УДАЛЕНИЕ ВОЗДУХА АВТОНОМНО-ЦИРКУЛИРУЮЩИМ ДЕАЭРАТОРОМ

AIR ELIMINATION BY MEANS OF AUTONOMOUS-CYCLING DEAERATOR

Ramazan Mirzamahammadov

postgraduate, Department of Machinery and Material Science, The Azerbaijan State Oil and Industry University,

Azerbaijan, Baku

АННОТАЦИЯ

Целью работы является предложение системы для удаления воздуха путём литературного обзора предыдущих авторов, а также рассмотрении их преимуществ и недостатков. В данной статье рассматривались аппараты для удаления воздуха из гидравлической системы. В основу предлагаемой системы положен принцип создания вакуума, благодаря чему, воздух будет перемещаться наверх, а жидкость всасываться вниз. Научная новизна заключается в создании новой схемы деаэратора, которая удаляет воздух без резкого снижения давления на выходе. В результате исследования было предложена схема автономно-циркулирующего деаэратора без сопла.

ABSTRACT

The aim of the work is to propose a system for air removal by means of a literature review of previous authors, as well as consideration of their advantages and disadvantages. In this article, devices for removing air from a hydraulic system were considered. The proposed system is based on the principle of creating a vacuum, due to which the air will move upward, and the liquid will be sucked down. The scientific novelty lies in the creation of a new deaerator circuit that removes air without a sharp drop in outlet pressure. As a result of the study, a scheme of an autonomous-cycling deaerator without any nozzle was proposed.

Ключевые слова: гидравлический привод; воздух в системе; шестерённый насос; автономно-циркулирующий деаэратор.

Keywords: hydraulic engine; air in the system; gear pump; autonomous-cycling deaerator.

ВВЕДЕНИЕ

Область применения гидроприводов довольно широк. Их использование в строительных, строительно-дорожных (экскаваторы, бульдозеры), горных машинах, станкостроении, робототехнике, нефтехимической промышленности, авиации, автомобильной промышленности и даже в военной промышленности позволяет предполагать её важность и актуальность использования в современной технике. Гидроприводы являются надёжными в эксплуатации. Но надёжность гидропривода снижается с присутствием в них инородных тел, например, воздуха. Присутствие воздуха в любой его форме в гидравлической системе в зависимости от условий эксплуатации приводит к следующим проблемам в гидросистеме:

- неплавная работа насоса, гидроцилиндра;

- потеря мощности в гидросистеме;

- снижение объёмного модуля упругости перекачиваемой жидкости;

- увеличение гидравлических потерь;

- образование пен на поверхности жидкости;

- рост температуры в гидравлической системе;

- увеличение вероятности возникновения эрозий и коррозий;

- образование кавитации;

- снижение производительности насоса за счёт уменьшения объёма жидкости, заполняющая рабочие камеры насоса;

- аэрация системы.

Целью данной работы является исследование способов удаления присутствующего воздуха в гидравлической системе путём теоретического анализа преимуществ и недостатков предыдущих систем удаления воздуха из гидросистемы. Общая тема исследования – влияние воздуха на работу шестерённого насоса в гидравлической системе. Объектом исследования является гидравлический двигатель, который применяется для преобразование гидравлической энергии потока жидкости в механическую энергию выходного звена. Предмет исследования – шестерённый насос с внешним зацеплением зубьев колёс.

В данной работе были рассмотрены существующие системы для удаления воздуха из гидравлической системы, проанализированы преимущества и недостатки этих систем, а также предложена система для удаления воздуха из гидравлической системы. Были рассмотрены две системы предыдущих авторов для удаления воздуха, работающие на основе центробежной силы и на основе создания разряжения давления.

В результате данной работы была разработана система для удаления воздуха, в основе которого был положен принцип создания разряжения.

1. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УДАЛЕНИЯ ВОЗДУХА ИЗ ГИДРОСИСТЕМЫ

1.1. СИСТЕМА УДАЛЕНИЯ ВОЗДУХА ПРИ ПОМОЩИ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ

Среди современных видов аппаратов удаления воздуха из гидравлической системы можно обратить внимание на элиминатор пузырьков, разработанный в 2005 году [1]. Этот элиминатор используется не только для удаления воздуха, но, а также для удаления других газов. Такой прибор схематично показан на рисунке 1.

Элиминатор состоит из конусообразной трубки у которого имеется два входа для рабочей жидкости, и одна трубка для выхода воздуха. Эту конструкцию присоединяют к основной гидролинии. Принцип работы элиминатора состоит в следующем: рабочая жидкость с двух сторон входит в элиминатор тангенциально, приобретая вихреобразное движение и ускоряется. Движение жидкости таким образом позволяет направлять пузырьки воздуха и других газов к центру трубы, а жидкость движется к периферии. Это происходит из-за возникшей центробежной силы, которая в зависимости от плотности вещества сепарирует газы от жидкости.

Рисунок 1. Элиминатор пузырьков

Недостатками такой системы является то, что использование такого элиминатора конструктивно усложняет гидравлическую систему и вихревое движение жидкости в трубе создает ряд других проблем – кавитация [2, с. 399] гидравлические потери, гидравлическое сопротивление; невозможность реверсирования. Так, к примеру, турбулентное движение связано с локальным уменьшением или увеличением давления, что может вызывать кавитации в трубе, а гидравлические потери могут возрасти через выход газа через воздушный патрубок, что вызывает недостаток жидкости в резервуаре, что в свою очередь станет причиной возникновения кавитации на всасывании шестерённого насоса. Подробное исследование о кавитации на всасывании шестерённого насоса в работе Дэвида дель Кампо Суд [3].

1.2. СИСТЕМА УДАЛЕНИЯ ВОЗДУХА ПРИМЕНЕНИЕМ ВАКУУМА

Удаление воздуха из гидросистемы на основе создания вакуума является более успешной системой, чем система с центробежной силой, так как вакуумные системы конструктивно проще, их можно отключать и включать, работают в автономном режиме. Примером такой системы является автономный циркулирующий деаэратор, который состоит из деаэрирующей камеры и аспиратора (рис. 2). Встроенный аспиратор создаёт разряжение давления в камеры деаэрации. Встроенный аспиратор состоит из реактивного сопла и сопла Лаваля (сужающееся-расширяющееся сопло). Созданный вакуум заставляет растворённый воздух выходить из раствора. Высвобожденный воздух собирается в верхней части камеры, а деаэрированная жидкость проходит через сопло Лаваля, возвращаясь в гидросистему.

Как только уровень жидкости в камере падает, поплавковый клапан садится на седло, закрывая проход в аспиратор, останавливая процесс деаэарции. Поплавковый клапан сохраняется закрытым отрицательным давлением аспиратора пока аэрированная жидкость начинает двигаться через заполняющую линию на верху камеры. Высвобожденный воздух сжимается и постепенно преодолевает частичный вакуум в камере. Аэрированная жидкость в камере имеет эффект лёгкого положительного давления и собранный в верхней части камеры воздух направляется в атмосферу через выпускную трубку. Поплавковый клапан повышается в уровне с повышением уровня жидкости в камере, таким образом, она способна преодолевать отрицательное давление аспиратора. Это автоматически закрывает выпускную линию и открывает проход аспиратора, тем самым возобновляя процесс деаэрации [4].

Рисунок 2. Автономно-циркулирующий деаэратор

1 – выход воздуха; 2 – заполняющая трубка; 3 – аэрированная жидкость; 4 – диффузор с сужающиеся-расширяющимся соплом; 5 – выход очищенной жидкости; 6 – вход жидкости; 7 – реактивное сопло; 8 – поплавковый клапан; 9 – камера, 10 – поплавок, 11 – выходной клапан

К недостаткам этой системы можно отнести присутствие в гидравлической системе сужающееся-расширяющегося сопла, так как его применение может стать причиной эрозии, из-за возникающих скоростей движения жидкости, а также в месте расширения сопла могут возникать локальные понижения давления, которая может перерасти в кавитацию. Кроме того, перекачиваемая среда должна быть очищена от механических примесей, что позволит использовать такую систему.

2. АВТОНОМНО-ЦИРКУЛИРУЮЩИЙ ДЕАЭРАТОР БЕЗ СОПЛА

Рассмотренный автономно-циркулирующий деаэратор, кроме указанных выше недостатков, в особенности – опасность возникновения кавитации, на выходе очищенной жидкости значительно снижает давление с одновременным увеличением скорости. Резкое падение давления происходит по причине использования сопла подобное соплу Лаваля, которое развивает высокие скорости движения газа с одновременным уменьшением давления [5]. Те же свойства имеет и жидкость. Для устранения или уменьшения вышеуказанных проблем, а именно кавитации и предотвращения больших снижения давления на выходе можно использовать суживающуюся трубу для создания требуемого вакуума, а также дополнительную трубу для контроля скорости процесса деаэрации (рис. 3).

Деаэратор состоит из корпуса внутри которой имеется поплавок 4, соединённый снизу со штоком 5 и шаровым клапаном 6. Рама 2 служит для удержания поплавка в центральном положении. Сверху аппарата имеется обратный клапан, который предотвращает отток воздуха в аппарат во время выпуска скопившегося воздуха. Обратный клапан 7 служит для предотвращения оттока жидкости обратно в линию.

Рисунок 3. Схема автономно-циркулирующего деаэратора без сопла

Принцип работы такого деаэратора состоит в следующем: жидкость поступает так, как показано на рисунке. Суживающаяся труба служит для увеличения скорости движения жидкости с целью создания вакуума в камере. Во время прохождения жидкости через трубу, шарик давит на седло. Труба 8 служит для подачи жидкости в камеру. Поступление жидкости в камеру через трубу 8 позволяет заполнять камеру жидкости до тех пор, пока поплавок не поднимет шарик с седла. Одновременно с заполнением камеры, происходит выделение воздуха из жидкости из-за создавшегося вакуума. Как только уровень жидкости достаточно высок, чтобы поднять поплавок, шарик поднимается из седла и очищенная жидкость начинает поступает в основную линию. Уровень жидкости контролируется отверстием на дне аппарата, а также давлением в трубе 8 после прохождения через обратный клапан. Воздух скапливается наверху камеры, и удаляется через отверстие наверху деаэратора.

Преимуществами такой системы являются отсутствие сопла, что способствует не резкому падению давления, уменьшенной вероятностью кавитации, проще по конструкции в сравнении с аппаратом с соплом. Недостатками такой системы является то, что она эффективна с малым количеством воздуха в растворе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе были рассмотрены элиминатор пузырьков и автономно-циркулирующий деаэратор, рассмотрены их конструкции, принципы их работы, преимущества и недостатки систем. Был проведён сравнительный анализ между двумя указанными аппаратами, а также с предлагаемым аппаратом. В результате литературного обзора предыдущих авторов, а также анализа преимуществ и недостатков указанных аппаратов, была предложена схема системы для удаления воздуха из гидравлической системы.

Список литературы:

1. Sayako Sakama, Yutaka Tanaka, Hiroyuki Goto. Mathematical model for bulk modulus of hydraulic oil containing air bubbles // Mechanical Engineering Journal, Vol. 2, No.6, 2015, pp. 1-3.
2. Емцев Б.Т., Техническая гидромеханика: Учебник для вузов по специальности «Гидравлические машины и средства автоматики». – 2-е изд. , перераб., и доп. – М.: Машиностроение, 1987. – 440 с.
3. David del Campo Sud. Analisys of the Suction Chamber of External Gear Pumps and their influence on Cavitation and Volumetric Efficiency. The Polytechnic University of Catalonia. March 2012
4. Vincent G. Magorien. Effect of Air on Hydraulic Systems // Hydraulics and Pneumatics. October 1967 [Electronic resource]. URL: https://www.hydraulicspneumatics.com/technologies/hydraulic-fluids/article/21883212/effects-of-air-on-hydraulic-systems (дата обращения 09.10.2021)
5. Файловый архив студентов // studfile.net. URL: https://studfile.net/preview/5809458/page:2/ (дата обращения 10.03.2020)