Жидкоструйные смесительные сопла и системы перемешивания

Жидкоструйные смесительные
сопла и системы
перемешивания в танках
Жидкоструйные
смесительные сопла
Жидкоструйные смесительные сопла Körting являются главными
компонентами смесительных систем, применяемых как для непрерывного
так и периодического перемешивания. Сопла могут полностью заменить
механические мешалки, во многих случаях значительно превосходя их по
эффективности.
Принцип работы
Захваченный
поток
Поток жидкости из танка с помощью насоса подаётся
на жидкоструйные смесительные сопла. Внутри сопла
потенциальная энергия давления преобразовывается
в кинетическую энергию. На выходе сопла
генерируется разряжение, и окружающая жидкость
засасывается внутрь.
Засасываемый поток жидкости мощно
перемешивается с рабочим потоком в смесительной
камере и ускоряется наружу. Выходящий из
смесительного сопла поток затягивает и приводит в
движение соседние слои жидкости, что еще больше
усиливает эффективность перемешивания.
Рабочий
поток
Всасываемый
поток
Работа
Смесительные сопла состоят из рабочего сопла и смесительной камеры. Рабочая жидкость, подаваемая
под давлением, обычно берётся из танка, и подается на вход смесительных сопел механическим
насосом, установленным снаружи танка. В рабочем сопле статическое давление рабочей жидкости
преобразуется в быстрый поток, создающий разряжение, которое затягивает окружающую жидкость.
Всасываемый и рабочий потоки жидкости интенсивно перемешиваются в зоне турбулентности на выходе
рабочего сопла и в прилегающей смесительной камере, и далее, подаются в танк как общий смешанный
поток. Соотношение всасываемого потока и рабочего потока составляет 3 : 1. Смешанный поток покидает
смесительное сопло на большой скорости и, сталкиваясь с остальной жидкостью в танке, захватывает
её и увлекает с собой. Таким образом, три потока жидкости, рабочий, всасываемый и захваченный,
приводят в движение весь объём танка.
Условия и ограничения в использовании
Рабочий и всасываемый потоки перемешиваются в смесительной камере за рабочим соплом. Таким
образом, создается струя гомогенно смешанной жидкости благодаря высокой турбулентности этих
потоков.
В случае жидкостей с физическими свойствами близкими к воде, пропорция рабочего и всасываемого
потоков в смеси составляет 1 : 3. Учитывая вязкость смешанного потока и эффект захвата
дополнительной жидкости на выходе смесительного сопла, первоначальный рабочий поток
увеличивается многократно. В случае с жидкостями с более высокой вязкостью эффекты смешения
потоков и захвата жидкости снижаются.
Предел использования жидкоструйных смесительных сопел достигается в том случае, когда
рабочая жидкость из-за высокой вязкости не может больше перекачиваться насосом. Рабочий поток,
проходящий через жидкоструйное смесительное сопло зависит от рабочего давления.
Металлы
Размер
Полимеры
Нержавеющая сталь
Чугун (GGG)
PP
PTFE
G 3/8
•
•
•
•
G 3/4
•
•
•
•
G 1-1/2
•
•
G2
•
•
G3
•
•
В наличии на складе. Другие размеры и материалы по заказу.
Диапазон рабочих потоков для воды
100
G 3/8"
G 3/4"
G 1 1/2"
G 2"
G 3"
эффективное рабочее давление, mLC
80
60
40
30
20
15
10
1
2
5
10
рабочий поток, м3/ч
15
20
30
40
60
80 100
Структура и работа систем
перемешивания в танках
Задача Körting Hannover AG спроектировать индивидуальную систему перемешивания для каждого
танка с его особенными характеристиками. Цель системы перемешивания в танках создать циркуляцию
жидкости во всем объёме, обеспечивая полное перемешивание и отсутствие осадков. Система
перемешивания генерирует направленные потоки жидкости так, что скорости потоков выше скорости
движения тяжелых частиц ко дну. Таким образом, гарантируется предотвращение появления осадков.
Два примера на рисунках ниже иллюстрируют принцип работы системы смешения в танках:
Определенное количество жидкоструйных сопел, в зависимости от геометрии и размеров танка, будет
смонтировано на двух трубах как можно ближе ко дну и стенкам танка. Две трубы повторяют форму
ёмкости. Так для круглого танка применяются полукруглые трубы, а в квадратном танке трубы прямые.
Требуемый рабочий поток жидкости подается к смесительным соплам по этим трубам. Трубы подачи
рабочей жидкости расположены друг напротив друга у противоположных стен ёмкости. С помощью
фиксаторов трубы будут установлены над дном танка и на нужном расстоянии от стенок. Размеры
труб определяются скоростью потока так, чтобы свести к минимуму потери от трения. Размер каждого
смесительного сопла, место его расположения и угол наклона рассчитываются заранее.
Один ряд сопел будет направлен в сторону дна для обеспечения заданных скоростей потоков в этой
зоне. С противоположной стороны ёмкости второй ряд сопел будет направлен вверх для создания
потоков в этом направлении и вдоль стенок танка. Благодаря такому распределению потоков весь объём
танка перемешивается. Для экономии энергии при малом уровне заполнения танка ряд смесительных
сопел, направленных вверх, может быть отключен.
В зависимости от характеристик перемешиваемой жидкости подбирается размер каждого смесительного
сопла. Для очень больших ёмкостей возможно размещение третьего ряда сопел в середине дна
для создания дополнительных потоков. В случае очень высоких ёмкостей, возможно размещение
второго ряда сопел, направленных вверх, не у дна, а ближе к середине для достижения оптимального
перемешивания всего объёма.
Имея возможность выбирать различные размеры смесительных сопел, их расположение и направление,
Körting Hannover AG всегда может рассчитать оптимально индивидуальную систему смешения для
каждого танка или для определенной цели. Например, для гомогенизации, для предотвращения
осаждения, для равномерного распределения температуры или для полного перемешивания всего
объёма танка.
Свойства системы перемешивания в танках
для пищевого масла
Изображения снизу дают полное представление о системе перемешивания для танков хранения пищевого
масла. 17 смесительных сопел из нержавеющей стали установлены почти горизонтально. 17 сопел
установлены почти вертикально с противоположной стороны танка. Объём танка составляет 11 000 м3 с
высотой заполнения 25 м и диаметром 24 м.
Пример
(цилиндрический танк
хранения)
• V = 11 000 м3
• H = 25 м, D = 24 м
• 34 смесительных сопла
(нержавеющая сталь 2”)
Расстановка сопел системы
перемешивания в цилиндрическом
танке хранения пищевого масла
Преимущества
• устойчивость к износу
• без обслуживания внутри танка
• без протеканий и уплотнений
• низкие инвестиционные затраты
• низкое энергопотребление
• полное перемешивание всего
объёма танка
• без трудно перемешиваемых
«мертвых зон»
После расчетов Körting предоставляет Заказчику
предварительный проект с рекомендациями
и информацией по наиболее оптимальному
размещению системы перемешивания в танке.
При расчетах Körting Hannover AG использует
компьютерную программу гидродинамического
расчета (CFD).
Пример экономии электроэнергии при
работе с системами смешения Körting
Размеры танка
диаметр
= 27,6 м
высота наполнения
= 10 м
объём наполнения
= 5 983 м3
Потребление электроэнергии
при перемешивании механическими мешалками
= 10 Вт/м3
при перемешивании системой Körting
= 4 Вт/м3
экономия электроэнергии
= 6 Вт/м3
Расчет экономии
6 Вт/м3 * 5 983 м3
= 35,9 кВт (35 898 Вт)
35,9 кВт * 8 760 ч/год
= 314 484 кВтч/год
314 484 кВтч/год * 8,6 Евроцент/кВтч = 27 046 Евро/год
8,6 Евроцент/кВт = стоимость электроэнергии для промышленных потребителей в
Германии, 2013 год.
Потенциальная экономия
на электроэнергии
27 000 Евро в год
Принципы программы
гидродинамического
расчета (CFD)
При расчетах систем перемешивания с помощью CFD
принимаются следующие условия:
• система в равновесном состоянии
• турбулентные потоки моделируются на основе
двухпараметрической модели турбулентности
Алгоритм расчета танка
хранения (D = 68 м, H = 23 м)
• расчетная сетка с тетраэдрическими ячейкам
• гладкая поверхность жидкости
смесительные сопла: 60 Х 2”
объём танка:
80 000 м3
• моделирование трубопроводов и опорных плит,
если необходимо
• генерация файла CAD
• создание расчетной сетки
• решение уравнений сохранения массы
• результаты вычислений
• физические свойства потоков средние, например,
моторное масло с высокой динамической
вязкостью (до 500 мПас)
Цифровое моделирование потоков
Целью моделирования потоков является
тестирование выбранной схемы расположения
смесительных сопел. Компьютерное тестирование
производиться в условном цилиндрическом танке,
заполненном жидкостью.
Всевозможные комбинации жидких сред и
геометрий танков могут быть добавлены в
цифровую модель и рассчитаны с помощью CFD,
исходя из требований Заказчика. Геометрия танка
тестируется в программе
CAD. Информация о размерах и форме
смесительных сопел импортируется напрямую из
индивидуальных файлов CAD. После получения
расчетов и данных о расположении, углах наклона и
количестве сопел, полная модель танка с системой
перемешивания готова к виртуальному анализу.
Полная цифровая модель состоит из всех
жидкоструйных смесительных сопел и танка,
включая питающий насос. Вся модель
конвертируется в расчетную сетку с помощью
генератора расчетных сеток, лежащего в основе
программы гидродинамического расчета (CFD).
Фундаментальные уравнения гидродинамики
рассчитываются для каждой ячейки расчетной
сетки.
В основном, это уравнения сохранения массы,
импульса и энергии. Два дополнительных
уравнения решаются для учета турбулентности,
вызванной потоками жидкости. Все уравнения
решаются с помощью специализированного
программного обеспечения. Для упрощения
вычислений принимается условие равновесного
состояния системы. Весь процесс моделирования
от генерации расчетной сетки до предоставления
готовых результатов автоматизирован.
Важными ограничивающими условиями
моделирования являются размеры танка (высота
наполнения H, диаметр D), место и размер
подключения внешнего насоса, плюс, количество,
углы наклона и схема расположения смесительных
сопел. Также важны рабочее давление и
физические свойства перемешиваемой жидкости.
2.00
1.50
1.00
0.50
места установки
Геометрическая модель системы
перемешивания
Оптимизация потоков
жидкости
0.00
Скорость [м/с]
Примеры результатов
гидродинамического расчета (CFD)
Танк хранения
пищевого масла
H = 30 м; D = 19 м
Танк очистки
сточных вод
H = 14,6 м; D = 42 м
Танк с
охлаждающей
водой
смесительные сопла
32 Х 2”
объём танка
8 500 м3
рабочий поток
790 м3/ч
плотность жидкости
910 кг/м3
вязкость жидкости
35 мПас
мощность перемешивания
5,2 Вт/м3
средняя скорость жидкости
0,17 м/с
смесительные сопла
25 Х 2”
объём танка
20 200 м3
рабочий поток
770 м3/ч
плотность жидкости
900 кг/м3
вязкость жидкости
50 спуаз
мощность перемешивания
4,2 Вт/м3
средняя скорость жидкости
0,09 м/с
смесительные сопла 18 x ¾“ + 74 x 2“
H = 5 м; D = 9,2 м
объём танка
330 м3
рабочий поток
1 900 м3/ч
мощность
перемешивания
320 Вт/м3
средняя скорость
жидкости
0,8 м/с
Расположение
сопел
Потоки воды в цилиндрическом танке
охлаждения
Танк хранения
нефтепродуктов
L = 16 м; D = 2.9 м
Высота наполнения = 2,6 м
Потоки жидкости в горизонтальном танке
объём танка
60 м3
рабочий поток
12,8 м3/ч
средняя скорость жидкости
0,24 м/с
sunderdiek.de
Körting Hannover AG
Badenstedter Straße 56
30453 Hannover
Germany
Российский филиал в Москве
Тел. +7 495 781 8878
Факс+7 495 781 6409
info@koerting.ru
130-Mixing-nozzles-RU-150507
www.koerting.de