Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Северный (Арктический) федеральный университет
имени М.В. Ломоносова»
В.А. Стенин, Е.Г. Лебедева
ВИХРЕВЫЕ И ДВУХФАЗНЫЕ ПОТОКИ
В ТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫВКИ СУДОВЫХ СИСТЕМ
Монография
Архангельск
САФУ
2019
1
Стр.1
УДК 629.12.03-2018
ББК 39.45
С79
Рекомендовано к изданию научно-методическим советом
Северного (Арктического) федерального университета
имени М.В. Ломоносова
Рецензенты:
Л.Я. Дьячков, гл. технолог-начальник Научно-технологического
управления ПО «Северное машиностроительное предприятие»;
М.Л. Ивлев, директор института судостроения и морской
арктической техники (Севмашвтуз)
Стенин, В.А.
С79
Вихревые и двухфазные потоки в технологии промывки судовых
систем: монография / В.А. Стенин, Е.Г. Лебедева; Сев. (Арктич.) федер.
ун-т им. М.В. Ломоносова. – Архангельск: САФУ, 2019. – 104 с.
ISBN 978-5-261-01407-2
Дано теоретическое и экспериментальное обоснование использования
вихревого и двухфазного потоков для совершенствования технологических
процессов промывки судовых систем. Разработаны математические
модели промывки судовых систем, которые уточняют
условия взаимодействия твердой частицы загрязнения с турбулентным
потоком однофазной и двухфазной жидкости в ядре потока и в
ламинарном вязком подслое. Предложены способы и технические решения
для организации устойчивого двухфазного потока в протяженных
судовых системах. Теоретические исследования подкреплены
экспериментами, которые показывают целесообразность интенсификации
гидродинамического процесса очистки судовых систем вихревым
и двухфазным потоком
Для инженерно-технических работников предприятий, решающих
задачи монтажа, испытания и сдачи судовых систем, а также аспирантов
и студентов.
УДК 629.12.03-2018
ББК 39.45
ISBN 978-5-261-01407-2
© Стенин В.А., Лебедева Е.Г., 2019
© Северный (Арктический)
федеральный университет
им. М.В. Ломоносова, 2019
2
Стр.2
Введение
Рост требований к надѐжности, обусловленный созданием форсированных
силовых энергетических установок с высоким теплосъѐмом на
единицу поверхности нагрева, автоматизацией дистанционного управления
и контроля, применением для измерений приборов повышенной точности,
привѐл к ужесточению требований к чистоте рабочих сред судовых
систем и систем СЭУ. Наличие в рабочих средах даже небольшого количества
посторонних примесей способствует преждевременному износу механизмов
и арматуры. В системах гидравлики, используемых на современных
судах, присутствие механических частиц загрязнений размером свыше
16 мкм опасно.
Для предупреждения возникновения и ликвидации технологических загрязнений
предусмотрена очистка: поверхностей деталей на этапах их изготовления;
внутренних полостей при сборке оборудования; внутренних полостей
оборудования и систем на этапе монтажа. Все эти процессы хорошо
изучены и в некоторых случаях поддаются механизации.
Особого внимания заслуживает послемонтажная гидродинамическая
очистка систем на завершающем этапе производственного процесса, когда
полости изделий практически сформированы и очистке не поддаются.
Отсюда вытекает необходимость разработки комплекса организационных
мер и расчѐта режимов промывки на гидродинамических стендах. Основной
задачей является назначение рационального расхода промывочной
среды, достаточного для переноса механических частиц, и организация
режимов промывки таким образом, чтобы данный расход присутствовал на
всех участках промываемой трубопроводной системы независимо от геометрических
характеристик участка, его удалѐнности от стенда гидродинамической
очистки и других факторов.
Требования к чистоте жидкостей некоторых судовых очень высокие
[11, 12]. Поэтому соответствующие требования предъявляются к чистоте
внутренних полостей систем и их элементов. В соответствии с установленными
классами чистоты [11, 12] системы гидропривода, сжатого воздуха,
маслопроводы, конденсатно-питательная система и другие ответственные
судовые системы подвергаются очистке и промывке согласно основным
нормативным документам [8, 9]. Промывка этих систем обязательна,
так как на этапе монтажа в уже очищенные элементы систем вновь попадают
загрязнения: сварочный шлак, грат, брызги металла, заусенцы из-за
некачественной обработки металла, элементы вспомогательных и прокладочных
материалов (стекло, краска, поролон, резина, фарфор, ветошь и
т.д.). Поэтому монтажные загрязнения наиболее опасны, так как находятся
3
Стр.3
в уже собранных системах. Согласно классам чистоты рабочих жидкостей
и газов [11, 12] наличие в жидкостях частиц размером более 200 мкм не
допускается. Классы 3–12 распространяются на системы, к некоторым системам
предъявляются очень жесткие требования, при которых наличие
каких-либо загрязнителей строго регламентируется. Например, в системах
сжатого воздуха присутствие воды и масла вообще не допускается (классы
загрязненности 0, 1, 3, 5), а механических примесей (твердых частиц) строго
оговаривается в диапазоне 0,001…2 мг/м3 в зависимости от класса загрязненности.
Жидкие
и газообразные загрязнения влияют на режим работы судовых
систем (связаны с физико-химическими процессами, протекающими на
поверхности механизмов, аппаратов и др.), а твердые загрязнения оказывают
влияние на работоспособность трущихся пар деталей и конструкционный
износ материалов. Технологические загрязнения с удельной массой
более 1000 кг/м3, встречающиеся в судовых системах, представлены в [32].
Плотность этих загрязнений колеблется от 1150 кг/м3 (полиэтиленовая
дробь приведенным диаметром 1,2 мм) до 11340 кг/м3 (свинцовая дробь
приведенным диаметром 2 мм) и 7850 кг/м3 (металлическая стружка приведенным
диаметром 2,26 мм). Кроме этих загрязнений, существуют также
частицы, обладающие положительной плавучестью: древесные опилки,
пробка, ткань.
При имеющейся картине технологических загрязнений, попадающих в
системы на монтажном этапе, единственным способом очистки уже смонтированных
систем является промывка. Анализ состава загрязнений судовых
систем [32] показывает, что при гидродинамических очистках до 95 %
вымываемых частиц имеют размеры более 0,1 мм. Частицы размерами менее
0,1 мм являются трудно вымываемыми.
Формулы для расчета режима промывки (расход промывочной среды)
используются из области гидротранспорта песчаных и сыпучих материалов.
В [32] приведены рекомендации по определению критической скорости
промывки в трубопроводах различной пространственной ориентации
для транспортировки частиц при их малой концентрации, на основе теории
гидротранспорта частиц. Исследования по гидродинамическому удалению
одиночных частиц также проводились в направлении определения скорости
витания технологических загрязнений. Поскольку все судовые трубопроводные
системы отличаются сложной разветвлѐнной конфигурацией,
значительной протяжѐнностью и насыщенностью различными агрегатами
и арматурой, достижение поставленной задачи становится невозможным
без кардинального изменения существующих способов промывки судовых
систем.
4
Стр.4
Оглавление
Введение ......................................................................................................
Глава 1. Технологические основы процесса промывки судовых систем
1.1. Требования к чистоте судовых систем ........................................
1.2. Этапы проведения промывки.........................................................
3
5
5
8
1.3. Способы интенсификации процесса промывки ........................... 12
1.4. Теоретические основы процесса промывки судовых систем ..... 16
Глава 2. Вихревые потоки ......................................................................... 20
2.1. Остойчивость частицы загрязнения и пограничный слой .......... 20
2.2. Статистическая модель турбулентного потока ............................ 23
2.3. Теория градиентно-скоростного поля ........................................... 25
2.4. Закрученный поток моющей жидкости ........................................ 30
Глава 3. Двухфазные потоки ..................................................................... 34
3.1. Флотация в технологии промывки ................................................ 34
3.2. Газовый пузырь и моющая жидкость ........................................... 36
3.3. Получение устойчивого эмульсионного двухфазного потока ... 41
3.4. Определение размеров газового пузыря в потоке жидкости...... 44
3.5. Колебания газового пузырька ........................................................ 50
Глава 4. Адгезия частиц загрязнений ....................................................... 58
4.1. Адгезия частиц загрязнений в вихревом потоке ......................... 58
4.2. Адгезия частиц загрязнений в двухфазном потоке ..................... 62
Глава 5. Экспериментальное исследование двухфазных
и вихревых потоков ................................................................... 68
5.1. Математическое моделирование гидродинамических
процессов промывки в среде COSMOSFloWorks ....................... 68
5.2. Исследование процесса витания частиц загрязнений
при промывке систем ..................................................................... 76
5.3. Организация и исследование двухфазного потока
на физической модели ................................................................... 80
5.4. Комбинированный способ промывки трубопроводов ............. 88
5.5. Энергетические аспекты технологии промывки
гидравлических систем................................................................. 92
Заключение ................................................................................................. 99
Список литературы .................................................................................... 100
103
Стр.103