Согласно проведенным исследованиям [1], в настоящее время объем рынка диафрагменных (мембранных) насосов оценивается в 6,2 млрд долларов США и, по прогнозам, к 2030 году достигнет отметки в 8,88 млрд долларов США. Заинтересованность данным типом объемного насоса вызвана универсальностью установки, а именно гибкой рабочей характеристикой насоса и широким диапазоном перекачиваемых жидкостей. В нефтегазовой отрасли диафрагменные насосы применяются в качестве: скважинных насосов для добычи нефти и газа (УЭДН), дозировочных насосов хим. реагента, транспортировочных насосов. Типовая схема диафрагменного насоса изображена на рисунке 1.
Принцип работы диафрагменного насоса заключается в совершении мембраной возвратно-поступательных колебаний, возникающих благодаря приводу (механическому, гидравлическому или пневматическому). Колебания мембраны приводят к последовательному всасыванию и нагнетанию перекачиваемой жидкости или газа. Одной из проблем данного насоса является энергоэффективность используемого привода.
Авторами был разработан диафрагменным насос, использующий мембрану, представляющую из себя эластомер, внутри которого находится проволока из нитинола, чередующая направление изгиба. На рисунке 2 представлена мембрана разработанного насоса.
Рабочий цикл диафрагменного насоса состоит из двух фаз: всасывание и нагнетание. Чередование фаз в данной конструкции происходит за счет подачи напряжения на определенные проволоки. На первый ряд проволок (синий) подается электричество, что приводит к смене формы у проволоки и диафрагма занимает положение всасывания, открывается всасывающий клапан, и продукт поступает в рабочую камеру, затем напряжение подается на второй ряд проволок (красный), что заставляет вернуть ее в иное положение, тем самым приводя в действие нагнетательный клапан. Частота циклов рассчитывается исходя из скорости закрытия и открытия клапанов, притом проволока из нитинола может выдержать до 10 миллионов циклов, что было установлено экспериментальным путем.
Данная конструкция имеет следующий ряд преимуществ:
· Потребляемая электрическая мощность измеряется потреблением мембраны;
· Не требуется проведение отдельного замера температуры мембраны (выполняется управляющим блоком по электрической мощности).
С целью проведения эмпирического исследования насоса с применением технологии FDM печати из PLA пластика был напечатан корпус насоса, представляющий из себя две полусферы, соединенных с помощью ответных фланцев (рис. 3).
С целью повышения герметичности и механических свойств корпуса, была выполнена пропитка полученных заготовок эпоксидной смолой ЭД-20 с отвердителем Этал-45М.
В соответствии разработанной методикой испытаний, перед проведением исследований непосредственно на насосе необходимо определить, какие характеристики имеет один виток нити никелида титана в составе мембраны.
Испытания проводились на прутках диаметром 0,75 мм и длиной 100 мм. При испытаниях измерялась сила, развиваемая проволокой в процессе выпрямления после нагрева, а также время, за которое происходит процесс выпрямления.
Замер силы производился весами III класса точности с поверочной ценой деления 5 г. Во время проведения эксперимента велась видеофиксация, по шкале времени определялось время.
Максимальное усилие составило 7,91 Н при перемещении 30 мм. Усредненные результаты измерений представлены в таблице 1.
Теоретическое давление насоса можно рассчитать по формуле [3]:
где
F – усилие, развиваемое одной нитью;
N – число нитей в мембране;
d – диаметр мембраны.
Максимальный напор насоса рассчитывается по формуле [3]:
где
F – усилие, развиваемое одной нитью;
– плотность перекачиваемой жидкости;
d – диаметр мембраны.
В таблице 2 представлены результаты при средней плотности нефти 0,81 кг/м3, числе нитей N = 20.
Таким образом, кривая давления прямого хода мембраны представлена на рисунке 4.
Подача насоса Q рассчитывается по формуле [3]:
Подача насоса регулируется временем, затрачиваемым на один цикл (нагрев и охлаждение мембраны). Напор насоса зависит от количества и диаметра проволоки, а также рабочего напряжения и мощности источника питания.
Скорость нагрева напрямую зависит от величины силы тока на мембране:
где
U – рабочее напряжение;
R – сопротивление мембраны.
где
L – длина проволоки;
S – сечение проволоки;
p – удельное сопротивление нитинола.
Сопротивление проволоки измерено мультиметром и равно 3,6 Ом. Напряжение выдается источником питания, испытания проводились при рабочем напряжении 12 В и 24 В. При таких параметрах мембраны потребляемая сила тока равна 3,33 А и 6,67 А соответственно.
КПД насоса (ηн) рассчитывается по формуле:
NБП – мощность блока питания; NН – мощность насоса. Также для корректной работы диафрагмы количество теплоты (Q), выделяемое на проволоке в единицу времени, должно быть больше количества теплоты, отводимого с мембраны
Отводимое количество теплоты зависит от тепловодности материала мембраны и перекачиваемой среды, а также подачи насоса. Стоит учитывать, что все параметры являются взаимозависимыми и изменение одного повлечет за собой изменение остальных. Поэтому необходимо найти баланс для оптимальных входных и выходных параметров насоса при различных режимах эксплуатации.
В настоящий момент проводятся доработка разработанного насоса, а также лабораторные испытания.
Литература
1. SNS INSIDER. Diaphragm Pump Market Size, Share & Segmentation, By Mechanism – URL: https://www.snsinsider.com/reports/diaphragm-pump-market-3283.
2. Казак А.С., Росин И.И., Чичеров Л. Г. Погружные бесштанговые насосы для добычи нефти, М., 1973.
3. Ю.А. Сазонов, М.А. Франков, Д.Ю. Иванов Расчет и конструирование объемного насоса, Москва 2017.
4. Лукьянова О.А., Дубинов Ю.С. Использование эффекта двойникования никелида титана при проектировании диафрагменных насосов // Тезисы докладов XII Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». 12–14 февраля 2018 г. – М.: РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2018, с. 340.
5. Лукьянова О.А., Дубинов Ю.С., Таскаев С.В. Использование свойства двойникования при создании оборудования для нефтяной и газовой промышленности // Материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ – НЕФТЕГАЗОВОМУ РЕГИОНУ». 24–28 апреля 2017 г. – Тюмень: Тюменский индустриальный университет, 2017, с. 198–200.
