Алгоритм выбора одновинтовых насосов в пищевой промышленности

В пищевой промышленности широко применяются одновинтовые насосы (ОВН) для транспортирования жидких компонент. Среди преимуществ ОВН можно назвать: равномерную подачу перекачиваемой среды без скачков давления и пульсаций, широкую номенклатуру перекачиваемых веществ, включая высоковязкие и пастообразные, низкую шумность и вибрацию при работе, отсутствие перемешивания при транспортировании, точную регулировку производительности в широком диапазоне, бесперебойную работу в среде с газовыми пробками, широкий спектр дополнительного оснащения, автоматизации.

Усовершенствованию транспортирования жидкостей с помощью ОВН посвящено большое количество публикаций [1-6].

Несмотря на многочисленные опубликованные результаты исследований, выбор ОВН для использования в пищевой промышленности весьма затруднен. Дело в том, что производители ОВН [7-10] приводят значения технических параметров своих агрегатов, полученные в результате испытаний при перекачивании воды. Тогда как вязкость жидких пищевых продуктов может превосходить вязкость воды в сотни и тысячи раз.

Кроме того, ни в одной из перечисленных выше публикаций не затронут вопрос стоимостных характеристик ОВН. Цель данной статьи – рассмотреть указанные вопросы и предложить рекомендации по выбору ОВН для использования в пищевой промышленности.

Методика расчета

Исследования [1, 5, 6], проведенные на воде, показали, что подача ОВН Q 0 и затраченная мощность N 0 зависят линейно от частоты вращения ротора (ЧВР) n и нелинейно – от напора (перепада давления Δ P ). Экспериментальные точки подачи ОВН хорошо описываются следующей зависимостью:

Q 0 = V 1 ·( n – n 0 ), (1)

где n 0 – минимальная ЧВР начала перекачивания жидкости, об/мин; V 1 – объем жидкости, перекачиваемой за один оборот ротора (при n 0 =0), м³.

В общем случае, имеет место нелинейная зависимость n 0 и V 1 от перепада давления:

n 0 = f 0 ( p )· n , V 1 = f 1 ( p )· n , p = Δ P/P A , (2) где p – безразмерный перепад давления; P A – атмосферное давление, кПа.

Зависимость затраченной мощности ОВН от ЧВР и перепада давления, как в [5], аппроксимируем формулой

N 0 = A · n , A = f 2 ( p ), (3) где A – работа ОВН за один оборот ротора.

Исходные данные

На рис. 1 показан внешний вид ОВН компании Alpha Dynamic Pumps [7] с загрузочным бункером и шнеком. Технические и стоимостные характеристики этих насосов представлены в табл. 1 ( n p – ЧВР, указанная как рабочая).

Рисунок 1 – Одновинтовой насос Atlas WSM с загрузочным бункером и шнеком [7]

Таблица 1 – Характеристики ОВН компании Alpha D

y

Модель	n p , об/мин	Подача n (м³/час) при a Δ P			Цена, тыс. руб
		200 кПа	m 400 i кПа	600 кПа
Atlas W21- 1В	750	2.52	c P 2,47	2.33	254,65
Atlas W31-1В	750	7.0	u m 6,1 p	5.2	327,36
Atlas W38-1В	520	12.5	s 11.0	8.0	482,57
Atlas W45-1В	520	20.8	19.5	15.6	521,40
Atlas W53-1В	370	24.0	20.9	17.1	652,41
Atlas W63-1В	370	41.0	37.0	32.6	797,94

На рис. 2 показано устройство ОВН завода «Диспергатор» [9]. Технические и стоимостные характеристики этих насосов представлены в табл. 2.

Рисунок 2 – Устройство одновинтового насоса ОНВ [9]: 1 – винт (ротор), 2 – обойма (статор), 3 – торсион, 4 – торцевое уплотнение, 5 – корпус насоса, 6 – подшипниковый корпус, 7 – муфта, 8 – электропривод, 9 – рама

Заметим, что в табл. 1 и 2 стоимостные показатели были указаны на 01. 10.2023, но имеется примечание, что их нужно уточнять у менеджера по продажам. Тем не менее, общие закономерности могут быть проанализированы.

Результаты и их обсуждение

На рис. 3, 4 представлены зависимости подачи и затраченной мощности ОВН компании Al-падах давления. Видно, что результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Н.Л. Великанов, В.А. Наумов

Таблица 2 – Характеристики одновинтовых насосов ОВН завода «Диспергатор» [9, 11]

Модель	Подача, м³/час (при Δ P= 500 кПа),	Мощность, кВт	n p , об/мин	Цена, тыс. руб.
ОНВ-1-00	0,7	1,1	750	86,8
ОНВ-1-01	0,9	1,1	1000	86,8
ОНВ-1-02	1,5	1,1	1500	86,8
ОНВ-2-00	1,6	1,1	750	105,0
ОНВ-2-01	2,0	1,5	1000	105,0
ОНВ-2-02	3,0	2,2	1500	105,0
ОНВ-3-00	2,5	1,1	750	113,4
ОНВ-3-01	3,5	1,5	1000	113,4
ОНВ-3-02	5,0	2,2	1500	113,4
ОНВ-4-00	3,0	1,1	750	122,5
ОНВ-4-01	4,0	1,5	1000	122,5
ОНВ-4-02	6,0	2,2	1500	122,5

Рисунок 3 – Зависимость подачи ОВН Atlas W53 от ЧВР при различных давлениях : 1 – p = 0,

2 – p = 2, 3 – p = 4, 4 – p = 6. Точки – экспериментальные данные [7], линии – расчет по (1)

Рис. 3 – 5 построены по результатам испытаний, проведенных при перекачивании воды. Далее необходимо учесть влияние вязкости перекачиваемой жидкости на нагрузочные характеристики ОВН. В [4] с помощью анализа экспериментальных данных были получены эмпирические формулы для безразмерной подачи Qb и затраченной мощности Nb: (справедливость формул под-т в     Qb ≡ Q/Q0 = 1 – 0,000780·(νb – 1),       (4)

е

Рисунок 4 – Зависимость мощности ОВН Atlas W53 от ЧВР при различных давлениях: 1 – p = 0, 2 – p = 2, 3 – p = 4, 4 – p = 6. Точки – экспериментальные данные [7], линии – расчет по (3)

Опорные точки в табл. 2 позволили восстановить зависимость подачи винтовых насосов серии ОНВ от ЧВР при наибольшем допустимом перепаде давления (Δ P= 500 кПа). По рис. 5 видно, что опытные точки хорошо ложатся на прямые, проходящие через начало координат. Это случай довольно распространен. Ему соответствуют экспериментальные данные нескольких компаний [7, 8]. Разработанный метод позволяет пересчитать зависимости на рис. 5 на меньшие значения Δ P .

Рисунок 5 – Зависимость подачи винтовых насосов серии ОНВ от ЧВР при p = 5:

1 – ОНВ-1, 2 – ОНВ-2, 3 – ОНВ-3, 4 – ОНВ-4. Точки – данные испытаний из табл. 2, линии – расчет по формуле (1)

Nb ≡ N/N 0 = 1 + 0,001765·(ν b – 1),  (5)

где ν b = ν / ν 0 , ν – коэффициент кинематической вязкости перекачиваемой жидкости, м²/с; ν 0 – коэффициент кинематической вязкости воды при 20°С, м²/с; Q 0 , N 0 – соответственно, значения подачи и затраченной мощности ОВН, полученные при перекачивании воды; Q , N – при перекачивании пищевой жидкости.

На рис. 6 представлены результаты расчета по формулам (4), (5). Видно, что с увеличением вязкости пищевой жидкости подача ОВН заметно падает, а затраченная мощность возрастает. Т а к

р

д е н

^р и

Рисунок 6 – Влияние вязкости жидкости на подачу (а) и затраченную мощность (б) ОВН Atlas W53 при n = 370 об/мин и разных перепадах давления: 1 – p = 2, 2 – p = 3, 3 – p = 5

На рис. 7 показана связь стоимостных характеристик с подачей ОВН при максимальном перепаде давления Atlas W53 и ОНВ-4. Видно, что эта связь может быть, вполне удовлетворительно аппроксимирована параболической функцией, коэффициенты которой зависят от технических параметров и особенностей конструкции серии ОВН.

Заключение

Таким образом, можно рекомендовать следующую последовательность выбора ОВН:

Задать необходимый в технологическом процессе расход пищевой жидкости (компонента) Q , транспортируемой по трубопроводу.

Определить коэффициент кинематической вязкости этой жидкости при заданных условиях (температуре транспортирования) ν; найти отношение ν b = ν / ν 0 .

По гидравлической схеме технологического трубопровода рассчитать потери давления Δ P при течении пищевой (неньютоновской) жидкости с расходом Q .

Рисунок 7 – Связь стоимостных характеристик и подачи ОВН при максимальном перепаде давления: а – Atlas W53 (при n = 370 об/мин), б – ОНВ-4 (при n = 1500 об/мин)

По формуле (4) найти, какой большей подаче на воде Q 0 соответствует рассчитанный выше расход жидкости Q .

По таблицам технических параметров (см. табл. 1 и 2) подобрать ОВН с наиболее близкими значениями Q 0 и Δ P . При необходимости уточнить требуемую ЧВР (см. рис. 3, 5).

Аналогичным образом рассчитать затраченную мощность ОВН при транспортировке пищевой жидкости N , и какой меньшей мощности на воде N 0 она соответствует.

Проверить достаточность мощности электродвигателя в компоновке, предлагаемой производителем.

Оценить стоимостные характеристики установки (см. рис. 7).