Экономия энергии в винте Архимеда переменного наклона

АННОТАЦИЯ

Был проведен анализ новой разработки шнека Archimedes, состоящего из шнека с переменным углом наклона, подходящего для приложений, в которых уровень ниже по потоку может изменяться. В результате потребление энергии при низком уровне ниже по потоку меньше, чем у обычного фиксированного винта Архимеда. Кроме того, инвестиционные затраты ниже, поскольку требуются менее дорогостоящие строительные работы. Более того, этот винт также может действовать как запорный вентиль, поскольку на его конце по потоку находится поплавок. Был измерен расход для различных скоростей вращения, и было получено хорошее совпадение с разработанной графической моделью. В данной статье анализируется работа прототипа винтового насоса Archimedes с переменным углом наклона и моделируется его поведение. Затем измеряется его энергопотребление и сравнивается с потреблением обычных винтовых насосов с фиксированным углом наклона.

ABSTRACT

An analysis was made of the newly developed Archimedes auger consisting of a variable angle auger suitable for applications where the downstream level may vary. As a result, the energy consumption at the low level downstream is less than that of a conventional fixed Archimedes screw. In addition, the investment costs are lower as less costly construction work is required. Moreover, this screw can also act as a shut-off valve, since there is a float at its upstream end. The flow rate was measured at various speeds and a good match was obtained with the developed graphical model. This article analyzes the operation of the Archimedes variable-angle screw pump prototype and simulates its behavior. Its energy consumption is then measured and compared to that of conventional fixed-angle screw pumps.

Ключевые слова: Винт Архимеда; Расход нагнетания; Высота возвышения; Обычный насос; Насос переменного наклона.

Keywords: Archimedes screw; Discharge flow rate; Elevation height; Conventional pump; Variable inclination pump.

Вступление.

Винт Архимеда - это устройство для подъема воды на низкий напор, которое датируется третьим веком до нашей эры и используется до сих пор. Его главным преимуществом является эффективность при подъеме воды с низким напором, заполненной мусором. Хотя технологические достижения привели к появлению различных модификаций устройства с момента его первого использования до наших дней, принцип его действия остается прежним. Его основные области применения - насосные станции дренажных вод и водоочистные сооружения. Он также оказался ценным в установках, где необходимо минимизировать ущерб водной флоры и фауны. Учитывая древность устройства и полученные в результате эмпирические знания, в литературе по его техническим аспектам мало что можно найти. Тем не менее, Нагель написал руководство по проектированию установок с насосом этого типа, в котором он объясняет графический метод расчета расхода в винтовом насосе в соответствии с геометрией шнека и скоростью вращения. Винди и Бос предложили простое эмпирическое уравнение для получения расхода от насоса Архимеда:

Q=k*n*D³[m³/s]

Где: k - эмпирический коэффициент, который зависит от формы винта, характеризуемый: S / D, d / D и углом β, n - скорость вращения (об / с), а D - внешний диаметр (м ).

Торрес разработал компьютерное программное обеспечение для определения объема воды, поднимаемого за один оборот винта, в зависимости от внутреннего радиуса и угла наклона. Исходя из этого, он смог получить оптимальные геометрические параметры, которые максимизируют объем воды за ход. Однако программа не учитывает потери, возникающие в зазоре между винтом и корпусом. Винты приводятся в движение электродвигателями, размер которых зависит от двух основных факторов: расхода нагнетания и высоты подъема. Разряд можно регулировать с помощью усовершенствований в управлении скоростью вращения двигателя, либо с помощью частотно-регулируемых приводов, либо с помощью системы редуктора. В данной статье анализируется новая разработка обычного винта Архимеда. Модификация включает изменение наклона шнека в зависимости от уровня воды ниже по потоку, что обеспечивает значительную экономию энергии в тех случаях, когда уровень ниже по потоку является переменным.

Методы

Насос, использованный в этом исследовании, был разработан и изготовлен компанией B&G BUERA Ltd. по патенту № ES 1 051 874 U. Он имеет возможность переменного наклона за счет включения вала, перпендикулярного входной части и плавающего в выходной части, который дополнительно позволяет насосу действовать как запорный вентиль. Винт насоса состоит из трубчатого вала из углеродистой стали, к которому приварена трехлопастная спираль из холоднокатаного листа углеродистой стали. На концы вала навинчиваются стальные концевые заделки и на них закрепляются опорные фланцы. Внешний цилиндр устройства также изготовлен из листа углеродистой стали и сварен методом TIG. Также имеется опорная рама, на которой установлен поворотный вал насоса, которая может быть полностью снята с подрамника, встроенного в бетонные боковые стенки, которые действуют как бегунок. Наличие неопреновых полос по периметру, которые действуют как гидравлические уплотнения, препятствует любому способу фильтрации или встречного потока в результате расположения этих промежуточных элементов между входом и выходом потока. Размеры насоса следующие: наружный диаметр 1500 мм; диаметр вала 750 мм; общая длина 4500 мм; длина шага 1500 мм; лезвия 3 и зазор лезвия 5 мм (рисунок 1). Асинхронный двигатель насоса расположен во входной секции насоса, передавая движение через трансмиссию, соединенную с редуктором, расположенным рядом с входом ниже уровня воды. Система трансмиссии не имеет механизма на основе промежуточных шкивов, что снижает механические потери.

Рисунок 1. Вид в разрезе цилиндрического насоса переменного наклона (слева) и вид сзади (справа)

При анализе устройства было проведено сравнение данных, измеренных на месте, с данными, полученными путем моделирования. Следовательно, после калибровки модели значения расхода могут быть получены без необходимости создания модели уменьшенного масштаба. Анализ винта включал измерение скорости потока и передаваемой энергии для различных скоростей вращения. Измерение разницы напора между входом и выходом насоса производилось с помощью пьезометрической трубки. Скорость потока измеряли с использованием акустического доплеровского профилометра тока (ADCP). ADCP издает звуковые сигналы ниже слышимого диапазона, которые ударяются о частицы воды внизу. Звуковые волны отражаются от взвешенных в воде частиц, создавая эхо, которое обнаруживается ADCP, что позволяет ему определять скорость и глубину воды. Используя эти данные, ADCP рассчитывает расход. Количество переданной энергии рассчитывалось путем сложения потенциальной и кинетической энергии воды на входе и выходе устройства. Очевидно, что в этом расчете член потенциальной энергии имеет больший вес, чем член кинетической энергии, учитывая, что увеличение скорости потока почти равно нулю. Тем не менее, было возможно рассчитать скорость потока на входе и выходе устройства, измерив влажное поперечное сечение на двух концах устройства. Графическим методом был рассчитан объем воды, задержанной в одном из желобов шнека, длина которого равна шагу. Это было сделано путем изображения точек пересечения водной поверхности и лопасти. В этом методе проекция винтовой спирали представлена ​​на плоскость, которая перпендикулярно пересекает ось, образуя две линии, которые соответствуют верхней кромке лезвия и точке контакта лезвия и оси. Винт представлен горизонтально, поэтому поверхность воды нарисована с наклоном, равным наклону винта, что упрощает графическое представление линий проекции пересечения поверхности воды с лопастью.

Рисунок 2. Перенос промежуточной точки пересечения на круговое сечение (графический метод)

При этом следует помнить, что смещение является угловым, а не линейным, как показано на рисунке 2. После того, как все точки пересечения будут найдены, их необходимо соединить таким образом, чтобы вся область, лежащая ниже линии CD и GH представляют ту часть желоба, которая полностью заполнена и соприкасается с двумя ограничивающими стенками (рис. 3). После этого рассчитывается часть этого объема, которая максимально не связана со стенками желоба. Для этого заштрихованная область рисунка 4 разделена на равные части, и для каждой из этих частей рассчитывается объем захваченной воды (рисунок 5).

Рисунок 3. Проекция объема воды, содержащейся в желобе (графический метод)

Рисунок 4. Поперечное сечение шнека для анализа объема воды не в максимальном контакте между лопастями

Рисунок 5. Размеры учитываются при расчете единичных объемов воды участков, максимально не связанных между лопастями

Чтобы продемонстрировать экономию энергии, которую влечет за собой установка насоса с переменным углом наклона по сравнению с обычным шнеком Архимеда, графическим методом было выполнено моделирование шнека Архимеда с теми же геометрическими характеристиками, что и насос с переменным углом наклона, анализируемый в этой статье, но с фиксированным наклоном 30º (обычный насос). Учитывались одинаковый шаг, количество лопастей, а также внешний и внутренний диаметр каждой лопасти. Также было учтено, что оба насоса работают в одном и том же режиме вращения, принимая во внимание для каждого расчета расхода один и тот же коэффициент потерь на утечку.

Заключение.

Энергопотребление насоса с регулируемым наклоном сравнивалось с потреблением энергии обычного насоса с фиксированным наклоном, и было замечено, что значительная экономия энергии может быть достигнута при низком уровне воды ниже по потоку. Стоимость устройства и строительных работ также ниже для насоса с переменным углом наклона, что делает его более рекомендуемым вариантом. Метод расчета объема воды, поднимаемой насосом, в соответствии с его геометрией и скоростью вращения дал хорошие результаты по сравнению с данными, полученными на месте. Это позволило нам смоделировать производительность насоса для других условий.

Список литературы:

1. Юсуфбеков Н.Р, Игамбердиев Х.З, Малков А. “Технологик жара ёнларни автоматлаштириш автоматлаштириш асослари” 227 б ТошДТУ 2007.
2. Nagel  G  (1968)  Archimedean  Screw  Pump  Handbook.  RITZ  Pumpenfabrik OHG, Schwäbisch Gmünd.
3. Холматов О.О, Дарвишев А.Б,  “Автоматизация умного дома на основе различных датчиков и arduino в качестве главного контроллера”  Universum: технические науки: научный журнал, – № 12(81). Часть1,DOI:10.32743/UniTech.2020.81.12-1.25-28 https://7universum.com/pdf/tech/12(81)/12(81_1).pdf
4. Autocad (2012) Drawing software. AutoDesk Inc.Citation:  Monserrat  J, Ortiz RG, Cots L, Barragán J  (2015)  Energy  Saving in a Variable-Inclination Archimedes Screw. Irrigat Drainage Sys Eng 4: 133. doi:10.4172/2168-9768.1000133.