7. Безприводные устройства для транспортировки жидкости
В предыдущих разделах рассматривались машины, в которых энергия жидкости передавалась от рабочих органов, приводимых в движение от того или иного привода.
Существует группа устройств, в которых источниками энергии для организации течения жидкости являются сжатый газ, струя жидкости и гидравлический удар. Рассмотрим конструкции и методы расчетов некоторых из них.
7.1. Газлифты (эрлифты)
Газлифтами называются устройства, предназначенные для подъема жидкости за счет подачи в нее газа. Если рабочим веществом является воздух, то подъемник часто называют эрлифтом. Мы в дальнейшем будем пользоваться в основном более общим названи- ем − газлифт.
В пищевой промышленности газлифты применяются в тех случаях, когда технология производства продукта связана либо с растворением газов, либо с перемешиванием жидкой среды воздухом или инертным газом.
В качестве примеров приведем: аэробное культивирование микроорганизмов при производстве дрожжей, лимонной и уксусной кислот и других микробиологических процессах; гидрогенизацию растительных масел, главным образом водородом, в целях получения саломасов − сырья для производства маргаринов; сатурацию (карбонизацию) различного рода напитков двуокисью углерода и др.
Кроме вышеуказанных целей, газлифты используются для подъема воды и нефти из скважин. Принцип действия газлифтов основан на разности плотности жидкости и двухфазной газожидкостной смеси.
Расчет газлифта − чисто гидравлическая задача, которая сво- дится либо к определению расхода жидкости при заданном расходе газа, либо к определению расхода газа при заданной скорости циркуляции жидкости в аппарате. В обоих случаях необходимо иметь уравнение циркуляционного контура, для вывода которого рассмотрим схему аппарата с внутренней циркуляцией жидкости (рис. 7.1).
Аппарат состоит
из корпуса, циркуляционной трубы и
барботера. Газ через отверстие барботера
подается в трубу, где образуется
восходящий поток газожидкостной смеси.
В кольцевом пространстве между трубой
и корпусом вниз движется однофазная
жидкость. Так как плотность смеси меньше
плотности жидкости, то уровень среды
в центральной трубе будет выше уровня
свободной поверхности жидкости,
находящейся в кольцевом пространстве,
на величину
.
В целях выяснения условий возникновения циркуляции жидкости в аппарате и ее скорости выберем в плоскости равного давления на уровне нижнего среза трубы две произвольные точки А и В и составим баланс энергий в этих точках, приняв условие отсутствия гидравлических потерь при течении жидкости вследствие малого расстояния между ними (см. рис. 7.1):
, (7.1)
где
;
;
;
.
Рис. 7.1. Схема газлифта:
1 – корпус; 2 – циркуляционная труба; 3 – барботер
Полагая
,
можно записать, что
.
Разделив обе части уравнения (7.1) на
произведение
и перегруппировав в слагаемые, получим
, (7.2)
где
− суммарные потери на гидравлическое
трение,
,
здесь
− потери энергии по длине при течении
жидкости в кольцевом пространстве;
(
− потери энергии при входе жидкости в
трубу,
− потери по длине на участке
).
Потери энергии по длине и местные
рассчитываются по уравнениям (2.149)
и (2.127);
− потери энергии при движении
газожидкостной смеси (
− потери по длине,
− потери на выходе газожидкостной смеси
из трубы); рассчитываются по уравнениям
(3.37) и (3.39).
Истинное объемное газосодержание в трубе найдем по уравнению (3.23). Заменив приведенные скорости газа и жидкости их объемным расходом и несколько упростив выражение (3.23), запишем
. (7.3)
Уравнение (7.2) пригодно для расчета любого газлифта. Упростим несколько задачу, введя следующие условия:
,
т. е. барботер установлен сразу же на
входе в трубу;
,
т. е. мы считаем, что скорость движения
жидкости в кольцевом пространстве
невелика и гидравлическими потерями
можно пренебречь;
не меняется по
высоте трубы.
Принятые допущения позволяют представить уравнение (7.2) в следующем виде:
,
(7.4)
где
.
Подставив в
уравнение (7.4) значения
из уравнений (2.127), (3.37), (3.40), получим
,
(7.5)
где
− площадь сечения трубы;
− коэффициент Дарси, рассчитывается
по приведенной скорости жидкости по
уравнению (2.184);
− диаметр трубы;
и
− коэффициенты местных потерь.
Уравнения (7.3) и
(7.5) составляют систему, с помощью которой
методом последовательных приближений
находят
или
.
Коэффициент пропорциональности
в уравнении (7.5) корректирует неточности,
связанные с расчетом
и принятыми допущениями; он примерно
равен 1,15.
Недостатком газлифтов является их низкий КПД (1535 %). Однако, несмотря на этот недостаток, они привлекательны своей простотой и надежностью в работе.