Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Kar Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék
APG 70 adalékanyag felhasználási technológiájának tervezése
DIPLOMAMUNKA
Készítette: Hajdu Boglárka
Konzulens: Dr. Szepesi L. Gábor, egyetemi docens
2014.
Igazolás
Alulírott Hajdu Boglárka (Neptun kód: D6MFTM, született: Nyíregyháza, 1989.07.22.) Igazolom, és büntetőjogi felelősségem tudatában kijelentem, hogy a leadott szakdolgozat a saját munkám.
Miskolc, 2014. december 2.
_________________________________ Hallgató Az igazolást átvettem.
Miskolc, 2014. december 2.
_________________________________ Tanszékvezető
A szerzői jogok részleges átadásáról szóló nyilatkozat Alulírott Hajdu Boglárka (Neptun kód: D6MFTM szül.hely: Nyíregyháza év: 1989 hónap: 07 nap: 22 ) ezúton nyilatkozom, hogy a dolgozat nem tartalmaz a tudományos etikát, valamint vállalatok és intézmények érdekeit sértő bizalmas információkat. Dolgozatom az Egyetemi Könyvtár részére mind elektronikus-, mind nyomtatott formában átadható, és annak tartalma a Szerző nevének és a Dolgozat címének feltüntetésével nyilvános tárhelyre feltölthető.
Miskolc, 2014. december 2.
_________________________________ Hallgató
Az igazolást átvettem.
Miskolc, ………….
__________________________________ Intézetigazgató
Diplomamunka feladatkiírás Hajdu Boglárka – Msc levelező tagozatos hallgató részére
Dolgozat címe: APG 70 adalékanyag felhasználási technológiájának tervezése Elvégzendő feladatok: -
Ismertesse a tenzidek tulajdonságait, csoportosítsa őket
-
Részletesen ismertesse a folyadékok szállítására alkalmas szivattyúkat
-
Válasszon szivattyút nagy viszkozitású folyadék szállítására
-
Határozza meg az adott csővezetékrendszer és szivattyú munkapontját
-
Ellenőrizze, hogy az adott csővezetékrendszer igényel-e hőszigetelést a megadott feltételek mellett.
A Diplomamunka leadási határideje: 2014. december 3. A Diploma terjedelme: min. 50, max 60 A/4 oldal Konzulens: Dr. Szepesi L. Gábor, egyetemi docens, Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék
Miskolc, 2014. december 3. ___________________________ Intézetigazgató
i
Köszönetnyilvánítás Köszönetemet szeretném kifejezni témavezetőmnek, Dr. Szepesi L. Gábor egyetemi docensnek, hogy lehetővé tette a diplomamunkám megírását. Köszönettel tartozom munkám elkészítésében nyújtott szakmai segítségéért és útmutató tanácsaiért. Megköszönöm Kulcsár Ildikónak, a Cudy Future Kft. ügyvezetőjének hasznos szakmai tanácsait, támogatását, mely nélkülözhetetlen volt munkám megírásához. Hálával tartozom páromnak, Tamaga Norbertnek és családomnak, hogy megteremtették azt a nyugodt családi légkört, amely nélkül a diplomamunkám nem készült volna el.
ii
Tartalomjegyzék 1. Bevezetés ............................................................................................................... 1 2. Cégismertető ......................................................................................................... 2 3. Felületaktív anyagok ............................................................................................. 4 3.1. A tenzidek csoportosítása ................................................................................ 4 3.1.1. Kationaktív tenzidek ................................................................................ 4 3.1.2. Anionaktív tenzidek ................................................................................. 5 3.1.3. Amfoter tenzidek ..................................................................................... 6 3.1.4. Nemionos tenzidek ................................................................................. 6 3.2. A határfelületi aktivitás gyakorlati jelentősége .................................................. 7 3.2.1. Diszpergáló hatás ................................................................................... 7 3.2.2. Nedvesítő hatás ...................................................................................... 7 3.2.3. Emulgeáló hatás ..................................................................................... 8 3.2.4. Habképző hatás ...................................................................................... 8 3.2.5. Szennyvivő hatás .................................................................................... 8 3.2.6. Mosóhatás .............................................................................................. 9 3.2.7. Korróziógátló hatás ................................................................................. 9 3.3. A tenzidek felhasználása................................................................................ 10 3.4. Felületi feszültség .......................................................................................... 11 3.5. Alkil-poliglükozidok ......................................................................................... 12 3.5.1. APG 70 ................................................................................................. 14 4. Szivattyúk............................................................................................................. 16 4.1. A szivattyúk osztályozása .............................................................................. 16 iii
4.2. Áramlástechnikai elven működő szivattyúk .................................................... 17 4.2.1. Centrifugál szivattyú .............................................................................. 17 4.2.2. Mamut szivattyú .................................................................................... 19 4.2.3. Sugárszivattyúk..................................................................................... 20 4.3. Volumetrikus elven működő szivattyúk .......................................................... 21 4.3.1. Dugattyús szivattyúk ............................................................................. 22 4.3.2. Membránszivattyúk ............................................................................... 22 4.3.3. Fogaskerék-szivattyúk .......................................................................... 23 4.3.3.1. Fogaskerék-szivattyúk jelleggörbéi ................................................ 25 4.4. Szivattyú jelleggörbe és munkapont ............................................................... 28 4.5. A folyadékszállítás elméleti összefüggései .................................................... 30 4.6. Az áramlás jellege .......................................................................................... 32 5. Hőszigetelés ........................................................................................................ 34 5.1. Hővezetés ...................................................................................................... 35 5.1.1. A hővezetés differenciál egyenlete – Fourier II. ................................... 36 6. Kísérleti rész ........................................................................................................ 37 6.1. A szivattyú kiválasztása ................................................................................. 37 6.2. Üzemi alaprajz ............................................................................................... 39 6.3. Számítási feladat............................................................................................ 40 7. Összefoglalás ...................................................................................................... 48 8. Summary .............................................................................................................. 49 9. Irodalomjegyzék .................................................................................................. 50
iv
Absztrakt Munkahelyemen, a nyíregyházi székhelyű, Cudy Future Kft.-nél háztartás vegyipari és ipari tisztítószerek fejlesztésével, gyártásával, kereskedelmével foglalkozunk. Diplomamunkám során fő célkitűzésem egy nagy viszkozitású folyadékok szállításra alkalmas szivattyú kiválasztása volt, amely képes szállítani az AGP 70 nevű adalékanyagot. A Kft. termékeinek nagy része tartalmazza az APG 70 felületaktív anyagot. A gyártási folyamatokat jelentősen lerövidíti, ha ezen anyag szállítása az üzem területén az egyes gyártási folyamatoknál szivattyú segítségével történik.
v
1. Bevezetés A jelenlegi fogyasztási termékekre irányuló növekvő követelmények miatt egyre nehezebb a felületaktív anyagok piacára bekerülni. Az új sikeres felületaktív anyagoknak méregtanilag (toxikológialiag) biztonságosnak, biológiailag azonnal lebonthatónak, más anyagokkal kombinálhatónak kell lenniük. Végezetül ezeket a tulajdonságokat ötvözni kell egy jó költség/teljesítmény aránnyal. A tenzidek, vagy más néven felületaktív anyagok olyan vegyületek, amelyek emulgeáló hatásuk révén leoldják a bőrfelszínről, textíliáról, vagy bármely más felületről a szennyeződéseket és a zsírt. A mosószerek, mosogatószerek, tisztítószerek, illetve a kozmetikumok közül a kézmosók, tusfürdők, samponok, arclemosók, de még a legtöbb fogkrém is ilyen tenzideket tartalmaz. A legismertebb tenzid a szappan. A tenzidek a zsírkedvelő részükkel a zsírokhoz, olajokhoz, a vízkedvelő részükkel pedig a vízhez kapcsolódnak, így a vízben gyakorlatilag a szennyeződött zsírral emulziót képeznek, majd ezt az emulziót lehet tiszta vízzel leöblíteni. A felületaktív anyag megnevezés onnan származik, hogy a tenzidek arra is képesek, hogy csökkentsék a víz felületi feszültségét, ami így be tud hatolni a legapróbb résekbe is, és a szennyeződéseket onnan is el tudja távolítani. A tenzidek fontos alapanyagai a háztartás vegyipari és ipari tisztítószereknek. A diplomamunkám első részében csoportosítom a tenzideket kémiai szerkezetük szerint és ismertetem a legfőbb tulajdonságaikat. Majd
bemutatom
a
folyadékok
szállítására,
mozgatására
alkalmas
szivattyúkat, ismertetem a folyadékszállítás elméleti összefüggéseit. Munkám célja, hogy a nagy viszkozitású APG 70 felületaktív anyag szállítására a legalkalmasabb szivattyút kiválasszam, valamint a csővezetékrendszer és a választott szivattyú munkapontját meghatározzam. Zárásként számításokkal ellenőrzőm, hogy a csővezetékrendszer adott technológiai feltételek mellett igényel-e hőszigetelést.
1
2. Cégismertető A Cudy Future Kft. 2010-ben alakult, alapítói Kulcsár Ildikó vegyész és édesapja, Kulcsár Antal. A Kft. háztartás vegyipari és ipari tisztítószerek fejlesztésével, gyártásával, kereskedelmével és üzemhigiéniai szaktanácsadással foglalkozik. A cég székhelye és telephelye Nyíregyházán, a Tünde u. 18. sz. alatt található. A Kft. 100%-ban magyar tulajdonú vállalkozás, minden terméke hazai, Szabolcs-SzatmárBereg megyei munkaerővel készül, így támogatja a helyi gazdaságot. A cég vezetője, Kulcsár Ildikó több mint tíz éves szakmai tapasztalattal rendelkezik. Termékeiket folyamatosan fejlesztik, felhasználva a vegyipar legújabb kutatási eredményeit és a vevőik igényeit. Saját fejlesztésű tisztítószereket gyártanak és forgalmaznak. A Cudy Future Kft. céljai között első helyen szerepel, hogy tisztítószerei segítségével hozzájáruljon az intézmények és a háztartások veszélyes anyag kibocsátásának, környezeti terhelésének csökkentéséhez. Ennek érdekében jól lebomló, többségénél Ecolabel minősített alapanyagokat használnak, kiválasztásuk során fokozottan odafigyelnek arra, hogy a lehető legkisebb legyen a káros szennyezőanyag tartalmuk. A termékeikben kizárólag olyan színezőanyagokat használnak fel, amelyeket az Európai Unió ide vonatkozó rendeletei élelmiszerekben felhasználható színezékként engedélyez. A termékskála igen gazdag. Textilmosásra gyártanak: folyékony mosógélt, mosóport, textilöblítőket, folttisztítót, mosószappant többféle illatban és illatmentesen is. Konyhai tisztítószereket: mosogatószert, citromsavas vízkőoldót, mosogatógép öblítőt,mosogatóport. Ipari felhasználásra erősen lúgos, illetve savas tisztító- és fertőtlenítő szereket és koncentrátumokat. A Cudy Future Kft. felismerve a minőség gazdasági jelentőségét nagy hangsúlyt fektet a minőségpolitikára. A minőség folyamatos javítására törekszik. A cég alapvetően törekszik termékei olyan módon történő előállítására, amely különböző vevői szegmenseket céloz meg. Széleskörű marketing tevékenysége eredményeként eljut a prémium kategóriát, az általános elvárásokat megfogalmazó, valamint az adott felhasználási célra alkalmas terméket igénylők köréhez. Ezzel együtt igyekszik a termékpaletta változatosságának biztosítására, a minőségi
2
színvonal állandóságának megőrzésére, az egyedi vevői igények teljesítésére. A technológiai módszerek ismertetésével, szaktanácsadással segíti elő termékei megelégedettséggel történő felhasználását. Termékeik versenyképességét hatékonyságuk biztosítja, amely a különös gondossággal megtervezett hatóanyag típusokon és hatóanyag tartalmon alapul. Folyamatosan fejlesztik a termékek gyártásának technológiáját, és minden olyan tevékenységet, amely a vevői igények teljes körű kielégítését elősegíti. Értékes stratégiai célként kezelik a beszállítókkal a hosszú távú, megbízható kapcsolatra törekvést a magas minőségi színvonalú alapanyagok beszerzése érdekében. Mindezek
elérését,
folyamatosan
fejlesztett
és
karbantartott
eszközállománnyal, felkészült személyzettel, valamint hatékonyan működő MSZ EN ISO
9001:2009
szabvány
szerinti
minőségirányítási
rendszerrel
kívánják
megvalósítani. Az MSZ EN ISO 14001:2005 rendszert működtetve folyamatosan javítják a cég környezetvédelmi teljesítményét. Ezért az általuk fejlesztett és előállított termékek
életciklusok
teljes
intervallumában
felhasználó-
és
környezetbarát
tulajdonságokat hordoznak magukban. Nagy gondot fordítanak a termékek csomagolási épségének megóvására a termékek előállítása, a tárolása és szállítása során, betartva minden olyan előírást, amellyel a környezetkárosítás megelőzhető. A termékek
teljes
életútját
figyelemmel
visszavásárolják és újra töltik.
3
kisérve
a
kiürített
göngyölegeket
3. Felületaktív anyagok [1] Segédanyagoknak nevezzük azokat az anyagokat, amelyeket valamilyen gyártásfolyamatban alkalmaznak, de a termék alapvetően nem ezekből keletkezik. Kettős szerepük van, egyrészt megkönnyítik, illetve lehetővé teszik a gyártást, másrészt a termékbe beépülve annak tulajdonságait módosítják. A segédanyagokat két fő csoportba sorolhatjuk: felületaktív és nem felületaktív anyagok. A felületaktív anyagokat más néven tenzideknek nevezzük. A felületaktív anyagok tovább csoportosíthatók a vegyület kémiai szerkezete szerint, a nem felületaktív anyagok pedig a felhasználásuk célja szerint.
3.1. A tenzidek csoportosítása A felületaktív anyagok molekulái egy vízoldhatóságot biztosító poláris /hidrofil/ részből és egy apoláris /hidrofób/ részből állnak. A tenzidek felületi feszültséget csökkentő hatása vizes oldataikban érvényesül főként, mert a víz felületi feszültsége /a folyadék-gáz határfelületen/ relatíve nagy. A tenzidek tulajdonságainak kialakításában meghatározó szerepet kap a hidrofil és hidrofób rész minősége és egymáshoz viszonyított nagysága. Bármely poláris csoport szerepelhet hidrofil csoportként. A hidrofób csoport lehet gyűrűs, de általában nagy szénatomszámú /10-18 szénatom/ alkilcsoport. A tenzideket disszociációjuk,
illetve
kémiai
szerkezetük
alapján
csoportosítják.
Eszerint
megkülönböztetünk kationaktív, amfoter és nemionos, anionaktív tenzideket.
3.1.1. Kationaktív tenzidek Az anyag kationaktív, ha az ionos felületaktív anyagban a hidrofób részt tartalmazó ion pozitív töltésű. Felhasználásuk szűkebb körű, mint az anionaktívaké, elsősorban a textiliparban alkalmazzák őket. Néhány típusuk: -monoalkil-ammóniumsók -N-alkil-piridiniumsók -kvaterner ammóniumsók :
4
Dietil-fenil-metilammónium-bromid
3.1.2. Anionaktív tenzidek A tenzid anionaktív, ha az ionos felületaktív anyagban a hidrofób részt tartalmazó ion negatív töltésű. A legrégebben használt és még manapság is meghatározó anionaktív anyag a szappan, amely kémiailag különböző zsírsavak sóinak keveréke. A szappanok gyártásának alapanyagai a 14-18 szénatomszámú telitett és telítetlen zsírsavakat tartalmazó zsírok és olajok, vagy gázolajból nyert mesterséges zsírsavak. Szappanokká alakításuk lúgok /NaOH, KOH, Na2CO3, stb./ segítségével történik. Az alkáliszappanok felületaktív tulajdonságai meglehetősen jók, előnyük továbbá, hogy olcsók. Hátrányuk, hogy savas közegben zsírsavaik kicsapódnak /savérzékenység/; lúgos hidrolízisük miatt károsítják a fehérjealapú szálakat, valamint a kemény vizekben oldhatatlan csapadékokat képeznek /mészérzékenység/. Az anionaktív anyagok között meghatározóak a szulfát típusúak, amelyek savanyú kénsav-észterek sói. Szerkezetükre jellemző, hogy a kénatom oxigénen keresztül kapcsolódik a szénatomhoz: R-CH2-O-SO3Na A szappanok mész- és savállóságát lényegesen javítja, ha karboxilcsoportok mellett hidrogén-szulfát-csoportot is beviszünk a molekulába. Ilyen típusú anyagok a szulfatált
olajok,
előállításuk
kénsav
segítségével
történik
telítetlen
vagy
hidroxizsírsavakat tartalmazó alapokból. Ilyen olajok pl. a ricinus-, a len-, a kukoricaés az olívaolaj. A szulfatált olajok mosóhatása gyenge, ugyanakkor nedvesítő és diszpergáló képességük megfelelő, emiatt jó textilipari segédanyagok. Az anionaktív tenzidek között leglényegesebbek a szulfonsavak sói, amelyeket szulfonátoknak is neveznek. Szerkezetükre jellemző, hogy a kénatom közvetlenül kapcsolódik az apoláris részhez: R-SO3Na 5
3.1.3. Amfoter tenzidek Az amfoter felületaktív anyagok molekulájában jelen van savas és bázikus csoport is, amelyek a közeg kémhatásától függően anionként vagy kationként disszociálnak. Jelentőségük kisebb a kationaktív tenzideknél, többnyire textilipari segédanyagok. Sajátos képviselőjük a betain: /CH3/ 3N+-CH2-COO-
3.1.4. Nemionos tenzidek A nemionos tenzidek molekulájában több poláris csoport van, azonban ezek a csoportok vizes közegben nem disszociálnak. A hidratálódást a poláris csoportok együttesen eredményezik. Meghatározó fontosságúak az etilén-oxid származékok, amelyek
hidrogént
tartalmazó
vegyületekkel
reagálva
poli/oxi-etilén/-láncot
képeznek. R-X-H + n CH2-CH2
R-X-/CH2-CH2-O/n-i -CH2-CH2-OH
O X lehet O /alkohol/, S /merkaptán/, NH /amin/, COO /karbonsav/ A fenti reakciót etoxliezésnek nevezzük. A poli/oxi-etilén/-lánc minden oxigénatomja asszociálja a vízmolekulákat, ezért a lánc erősen hidrofil. Egyedi tulajdonságokkal rendelkező tenzideket kapunk, ha a lánc különböző hidrofób csoportokat tartalmazó alapvegyülethez kapcsolódik. A hidrofil-hidrofób arányt az etilén-oxid mennyiségével lehet változtatni. Az átlagos etoxilezési fok n = 3-50. Az etoxilezés során keletkező vegyületek
további
reakciókba
vihetők:
pl.
észterezni
lehet
a
láncvégi
hidroxicsoportot. A tenzidek közül az etilén-oxid származékok szerkezete és tulajdonságai variálhatók a legszélesebb skálán. Előnyös sajátosságuk, hogy más tenzidekkel keverve sok esetben mutatnak szinergetikus hatást. Biológiailag ártalmatlan termékek is találhatóak közöttük, amelyeket gyógyszerkészítményekben és kozmetikumokban is felhasználhatnak. Előnyös tulajdonságaik miatt fokozódik az alkalmazásuk, a legszélesebb körben kerülnek felhasználásra, annak ellenére, hogy drágábbak a többi tenzidnél.
6
3.2. A határfelületi aktivitás gyakorlati jelentősége A tenzideket a következő tulajdonságaik miatt alkalmazzák: diszpergáló-, nedvesítő-, emulgeáló-, habképző-, szennyvivő-, mosó- és korróziógátló tulajdonság. A felsorolt hatások mind kapcsolatban vannak egymással, valamint a felületi feszültség csökkentésével.
3.2.1. Diszpergáló hatás Diszpergálás olyan fizikai kémiai folyamat, melynek során bármilyen halmazállapotú anyag igen apró részecskékre felosztva keveredik egy másik anyaggal. Ha szilárd anyagot diszpergálunk folyadékban, szuszpenzió; ha folyadékot diszpergálunk folyadékban, emulzió; ha gázt folyadékban, akkor hab képződik. Diszpergálásnál a tenzidek hatása kettős. Egyfelől elősegítik a diszperzió létrehozását, tehát magát a diszpergálást. Ez főleg szilárd anyagok diszpergálásnál fontos, mert a tenzid nedvesedést könnyítő hatása révén, a folyadék az egyes szemcséket teljesen körül tudja venni, így megakadályozva azt, hogy azok összeálljanak. A tenzid oldata bejut a szilárd szemcsék repedéseibe, ahol a kapillárisokat szétfeszítve tovább aprítja az anyagot. Másfelől a tenzid stabilizálja a kész diszperziót. A felületaktív anyag molekulái úgy veszik körül a diszpergált részecskéket, hogy hidrofil részük a vízbe nyúlik, és ezek taszításával magyarázható a védő-kolloid hatás.
Mosás során a dörzsölés mechanikai hatása végzi a
diszpergálást, amit a felületaktív anyag segít elő.
3.2.2. Nedvesítő hatás Nedvesedés során szilárd-gáz határfelület helyett szilárd-folyadék határfelület keletkezik. Vizes oldatokban a felületaktív anyagok nedvesítő hatása főként a víz felületi feszültségének csökkentésén alapszik, ezért szükséges, hogy a tenzid vízben oldódjon. A hőmérséklet-emelésekor erősen nő a víz nedvesítő képessége, ugyanakkor a tenzidek hatása némiképp csökken. Azok a felületaktív anyagok számítanak a legjobb nedvesítőszereknek, amelyeknek apoláris része vagy kondenzált gyűrűt tartalmaz vagy elágazó láncú. A nedvesítésnek lényeges szerepe
7
van a mosásnál, a textilszínezésnél, a kőolajbányászatnál, a nyomdászatnál és az útépítésnél.
3.2.3. Emulgeáló hatás Azokat a diszperz rendszereket, amelyekben adott hőmérsékleten mind a diszperz rész, mind a diszperziós közeg folyékony halmazállapotú, emulziónak nevezzük. A tenzidek emulgeáló hatása a felületi feszültség csökkentésével és a két folyadék
határfelületén
történő
adszorpcióval
van
összefüggésben.
Az
emulgeálószereknek kevésbé kell nagy nedvesítő képességűnek lenniük, mint a diszpergálószereknek, ugyanis az emulgeálószereknél a hangsúly a stabilizáló hatáson van. Emulziók stabilizálásakor a tenzid filmszerűen fedi be az emulgeált cseppeket. A gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy emulgeálószerek keverékei eredményesebbek, mint a kémiailag egységes tenzidek.
3.2.4. Habképző hatás Azt a diszperz rendszert, amelyben a diszpergált rész légnemű, az összefüggő diszperziós közeg pedig folyadék, amely vékony hártyákká torzul, habnak nevezzük. A vékony hártyák, az úgynevezett lamellák választják el egymástól a gázbuborékokat. A habok előállításakor mechanikai hatásra (pl. keverésre) a gázbuborékok a folyadék felszíne fölé kerülnek, és a tenzidekből kialakul egy párhuzamos kettősréteg. A habok előállításának elsődleges célja a folyadék-gáz határfelület nagyarányú növelése. Főként mosásnál, illetve tűzoltásnál van nagy jelentőségük. A habok sokszor nem kívánt hatást is kifejtenek, például a mosószerekkel szennyezett vizek felszínén létesülő hab komoly veszélyt jelent a vizek élővilága és öntisztulása számára.
3.2.5. Szennyvivő hatás A szintetikus felületaktív anyagok segítségével végzett mosás dinamikus egyensúlyra vezető folyamat. Adott idő alatt ugyanannyi szennyeződés kerül a mosólébe, mint amennyi visszarakódik a mosandó felületre. A tenzidek az egyensúlyt a számunkra kedvező irányba tolják el, ezt a tulajdonságukat nevezzük
8
szennyvivő hatásnak. A szennyvivő hatás annál nagyobb, minél nagyobb micellákat képez a tenzid, valamint adalékanyagok hozzáadásával is növelhető.
3.2.6. Mosóhatás Azt az eljárást, amely során mosófolyadék segítségével távolítjuk el a szilárd felületre
tapadt
rendszerint
nem
szennyeződéseket mosásnak nevezzük. alkotnak homogén
keveréket.
A
A
mosás
szennyeződések egymást
követő
részfolyamatokból áll: első lépésben történik a textília átnedvesítése a vizes tenzidoldattal; második lépésben a leszorított szennyeződés emulgeálása megy végbe a mosófolyadékban. A szilárd szennyeződések diszpergálással kerülhetnek a mosófolyadékba; az így létrejövő szuszpenziót a tenzidek stabilizálják. A jó szennyvivő képesség nagyban hozzájárul a mosás eredményességéhez. A mosóhatás nincs összefüggésben a habzóképességgel, ezáltal a gyengén habzó tenzidek is lehetnek jó mosóhatásúak.
3.2.7. Korróziógátló hatás A fémfelületek korrózió elleni védelmére is használhatóak némely tenzidek. Ezen anyagokat a motorok üzemanyagaihoz és fémipari hűtő- és kenőemulziókhoz keverik. Használatuk előnyös lehet víztárolókban, hűtő- és fűtővízrendszerekben is.
9
3.3. A tenzidek felhasználása A szappant a sumérok már időszámításunk előtt 2500 évvel ismerték, bár eleinte csak kozmetikumként és gyógyszerként alkalmazták. Mosószerként kb. 1000 éve használják. A tenzidek kutatása, előállítása, ipari szintézise csak a II. világháború után indult fejlődésnek. Jelentőségüket megnöveli, hogy alkalmazásuk új technológiákat tesz lehetővé, illetve javíthatja, egyszerűsítheti és olcsóbbá teheti a hagyományos munkafolyamatokat. Mivel a kedvező hatást általában már kis mennyiségű tenzid is biztosítja, így alkalmazásuk gazdaságos. Háztartás
vegyipari
alkalmazásra
segédanyagként
(mosószerek,
mint
mosó
mosogatószerek,
és
tisztítószerek
súrolóporok,
kerülnek
üveg-,
padló-,
szőnyegtisztítók, stb.). A tenzidek textilipari segédanyagként is fontosak, és a kozmetikai iparban is nélkülözhetetlenek. Némely termékben a tenzid a készítmény fő tömegét alkotja /samponok, habfürdők/; másokban a tenzid adalékanyag /bőr- és fogápolószerek/. Elengedhetetlen, hogy az itt felhasznált tenzidek a bőrrel jól összeférhetőek legyenek és nem lehetnek toxikusak. A gyógyszeripar a tenzideket kenőcsök, krémek készítésénél, gyártási és gyógyszerformálási segédanyagként alkalmazza. Tenzideket alkalmaznak a növényvédő szerek gyártásánál, kiszerelésénél, ugyanis a hatóanyagok nagy része vízben rosszul oldódik, nehezen szívódik fel, nem tapad. A tenzidek fontos segédanyagok a gumi- és műanyagipari latexek előállításához és stabilizálásához. Az élelmiszeriparban a tenzideket a gyümölcs- és zöldségfélék konzerválószereként, valamint
élelmiszerek
adalékanyagaként
(pl.
a
kenyér
kiszáradásának
megakadályozására, és a margarin hőstabilitásának növelésére) hasznosítják. A
kőolajbányászatban
és
feldolgozóiparban
a
tenzideket
szekunder
olaj
kitermelésnél, vizes kőolajemulziók bontásánál, fúróiszapokban és korróziós inhibitorként használják. A tenzidek felhasználásának fontos területei továbbá: bőr- és szőrmeipar, a lakk- és festékipar, az élelmiszeripar, az építőipar, a papíripar, a fotóipar.
10
3.4. Felületi feszültség A felületi feszültség a fázisok határfelületén fellépő jelenség, amely minden olyan anyag sajátossága, amelynek részecskéi között az ütközés mellett más kölcsönhatás is fellép. Annak függvényében, hogy milyen fázisok érintkeznek egymással, különbséget tehetünk folyadék-gáz, folyadék-folyadék, szilárd-folyadék és szilárd-gáz határfelületek és felületi feszültségek között. Egy fázist alkotó részecskék között különbség tehető az alapján, hogy a fázis belsejében vagy a felületén helyezkednek el. Tiszta anyagoknál a felületi réteg felett az anyag gőz állapotú részecskéi vannak, amelyekben a részecskék átlagos távolsága jelentősen nagyobb – a vonzerők jelentősen kisebbek -, mint a tömbfázis belsejében. A folyadék belsejében kompenzálják egymást a szomszédos molekulától eredő kohéziós erők, ezzel szemben a felületen ezeknek az eredője a folyadék belseje felé mutat. Tehát a felületi molekulákat a kohéziós erő a folyadék belseje felé próbálja elmozdítani. Ebből adódik, hogy a felület létrehozása vagy megszüntetése munkával jár. A felszín egységnyi hosszú szakaszára merőlegesen ható erőként definiálják a felületi feszültséget [N/m]. Tiszta folyadékok esetében a felületi feszültség az a munka, amely egységnyi új felület létrehozásához szükséges [J/m 2] A felületi feszültség az anyag kémiai felépítésével kapcsolatos fontos fizikai állandó, mely nagy mértékben függ a hőmérséklettől. Fontos megemlíteni, hogy a felület feszültség nagy mértékben függ az anyag tisztaságától, ugyanis kismértékű szennyezés is jelentősen megváltoztatja. Ennek megfelelően a koncentrációtól jelentős mértékben függ az oldatok felületi feszültsége. Attól függően, hogy a folyadék felületén nagyobb-e vagy kisebb, mint az oldat belsejében az oldott anyag koncentrációja változik az oldatok felületi feszültsége. Azon anyagokat, melyek csökkentik a felületi feszültséget felület- vagy kapilláraktív anyagoknak nevezzük (pl. mosószerek, tenzidek, alkoholok, stb.) Azon anyagokat, melyek a növelik a felületi feszültséget kapillár inaktív anyagoknak nevezzük (pl. cukrok, erős elektrolitok). [2]
11
3.5. Alkil-poliglükozidok Emil Fischer, több mint 100 évvel ezelőtt határozta meg és állította elő laboratóriumban az első alkil-glükozidot. Az irodalomban az alkil-poliglükozidokról először Emil Fischer 1893-ban tett említést. Az alkil-poliglükozidok, mint széles körben ismert, iparilag előállított termékek iránt hosszú ideig csak tudományos érdeklődés mutatkozott. Az alkil-glükozidok tisztítószerként való használatáról szóló szabadalmat 40 évvel később Németországban nyújtották be. Ezután hosszú időre elfeledték, feltehetőleg nem csak azért mert a gyártásuk nehéz volt, hanem mert nagyon sok más felületaktív anyagot gyártottak. Ezt követően mintegy 40-50 éve a különböző cégek kutatócsoportjai az alkil-glükozidokra irányították figyelmüket és fejlett technikai folyamattal előállították az alkil-poliglükozidokat. Történt néhány fejlesztés a C8-C10-alkil-poliglükozidokkal kapcsolatban az 1970-es évek közepén a Rohm & Haas amerikai cég és a Seppic francia cég részéről, akik szintén mutattak be termékeket a piacon (Triton BG 10, Triton CG 110), azonban a fogadtatásuk nem volt túl lelkes. Mindaddig nem következett be változás, amíg az 1980-as évek első felében ez a régi felületaktív anyag újra elő nem került, aminek hátterében a növekvő környezetvédelmi hullám állt. Az intenzív használata az anomerikus alkil-glükozidoknak, mint az n-oktil β-Dglükoz és n-dodecil β-D-maltóz a biológiában, mint a membrán fehérjék effektív oldódást segítő anyaga, más alkalmazásokkal együtt jelezte, hogy ezek a feületaktív anyagok
nagyon
biztonságosak.
Mindezt
egy
anyagcsere
tanulmánnyal
bizonyították, amikor száján át adtak be egy egérnek alkil- β-glükozidet. A kísérlet eredményeként váltak ezek a felületaktív anyagok ajánlott emulgeálószerekké az élelmiszerekben. Az alacsony méregtartalmuk és ökológiai biztonságuk valójában nem meglepő, ha összehasonlítjuk őket a biofelületaktív anyagok csoportjával és rájövünk, hogy mennyire hasonlóak hozzájuk. További kezdeményezések történnek az alkil-poliglükozidok széleskörű alkalmazására és használatuk előnyeit egyre inkább felismerik, különösen a hosszú láncú termékeknél. Olyan vállalatok, mint az A. E. Staley, Procter & Gamble, Henkel, Kao Corp. és Hüls kutatásokat és fejlesztéseket végeznek. A piac erős érdeklődését tükrözi ezen felületaktív anyagok iránt a szabadalmi statisztikák és az irodalmi kiadványok növekedése.
12
Számos szabadalom van, amelyek különösen az alkil-poliglükozidok speciális tulajdonságaira alapoznak, beleértve a kompatibilis és szinergikus hatását, amikor más egyéb felületaktív anyagokkal vagy felületaktív anyagok összetevőivel kombinálják. A jelenlegi nagy érdeklődést az alkil-ploiglükozidok iránt magyarázza kiváló
ökotoxikológiai
tulajdonságaik,
illetve
a
rendkívüli
gazdaságos
költség/teljesítmény arány és nem utolsó sorban az a magas minőség, amit garantál, annak ellenére, hogy a gyártási folyamat irányítása nehéz. Ezért biztosra vehető, hogy alkil-poliglükozidoknak kiemelkedő szerepük lesz a felületaktív anyagok körében a jövőben is. Az
alkil-poliglükozidokat
közvetlenül
glükózból
és
zsíralkoholból
szintetetizálják. A zsíralkohol lánc hosszának és a glükóz csoportok számának változtatásával az alkil-poliglükozidok szerkezetének tulajdonságai befolyásolhatók. Az
alkil-poliglükozidok
világszintű
gyártásának
nemrégiben
bekövetkezett
növekedése a legfontosabb cukor alapú felületaktív anyagává tette. Az egész világon 60 tonna/év mennyiséget gyártanak. [3, 4, 5]
13
3.5.1. APG 70 Az alkil-poliglükozidok (APG) új generációs környezetbarát felületaktív anyagok. Nem ionos felületaktív anyagok, melyek kizárólag növényi nyersanyagokból készülnek. A 1990-es évekig nem gyártották ipari méretben őket. Az alkilpoliglükozidok teljes mértékben lebomlanak biológiailag, nem mérgező és nem irritáló tulajdonságúak, kiváló felületaktív tulajdonságokkal bírnak, ezért elterjedten alkalmazzák
tisztítószerek,
kozmetikumok,
élelmiszerek
és
gyógyszerek
alapanyagaként.
Alkalmazásuk:
Kemény felületek tisztítószereihez, mint fürdőszobai- és üvegtisztítók mivel csekély a maradékuk, ezáltal a hidratálódásuk és a folthagyásuk kiváló
Erős alkáli közeggel szemben mutatott toleranciája rendkívül alkalmassá teszi ipari tisztítószerek komponenseként való használatát
Magas elektrolit koncentráció mellet is megmarad a kiváló hidratálódása, ezért ilyen közegben is alkalmas felületaktív komponens [6]
Az 1. ábrán az APG 70 termékminta látható.
1. ábra: APG 70
14
Az APG 70 fizikai tulajdonságai: Külső megjelenés:
Sárgásbarna vagy színtelen viszkózus folyadék
Aktív anyag koncentráció:
kb. 70%
Víztartalma (EN 13267):
kb. 30%
pH (EN 1262, 5 % vízben):
kb. 8
Sűrűség (DIN 51757 , 20°C)
kb. 1,18 g/cm3
Dermedési pont:
kb. -15°C
Forráspont:
kb. 100°C
Lobbanáspont:
> 100°C
A felületi feszültség desztillált víz esetén (2. ábra): Felületi feszültség [mN/m]
APG 70
2. ábra: Felületi feszültség desztillált víz esetén (Forrás: APG 70 Safety Data Sheet, BASF, 2008)
15
Aktívanyag tartalom %
4. Szivattyúk A különböző vegyipari műveletek, vegyipari technológiák üzemeltetése során a leggyakrabban előforduló feladat a folyadékok szállítása, mozgatása a vegyipari berendezésekben. A szállításhoz szivattyúkat használunk. Szivattyúnak nevezzük azon áramlástechnikai munkagépeket, amelyek folyadékokat, folyadékok és gázok vagy gőzök, folyadékok és szilárd anyagok keverékét, mint munkaközeget továbbítanak legtöbbször kisebb nyomású helyről adott távolságra lévő, magasabban elhelyezkedő vagy nagyobb nyomású térbe. Megfelelve a gazdaságossági törekvéseknek, az új technológiai eljárások megjelenésével manapság olyan szivattyúkat terveznek, amelyek kiválóan alkalmazhatók a továbbított folyadék fizikai és kémiai paramétereihez, továbbá a szükséges munkavégző képesség által megszabott feltételekhez. [7, 8, 9]
4.1. A szivattyúk osztályozása A szivattyúkat az alábbi főbb szempontok alapján sorolhatjuk osztályokba
működési elv szállított közeg alkalmazási terület
Működési elv alapján megkülönböztetjük:
az áramlástechnikai elven működők, -
turbinaszivattyúk (vagy más néven: örvényszivattyúk, centrifugál szivattyúk),
-
mamut szivattyúk,
-
sugárszivattyúk (vízsugár szivattyúk, gőzsugár szivattyúk) stb.
a volumetrikus vagy térfogat kiszorítás elvén működők, -
dugattyús szivattyúk,
-
fogaskerék szivattyúk,
-
membránszivattyúk,
-
csavarszivattyúk stb.
16
A szállított közeg szerinti csoportosítás a következő:
vízszivattyúk
szennyvízszivattyúk
iszapszivattyúk
sav- és lúgszivattyúk
olajipari termékeket szállító szivattyúk
cseppfolyósított gázokat szállító szivattyúk
folyékony fémeket szállító szivattyúk
vegyi- és élelmiszeripari anyagokat, keverékeket szállító szivattyúk
Az alkalmazási területek szerinti csoportosítás:
vízvezetéki és csatornarendszeri szivattyúk
erőművi szivattyúk
vegyipari szivattyúk
ásványolaj-ipari szivattyúk
mezőgazdasági és élelmiszeripari szivattyúk
bányászati szivattyúk
[7,8,9]
4.2. Áramlástechnikai elven működő szivattyúk Ezen típusú szivattyúknál az energiaátalakulás egy vagy több lapáttal ellátott forgó csatornákban, az úgynevezett járókerekekben megy végbe. Forgás közben a lapátok közötti terekből örvényszerűen távozik a folyadék, az örvényszivattyú elnevezés innen ered. [10]
4.2.1. Centrifugál szivattyú A legáltalánosabban használt folyamatos folyadékszállítást végző szivattyúk a centrifugál szivattyúk, vagy más néven örvényszivattyúk. Jellemzőjük, hogy közvetlenül kapcsolhatóak a hajtómotorral, valamint nincs ide-oda lengő tehetetlen tömegű dugattyújuk, így tág teljesítményhatárok és fordulatszámhatárok között üzemelnek. [8,9]
17
A centrifugál szivattyú elvi felépítése a 3. ábrán, szerkezeti kialakítása a 4. ábrán látható. 1 – szívócsonk 2 – szívótér 3 – a járókerék szívótorka 4 – járókerék 5 – a járókerék lapátja 6 – nyomótér (csigaház) 7 – nyomócsonk 8 - nyomóvezeték 3. ábra: A centrifugál szivattyú elvi felépítése (Forrás: Dr. Fazekas Lajos: Általános géptan, Debreceni Egyetem Műszaki Kar)
1 – járókerék 2 – tengely 3 – retesz 4 – tengelyanya 5 – csapágybak 6 – közdarab 7 - csigaház
4. ábra: A centrifugál szivattyú szerkezeti kialakítása (Forrás: Dr. Fazekas Lajos: Általános géptan, Debreceni Egyetem Műszaki Kar)
Működési elve: A gyorsan forgó járókerék a centrifugál szivattyú energia átalakító része, a forgómozgás révén bevitt energia előbb sebességi, majd nyomási energiává alakul át. A járókerékben a mozgási energia nő meg, ami a szivattyúházban nyomási energiává alakul. A szivattyúban lévő folyadékot a forgó járókerék lapátjai forgásra késztetik, amelyre így centrifugális erő hat. A forgás következtében a folyadék nyomása megnő, ennek hatására kifelé mozdul el a szivattyúház fala irányába, majd
18
a nyomócsonkon átfolyva távozik a szivattyúból. A folyadék nyomása a járókerék kilépő felületén megnő, a belépőben csökken, ezért a szívócsonkon keresztül folyadék áramlik be a lapátok közé. [8, 9, 12, 13] Üzemeltetésük: A járókerék nem illeszkedik pontosan a csigaházhoz, így ha a járókerék nincs mozgásban, akkor a folyadék visszafolyik mellette a szívócsőbe. Ugyanakkor, ha a járókereket úgy hozzák mozgásba, hogy a levegőben forog, nem tud szívóhatást gyakorolni. Nem önfelszívóak, ahhoz, hogy a folyadékszállítás elinduljon, indítás előtt fel kell tölteni a szivattyúházat folyadékkal. A szivattyú leállításakor a szívócső végén lábszeleppel gátolják meg a folyadék visszaáramlását. [8,9,12,13]
4.2.2. Mamut szivattyú A Mamut-szivattyú, vagy más néven légnyomásos vízemelő a folyadékot nagynyomású gáz segítségével szivattyúzza (5. ábra). A szivattyú egy nagy átmérőjű függőleges termelőcsőből áll, amely a kiszivattyúzandó vízbe merül. A függőleges termelőcsőbe felülről nyúlik be a nyomóvezeték csöve, amelybe a kompresszor által szállított levegőt alulról adagolják be. Bevezetett levegő és a folyadék keveredik, az így keletkezett kisebb fajsúlyú folyadékot a fajsúlykülönbséggel arányos felhajtóerő emeli fel. Előnyös tulajdonsága, hogy nem érzékeny a víz szennyezettségére, továbbá arra sem, ha a szívott térből leszívja az összes folyadékot. Hátránya, hogy hatásfoka viszonylag alacsony, 25-45%. [14]
5. ábra: A mamutszivattyú (Forrás: Dr. Fazekas Lajos: Általános géptan, Debreceni Egyetem Műszaki Kar)
19
4.2.3. Sugárszivattyúk A
sugárszivattyúk
mozgó
alkatrész
nélküli,
folyamatos
működésű
áramlástechnikai készülékek. Sajátosságuk, hogy a továbbítandó közeget (gáz, gőz, folyadék vagy szilárd anyag) egy rendszerint jóval nagyobb nyomású hajtóközeggel (gáz, gőz vagy folyadék) kevert közegáramlással nagyobb nyomású térbe szállítják. Két alapvető típusa a gőzsugár szivattyú és a vízsugár szivattyú. Felépítésük és működési elvük csaknem azonos, szívásra és nyomásra használhatók. Hatásfokuk nagyon alacsony. [8, 9]
1 – primer víz
2 – szekunder víz
6. ábra : Vízsugár szivattyú (Forrás: Dr. Fazekas Lajos: Általános géptan, Debreceni Egyetem Műszaki Kar)
A vízsugár szivattyú müködési elve (6. ábra): A nagy nyomású primer víz (1) áthalad az egyre szűkülő fúvókán, eközben mozgási energiája nő. A mozgási energiáját a továbbítandó szekunder víznek (2) adja át. A nagy sebességgel áramló folyadékkeverék mozgási energiája nyomási energiává alakul, amint a diffúzorba jut.
20
4.3. Volumetrikus elven működő szivattyúk A volumetrikus vagy más néven térfogatkiszorítás elvén működő szivattyúk a szállítandó közeget a munkatér térfogatának periódikus változásával beszívják, majd kiszorítva továbbítják.
Előnyük, hogy nagyobb nyomású közegek szállítására is
alkalmasak, valamint minimális belső veszteségeik következtében hatásfokuk kedvező. Hátrányuk, hogy nagy fordulatszámon való üzemeltetésüknél fennáll a kavitáció
veszélye,
és
lehetséges
a
folyadékszállítás
egyenlőtlensége.
[9]
A volumetrikus elven működő szivattyúk csoportosítását az 1. táblázat mutatja. 1. táblázat: Volumetrikus elven működő szivattyúk csoportosítása [16]
(Forrás: Dr. Pokorádi László: Energia-átalakító gépek I., Áramlástechnikai gépek, Debrecen, 2002)
21
4.3.1. Dugattyús szivattyúk A dugattyú helyzete alapján vízszintes vagy függőleges elrendezésű, működési módját tekintve pedig egyszeres vagy kétszeres működésű dugattyús szivattyúkat különböztetünk meg. Manapság a legnagyobb nyomások eléréséhez ilyen típusú szivattyúkat használnak. Az 7. ábra szemlélteti az egyszeres működésű dugattyús szivattyú működési elvét. A forgó mozgás átalakítása alternáló mozgássá a forgattyús hajtómű feladata. A dugattyú a hengerben mozog előre és hátra, hátramenetkor szívóhatást fejt ki a szelepekre, és az üresen maradó munkatérbe folyadékot szív be. Amint a dugattyú eléri a hátrameneti holtpontot előreindul és a beszívott folyadékot maga előtt nyomja. A nyomószelep kinyílik és engedi a kiszoruló folyadékot a nyomóvezetékbe áramolni. [8,10]
7. ábra: Egyszeres működésű dugattyús szivattyú működési elve (Forrás : www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2010-0019_Vizgepek/pt03.html)
4.3.2. Membránszivattyúk A membránszivattyú olyan térfogat-kiszorítás elvén működő szivattyú, amelyben az energiaközvetítő elem a membrán, tehát a munkatér változatásához a membránt kell mozgatni. Szerkezeti kialakításúk alapvetően eltér a dugattyús szivattyúkétól, a szívó- és nyomóteret a rugalmas és hajlékony membrán határolja. A
22
membrán rugalmassága miatt ezek a szivattyúk jelentősen kisebb nyomást tudnak biztosítani, mint a dugattyús szivattyúk. Előnyük az egyszerű szerkezet, nem érzékenyek a szilárd szennyeződésekre, ezért alkalmasak sűrű, pépes folyadékok és zagyok továbbítására. A membránt a lökőrúd mozgatja a szivattyútérben, így a munkatérben szakaszosan térfogat növekedés, majd térfogat csökkenés jön létre. Az áramlást szelepek szabályozzák (8. ábra). [8,10]
8. ábra: A membránszivattyú elvi vázlata (Forrás : www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2010-0019_Vizgepek/pt03.html)
4.3.3. Fogaskerék szivattyúk Egyszerű szerkezetének és könnyű karbantarthatóságának köszönhetően, a legszélesebb körben elterjedt térfogat kiszorítású szivattyú. A szivattyúház zárt terében két egymással kapcsolódó fogaskerék van tengelyen elhelyezve. A ház egyik oldalához a szívó-, a másikhoz a nyomóvezeték kapcsolódik, a szivattyú a folyadékot az egymásba kapcsolódó fogaskerekek segítségével szívja be és nyomja ki. A fogaskerekek közül az egyiket kívülről hajtjuk, amely a vele kapcsolódó másik fogaskereket hajtja.
Forgás közben az egyik kerék fogainak közeibe benyomuló
másik kerék fogai végzik el a folyadék kiszorítását. A fogaskerék házban lévő kis hézagok meggátolják a folyadék visszaáramlását a szívóoldalra. Az ilyen szivattyúk tervezésekor figyelembe kell venni, hogy a túl nagy rések rontják a gép hatásfokát, míg a túl kicsi rések a gép tönkremenését eredményezhetik. [8,12,15,]
23
A 9. ábrán a fogaskerék-szivattyú látható.
9. ábra: Fogaskerékszivattyú (Forrás: Vegyipari géptan 2. , Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék, Műegyetem, Budapest http://www.vizgep.bme.hu/letoltesek/targyak/BMEGEVGAV03/Vegyipari%20g%C3%A9ptan_2.pdf)
Kisebb viszkozitású közegekre tervezett gépek rései kisebbek lehetnek, mint a nagyobb viszkozitásúakéi. Két fő változatuk ismert, a külső- és a belső fogazatú fogaskerék-szivattyú. A külső fogazatú
fogaskerék-szivattyú
esetében
az
egyrészes
hajtótengelyre
ékelt
fogaskerekekkel lehetővé válik a nagyobb tengelyátmérő-választás, így hosszabb élettartamú csapággyal működhetnek. Rendszerint hengergörgős csapágyat használnak, amely a szennyeződésekre a legkevésbé érzékeny. Így érhető el az üzemeltetés zavartalansága. Külső és belső csapágyazású típusait különbözetjük meg. A külső csapágyazású szivattyúkat általában gyógyszerek, élelmiszerek, italok szállítására alkalmazzák, míg a belső csapágyazású szivattyúkat főként olajok szállításánál használják. A belső fogazatú fogaskerék-szivattyúknál a két fogaskerék szinte hézagmentes tömítése a töltő közdarabbal és a tengelyirányú nyomáskiegyenlítő tárcsákkal hozzájárul ahhoz hogy, a szállítandó közeg majdnem volumetrikus veszteség nélkül jusson a szivattyúház nyomó-csatlakozásához. [8,12,15,]
24
4.3.3.1. Fogaskerék-szivattyúk jelleggörbéi A fogaskerék-szivattyúknál független változónak a szállítómagasságot, valamint a rendszerint ebből adódó nyomásesést tekintik, és az egyes üzemi jellemzőket ennek függvényében ábrázolják. qv = a fogaskerék-szivattyú folyadékszállítása [m3/s] H = szállítómagasság [m] ΔP = a szállítómagasság nyomáskülönbsége (ΔP=ρgH) [Pa] A fogaskerék-szivattyú folyadékszállítását a szállítómagasság függvényében a qv(H) jelleggörbe adja meg. Ennek a görbének egy H tengellyel – ΔP tengellyel – párhuzamos egyenesnek kellene lennie a résveszteség nélküli szivattyúknál, azonban a valóságban a résveszteségek miatt H – ΔP - növekedésével qv csökken. A qv(H) egyenes lejtése is függ a szállítómagasságtól – ΔP-től – és a hőmérséklettől, mivel a résveszteségek növekszenek a szállítómagassággal – bizonyos mértékben a nyomással – és a hőmérséklettel. Ha a szivattyúban túl nagy rések vannak, akkor a (1)
parciális differenciálhányados-abszolútérték (1) nagy lesz. Túl nagy rések lehetnek megmunkálási pontatlanságok miatt, vagy ha a ház fedelei nem elég merevek és a nagy belső nyomás miatt kihajlanak. A hőmérséklet emelkedése is növeli a parciális differenciálhányados értékét.
Ahogyan azt a 10. ábra is mutatja, nagyobb
fordulatszámok esetén a görbék kevésbé hajlanak, mint kisebb fordulatszámoknál.
10. ábra: Fordulatszámgörbék
11. ábra: Teljesítménygörbék
(Forrás: Dr. Pokorádi László: Energia-átalakító gépek I., Áramlástechnikai gépek, Debrecen, 2002)
25
A 11. ábra mutatja a teljesítménygörbéket. A kis nyomáshatárok között dolgozó fogaskerék-szivattyú P(ΔP) görbéje megfelelő közelítéssel linearizálható. A görbék meredeksége csökken kisebb fordulatszámnál. Az 12. ábra állandó fordulatszám esetén egy fogaskerék-szivattyú volumetrikus hatásfokának változását (ηv) ábrázolja. ηv értéke 1, amikor nincs nyomáskülönbség a szívó- és nyomótér között. Megfigyelhető, hogy a nyomáskülönbség növekedésével a ηv(ΔP) fokozatosan csökkenő parabola jellegű görbe.
12. ábra: Fogaskerék-szivattyú volumetrikus hatásfokának változása állandó fordulatszám esetén (Forrás: Dr. Pokorádi László: Energia-átalakító gépek I., Áramlástechnikai gépek, Debrecen, 2002)
A 13. ábrán látható, hogy a volumetrikus hatásfok valamely rögzített ΔP értéknél hogyan változik a fordulatszám függvényében. A résveszteség fajlagosan csökken a fordulatszám növekedésével, ebből következtethetünk arra, hogy a szivattyú fordulatszámának csökkenésével az összhatásfok is romlik.
13. ábra: Fogaskerék-szivattyú volumetrikus hatásfokának változása rögzített ΔP értéknél (Forrás: Dr. Pokorádi László: Energia-átalakító gépek I., Áramlástechnikai gépek, Debrecen, 2002)
26
Ha a fogaskerék-szivattyú összhatásfokát a szállítómagasság függvényében ábrázoljuk (14. ábra), akkor látható, hogy kezdetben nő a hatásfok, azonban a H – ΔP – növekedésével elér egy maximumot, ahol a görbe igen lapos. A hatásfok a maximum elérését követően csökkenni kezd. A görbe jellege függ a szállított közeg hőmérsékletétől is.
14. ábra: Fogaskerék-szivattyú összhatásfoka a szállítómagasság függvényében (Forrás: Dr. Pokorádi László: Energia-átalakító gépek I., Áramlástechnikai gépek, Debrecen, 2002)
A szivattyú hatásfokát a fogaskerekek kerületi sebességének függvényében megfigyelve (15. ábra), megállapítható hogy minden nyomásértékhez tartozik egy optimális kerületi sebesség. Azt tapasztalhatjuk, hogy kisnyomású szivattyúknál nincs értelme nagy kerületi sebességeket alkalmazni, jobb megoldás nagyobb modulusú fogaskerekeket használni. [16]
15. ábra: A fogaskerék-szivattyú hatásfoka a kerületi sebesség függvényében (Forrás: Dr. Pokorádi László: Energia-átalakító gépek I., Áramlástechnikai gépek, Debrecen, 2002)
27
4.4. Szivattyú jelleggörbe és munkapont A szivattyú minden üzemállapotában egy Q [m3/h] folyadékszállításához egy meghatározott H [m] szállítómagasság tartozik. A Q-H diagramot nevezik rendszerint a szivattyú jelleggörbéjének. A munkapont a szivattyú és a csővezeték egyensúlyi üzemállapota. Azonos átáramló térfogatáram mellett a szivattyú által létrehozott fajlagos munka pontosan annyi, mint a csővezeték igénye. A munkapont (16. ábra) geometriailag a szivattyúk jelleggörbéjének és a csővezeték jelleggörbéjének metszéspontja. [17,18]
16. ábra: Munkapont (MP) meghatározása (Forrás: http://www.vizgep.bme.hu/okto/kul/energiaegyenlet4.pdf)
.A munkapont kétféle lehet: stabilis vagy labilis. Ha az üzemet a munkapontból kitérítve visszaáll az eredeti munkapont, akkor a munkapont stabilis. Mind a szivattyú (gép), mind a csővezeték jelleggörbéje linearizálható a munkapont körül. A Hgyorsító gyorsító munkát megkapjuk, ha a gép (szivattyú) által bevezetett Hgép fajlagos munkából kivonjuk a csővezeték által igényelt Hcső fajlagos munkát:
28
A munkapont stabilitásának feltétele,
legyen, ekkor visszaáll a QMP érték és a Q térfogatáram növekedése negatív fajlagos gyorsító munkát jelent. Labilis a munkapont, ha :
A közeg összenyomhatósága növeli a labilis üzem veszélyét, a labilis jelleggörbe ág a 17. ábrán látható. [17,18]
17. ábra: Labilis jelleggörbe ág (Forrás: http://www.vizgep.bme.hu/okto/kul/energiaegyenlet4.pdf)
29
4.5. A folyadékszállítás elméleti összefüggései [13, 19] Folytonossági (kontinuitási) törvény: időben állandó áramlás esetén a folyadék áramlási sebességének és a cső keresztmetszetének szorzata állandó. Ezt nevezzük a folyadék térfogatáramának: Q [m3/s]
18.ábra: Segédábra a kontinuitási törvényhez (Forrás: http://www.vegyipari.hu/iskola/vegymuv/vegyiparimuveletekjegyzet.pdf )
Q1=Q2 A1*V1=A2*V2 Q=A*v =állandó ahol: Q – az időegység alatt átáramló folyadéktérfogat A – az átáramlott keresztmetszet v – az áramlási sebesség A Q=A*v=áll. egyenlet kimondja, hogy egy áramcső mentén az áramlási sebesség fordítottan arányos a hozzá tartozó keresztmetszetek területével. Az áramlási irányban haladva növekvő keresztmetszetekben az áramlás sebessége csökken, és fordítva, csökkenő keresztmetszetekben az áramlás sebessége nő. Bernoulli törvény (energiatörvény): Ideális esetben, veszteségmentes áramlásnál az áramló folyadék helyzeti, nyomási, mozgási energiájának összege két pont között, a csővezeték minden keresztmetszetében állandó.
P1 𝑣12 P2 v22 h1 + + = h2 + + = á𝑙𝑙𝑎𝑛𝑑ó ρ∗g 2∗g ρ∗g 2∗g ahol: h - fajlagos helyzeti energia (szintmagasság) [J/N=m]
30
P ρ∗g 𝑣2 2∗g
– fajlagos nyomási energia (nyomásmagasság) [J/N=m]
– fajlagos mozgási energia (sebességmagasság) [J/N=m]
P - a folyadék nyomása a csővezetékben [N/m2] ρ – a folyadék sűrűsége [kg/m3] g – nehézségi gyorsulás [9,81 m/s2] v – a folyadék áramlási sebessége a csővezetékben [m/s] A fajlagos energia az 1 N súlyú folyadékokra vonatkoztatott energiát jelenti. [J/N] a mértékegysége, ami méterrel [m] is leírható, ezért nevezik a energiamagasságoknak a fajlagos energiákat. Bernoulli egyenlet veszteséges áramlásnál:
P1 𝑣12 P2 v22 h1 + + = h2 + + + hv ρ∗g 2∗g ρ∗g 2∗g ahol: hv – a fajlagos energiaveszteség (veszteségmagasság) [J/N=m] Veszteséges áramlásnál az áramló folyadék helyzeti, nyomási és mozgási energiájának összege a csővezeték két pontja között a fellépő veszteségek miatt nem állandó. A veszteségek az idomok, szerelvények ellenállásából és a csősúrlódásból adódnak: hv = hv(i,sz) + hv(e)
hv(e)
l v2 = λ∗ ∗ d 2∗g
ahol: λ – csősúrlódási tényező [-] l – egyenes csőszakaszok hossza [m] d – belső átmérő [m] v – a közeg áramlási sebessége [m/s] g – nehézségi gyorsulás [9,81 m/s2]
31
Idomok, szerelvények vesztesége:
hv(i,sz)
v2 = Σξ ∗ 2∗g
ahol: Σξ – az idomok, szerelvények együttes ellenállástényezője [-] A veszteségek meghatározása egyenértékű csőhossz segítségével: Egyenértékű
csőhossz
vesztesége
megegyezik
az
idomok,
szerelvények
veszteségének összegével: 𝑙𝑒 = 𝑑 ∗ 𝛴𝑘 ahol: d - cső belső átmérője [m] k - szerelvények, idomok veszteségtényezői [-]
lg + le v 2 hv = λ ∗ ∗ d 2g ahol: lg - geometriai csőhossz [m]
4.6. Az áramlás jellege [19] Az áramlás jellegét a Reynolds-szám mutatja meg, amely egy mértékegység nélküli viszonyszám. A Reynolds-szám az áramlások hasonlósági kritériuma. A csőben létrejövő áramlás a Reynolds-szám értékétől függően lamináris (réteges), valamint turbulens (gomolygó) lehet. Az áramlás jellegét a 19. ábra mutatja.
19. ábra: Az áramlás jellege a) lamináris áramlás b) turbulens áramlás (Forrás: W. Bohl: Műszaki áramlástan, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983)
32
Különböző folyadékokkal és csőátmérőkkel elvégzett kísérletek eredményeként adódott az általános érvényű Reynolds-egyenlet. Ennek alapján számítható a Reynolds-szám, amely megmutatja az áramlás jellegét:
Re =
v ∗ d ϑ
ahol: v - a folyadék áramlási sebessége [m/s] d - a csővezeték belső átmérője [m] 𝜗 - a folyadék kinematikai viszkozitása [m2/s]
Lamináris áramlás A lamináris áramlás során a folyadékrészecskék nem keverednek össze, csak a cső tengelyével párhuzamos áramvonalak mentén mozognak. A tapasztalat azt mutatja, hogy azonos átmérőjű és hosszúságú, azonban különböző belső felületi feszültségű csövekben a csősúrlódási veszteség független az érdességtől. Ha a Reynolds-szám értéke kisebb, az úgynevezett kritikus Reynolds-számnál (Rekrit = 2320), akkor az áramlás lamináris. Lamináris áramlás – Re < 2320
Turbulens áramlás A turbulens áramlás során a folyadékrészecskék a cső tengelyével párhuzamosan és arra merőlegesen is elmozdulnak. A sebességnek az időben gyorsan változó merőleges összetevői a közeg folyadékrészecskéinek állandó keveredését okozza. A súrlódási veszteség rendszerint függ a csőfal érdességétől is. Ha a Reynolds-szám értéke nagyobb, az úgynevezett kritikus Reynolds-számnál (Rekrit = 2320), akkor az áramlás turbulens. Turbulens áramlás – Re > 2320
33
5. Hőszigetelés A hőszigetelés-technika a hőtan részterülete, a hőátvitellel foglalkozik. A hőszigetelés célja, hogy az energiaveszteségeket optimális értékre csökkentse, azáltal, hogy a lehető legnagyobb ellenállást helyezi a hőátvitel útjába. Két eltérő hőmérsékletű test között mindig van hőcsere, amelyet csökkenteni lehet más anyagokból készült rétegek közbeiktatásával. A termikus energia áramlásának maximális meggátolása nem lehetséges, az mindig a hőmérsékletcsökkenés irányába áramlik. A hőszigetelt berendezéseknél a hőátvitelben az alábbi tényezők vesznek részt -
a hőleadó test,
-
a hőszigetelő anyag,
-
a hőfelvevő test.
A hőcsere mechanizmusa három részből áll: -
hőátadás a hőhordozóból a belső falfelületre,
-
hővezetés a fal belső felületéről a fal külső felületéig,
-
hőátadás a fal külső felületéről a környező levegőbe.
A hőátvitel vezetéssel, kovekcióval és sugárzással mehet végbe általában egyidejűleg. A hőátvitel mindhárom formája létrejön a szigetelőanyagban is, és ott ez hővezetés. Hővezetés: Hővezetéskor a termikus energiát szilárd, folyékony vagy gáznemű anyagok részecskéinek közvetlen érintkezése szállítja, az elemi részecskék helyváltoztató elmozdulása nélkül. Hőáramlás:
egyidejű
energia-
és
tömegáramlást
jelent.
A
hő
a
fluidum
makroszkópikus részeinek áramlása, helyváltoztató mozgása következtében terjed. Hősugárzás: Az energia átvitele elektromágneses hullámok alakjában az egyik testről a másikra a hősugarakat átengedő közegen keresztül történik. [20]
34
5.1. Hővezetés Minden test bizonyos ellenállást fejt ki a hő terjedésével szemben, azonban a hőszigetelő anyagoknak van a hővezetéssel szemben a legnagyobb ellenállásuk. Hővezetés vagy más néven kondukció során a hőenergia a hidegebb helyről a melegebb helyre az elemi részecskék helyváltoztató elmozdulása nélkül adódik át. A hőmérsékletnek egy adott test különböző pontjaiban fennálló különbsége elengedhetetlen feltétele a hővezetéssel történő hőátadásnak. Ezáltal a hővezetéssel keletkező hőáram nagysága a testben a hőmérséklet eloszlástól, vagyis a hőmérséklet tér jellegétől függ. Homogén és izotróp közeg t hőmérséklete rendszerint térben és időben változik, tehát a hőmérséklet az adott pont helyzetének és az időnek a függvénye. A hővezetés tapasztalati egyenlete – Fourier I. Ha egy fal anyaga homogén, vastagsága állandó, és mérete olyan, hogy a vizsgált felületen (F) a hőáramlással csak a falra merőlegesen mehet végbe, akkor állandósult állapotban az átáramló hőmennyiség arányos a hőmérséklet gradienssel. dQ = − λ ∗ F ∗
dt dx
dτ
ahol: Q – az átadott hőmennyiség [Ws] λ – a hővezető képesség [W/(mK), J/(msK)] dt/dx – az x irányú hőmérséklet esés [K/m] F- keresztmetszet [m2] Stacioner esetben: dq = − λ ∗
dt dx
A hővezetési tényező (λ) azt a hőmennyiséget jelenti, amely 1m vastag anyagréteg 1 m2 felületén 1s alatt áramlik át, ha a hőmérsékletkülönbség 1 K. A hővezetési tényező hőmérsékletfüggő anyagi jellemző. Számításoknál hőtani táblázatokból kell felvenni a hővezetési tényező hőmérséklethez rendelt értékét. Tapasztalati számításoknál a kezdeti (t1) és végállapotok (t2) megfelelő értékeihez kikeresett λi értékek súlyozott átlagát kell figyelembe venni. [21,22]
35
5.1.1. A hővezetés differenciálegyenlete – Fourier II. [21, 22] A térben és időben kialakuló hőmérsékletváltozás között a Fourier-törvény, valamint a termodinamika első és második főtétele alapján létrejövő kapcsolat. Ez a kapcsolat a hővezetés differenciál egyenletével írható le, amely alkalmas egy térben és időben változó hőmérsékletmező definiálására. Feltételezzük, hogy az elemi térfogatú zárt térbe csak x irányú érkező és távozó energiák legyenek, valamint az anyag izotróp és homogén. Az energiamérleg a következőképpen írható fel: ∂t ∗ dτ ∂x ∂t ∂ ∂t = − λ ∗ dy ∗ dz dτ − λ ∗ dy ∗ dz ( ) ∗ dx ∗ dτ ∂x ∂x ∂x
dQbevx = − λ ∗ dy ∗ dz dQkivx
A homogén anyagú térelembe 𝑑𝜏 idő alatt bevezett hőáram a 𝑑𝑄𝑏𝑒𝑣𝑥 , a kivezetett hőáram pedig a 𝑑𝑄𝑘𝑖𝑣𝑥 . A vizsgált térben a be- és kilépő hőáram marad: ∂t ∂τ ∂τ ∂ ∂t ∂t = −λ ∗ dy ∗ dz ( ) ∗ dx ∗ dτ = dx ∗ dy ∗ dz ∗ ρ ∗ c ∗ dτ ∂x ∂x ∂τ
dQter = dx ∗ dy ∗ dz ∗ ρ ∗ c ∗ dQbevx − dQkivx λ
∂2 t ∂t = ρ ∗ c ∗ ( )x x2 ∂τ
A vizsgált térben maradó energia három irányú vezetés esetén: ∂2 t ∂2 t ∂2 t λ ∗ dx ∗ dy ∗ dz ∗ ( 2 + 2 + 2 ) dτ x y z a térben változatlan formában leírható hőáram változásához vezet: dQbevx − dQkivx = dx ∗ dy ∗ dz ∗ ρ ∗ c ∗
∂t dτ ∂τ
A két egyenletből felírható: ∂2 t ∂2 t ∂2 t ∂t λ∗ ( 2+ + ) = ρ ∗ c ∗ ∂x ∂y 2 ∂z 2 ∂τ
→
36
α=
λ ρ∗c
→
α ∗ ∇2 t =
∂t ∂τ
6. Kísérleti rész 6.1. A szivattyú kiválasztása A szállítandó közeg (APG 70) szivattyúzásához GHA2NK3-B típusú szivattyút választottam a Gorman- Rupp Pumps katalógusból. A szivattyút az alapján választottam, hogy alkalmas-e nagy viszkozitású folyadék szállítására. A 20. ábrán a GHA2NK3-B típusú fogaskerék-szivattyú látható.
20. ábra: GHA2NK3-B típusú fogaskerék-szivattyú (Forrás: Gorman-Rupp: GHA Series Extreme Duty Abrasive G, J, N, R & S HYD Size Rotary Gear Pumps, January 2010)
GHA2NK3-B típusú fogaskerék-szivattyú tulajdonságai: -
keményített, edzett kopásálló fogazás, kötőelemek, ház, vezérlőegység
-
kopásálló tömítés
-
nagyméretű kúpos tömítések az üreges részeken
-
nagy teherbírású kúpgörgős csapágyazás
-
külsőleg állítható rotorvég
-
rugalmas technológiai kialakítás a különböző iparágak számára
-
golyós csapágyazás terhelési ellenőrzése
Működési tartomány: Kapacitás:
8 – 325 GPM; 25 – 1020 LMP
Nyomás:
0 – 200 PSI; 0 – 14 Bar
Viszkozitás:
28 – 250,000 SSU; 1 – 55,000 cSt
Hőmérséklet:
-51 – 260 °C; -60 – 500 F
37
Alkalmazási terület: Használható különböző folyékony anyagok esetén, amelyek az öntöttvas házra nem jelentenek veszélyt: pl. festékek, tinta, ragasztó anyagok, emúlziók.[23] A 21. ábrán a választott GHA2NK3-B típusú fogaskerék-szivattyú jelleggörbéje:
21. ábra: GHA2NK3-B típusú fogaskerék-szivattyú jelleggörbéje (Forrás: Gorman-Rupp: GHA Series Extreme Duty Abrasive G, J, N, R & S HYD Size Rotary Gear Pumps, January 2010)
38
6.2. Üzemi alaprajz
22. ábra: Üzemi alaprajz
39
6.3. Számítási feladat Az
2.
táblázatban
foglaltam
össze
a
szivattyút
és
a
tartályt
összekötő
csővezetékrendszer geometriai adatait. 2. táblázat: a csővezetékrendszer geometriai adatai L1
12,6130 m
L2
5,4350 m
L3
2,7210m
L4
2,9420 m
L5
7,5610 m
L6
3,0420 m
L7
1,3560 m
L8
0,7580 m
∑L
36,4592 m
A1
17,0000 m
A2
20,0000 m
D1
1,7500 m
D2
0,6370 m
D3
1,2000 m
D4
1,0000 m
h
1,9 m
A szállítandó közegre (APG 70) vonatkozó anyagjellemző értékek a közeg közepes hőmérsékletére vonatkoztatva: ρ = 1180 kg/m3 N2
kg
η = 2000 mPas = 2 Pas = 2000 cP = 2 m2 = 2 m2 c = 2200 J/kgK
A 90 º-os ívhosszúság (s) számításának képlete: S90° =
π 3,14 α°R = ∗ 90R = 1,57R 180 180
𝑆90°= 1,57*114,3/2= 89,7255mm A különbség: 2R-1,57R=0,43R
40
Rövidülés: k90°=0,43R=24,5745mm A szállítandó közeg (APG 70) kinematikai viszkozitásának meghatározása: kg
N2
η = 2000mPas = 2000cP = 2 m2 = 2 m2 kinematikai viszkozitás (ϑ) =
dinamikai viszkozitas η = sűrűség ρ
2Pas m2 = 0,0017 kg s 1180 3 m
ϑ=
η = ρ
A
technológiai
közeg
szállításához
előzetes
megfontolás
alapján
normál
falvastagságú DN100-as (∅114,3 x 3,6) csövet választottunk. Belső átmérő meghatározása: d = 114,3 mm − (2 ∗ 3,6 mm) = 0,1071 m Tényleges áramlási keresztmetszet meghatározása: 𝑑2 ∗ 𝜋 0,10712 𝑚 ∗ 3,1416 𝐴= = = 0,0090 𝑚2 4 4 Áramlási sebesség meghatározása: A Q – térfogatáramot megadva, kiszámolható az áramlási sebesség. m3 m3 Q=1 = 0,0002 h s m3 0,0002 Q Q s = 0,0308 m v= = 2 = d ∗ π A 0,0090 m2 s 4 A kiszámolt áramlási sebességgel meghatározható a Reynolds-szám: 𝑚 0,0308 𝑠 ∗ 0,1071 𝑚 𝑣∗𝑑 𝑅𝑒 = = = 1,9484 𝑚2 𝜗 0,0017 𝑠 A Reynolds-szám értékéből megállapítható az áramlás jellege: Re < 2320 → az áramlás lamináris
Lamináris áramlás esetén a csősúrlódási tényezőt a következőképpen számoljuk: λ=
64 Re
41
Az előbbi képletbe behelyettesítve a Reynolds-számot a csősúrlódási tényező (λ) értéke a következő: λ=
64 64 = = 32,8481 Re 1,9484
Ív ellenállása Az ívcsőben a súrlódási veszteségen kívül a leválás és a főáramlással összegeződő szekunder áramlás is veszteséget eredményez. A 23. ábra a, része az irányváltoztatás mértékét megadó φ és az R/d viszony függvényében adja meg a ξív értékeit. Az 23. ábra b, része tartalmazza az fRe értékeit. [19]
23. ábra: Ív ellenállása (Forrás: W. Bohl: Műszaki áramlástan, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983)
42
Az ívek nyomásveszteségét az alábbi összefüggés segítségével határozhatjuk meg: 8 db 90 °-os patentívnek megfelelően: n=8 2m v2 kg 0,0308 s ∆Pív = ξ ∗ ρ ∗ ∗ n = 11 ∗ 1180 3 ∗ ∗ 8 = 49,3619 Pa 2 m 2
Az egyenes csőszakasz nyomásvesztesége a következő képlet segítségével határozható meg: 2m ΣL v2 36,4592 m kg 0,0308 s ∆PL = λ ∗ ∗ ρ∗ = 32,8481 ∗ ∗ 1180 3 ∗ = d 2 0,1071 m m 2
= 6272,4516 Pa A teljes nyomásveszteség az alábbi képlettel számolható: ρ ∗ g ∗ h = 1180
kg m ∗ 9,81 2 ∗ 1,9 m = 21994,0200 Pa 3 m s
Σ∆P = ∆PL + ∆Pív + ρ ∗ g ∗ h = 6272,4516 Pa + 49,3619 Pa + 21994,0200 Pa = = 28315,8335 Pa = 28,3158 kPa Az 3. táblázatban tüntettem fel a különböző térfogatáramok során kialakuló nyomásveszteségeket. 3. táblázat: a különböző térfogatáramok során kialakuló nyomásveszteségek Q
Q
v
[m3/h]
[m3/s]
[m/s]
0
0
λ
Re
∆Pív [Pa]
∑∆P
∆PL [Pa]
[kPa]
0
0
0
0
0
0
1 0,0003 0,0308
1,9484
32,8481
49,3619
6272,4516
28,3158
2 0,0006 0,0617
3,8967
16,4240
197,4477
12544,9032
34,7364
3 0,0008 0,0925
5,8451
10,9494
444,2573
18817,3548
41,2556
4 0,0011 0,1233
7,7935
8,2120
789,7907
25089,8065
47,8736
5 0,0014 0,1542
9,7418
6,5696
1234,0480
31362,2581
54,5903
6 0,0017 0,1850 11,6902
5,4747
1777,0291
37634,7097
61,4058
7 0,0019 0,2158 13,6385
4,6926
2418,7340
43907,1613
68,3199
8 0,0022 0,2467 15,5869
4,1060
3159,1628
50179,6129
75,3328
9 0,0025 0,2775 17,5353
3,6498
3998,3154
56452,0645
82,4444
10 0,0028 0,3083 19,4836
3,2848
4936,1919
62724,5162
89,6547
43
A csővezeték jelleggörbét az 4. táblázatban feltüntetett értékek alapján ábrázoltam. 4. táblázat: csővezeték jelleggörbe Q [m3/h]
H [kPa] 0
0
1
28,3158
2
34,7364
3
41,2556
4
47,8736
5
54,5903
6
61,4058
7
68,3199
8
75,3328
9
82,4444
10
89,6547
A 24. ábrán a csővezeték jelleggörbe látható.
Csővezeték jelleggörbe
H [kPa] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Q [m3/h]
24. ábra: csővezeték jelleggörbe
44
A szivattyú katalógusból feldolgoztam az adatokat 720 RPM-nél (5. táblázat). 5. táblázat: a szivattyú jelleggörbe ábrázolásához vonatkozó értékek Q [m3/h]
H [m] 1,68
275
1,8
34
Szivattyú jelleggörbe 720 RPM –nél (25. ábra):
25. ábra: szivattyú jelleggörbe A csővezeték jelleggörbe és a szivattyú jelleggörbe metszéspontja adja meg a munkapontot. Az 26. ábráról leolvasható, hogy a munkapont Q = 1,8 m 3/h.
26. ábra: a szivattyú és csővezetékrendszer munkapontja.
45
Hőszigetelés szükségességének meghatározása: A szállítandó közeg (APG 70) hőmérséklete 50°C, a technológia nem engedi, hogy a közeg 40°C alá hűljön. Az üzemi hőmérséklet 10°C. A hőmérséklet viszonyokat az 27. ábra mutatja. Számításokkal határozom meg, hogy szükséges-e a hőszigetelés. A hőmennyiséget az alábbi képlet segítségével számoljuk: Q = k ∗ A ∗ ∆Tlog A hőátviteli tényező értéke: k = 20 W/m2 K A cső felületét az alábbi képlet segítségével számolhatjuk ki: A = dk ∗ π ∗ ΣL = 0,1143 m ∗ 3,1416 ∗ 36,4592 m = 13,0919 m2 ~ 13 m2 A hőmérsékletváltozás logaritmikus értéke: T1 = 50°C T2 = 42,7388°C → iteráció segítségével excel táblázatban határoztam meg t1 = 10°C ∆T = T1 − t1 = 50°C − 10°C = 40°C ∆t = T2 − t1 = 42,7388°C − 10°C = 32,7388°C ∆Tlog =
∆T − ∆t 40 − 32,7 = = 36,2482°C ∆T 40 ln ( ∆t ) ln (32,7388)
A kiszámolt adatokból már könnyen megadhatjuk a hőmennyiség értékét: Q = k ∗ A ∗ ∆Tlog = 20
W ∗ 13 m2 ∗ 36,2482°C = 9424,5497 W m2 K
T2=42,7388°C
27. ábra: hőmérséklet viszonyok
46
A leadott hőmennyiséget a következő képlettel határozhatjuk meg: q = c ∗ m ∗ dT A közeg tömegárama: m = 1,8
m3 kg kg kg ∗ 1180 3 = 2124 = 0,59 h m h s
A hőmérsékletváltozás meghatározása: dT = T1 − T2 = 50°C − 42,7388°C = 7,2612°C q = c ∗ m ∗ dT = 2200 ∗ 0,59 ∗ 7,2612 = 9425,0376 W Miután kiszámoltuk mindkét hőmennyiséget, megállapítható, hogy Q ≅ q, valamint a hőmérséklet nem csökkent 40°C alá. Ha az áramlástani viszonyok nem változnak, akkor a hőszigetelés nem indokolt.
47
7. Összefoglalás Munkám során ismertettem a tenzidek tulajdonságait, alkalmazási területeit, továbbá a folyadékok szállítására vonatkozó elméleti összefüggéseket. Tanulmányozva az APG 70-re (szállítandó közegre) vonatkozó anyagjellemző adatokat kiválasztottam a Gorman- Rupp Pumps katalógusból a GHA2NK3-B típusú fogaskerék-szivattyút, amely alkalmas az APG 70 szállítására. Elvégeztem a GHA2NK3-B típusú szivattyú illesztését az üzemben található csővezetékrendszerhez.
Számításokkal
meghatároztam
a
közeg
szállítására
vonatkozó munkapontot. Megvizsgáltam
a
csővezetékrendszer
szigetelésének
szükségességét.
A
szigetelésnél fontos technológia feltétel volt, hogy a szállítandó közeg hőmérséklete nem hűlhet 40°C alá. Számításokkal igazoltam, hogy a szállítandó közeg hőmérséklete nem csökken a megadott határhőmérséklet alá. Megállapítottam, hogy a szigetelés alkalmazása nem indokolt, ha nem változnak az áramlástani viszonyok. A szivattyú üzemeltetésével a gyártási folyamat időtartama jelentősen csökkenthető, az így nyert időt további termékek gyártására lehet fordítani.
48
8. Summary The following thesis, I have been presented the quality and application areas of surfactants, furthermore the theoretical contexts for the transport of fluids. Studying the material characteristic data relating to the APG 70 (to the transport medium), I chosed the GHA2NK3-B type gear pump from Gorman- Rupp Pumps catalog, which is capable of transporting the APG 70. Beside this, I conducted the fitting to the pipeline system of the type of GHA2NK-3 pump and with calculation, I determined the set point for the transport medium. I also examined the need of insulation of the pipeline system. At the insulation, it was an essential technology condition, that the temperature of the delivered medium can not reduce under 40 degrees. With calculations, it has been proved, the temperature of the transported medium has not fallen below the specified temperature. It has been also determined the using of the insulation is not reasonable, if the hydrodynamic conditions does not change. Summarizing, the usage of the pump, the operation duration of the manufacturing process can be significantly reduced, as a consequence, the extra time may be given manufacturing of other products.
49
9. Irodalomjegyzék [1] Dr. Balogh Sándorné, Halmos Istvánné: Vegyipari technológia, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1996 [2] http://cheminst.emk.nyme.hu/ragaszto/Feluleti.pdf (2014. szeptember 10.) [3] Dieter Balzer, Harald Lüders: Nonionic surfactants; Alkyl Polyglucosides, Marcel Dekker Inc., 2000 [4] I. D. Robb: Specialist surfactants, Springer Science & Business Media, 1996 [5] Jörg Kahre: Alkyl Polyglycosides – Multifunctional Ingredients for the Cosmetics Industry; Skin Care Forum, No. 12, July 1995, p.:2-3 [6] APG 70 Safety Data Sheet, BASF, 2008 [7] http://www.ontozesmuzeum.hu/aramlstechnikai_gpek_ea..doc (2014. október 1.) [8] Kasszán Béla, Hont László: Vegyipari ismeretek, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1967 [9] Dr. Fábry György: Vegyipari gépészek kézikönyve, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1987 [10] www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2010-0019_Vizgepek/pt03.html (2014. október 16.) [11] Dr. Fazekas Lajos: Általános géptan, Debreceni Egyetem Műszaki Kar (jegyzet) [12] Farkas Mátyás: Folyadékok szállítása az épületgépész szak hallgatói számára, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1997 (kézirat) [13]
http://www.vegyipari.hu/iskola/vegymuv/vegyiparimuveletekjegyzet.pdf
(2014.
október 28.) [14] Talamon Attila: Hő- és áramlástechnikai gépek II., Debreceni Egyetem (jegyzet) [15] Vegyipari géptan 2. , Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék, Műegyetem, Budapest, http://www.vizgep.bme.hu/letoltesek/targyak/BMEGEVGAV03/Vegyipari%20g%C3% A9ptan_2.pdf (2014.november 5.) [16] Dr. Pokorádi László: Energia-átalakító gépek I., Áramlástechnikai gépek, Debrecen, 2002 (jegyzet) [17] http://www.vizgep.bme.hu/okto/kul/energiaegyenlet4.pdf (2014. november 14.) [18]
Dr.
Zsebik
Albin:
Áramlástechnikai
alapok,
Budapesti
Műszaki
Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest, 2003 (kézirat) [19] W. Bohl: Műszaki áramlástan, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983
50
és
[20] Döring-Koch-Zeltner: Ipari berendezések hőszigetelése, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985 [21] Dr. Hodúr Cecília, Dr. Sárosi Herbert: Hőtani műveletek, Szeged, 2007 (jegyzet) [22] Dr. Szepesi L. Gábor: Vegyipari művelettan II. (jegyzet) [23] Gorman-Rupp: GHA Series Extreme Duty Abrasive G, J, N, R & S HYD Size Rotary Gear Pumps, January 2010 (szivattyúkatalógus)
51
