Д.т.н. Касымбеков Ж.К., инж.Касымбеков Г.Ж.
Казахский
национальный технический университет, ТОО «Казгидро»
(Казахстан)
Вакуумные и напорно-вакуумные
гидроциклоны
Способ очистки
воды с помощью гидроциклонов, работающие в вакуумном режиме,впервые был
разработан заслуженным изобретателем
РК, д.т.н., профессором Жангариным Адильбеком Изтелеуовичем в 1968 году (г. Тараз) /1/. Его имя было тесно связано с гидроциклонами, т.к. свою жизнь он
полностью посвятил изучению и разработке оригинальных конструкции указанных
устройств центробежного действия.
Принцип действия насосной
установки с вакуум-гидроциклоном (рис.1), заключается
в том, что откачиваемая жидкость, попав вместе с наносами в гидроциклон Гц тангенциально, приобретает сильное
вращательное движение и под действием центробежных сил разделяется по фазам.
Осветленная часть жидкости откачивается насосом Н, а наносы, сгущенные в камере
сгущения Ксг отсасываются гидроэлеватором Гэ и
эжектируется до места назначения. Таким образом, создаются благоприятные
условия эффективной работы центробежного насоса при откачке жидкости повышенной
концентрации мехпримесей. . Как видно из
построенных профилей (рис.2), при отрицательном давлении на входе гидроциклона,
в аппарате устанавливается полностью поле разрежения (вакуумов), которое в пристеночной
зоне имеет тенденцию на убывания.
Особенности механизма движения жидкости в
вакуум-гидроциклонах и режим работы
исследованы преимущественно сотрудниками Казахского НИИ водного хозяйства /2/. Ими разработаны и освоены различные
высокоэффективные схемы конструкции гидроциклонных установок для использования
в системах орошения и сельскохозяйственного водоснабжения ( А.А.Абдураманов,
М.М. Трусов , Р.П. Помашев , С.Т. Алпысбаев, Е.Р. Жулаев, Ж.К. Касымбеков ,
М.К. Баекенова ,Н.П.Ни и др.).
Н
Гц Гэ
Ксг
Рис.1. Общий вид установки с вакуумным гидроциклоном
Рис.2. Изменение давлений в вакуум гидроциклоне
Установлено, что сложность механизма движения жидкости
в вакуум-гидроциклонах усугубляется взаимодействием отсасываемого насосом
потока и эжектирующей струей гидроэлеватора, а в целом наблюдается общность
основных закономерностей внутренних динамических процессов с напорным гидроциклоном.
Нами были установлены критические
соотношения вакуумметрической высоты всасывания насоса Нвс и напора
на входе Нвх, отвечающие граничным условиям образования как
вакуумного, так и напорно-вакуумного и напорного режимов движения жидкости в
одном гидроциклоне по мере необходимости. Это позволяет использовать один и тот
же гидроциклонный аппарат в различных
технологических схемах водоочистки и пульпоподъема.
В данном случае вакуумметрическая высота всасывания насоса равняется:
, (1)
где Нг
– геометрическая высота всасывания насоса, м;
Dhг – потери
напора в гидроциклоне, м.
Vвх, Vн –скорости
движения воды на входе и на выходе насоса.
Повышение давления на входе гидроциклона (
) за счет подпора водоподьемного гидроэлеватора из
водоисточника приводит к снижению
вакуума в разгрузочных патрубках гидроциклона и при определенном значении 
аппарат переходит на
напорный режим работы.Работа гидроциклона в таком режиме требует значительной
энергозатраты нагнетания, что связано с необходимостью подбора базового насоса
большой мощности или дополнительного нагнетателя.
Режим движения жидкости в гидроциклоне в напорно-вакуумных условиях,
как вытекает из изложенного обсуждения, происходит при соблюдении двойного
неравенства:
, (2)
когда отношение 
принадлежит отрезку
[0,1] т.е.
(3)
При этом 
, 
.
В момент перехода из вакуумного в напорно-вакуумный
режим работы поле избыточных давлений появляется в пристеночной (периферийной)
зоне цилиндрической части гидроциклона(рис.3. а и б). С увеличением подпора на
входе (
) оно распространяется в сторону конуса и при увеличении Нвх/Нвс
охватывает область пескового отверстия, в результате чего происходит свободный
вынос части жидкости или твердых частиц в атмосферу.
Рис.3. Линии
перехода из вакуумного в напорно-вакуумный режим
работы гидроциклона (а) и эпюры давления построенные при этом (б).
Установление особенностей переходных процессов,
происходящих в гидроциклоне, и определение их параметров имеет важное значение
для эффективного использования гидроциклонных аппаратов в системе водопульпоподъема.
При этом следует уделить особое внимание к изучению напорно-вакуумного режима
работы, т.к. гидроциклоны при таком режиме очистки воды находятся на стадии
освоения.
В Казахстане с 80-х
годов прошлого столетия вакуумные и напорно-вакуумные гидроциклоны внедрены порядка в 24
организациях. Основными обьектами применения их являются системы
водоснабжения,орошения,подьема подземных вод, гидроэнергетики и т.д. Экономический эффект от использования
насосных агрегатов с гидроциклонами достигается за счет снижения
эксплуатационных затрат и увеличения срока службы насоса с сохранением его
качественных характеристик (годовая наработка, долговечность и т.д.).
Вопросы использования различных модификации вакуумных
гидроциклонов
при разделении многофазных
несмешивающихся жидкостей рассмотрены также
в Кубанском государственном аграрном университете ( авторы Дегтярев Г.В. и Дегтярева О.Г.). При этом, в двухпродуктовом гидроциклоне
один насос используется для создания нужной скорости воды, а другой-для откачки
отцеперарированной нефти. Расходы
обрабатываемой воды,при диаметрах гидроциклонов 200-500 мм, колеблятся в пределах 5,0 -50,0 л/с.
Кафедрой «Гидравлика»
Азербайджанской государственной
нефтяной академии разработаны принципиально новые конструкции
вакуумных гидроциклонов, которые нашли широкое практическое применение в
морских месторождениях Азербайджана для извлечения механических примесей и
песка из продукции скважин. Исследование и применение как напорных, так и
вакуумных гидроциклонов в нефтедобывающей промышленности было начато еще А.М.Мустафаевым
и Б.М. Гутманом.
Они в своей монографии /3/ рассматрывают
основы теории, устройства и принципы действия напорных и вакуумных
гидроциклонов, применяемых в различных областях нефтяной промышленности,
приводят методику по обоснованию эффективности применения
гидроциклонов,исключающих возможность загрязнения окружающей среды.
Известны примеры использования вакуумных гидроциклонов на теплоэлектрических станциях Приднепровья и Донбасса при утилизации золы-уносов. По данной технологии основная
масса пульпы обогащается сначала на короткоконусных мультигидроциклонах,а хвосты- на длинноконусных
мультигидроциклонах. До поступления в последную тонкодисперсный продукт
обезвоживается в вакуумном гидроциклоне.
В целом, возможность функционирования гидроциклонов в вакуумных
и напорно-вакуумных условиях, значительно расширяет освоения технологических
процессов по очистке жидкости путем
гидроциклонирования в большинстве отраслях сектора экономики.
Литература:
1.
А.С.
№ 285500 СССР. Способ улавливания осадка на всасывающей трубе насоса //Жангарин
А.И. – Опубл. Б.И. 1970, № 33 (приоритет от 20.03.1968).
2.Касымбеков Ж.К. Гидроциклонно-эжекторные технологии подъема воды и
очистки сооружений сельскохозяйственного водоснабжения.Дисс.на д.т.н.– Тараз: 2003. – 226с.
3.Мустафаев А.М., Гутман Б.М. Гидроциклоны в нефтедобывающей промышленности.
М. Изд-во Недра. 1981г.
`260с.