsúlyú folyadékot a fajsúlykülönbséggel arányos felhajtóerő emeli fel. Előnyös tulajdonsága, hogy nem érzékeny a víz szennyezettségére, továbbá arra sem, ha a szívott térből leszívja az összes folyadékot. Hátránya, hogy hatásfoka viszonylag alacsony, 25-45%. [14] 5. ábra: A mamutszivattyú (Forrás: Dr. Fazekas Lajos: Általános géptan, Debreceni Egyetem Műszaki Kar) 19
4.2.3. Sugárszivattyúk A sugárszivattyúk mozgó alkatrész nélküli, folyamatos működésű áramlástechnikai készülékek. Sajátosságuk, hogy a továbbítandó közeget (gáz, gőz, folyadék vagy szilárd anyag) egy rendszerint jóval nagyobb nyomású hajtóközeggel (gáz, gőz vagy folyadék) kevert közegáramlással nagyobb nyomású térbe szállítják. Két alapvető típusa a gőzsugár szivattyú és a vízsugár szivattyú. Felépítésük és működési elvük csaknem azonos, szívásra és nyomásra használhatók. Hatásfokuk nagyon alacsony. [8, 9] 1 primer víz 2 szekunder víz 6. ábra : Vízsugár szivattyú (Forrás: Dr. Fazekas Lajos: Általános géptan, Debreceni Egyetem Műszaki Kar) A vízsugár szivattyú müködési elve (6. ábra): A nagy nyomású primer víz (1) áthalad az egyre szűkülő fúvókán, eközben mozgási energiája nő. A mozgási energiáját a továbbítandó szekunder víznek (2) adja át. A nagy sebességgel áramló folyadékkeverék mozgási energiája nyomási energiává alakul, amint a diffúzorba jut. 20
4.3. Volumetrikus elven működő szivattyúk A volumetrikus vagy más néven térfogatkiszorítás elvén működő szivattyúk a szállítandó közeget a munkatér térfogatának periódikus változásával beszívják, majd kiszorítva továbbítják. Előnyük, hogy nagyobb nyomású közegek szállítására is alkalmasak, valamint minimális belső veszteségeik következtében hatásfokuk kedvező. Hátrányuk, hogy nagy fordulatszámon való üzemeltetésüknél fennáll a kavitáció veszélye, és lehetséges a folyadékszállítás egyenlőtlensége. [9] A volumetrikus elven működő szivattyúk csoportosítását az 1. táblázat mutatja. 1. táblázat: Volumetrikus elven működő szivattyúk csoportosítása [16] (Forrás: Dr. Pokorádi László: Energia-átalakító gépek I., Áramlástechnikai gépek, Debrecen, 2002) 21
4.3.1. Dugattyús szivattyúk A dugattyú helyzete alapján vízszintes vagy függőleges elrendezésű, működési módját tekintve pedig egyszeres vagy kétszeres működésű dugattyús szivattyúkat különböztetünk meg. Manapság a legnagyobb nyomások eléréséhez ilyen típusú szivattyúkat használnak. Az 7. ábra szemlélteti az egyszeres működésű dugattyús szivattyú működési elvét. A forgó mozgás átalakítása alternáló mozgássá a forgattyús hajtómű feladata. A dugattyú a hengerben mozog előre és hátra, hátramenetkor szívóhatást fejt ki a szelepekre, és az üresen maradó munkatérbe folyadékot szív be. Amint a dugattyú eléri a hátrameneti holtpontot előreindul és a beszívott folyadékot maga előtt nyomja. A nyomószelep kinyílik és engedi a kiszoruló folyadékot a nyomóvezetékbe áramolni. [8,10] 7. ábra: Egyszeres működésű dugattyús szivattyú működési elve (Forrás : www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412a/2010-0019_vizgepek/pt03.html) 4.3.2. Membránszivattyúk A membránszivattyú olyan térfogat-kiszorítás elvén működő szivattyú, amelyben az energiaközvetítő elem a membrán, tehát a munkatér változatásához a membránt kell mozgatni. Szerkezeti kialakításúk alapvetően eltér a dugattyús szivattyúkétól, a szívó- és nyomóteret a rugalmas és hajlékony membrán határolja. A 22
membrán rugalmassága miatt ezek a szivattyúk jelentősen kisebb nyomást tudnak biztosítani, mint a dugattyús szivattyúk. Előnyük az egyszerű szerkezet, nem érzékenyek a szilárd szennyeződésekre, ezért alkalmasak sűrű, pépes folyadékok és zagyok továbbítására. A membránt a lökőrúd mozgatja a szivattyútérben, így a munkatérben szakaszosan térfogat növekedés, majd térfogat csökkenés jön létre. Az áramlást szelepek szabályozzák (8. ábra). [8,10] 8. ábra: A membránszivattyú elvi vázlata (Forrás : www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412a/2010-0019_vizgepek/pt03.html) 4.3.3. Fogaskerék szivattyúk Egyszerű szerkezetének és könnyű karbantarthatóságának köszönhetően, a legszélesebb körben elterjedt térfogat kiszorítású szivattyú. A szivattyúház zárt terében két egymással kapcsolódó fogaskerék van tengelyen elhelyezve. A ház egyik oldalához a szívó-, a másikhoz a nyomóvezeték kapcsolódik, a szivattyú a folyadékot az egymásba kapcsolódó fogaskerekek segítségével szívja be és nyomja ki. A fogaskerekek közül az egyiket kívülről hajtjuk, amely a vele kapcsolódó másik fogaskereket hajtja. Forgás közben az egyik kerék fogainak közeibe benyomuló másik kerék fogai végzik el a folyadék kiszorítását. A fogaskerék házban lévő kis hézagok meggátolják a folyadék visszaáramlását a szívóoldalra. Az ilyen szivattyúk tervezésekor figyelembe kell venni, hogy a túl nagy rések rontják a gép hatásfokát, míg a túl kicsi rések a gép tönkremenését eredményezhetik. [8,12,15,] 23
A 9. ábrán a fogaskerék-szivattyú látható. 9. ábra: Fogaskerékszivattyú (Forrás: Vegyipari géptan 2., Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék, Műegyetem, Budapest http://www.vizgep.bme.hu/letoltesek/targyak/bmegevgav03/vegyipari%20g%c3%a9ptan_2.pdf) Kisebb viszkozitású közegekre tervezett gépek rései kisebbek lehetnek, mint a nagyobb viszkozitásúakéi. Két fő változatuk ismert, a külső- és a belső fogazatú fogaskerék-szivattyú. A külső fogazatú fogaskerék-szivattyú esetében az egyrészes hajtótengelyre ékelt fogaskerekekkel lehetővé válik a nagyobb tengelyátmérő-választás, így hosszabb élettartamú csapággyal működhetnek. Rendszerint hengergörgős csapágyat használnak, amely a szennyeződésekre a legkevésbé érzékeny. Így érhető el az üzemeltetés zavartalansága. Külső és belső csapágyazású típusait különbözetjük meg. A külső csapágyazású szivattyúkat általában gyógyszerek, élelmiszerek, italok szállítására alkalmazzák, míg a belső csapágyazású szivattyúkat főként olajok szállításánál használják. A belső fogazatú fogaskerék-szivattyúknál a két fogaskerék szinte hézagmentes tömítése a töltő közdarabbal és a tengelyirányú nyomáskiegyenlítő tárcsákkal hozzájárul ahhoz hogy, a szállítandó közeg majdnem volumetrikus veszteség nélkül jusson a szivattyúház nyomó-csatlakozásához. [8,12,15,] 24
4.3.3.1. Fogaskerék-szivattyúk jelleggörbéi A fogaskerék-szivattyúknál független változónak a szállítómagasságot, valamint a rendszerint ebből adódó nyomásesést tekintik, és az egyes üzemi jellemzőket ennek függvényében ábrázolják. q v = a fogaskerék-szivattyú folyadékszállítása [m 3 /s] H = szállítómagasság [m] ΔP = a szállítómagasság nyomáskülönbsége (ΔP=ρgH) [Pa] A fogaskerék-szivattyú folyadékszállítását a szállítómagasság függvényében a q v (H) jelleggörbe adja meg. Ennek a görbének egy H tengellyel ΔP tengellyel párhuzamos egyenesnek kellene lennie a résveszteség nélküli szivattyúknál, azonban a valóságban a résveszteségek miatt H ΔP - növekedésével q v csökken. A q v (H) egyenes lejtése is függ a szállítómagasságtól ΔP-től és a hőmérséklettől, mivel a résveszteségek növekszenek a szállítómagassággal bizonyos mértékben a nyomással és a hőmérséklettel. Ha a szivattyúban túl nagy rések vannak, akkor a (1) parciális differenciálhányados-abszolútérték (1) nagy lesz. Túl nagy rések lehetnek megmunkálási pontatlanságok miatt, vagy ha a ház fedelei nem elég merevek és a nagy belső nyomás miatt kihajlanak. A hőmérséklet emelkedése is növeli a parciális differenciálhányados értékét. Ahogyan azt a 10. ábra is mutatja, nagyobb fordulatszámok esetén a görbék kevésbé hajlanak, mint kisebb fordulatszámoknál. 10. ábra: Fordulatszámgörbék 11. ábra: Teljesítménygörbék (Forrás: Dr. Pokorádi László: Energia-átalakító gépek I., Áramlástechnikai gépek, Debrecen, 2002) 25
A 11. ábra mutatja a teljesítménygörbéket. A kis nyomáshatárok között dolgozó fogaskerék-szivattyú P(ΔP) görbéje megfelelő közelítéssel linearizálható. A görbék meredeksége csökken kisebb fordulatszámnál. Az 12. ábra állandó fordulatszám esetén egy fogaskerék-szivattyú volumetrikus hatásfokának változását (η v ) ábrázolja. η v értéke 1, amikor nincs nyomáskülönbség a szívó- és nyomótér között. Megfigyelhető, hogy a nyomáskülönbség növekedésével a η v (ΔP) fokozatosan csökkenő parabola jellegű görbe. 12. ábra: Fogaskerék-szivattyú volumetrikus hatásfokának változása állandó fordulatszám esetén (Forrás: Dr. Pokorádi László: Energia-átalakító gépek I., Áramlástechnikai gépek, Debrecen, 2002) A 13. ábrán látható, hogy a volumetrikus hatásfok valamely rögzített ΔP értéknél hogyan változik a fordulatszám függvényében. A résveszteség fajlagosan csökken a fordulatszám növekedésével, ebből következtethetünk arra, hogy a szivattyú fordulatszámának csökkenésével az összhatásfok is romlik. 13. ábra: Fogaskerék-szivattyú volumetrikus hatásfokának változása rögzített ΔP értéknél (Forrás: Dr. Pokorádi László: Energia-átalakító gépek I., Áramlástechnikai gépek, Debrecen, 2002) 26
Ha a fogaskerék-szivattyú összhatásfokát a szállítómagasság függvényében ábrázoljuk (14. ábra), akkor látható, hogy kezdetben nő a hatásfok, azonban a H ΔP növekedésével elér egy maximumot, ahol a görbe igen lapos. A hatásfok a maximum elérését követően csökkenni kezd. A görbe jellege függ a szállított közeg hőmérsékletétől is. 14. ábra: Fogaskerék-szivattyú összhatásfoka a szállítómagasság függvényében (Forrás: Dr. Pokorádi László: Energia-átalakító gépek I., Áramlástechnikai gépek, Debrecen, 2002) A szivattyú hatásfokát a fogaskerekek kerületi sebességének függvényében megfigyelve (15. ábra), megállapítható hogy minden nyomásértékhez tartozik egy optimális kerületi sebesség. Azt tapasztalhatjuk, hogy kisnyomású szivattyúknál nincs értelme nagy kerületi sebességeket alkalmazni, jobb megoldás nagyobb modulusú fogaskerekeket használni. [16] 15. ábra: A fogaskerék-szivattyú hatásfoka a kerületi sebesség függvényében (Forrás: Dr. Pokorádi László: Energia-átalakító gépek I., Áramlástechnikai gépek, Debrecen, 2002) 27
4.4. Szivattyú jelleggörbe és munkapont A szivattyú minden üzemállapotában egy Q [m3/h] folyadékszállításához egy meghatározott H [m] szállítómagasság tartozik. A Q-H diagramot nevezik rendszerint a szivattyú jelleggörbéjének. A munkapont a szivattyú és a csővezeték egyensúlyi üzemállapota. Azonos átáramló térfogatáram mellett a szivattyú által létrehozott fajlagos munka pontosan annyi, mint a csővezeték igénye. A munkapont (16. ábra) geometriailag a szivattyúk jelleggörbéjének és a csővezeték jelleggörbéjének metszéspontja. [17,18] 16. ábra: Munkapont (MP) meghatározása (Forrás: http://www.vizgep.bme.hu/okto/kul/energiaegyenlet4.pdf).a munkapont kétféle lehet: stabilis vagy labilis. Ha az üzemet a munkapontból kitérítve visszaáll az eredeti munkapont, akkor a munkapont stabilis. Mind a szivattyú (gép), mind a csővezeték jelleggörbéje linearizálható a munkapont körül. A H gyorsító gyorsító munkát megkapjuk, ha a gép (szivattyú) által bevezetett H gép fajlagos munkából kivonjuk a csővezeték által igényelt H cső fajlagos munkát: 28
A munkapont stabilitásának feltétele, legyen, ekkor visszaáll a Q MP érték és a Q térfogatáram növekedése negatív fajlagos gyorsító munkát jelent. Labilis a munkapont, ha : A közeg összenyomhatósága növeli a labilis üzem veszélyét, a labilis jelleggörbe ág a 17. ábrán látható. [17,18] 17. ábra: Labilis jelleggörbe ág (Forrás: http://www.vizgep.bme.hu/okto/kul/energiaegyenlet4.pdf) 29
4.5. A folyadékszállítás elméleti összefüggései [13, 19] Folytonossági (kontinuitási) törvény: időben állandó áramlás esetén a folyadék áramlási sebességének és a cső keresztmetszetének szorzata állandó. Ezt nevezzük a folyadék térfogatáramának: Q [m 3 /s] 18.ábra: Segédábra a kontinuitási törvényhez (Forrás: http://www.vegyipari.hu/iskola/vegymuv/vegyiparimuveletekjegyzet.pdf ) ahol: Q 1 =Q 2 A 1 *V 1 =A 2 *V 2 Q=A*v =állandó Q az időegység alatt átáramló folyadéktérfogat A az átáramlott keresztmetszet v az áramlási sebesség A Q=A*v=áll. egyenlet kimondja, hogy egy áramcső mentén az áramlási sebesség fordítottan arányos a hozzá tartozó keresztmetszetek területével. Az áramlási irányban haladva növekvő keresztmetszetekben az áramlás sebessége csökken, és fordítva, csökkenő keresztmetszetekben az áramlás sebessége nő. Bernoulli törvény (energiatörvény): Ideális esetben, veszteségmentes áramlásnál az áramló folyadék helyzeti, nyomási, mozgási energiájának összege két pont között, a csővezeték minden keresztmetszetében állandó. ahol: h 1 + P 1 ρ g + v 2 1 2 g = h 2+ P 2 ρ g + v 2 2 2 g = állandó h - fajlagos helyzeti energia (szintmagasság) [J/N=m] 30
P fajlagos nyomási energia (nyomásmagasság) [J/N=m] ρ g v 2 2 g fajlagos mozgási energia (sebességmagasság) [J/N=m] P - a folyadék nyomása a csővezetékben [N/m 2 ] ρ a folyadék sűrűsége [kg/m 3 ] g nehézségi gyorsulás [9,81 m/s 2 ] v a folyadék áramlási sebessége a csővezetékben [m/s] A fajlagos energia az 1 N súlyú folyadékokra vonatkoztatott energiát jelenti. [J/N] a mértékegysége, ami méterrel [m] is leírható, ezért nevezik a energiamagasságoknak a fajlagos energiákat. Bernoulli egyenlet veszteséges áramlásnál: ahol: h 1 + P 1 ρ g + v 2 1 2 g = h 2+ P 2 ρ g + v 2 2 2 g + h v h v a fajlagos energiaveszteség (veszteségmagasság) [J/N=m] Veszteséges áramlásnál az áramló folyadék helyzeti, nyomási és mozgási energiájának összege a csővezeték két pontja között a fellépő veszteségek miatt nem állandó. A veszteségek az idomok, szerelvények ellenállásából és a csősúrlódásból adódnak: h v = h v(i,sz) + h v(e) ahol: λ csősúrlódási tényező [-] l egyenes csőszakaszok hossza [m] d belső átmérő [m] v a közeg áramlási sebessége [m/s] g nehézségi gyorsulás [9,81 m/s 2 ] h v(e) = λ l d v 2 2 g 31
Idomok, szerelvények vesztesége: h v(i,sz) = Σξ v 2 2 g ahol: Σξ az idomok, szerelvények együttes ellenállástényezője [-] A veszteségek meghatározása egyenértékű csőhossz segítségével: Egyenértékű csőhossz vesztesége megegyezik az idomok, szerelvények veszteségének összegével: l e = d Σk ahol: d - cső belső átmérője [m] k - szerelvények, idomok veszteségtényezői [-] ahol: l g - geometriai csőhossz [m] h v = λ l g + l e d v2 2g 4.6. Az áramlás jellege [19] Az áramlás jellegét a Reynolds-szám mutatja meg, amely egy mértékegység nélküli viszonyszám. A Reynolds-szám az áramlások hasonlósági kritériuma. A csőben létrejövő áramlás a Reynolds-szám értékétől függően lamináris (réteges), valamint turbulens (gomolygó) lehet. Az áramlás jellegét a 19. ábra mutatja. 19. ábra: Az áramlás jellege a) lamináris áramlás b) turbulens áramlás (Forrás: W. Bohl: Műszaki áramlástan, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983) 32
Különböző folyadékokkal és csőátmérőkkel elvégzett kísérletek eredményeként adódott az általános érvényű Reynolds-egyenlet. Ennek alapján számítható a Reynolds-szám, amely megmutatja az áramlás jellegét: ahol: v - a folyadék áramlási sebessége [m/s] d - a csővezeték belső átmérője [m] Re = v d ϑ θ - a folyadék kinematikai viszkozitása [m 2 /s] Lamináris áramlás A lamináris áramlás során a folyadékrészecskék nem keverednek össze, csak a cső tengelyével párhuzamos áramvonalak mentén mozognak. A tapasztalat azt mutatja, hogy azonos átmérőjű és hosszúságú, azonban különböző belső felületi feszültségű csövekben a csősúrlódási veszteség független az érdességtől. Ha a Reynolds-szám értéke kisebb, az úgynevezett kritikus Reynolds-számnál (Re krit = 2320), akkor az áramlás lamináris. Lamináris áramlás Re < 2320 Turbulens áramlás A turbulens áramlás során a folyadékrészecskék a cső tengelyével párhuzamosan és arra merőlegesen is elmozdulnak. A sebességnek az időben gyorsan változó merőleges összetevői a közeg folyadékrészecskéinek állandó keveredését okozza. A súrlódási veszteség rendszerint függ a csőfal érdességétől is. Ha a Reynolds-szám értéke nagyobb, az úgynevezett kritikus Reynolds-számnál (Re krit = 2320), akkor az áramlás turbulens. Turbulens áramlás Re > 2320 33
5. Hőszigetelés A hőszigetelés-technika a hőtan részterülete, a hőátvitellel foglalkozik. A hőszigetelés célja, hogy az energiaveszteségeket optimális értékre csökkentse, azáltal, hogy a lehető legnagyobb ellenállást helyezi a hőátvitel útjába. Két eltérő hőmérsékletű test között mindig van hőcsere, amelyet csökkenteni lehet más anyagokból készült rétegek közbeiktatásával. A termikus energia áramlásának maximális meggátolása nem lehetséges, az mindig a hőmérsékletcsökkenés irányába áramlik. A hőszigetelt berendezéseknél a hőátvitelben az alábbi tényezők vesznek részt - a hőleadó test, - a hőszigetelő anyag, - a hőfelvevő test. A hőcsere mechanizmusa három részből áll: - hőátadás a hőhordozóból a belső falfelületre, - hővezetés a fal belső felületéről a fal külső felületéig, - hőátadás a fal külső felületéről a környező levegőbe. A hőátvitel vezetéssel, kovekcióval és sugárzással mehet végbe általában egyidejűleg. A hőátvitel mindhárom formája létrejön a szigetelőanyagban is, és ott ez hővezetés. Hővezetés: Hővezetéskor a termikus energiát szilárd, folyékony vagy gáznemű anyagok részecskéinek közvetlen érintkezése szállítja, az elemi részecskék helyváltoztató elmozdulása nélkül. Hőáramlás: egyidejű energia- és tömegáramlást jelent. A hő a fluidum makroszkópikus részeinek áramlása, helyváltoztató mozgása következtében terjed. Hősugárzás: Az energia átvitele elektromágneses hullámok alakjában az egyik testről a másikra a hősugarakat átengedő közegen keresztül történik. [20] 34
5.1. Hővezetés Minden test bizonyos ellenállást fejt ki a hő terjedésével szemben, azonban a hőszigetelő anyagoknak van a hővezetéssel szemben a legnagyobb ellenállásuk. Hővezetés vagy más néven kondukció során a hőenergia a hidegebb helyről a melegebb helyre az elemi részecskék helyváltoztató elmozdulása nélkül adódik át. A hőmérsékletnek egy adott test különböző pontjaiban fennálló különbsége elengedhetetlen feltétele a hővezetéssel történő hőátadásnak. Ezáltal a hővezetéssel keletkező hőáram nagysága a testben a hőmérséklet eloszlástól, vagyis a hőmérséklet tér jellegétől függ. Homogén és izotróp közeg t hőmérséklete rendszerint térben és időben változik, tehát a hőmérséklet az adott pont helyzetének és az időnek a függvénye. A hővezetés tapasztalati egyenlete Fourier I. Ha egy fal anyaga homogén, vastagsága állandó, és mérete olyan, hogy a vizsgált felületen (F) a hőáramlással csak a falra merőlegesen mehet végbe, akkor állandósult állapotban az átáramló hőmennyiség arányos a hőmérséklet gradienssel. ahol: dq = λ F dt dx dτ Q az átadott hőmennyiség [Ws] λ a hővezető képesség [W/(mK), J/(msK)] dt/dx az x irányú hőmérséklet esés [K/m] F- keresztmetszet [m 2 ] Stacioner esetben: dq = λ dt dx A hővezetési tényező (λ) azt a hőmennyiséget jelenti, amely 1m vastag anyagréteg 1 m 2 felületén 1s alatt áramlik át, ha a hőmérsékletkülönbség 1 K. A hővezetési tényező hőmérsékletfüggő anyagi jellemző. Számításoknál hőtani táblázatokból kell felvenni a hővezetési tényező hőmérséklethez rendelt értékét. Tapasztalati számításoknál a kezdeti (t 1 ) és végállapotok (t 2 ) megfelelő értékeihez kikeresett λ i értékek súlyozott átlagát kell figyelembe venni. [21,22] 35
5.1.1. A hővezetés differenciálegyenlete Fourier II. [21, 22] A térben és időben kialakuló hőmérsékletváltozás között a Fourier-törvény, valamint a termodinamika első és második főtétele alapján létrejövő kapcsolat. Ez a kapcsolat a hővezetés differenciál egyenletével írható le, amely alkalmas egy térben és időben változó hőmérsékletmező definiálására. Feltételezzük, hogy az elemi térfogatú zárt térbe csak x irányú érkező és távozó energiák legyenek, valamint az anyag izotróp és homogén. Az energiamérleg a következőképpen írható fel: dq bevx = λ dy dz t x dτ dq kivx = λ dy dz t x dτ λ dy dz x ( t ) dx dτ x A homogén anyagú térelembe dτ idő alatt bevezett hőáram a dq bevx, a kivezetett hőáram pedig a dq kivx. A vizsgált térben a be- és kilépő hőáram marad: dq ter = dx dy dz ρ c t τ τ dq bevx dq kivx = λ dy dz x ( t t ) dx dτ = dx dy dz ρ c x τ dτ λ 2 t x 2 = ρ c ( t τ ) x A vizsgált térben maradó energia három irányú vezetés esetén: λ dx dy dz ( 2 t x 2 + 2 t y 2 + 2 t z 2 ) dτ a térben változatlan formában leírható hőáram változásához vezet: dq bevx dq kivx = dx dy dz ρ c t τ dτ A két egyenletből felírható: λ ( 2 t x 2 + 2 t y 2 + 2 t t z2) = ρ c τ α = λ ρ c α 2 t = t τ 36
6. Kísérleti rész 6.1. A szivattyú kiválasztása A szállítandó közeg (APG 70) szivattyúzásához GHA2NK3-B típusú szivattyút választottam a Gorman- Rupp Pumps katalógusból. A szivattyút az alapján választottam, hogy alkalmas-e nagy viszkozitású folyadék szállítására. A 20. ábrán a GHA2NK3-B típusú fogaskerék-szivattyú látható. 20. ábra: GHA2NK3-B típusú fogaskerék-szivattyú (Forrás: Gorman-Rupp: GHA Series Extreme Duty Abrasive G, J, N, R & S HYD Size Rotary Gear Pumps, January 2010) GHA2NK3-B típusú fogaskerék-szivattyú tulajdonságai: - keményített, edzett kopásálló fogazás, kötőelemek, ház, vezérlőegység - kopásálló tömítés - nagyméretű kúpos tömítések az üreges részeken - nagy teherbírású kúpgörgős csapágyazás - külsőleg állítható rotorvég - rugalmas technológiai kialakítás a különböző iparágak számára - golyós csapágyazás terhelési ellenőrzése Működési tartomány: Kapacitás: Nyomás: Viszkozitás: Hőmérséklet: 8 325 GPM; 25 1020 LMP 0 200 PSI; 0 14 Bar 28 250,000 SSU; 1 55,000 cst -51 260 C; -60 500 F 37
Alkalmazási terület: Használható különböző folyékony anyagok esetén, amelyek az öntöttvas házra nem jelentenek veszélyt: pl. festékek, tinta, ragasztó anyagok, emúlziók.[23] A 21. ábrán a választott GHA2NK3-B típusú fogaskerék-szivattyú jelleggörbéje: 21. ábra: GHA2NK3-B típusú fogaskerék-szivattyú jelleggörbéje (Forrás: Gorman-Rupp: GHA Series Extreme Duty Abrasive G, J, N, R & S HYD Size Rotary Gear Pumps, January 2010) 38