Введение

Полимерный буровой раствор - раствор на водной основе, содержащий

высокомолекулярные полимеры линейного строения, применяемый

при бурении главным образом крепких пород. Характеризуется высокой

гидрофильностью и псевдопластичностью - способностью разжижаться

до вязкости, близкой к вязкости воды, при больших скоростях сдвига и

загустевать при низких. Различают безглинистые и малоглинистые

полимерные буровые растворы. Для приготовления безглинистых

полимерных буровых растворов используются гидролизованный

полиакриламид (ГПАА), оксиэтилированная целлюлоза (ОЭЦ)

и карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), биополимеры и другие соединения.

Комплексообразователями служат хромовые, алюминиевые и т.п. соли. В

малоглинистых полимерных буровых растворах используются полимеры

двойного действия, являющиеся стабилизаторами бентонитовых суспензий и

коагуляторами высокодисперсных частиц. Для приготовления

малоглинистых полимерных буровых растворов применяются в основном

акриловые полимеры (ГПАА, метас, гидролизов, полиакрилонитрил — гипан

и др.), сочетающиеся с КМЦ-600, КМЦ-700 и подобными полимерами,

обеспечивающими дополнительные снижения фильтрации. Для утяжеления

полимерных буровых растворов применяются водорастворимые соли

тяжѐлых металлов. Содержание комплексообразователей не превышает

0,4%, бентонита 2-6% (в малоглинистых растворах). Фильтрация полимерных

буровых растворов 5-10 см3, плотность не утяжелѐнных растворов 1000-1060

кг/м3.

Полимерные буровые растворы способствуют увеличению механической

скорости проходки, стойкости долота, снижению абразивного износа

трущихся частей насосов и др.

Некоторые полимеры трудно растворяются в воде, поэтому

приготовление раствора из них сводится к постепенному уменьшению их

концентрации. Так, при использовании ПАА сначала исходный 8%-ный

реагент разбавляют до 1%-ной концентрации, а затем добавляют в воду до

заданной концентрации.

Для механизации процесса приготовления применяют

различного рода устройства. На рис. 1 показана установка для приготов-

ления полимерных растворов ППР, разработанная ВИТРом.

Установка представляет собой бак 5, заключенный в водяную

рубашку 4 с нагревательными элементами 2. В баке смонтировано

лопастное устройство 3 с электродвигателем 7 для перемешивания

компонентов. Дополнительное перемешивание осуществляется вихревым

насосом 11 через систему трубопроводов. Компоненты загружают через

устройство 6, которым управляют с пульта 9, расположенного в

шкафу 10. Для регулирования температуры, которая контролируется

термометром 8, служит температурное реле 1.

На буровых установках полимерный раствор может быть приготовлен

в процессе циркуляции промывочной жидкости. Для этого в горячей воде

растворяют расчетное количество полимера и тонкой струйкой выливают

это в желобную систему на выходе раствора из скважины. Полностью

полимер перемешивается в процессе многократной циркуляции.

Рисунок 1. Установка для приготовления полимерных растворов ППР

ГЛАВА 1. Водные растворы полимеров

Полимерными называются водные растворы высокомолекулярных

веществ (акрилатов и полисахаридов), молекулы которых построены путем

многократного повторения одного и того же звена - мономера.

Например, мономер ПАА:

– CH2 – CH –

CONH2 n

Если в молекуле чередуются разные мономеры, то такое

высокомолеклярное вещество (ВМВ) называется сополимером.

ВМВ могут быть полиэлектролитами и неэлектролитами.

К полиэлектролитам относятся реагенты на основе водорастворимых

эфиров целлюлозы и на основе акриловых полимеров, которые при

диссоциации в воде образуют сложный анион и простой катион.

К неэлектролитам относятся крахмальные реагенты, содержащие

полярные группы, не имеющие заряда.

Впервые полимерные растворы начали применяться в США в начале

60-х годов. В нашей стране полимерные буровые растворы впервые нашли

применение лишь в первой половине 70-х годов. С их применением связаны

работы Ахмадеева Р.С., Дедусенко Г.Д., Кистера Э.Г., Крысина Н.Н.,

Липкеса М.И., Скальской У.А., Нацепинской А.М., Турапова М.К.,

Шарипова А.У, Пенькова А.И., Хариева И.Ю, Андреcона Б.А., Минхайрова

К.Л. и др. В качестве полимеров использовались ГПАА, метас, гипан,

реагент К-4. При необходимости в раствор добавляли ингибирующие

добавки, некоторые виды отходов металлургических и химических

производств.[3]

Технологическая эффективность полимерных реагентов обусловлена

целым рядом специфических характеристик, присущих только им и

отличающих их от других реагентов. К этим характеристикам полимеров

относят огромную молекулярную массу, конформационное и

конфигурационное многообразие, определенную и вполне

удовлетворительную прочность цепи макромолекулы, а также

полиэлектролитные свойства и способность к межмолекулярным

взаимодействиям, т.е. поверхностную активность. Например, повсеместно

применяемые неорганические реагенты имеют молекулярную массу

несколько десятков условных единиц (каустическая сода – 40,

кальцинированная сода – 106 и т.д.), их называют низкомолекулярными;

реагенты с молекулярными массами от 500 до 5000 - олигомеры, если же

вещество имеет молекулярную массу свыше 5000, его относят к полимерам

(высокомолекулярным соединениям). Молекулярная масса полимеров,

используемых при бурении скважин, варьирует от 104 до 10

7 у.е.

Многочисленными исследованиями было установлено, что полимерные

растворы характеризуются псевдопластическим режимом течения,

проявляющемся в том, что вязкостные свойства полимерных растворов в

значительной степени зависят от скорости сдвига. Так, в диапазоне скоростей

сдвига, характерном для течения в насадках долота, вязкость полимерного

раствора приближается к вязкости воды. Это свойство обеспечивает

снижение гидравлических сопротивлений и позволяет подводить к долоту

значительно большую, по сравнению с использованием глинистого раствора,

гидравлическую мощность.

Полимерные растворы с низкой вязкостью способствуют

эффективному разрушению горных пород в призабойной зоне пласта в

результате быстрого проникновения раствора в трещины, образующиеся при

разрушении породы долотом.

В диапазоне скоростей сдвига, характерных для течения в затрубном

пространстве, полимерный раствор имеет повышенную вязкость, что

способствует более полному выносу выбуренной породы на поверхность и

повышает устойчивость стенок скважины, за счет адсорбции полимера на

породе.

Одной из причин снижения эффективности бурения является

значительное превышение пластового давления в скважине над забойным

т.к., затрудняется отделение частиц разрушенной породы от забоя.

Применение же полимерных буровых растворов позволяет регулировать

значение дифференциального давления и бурить при сбалансированном

давлении, когда гидростатическое давление равно пластовому, или

незначительно превышает его. При этом уменьшается вероятность

поглощения бурового раствора и прихватов бурильной колонны.

Улучшению показателей бурения способствует смазывающая и

противоизноская способность полимерных растворов за счет образования

прочной адсорбционной пленки на трущихся поверхностях.

Буровые растворы, содержащие полимеры обладают ингибирующей

способностью, что важно при разбуривании неустойчивых глинистых пород.

Адсорбируясь на глинистых частицах, полимер препятствует их гидратации

и переходу в раствор.

При вскрытии продуктивного пласта полимер частично

отфильтровывается на границе скважина – пласт, образуя низко

проницаемую корку (пленку) и частично проникает в приствольную зону

продуктивного пласта [4]. Молекула полимера из-за отсутствия симметрии

распределения электронов, является биполярной. Такие молекулы ведут себя

так, если бы они были центрами положительных и отрицательных зарядов.

Глинистые минералы, входящие в состав коллектора так же полярны. Если

глины находятся в контакте с жидкостями, растворами, содержащими

полярные вещества, то отрицательные центры на глинистых минералах

притягивают положительные центры полярных веществ окружающей

жидкости. Бредли показал, что полимеры, адсорбируясь на глинистых

минералах, могут образовывать сложные молекулярные слои, кроме того,

полимер, адсорбируемый на базальной плоскости глинистого минерала,

вытесняет воду с этой поверхности. А неорганические катионы, как показал

Мак-Эван, присутствующие на поверхности глинистого минерала не

обязательно вытесняются адсорбцией органических молекул [5].

Таким образом, полимер, находясь в поровом пространстве и

адсорбируясь на поверхности порового канала, сужает его, тем самым,

снижая эффективную проницаемость, с другой стороны, адсорбируясь на

глинистых минералах, входящих в состав коллектора, предотвращает их

гидратацию и набухание. Применение полимерных растворов позволяет

создавать малопроницаемые корки, пленки-корки, уменьшающие

влагоперенос фильтрата бурового раствора в глинистые породы и тем самым,

обусловливающие длительную устойчивость стенок скважины.

Флокулирующие свойства полимеров обусловливают высокую степень

очистки безглинистых растворов от частиц выбуренной породы. В 1960-1980

годах за рубежом для очистки бурового раствора широко применялись

полимеры – флокулянты: флоксит, рапидол, лосол, пушер, седипур,

биополимеры и др. При введении полимеров в раствор в количестве от сотых

до тысячных долей от общего объема раствора происходит агрегирование

мелких взвешенных частиц выбуренной породы с помощью полимерных

мостиков. Поскольку масса связанных твердых частиц увеличивается, они

оседают под действием гравитационных сил в желобной системе, и к

буровым насосам поступает осветленная (очищенная) жидкость.

В последние годы, считается, что лучшей полимерной основой для

буровых растворов служат реагенты полисахаридной природы –

производные целлюлозы и крахмала, которые кроме перечисленных выше

преимуществ полимеров проявляют высокие эксплуатационные свойства,

одновременно легко подвергаются деструкции и тем самым сохраняют

естественную проницаемость коллекторов и не загрязняют окружающую

среду. Полисахариды способны во время строительства скважины

образовывать кольматационный экран, способный не пропускать фильтраты

буровых и цементных растворов в продуктивный пласт и со временем

саморазрушаться (деструкция до простых сахаров) восстанавливая

первоначальную проницаемость коллектора.

Широкое применение полимеров в составе бурового раствора

позволяет сократить расход химических реагентов и материалов, уменьшить

затраты физического труда, что способствует сокращению сроков

строительства скважин и экономии материальных затрат.

Недостатки полимерных растворов: низкая стойкость к действию

ионов кальция и других поливалентных металлов; высокая стоимость

импортных ВМВ (3…16 тыс. долларов за тонну) и дефицитность

отечественных (потребности в полимерных реагентах удовлетворяются

только на 40…50 %).

1.1. Полимерные растворы на основе синтетических

полимеров

В ряду синтетических высокомолекулярных соединений, применяемых

для обработки промывочных жидкостей, следует выделить полиакриламид,

молекулярная масса которого достигает 6106 у.е. Из известных

синтетических полимеров такие же значения молекулярной массы имеет

лишь полиэтиленоксид, который редко применяется при бурении скважин

из-за дефицита.

Отечественный полиакриламид выпускается без контроля таких

характеристик как молекулярная масса, молекулярно-массовое

распределение, степень гидролиза; производится неочищенным, по разным

технологиям (известковой, аммиачной). Все это вызывает трудности в

применении полиакриламида (ПАА) для обработки промывочных жидкостей.

В ряде рецептур полимерных буровых растворов вместо ПАА

используется гидролизованный полиакрилонитрил (гипан) .

Для приготовления 1 м3 безглинистого бурового раствора требуется

975 - 970 л воды и 25 - 30 кг ПАА (8 %-ной концентрации).

Для приготовления полимерного недиспергирующего раствора можно

использовать пресный раствор, обработанный УЩР. Предварительно

определяют содержание глинистой фазы и при необходимости ее снижения

раствор разбавляют водой, а затем вводят 0,5 %-ный раствор ПАА из расчета

10-20 л/м3.

При разбуривании высококоллоидных глин регулирование

реологических свойств полимерных растворов затруднено. В таких случаях в

раствор дополнительно вводят неорганические электролиты.

При бурении в набухающих и неустойчивых глинистых сланцах

используют полимерные недиспергирующие растворы, содержащие два (или

более) акриловых полимера различной молекулярной массы, из которых

один, обычно высокой (10÷15)·106 молекулярной массы (ПАА) выполняет

функции флокулянта и ингибитора глин, другой — средней (2÷6) 105

молекулярной массы (сайпан, М-14, метас, гипан, НР-5) обладает свойствами

понизителя фильтрации и загустителя.

Обычно их применяют в соотношений 1 : 5- 1 : 10.

В случае повышения содержания глинистой фазы в растворе

используются недиспергирующие разжижители-дефло-кулянты (НТФ, ПАК).

Типичные рецептуры полимерных недиспергирующих растворов на

основе акриловых полимеров приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Полимерные растворы на основе акриловых полимеров

Тип

Номер состава

1 2 3

реагент Содержа-

ние, % реагент

Содержа-

ние, % реагент

Содержа-

ние, %

Ингибитор

глин ПАА 0,025-0,03 РКП 0,1-0,2

ГКЖ-10

ГКЖ-11 0,4

Понизитель

фильтрации,

загуститель

Сайпан,

гипан,

НР-5

0,125-0,15 РКП 0,1-0,2 М-14 0,2

Разжижитель-

дефлокулянт НТФ 0,05-0,1 ПАК 0,05-0,1 НТФ 0,05-0,1

1.1 Технология ВСМА

В основу технологии и оборудования виброструйной магнитной

активации (ВСМА) жидких сред положены принципы создания

резонансно-колебательных электромеханических преобразователей

(РКЭМП). Разработка РКЭМП осуществлялась с середины 80-х годов на

основе госбюджетного финансирования научно-исследовательской

работы в Томском политехническом университете под руководством

академика РАЭН, д.т.н. Сипайлова Г.А. РКЭМП являются

устройствами, реализующими многокомпонентное физическое

воздействие, позволяющее решать определенные эксплуатационные

задачи, обеспечивая при этом широкое регулирование уровня

воздействия при минимальных энергетических затратах. В результате

выполненной НИР удалось создать ряд устройств конкретного

назначения, таких как вибрационные разгрузчики сыпучих материалов,

вибрационные массажеры, вибрационные стиральные машины,

устройства вибрационной очистки теплообменников и т.д. [1].

Параметры, количественно характеризующие процессы,

происходящие при работе РКЭМП в значимом объеме жидкой среды, и

анализ научно-технической информации показал, что данные устройства

в значительной степени перспективны для воздействия на различные

технологические жидкости, с целью получения требуемых

эксплуатационных показателей последних. Это относится, в первую

очередь, к массообменным процессам в многокомпонентных жидких

системах (перемешивание, смешивание, диспергация и т.п.).

Учитывая, что нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая

промышленность характеризуется применением разнообразных

технологических жидкостей и многокомпонентных составов, разработка

устройств, использующих принципы РКЭМП, для данных отраслей

явилась вполне логичным шагом. К тому же, в работах В.П. Тогунова и

других авторов было доказано, что виброакустическое воздействие

позволяет менять реологические свойства вязкоупругих жидкостей,

таких как нефть и полимеры [2,3].

Основной проблемой практического применения выявленных

позитивных эффектов являлось достижение значимого объемного

воздействия, обеспечивающего эффективность применения в

существующих технологиях.

Начиная с первой половины 90-х годов начались активные работы по

созданию промышленных устройств для обработки различных

многокомпонентных жидких систем с целью получения требуемых

эксплуатационных характеристик. Работы выполнялись первоначально в

ОАО НПФ «ГЕОФИТ ВНК «ЮКОС», затем в ООО «Сибирская

геофизическая компания» и в настоящее время они ведутся в ОАО «СКБ

Сибэлектрмотор». Создание указанных устройств велось в двух

направлениях: разработка лабораторных установок и разработка

промышленных устройств для серийного применения в соответствующих

технологических процессах.

Необходимость создания лабораторных установок обусловлена, во-первых,

проведением большого объема работ исследовательского и поискового

характера, а, во-вторых, и что наиболее важно, работ аналитического

характера, являющихся одним из первоначальных этапов определения

технологических параметров применения промышленных устройств. На

Рис.2 приведена одна из реализованных конструктивных схем лабораторного

вибратора, на котором были проведены многочисленные эксперименты по

обработке различных технологических жидкостей и многокомпонентных

жидких систем.

Рисунок 1.2. Вибратор лабораторный ВЛ-1

Объем кюветы лабораторного вибратора позволяет эффективно обрабатывать

до 1 литра жидкости. Основными элементами вибратора ВЛ-1 являются

активатор и электромагнитный привод, герметично разделенные друг от

друга стенкой. Буквами A,B,C,D обозначено поперечное сечение зоны

активации, максимальный объем которой составляет до 60 см3. Активатор

под действием электромагнитных сил совершает колебательные движения,

оказывая на отдельные, постоянно поступающие в зону активации порции

жидкости комплексное вибрационное, сдвиговое, акустическое, де-

компрессионное, электромагнитное воздействия (технология ВСМА). На

Рис.3 приведены характерные частотные характеристики работы вибратора

ВЛ-1, при работе его на среды с различными реологическими

характеристиками: вязкостью и плотностью. Как видно из приведенных

характеристик максимального эффекта следует ожидать при работе ВЛ-1 в

зоне квазирезонанса с наибольшими амплитудами. Кроме этого из анализа

частотных характеристик ВЛ-1 следует, что при увеличении вязкости среды

и ее плотности характеристики смещаются в сторону меньших частот.

Рисунок 1.3. Типичные частотные характеристики работы ВЛ-1

Поэтому задача создания эффективных устройств ВСМА

заключается в корректном подборе активных конструктивных элементов

вибратора: массы и габаритов активатора, геометрии зоны активации;

жесткости подвеса активатора, в совокупности обеспечивающих работу

ВЛ-1 с максимальными амплитудами активатора.

1.3. Применение оборудования ВСМА для приготовления

полимерных составов

Лабораторные исследования, проведѐнные на различных образцах

полимерных составов, убедительно продемонстрировали эффективность

применения оборудования ВСМА.

Виброструйный электромагнитный перемешиватель работает следующим образом: при подаче на моторную часть прибора, определенного по форме и частоте электрического сигнала в устройстве образуется магнитное поле, которое притягивает

якорь (рис.4) к моторной части. Находящаяся между якорем и моторной

частью жидкая среда вытесняется в сопла якоря, создавая на выходе

сопла затопленную турбулентную струю. Интенсивность процессов

характеризуется высокими значениями скорости струи до 20 м/с,

сверхвысокими сдвиговыми скоростями до 1,5*103 с

-1 и чередующимся

декомпрессионным процессом с перепадом давления в зоне активации до

3 атм. Производительность зависит от объема жидкости под якорем и

от частоты колебания вибратора. Приведѐнные параметры прибора

позволили в значительной степени сократить время приготовления

полимерного состава при высоком его качестве.

Рисунок 1.4. Виброструйный электромагнитный перемешиватель

В качестве объекта исследований в ИХН СО РАН использовалась

метилцеллюлоза (МЦ-100), 1%-ный водный раствор которой по

стандартной методике готовится в течение от 1 до 3 часов. При обработке

МЦ-100 в лабораторном приборе ВЛ-1 время получения гомогенного

полимерного раствора резко сокращается по сравнению с вращательными

механическими мешалками, что отражено в таблице 1.2. Время

приготовления высококачественного полимерного состава составило не

более 7 минут, что в десятки раз меньше, чем при использовании

традиционных механических мешалок с приводом от электродвигателя.

Таблица 1.2

Время

обработки на

приборе ВЛ-1,

мин

1 2 3 5 7

Динамическая

вязкость, мПа*с 35,3 37,8 38,9 39,3 40,4

Аналогичные исследования были проведены в ООО «Нефтехимсервис»

(г.Нефтеюганск). В лаборатории готовился полимерный 0,2 % раствор ПАА

марки PDA-1020B на промышленной воде. Результаты приведены в таблице

1.3.

Таблица 1.3

Результаты, полученные в ИХН СО РАН, полностью нашли

подтверждение и в данных экспериментах. Время приготовления

полимерного состава на основе ПАА марки PDA-1020B сокращается до 8 раз.

Таким образом, применение оборудования ВСМА для приготовления

полимерных составов в условиях проведения работ непосредственно на

скважинах, позволит более эффективно проводить ряд специфических

мероприятий на месторождениях нефти и газа.

Целью данной выпускной квалификационной работы являются:

Проектирование прибора приготовления полимерных составов на мобильной

установке

Исходные данные:

- единичный объѐм приготавливаемого ПС- 2 м3

- питание установки – промышленная сеть 220/380 В, 50 Гц

- размещение установки на автомобильном шасси

- требование регулирования режимов работы установки.

Способ

приготовления

Время

приготовления

Условная

вязкость, сек

Степень

однородности

Механическая мешалка

Магнитная мешалка

48 мин

1 час 45 мин

39

43

Не однородная

Однородная

Устройство ВЛ-1

6 мин 45,5 Высокооднородная

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ВИБРОАКТИВАТОРА

ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ РАСТВОРОВ.

2.1 Модуль виброобработки

Из опыта разработок устройств ВСМА следует, что наиболее

целесообразным при разработки конструкции устройства для приготовления

полимерных растворов является модульный подход, позволяющий

оптимально решить поставленные в работе задачи: обеспечить требуемую

производительность при заданных габаритах. Дополнительно, решается

задача обеспечения высокой работоспособности и надѐжности.

Модуль виброобоработки (МВО) является основной частью

виброактиватора для приготовления полимерных растворов. Составными

частями МВО являются:

1 – корпус;

2 – электромагнитный привод;

3 – активатор;

4 – кронштейн;

5 – рычаг;

6 – упругость (пружина);

7 – устройство ввода;

8 – регулирующий винт;

9 – стенка корпуса МВО.

Корпус МВО 1 предназначен для размещения электромагнитного

привода 2 в объѐме, изолированном от воздействия среды обработки и

поэтому он должен быть герметичным. Пространство корпуса, не занятое

электромагнитом, заливается компаундом, для обеспечения лучшего

теплоотвода с обмоток и магнитопровода.

Рисунок 2.1. Конструкция МВО

Электромагнит 2 предназначен для создания возмущающей силы в

колебательной системе. Электромагнит жѐстко связан с корпусом, поэтому в

данной конструкции колебания совершает активатор 3, являющийся якорем

электромагнита. Сердечник электромагнита выполнен из листов

электротехнической стали П-образной формы, набранных в пакет. На обоих

стержнях сердечника расположены одинаковые катушки. Активатор 3

выполнен из цельной заготовки. Активатор 3 выполнен круглой формы. В

теле активатора выполнено специальное трапециидальное отверстие для

формирования затопленных струй. Активатор 3 закреплѐн на длинном плече

рычага 5. Крепление подвижных элементов МВО к корпусу производится

при помощи кронштейна 4.

Возвращающую силу колебательной системы МВО формируют

упругости 6, представляющие из себя цилиндрические пружины.

Регулировочный винт 8 предназначен для регулировки начального

зазора между активатором и стенкой корпуса МВО.

МВО, представляющий собой колебательную систему, работает в

резонансном режиме, который позволяет при минимальных энергозатратах

оказывать максимальное комплексное виброструйное магнитное воздействие

на процесс приготовления полимерного раствора, находящегося в рабочей

ѐмкости. Объясняется это тем, что в резонансе амплитуда колебаний

активатора является максимальной. Резонансный режим обеспечивается

соответствующим сочетанием массы колеблющихся элементов и жѐсткости

пружины. Исходными данными для определения значения жѐсткости пружин

является масса активатора и частота собственных колебаний активатора.

При работе БВО на воздухе можно предположить, что данный режим

соответствует колебаниям активатора на собственной частоте, так как потери

практически отсутствуют. В этом случае, если известны частота колебаний и

масса активатора, можно расчѐтным путѐм определить жѐсткость. В

результате измерений для некоторых исполнений ЭМП установлено, что

частота собственных колебаний находится в пределах, равных 64 Гц. Массу

активатора определяем по размерам активатора.

Чертѐж активатора приведен на рисунке 2.2, размеры активатора

представлены в таблице 2.

Рисунок 2.2 . Общий вид активатора

Размеры указаны в мм.

Таблица 2- Размеры активатора

Н

Н1

Н

H2

Н

H3

Н

H4

Н

H5

В

B1

В

B2

В

B3

В

B4

D

D1

D

D2

R

R1

ω

0f ,

Гц

6

65

3

63

9

9

2

25

4

40

5

50

2

25

1

147

1

197

1

150

1

110

1

10

6

64

Расчет массы активатора.

Объем основания цилиндра:

1

1

2

3

4

dv h

(2.1)

1

25 3110

3.14 9 1.59 104

v мм

Объем усеченного конуса:

2 2

1 21 22 2 3

1

3 2 4 2

d dd dv h h

(2.2)

225 3

21 150 150 110 110

3.14 24 3.211 103 2 4 2

v мм

Объем участка пустоты цилиндра:

2

2

3 64

dv h

(2.3)

24 3

3

1103.14 4 3.801 10

4v мм

Объем внутреннего усеченного конуса:

22

4 5 5474

1

3 2 4 2

d d ddv h

(2.4)

224 3

4

88 681 88 683.14 28 4.924 10

3 2 4 2v мм

Общий объем пустоты:

22

2 6 625 2

1

3 2 4 2

d d ddv h

(2.5)

225 3

5

110 701 110 703.14 33 2.134 10

3 2 4 2v мм

Общий объем стали:

1 1 2 4 3 5V v v v v v

(2.6)

5 5 4 4 5 5 3

1 1.59 10 3.211 10 4.924 10 3.801 10 2.134 10 3.632 10V мм

Переведем в метры кубические:

4 33.632 10V м

Масса активатора:

, (2.7)

где =7800 кг/м3 – плотность стали.

47800 3.632 10 2.833M кг

Для приведѐнных значений массы и собственной частоты колебаний

активатора жѐсткость рассчитывается

м (2.8)

где: π 0f – угловая частота

собственных колебаний;

m – масса подвижных элементов МВО (активатора).

2.2 Расчет пружины

Выбирается пружина с жесткость не менее С . На

рисунке 2.3 представлен чертеж пружины.

Рисунок 2.3- Пружина сжатия

В ходе выбора пружины, получили параметры, представленные в

таблице 2.1.[6]

Таблица 2.1 – Параметры пружины

Материал Проволока по ГОСТ

9389

Диаметр проволоки (прутка) d 7 мм

Наружный диаметр D1 26 мм

Длина пружины без нагрузки L0 300 мм

Рабочее число витков n 7

Контрольная (предварительна) длина L1 250 мм

Контрольная (рабочая) длина L2 40 мм

Внутренний диаметр D2 12 мм

Длина при соприкосновении витков L3 59.5 мм

Предварительная нагрузка F1 24528.58 Н

Рабочая нагрузка F2 127548.59 Н

Максимальная нагрузка F3 117982.45 Н

Жѐсткость пружины С 490.57 Н/мм

Шаг t 41.4мм

Масса пружины m 0.16523 кг

Образование затопленных струй, способствующих быстрому

растворению полимера в воде, при работе МВО происходит следующим

образом. При подаче напряжения на МВО по обмоткам магнитопровода

протекает ток, создающий электромагнитную силу притяжения активатора к

полюсам стержней магитопровода. Активатор при этом движется в сторону

стенки МВО. Жидкость, находящаяся в пространстве между основанием

активатора и стенкой МВО под избыточным давлением выдавливается через

отверстие в активаторе, образуя пульсирующую затопленную струю

жидкости. При этом пружина сжимается, запасая кинетическую энергию.

При снятии напряжения с обмоток электромагнитная сила притяжения

становится равной нулю и за счѐт кинетической энергии, запасѐнной в

пружине, активатор начинает двигаться в обратном направлении - от стенки

корпуса МВО. При питании обмоток напряжением переменной частоты и

использовании диода активатор совершает гармонические колебания,

частотой, равной частоте питающего напряжения.

Учитывая, что при работе МВО для различных марок полимера

сопротивление движению активатора будет изменяется, возникает

необходимость регулировать частоту питающего напряжения, для

обеспечения резонансного режима. Регулирование частоты питающего

напряжения можно осуществлять с помощью преобразователя частоты.

Важным моментом при настройке работы МВО является обеспечение

колебаний активатора в пределах вставленного начального зазора между

активатором и стенкой корпуса МВО. При недостаточной амплитуде

колебаний активатора количество жидкости, образующей поток, не будет

соответствовать максимально возможной. При амплитуде колебаний

активатора больше, чем выставленный начальный зазор, активатор будет

стучать по стенке МВО, что может привести к еѐ разрушению и нарушению

герметичности корпуса.

Имеющиеся технологическая оснастка, которая была изготовлена при

производстве промышленного образца вибратора типа ВЭМА-0,3, позволяет

еѐ использовать и для разработки МВО устройства для приготовления

полимерных растворов.

Основные габаритные и конструктивные размеры, разработанного

МВО, приведены на рисунке 2.3 и в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Основные размеры МВО

Параметр Обозначение Величина

Ширина между полюсами индуктора, м B4 0,107

Диаметр активатора, м D1 0,15

Высота (толщина) активатора, м H1 0,065

Высота стержня индуктора магнитопровода, м h2 0,068

Длина спинки индуктора магнитопровода, м b2 0,147

Ширина индуктора магнитопровода (полюса), м b1 0,045

Ширина стержня индуктора (полюса), м b3 0,02

Толщина спинки индуктора магнитопровода, м H3 0,048

Величина начального воздушного зазаора, м Х0 0,005

Частота собственных колебаний системы, Гц f0 64

Резонансная частота в жидкости, Гц fрж 50

Рисунок 2.4. Расчѐтная схема единичного МВО

2.3 Определение обмоточных данных катушек электромагнитного

привода

Обмоточные данные это количество витков в обмотке и диаметр

обмоточного провода. Эти данные вы можете получить, исходя из размеров

магнитопровода. Обмотка размещается в окне магнитопровода. Полное

сечение окна магнитопровода равно:

24 0,1073 0,048 0,002568

2 2ОК А

BS м (2.9)

Выбирая определѐнный диаметр обмоточного провода можно

подсчитать какое количество витков обмотки можно разместить в окне

магнитопровода:

, (2.10)

где N0 – количество витков обмотки;

R – радиус обмоточного провода, м;

Kз – коэффициент заполнения, 0,6-0,7.

Из технологических соображений рекомендуется выполнять две

обмотку, тогда количество витков одной обмотки будет равно N=1145.

Производится расчет активного сопротивления катушек.

Находится сопротивление катушки:

, где (2.11)

- удельное сопротивление меди, ;

S – площадь сечения обмоточного провода, S = 0.785мм2.

–средняя длина витка обмотки, .

= 17,45 Ом.

2.4 Производительность МВО

Как было отмечено ранее, объѐм пространства активации жидкости

определяется размерами и амплитудой колебаний активатора.

Расход жидкости единичного МВО, формирующийся затопленными

струями и проходящий через щель в активаторе Q с размерностью м3/с,

определить как

, (2.12)

где: Sзахв – площадь захвата, являющаяся частью площади

основания активатора;

f – частота колебаний активатора.

Sзахв - площадь захвата рассчитывается по формуле

, (2.13)

где: Sосн – площадь основания активатора ;

k – коэффициент захвата.

Коэффициент k учитывает то обстоятельство, что не вся жидкость,

находящаяся в объѐме пространства активации, участвует в образовании

затопленных струй. Часть жидкости, находящаяся по периферии основания

активатора при движении активатора к стенке ЭМП может двигаться в

обратном направлении потока жидкости, поэтому коэффициент k будет

меньше. Для активатора круглой формы можно принять k=1,0.

Выполнение оборудования ВСМА с числом активаторов N, что

решается конструктивно достаточно просто, приводит к увеличению

суммарного объѐма, проходящего через щели в N активаторах. Тогда общий

расход жидкости QN устройства ВМСА будет определяется как

(2.14)

Установлено, что процесс образования затопленных струй усиливается

за счѐт создания нарастающего избыточного давления в зоне активации по

мере приближения активатора к стенке корпуса МВО. Результаты

экспериментов позволили вывести закономерность между суммарным

объѐмом прокачки жидкости N активаторами и их амплитудами колебания

, (2.15)

где: x – амплитуда колебаний активатора МВО;

X0 – начальный зазор между активатором и стенкой корпуса

МВО.

Изменение свойств вязких нефтепродуктов под действием

виброструйного магнитного воздействия происходит в результате

неоднократного прохождения данной жидкости через зону активации.

Экспериментами установлено, что для приготовления однородного

полимерного раствора, соответствующего требованиям производства,

необходимо обеспечить не менее 50 циклов его прохождения через зону

активации, тогда производительность активации можно определить как QАx,

равнуюQNx/15.

График изменения относительной производительности активации в

зависимости от относительной амплитуды колебаний активатора приведѐн на

рисунке 2.5. Очевидно, что максимальная производительность активации

достигается в случае, когда амплитуда колебаний x активатора ЭМП равна

максимально допустимой и совпадает с начальным зазором X0, при которой

относительная амплитуда Δx=x/X0=1,0.

Рисунок 2.5. Зависимость объѐма активации от относительной

амплитуды колебаний активатора

Амплитуда механического сопротивления при колебаниях активатора в

растворе не является величиной постоянной, а зависит от скорости

колебаний активатора. Чем выше скорость колебаний активатора, тем выше

вероятность появления турбулентности, сопровождаемой возрастанием

механического сопротивления движению активатора. Значение

механического сопротивления колебаниям активатора в растворе при

ламинарном процессе обозначим Rm0. Для вязких полимеров Rm0

соответствует сопротивлению установившегося разжиженного состояния,

значения которого для исследованных полимерных растворов изменяется от

350 кг/с и выше.

Объем активации жидкости зависит от формы активаторов, разные

формы активатора имеют разные гидравлические сопротивление и площадь

захвата.

Площадь захвата для круглой формы Sзахв рассчитывается по формуле

(2.16)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

QAx x( )

x x( )

где: π площадь основания формы

круглого активатора,

- радиус активатора эквивалентный

Расход жидкости, формирующийся затопленными струями активаторов

круглой формы QNx с размерностью м3/ч, в этом случае при максимальной

амплитуде колебаний и начальном зазоре между стенкой корпуса МВО и

активатором Х0 = 5 мм можно определить как

, м

3/час (2.17)

Производительность активации (обработки) различных жидкостей по

данным многочисленных исследований зависит от количества циклов

обработки порций жидкости, находящейся в зоне активации. Таких циклов

должно быть не менее 50. В таком случае производительность устройств

активации будет определяться выражением

=

= 0,38 , м

3/час (2.18)

По данному значению производительности активации, учитывая

требование обеспечения производительности всего устройства не менее 2

м3/час, можно определить необходимое количество МВО. Расчѐты

показывают, что для обеспечения заданной в работе производительности

устройства для приготовления полимерных растворов необходимо

использовать не менее пяти (5) МВО. Принимаем количество МВО в полном

устройстве приготовления полимерных растворов равным шести штук (6).

2.5 Устройство приготовления полимерных растворов

Рисунок 2.6-Общий вид устройства

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТАНОВКИ

3.1 Описание электрической схемы замещения установки

Электрическая схема представляет собой главный и два

короткозамкнутых (КЗ) контура. Основной электрический контур включает в

себя электромагнит (индуктивности L1 и L2, активные сопротивления

катушек R1 и R2, и диод VD). Энергия распространения колебаний в

пространстве, как известно, зависит от частоты возмущающей силы. Причѐм,

чем выше частота, тем меньше радиус распространения энергии колебаний в

плотной среде. При подаче на электромагнит частоты промышленной сети 50

Гц, возмущающая сила будет изменяться с частотой в два раза выше – 100

Гц. В этом случае величина коэффициента жесткости, определяемая по

выражению (2.8) будет достаточно большой. Технологически изготовить

цилиндрическую пружину с высокими значениями коэффициента жѐсткости

не всегда практически представляется возможным. Использование диода VD

позволило обеспечить частоту возмущающей силы 50 Гц при частоте

питающего напряжения 50 Гц.

Короткозамкнутый контур, создаваемый конструктивными элементами

стенки корпуса МВО, на схеме замещения представлен индуктивностью Lкз и

активным сопротивлением Rкз.

Так как КЗ контуры идентичны друг другу, учтем влияние на катушки

только одного КЗ контура.

Расчетная схема замещения электрической части ЭМП представлена на

рисунке 3.1.1.

Рисунок 3.1.1 – Схема замещения электрической части установки

Рисунок 3.1.1 - включает в себя следующие элементы

- L1, L2 – индуктивности катушек;

- R1, R2 – активные сопротивления катушек;

- М12 – взаимная индуктивность между катушками;

- Lкз, Rкз – индуктивность и активное сопротивление короткозамкнутого

контура соответственно;

Мкз – взаимная индуктивность короткозамкнутого контура;

Определим параметры электрической системы ЭМП.

Активные сопротивления катушек по заданию:

1 2 17,45КR R R Ом

Активное сопротивление КЗ контура принимаем:

кз

кз кз

кз

lR

S , (3.1.1)

где кз -проводимость материала к.з. витка(нержавеющая сталь),

кз =0,047

кзl -длина контура к.з. витка

кзS -сечение контура к.з. витка, кзS =20 мм2

кзl = кзD =0,11781 м (3.1.2.)

42,76853 10кзR Ом

Индуктивности катушек:

2 2 6

ст.10 01 2 3 3

ст.10

1284 5000 1,257 100,30934

0 6 10 5 10 5000 0,147м

N SL L Lк Гн

X x l

(3.1.3)

где N=1284 – число витков катушки;

= 0,342 м - длина средней линии магнитопровода;

3 3 6 230 10 15 10 450 10 мS – площадь поперечного сечения

сердечника;

3 3 3 3

0 1 10 5 10 1 10 6 10 мx м м м

- воздушный зазор;

6

0 1,257 10 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума;

cт.10 5000 – относительная магнитная проницаемость стали 10;

1,5 - коэффициент рассеивания;

k=1 – коэффициент, учитывающий отношение длины намотки к диаметру

соленоида ( / 10l d ).

Индуктивность КЗ контура:

63ст.10 0

кз

5000 1,257 10 450 101,414441 10

0,004к

SL Гн

l

(3.1.4)

Принимаем следующие значения взаимных индуктивностей:

2 2 6

ст.10 012

3 3

0 ст.10

1284 5000 1,257 100,30784

0,1476 10 5 10 5000

0,5 0,5

N SМ Гн

lмx

(3.1.5)

64ст.10 0

3 3

0 ст.10

1284 5000 1,257 102,39749 10

0,1476 10 5 10 5000

0,5 0,5

кз

N SМ Гн

lмx

(3.1.6)

3.4 Система уравнений МВО

Система уравнений работы виброактиватора приведенная ниже состоит

из уравнениев электрических контуров МВО и уравнения механического

контура. Данные уравнения должны быть преобразованы в удобный вид для

их решения численными методами.

3.4.1 Уравнения для электрических контуров

Уравнение для основного контура определяется по формуле

sin к к

dt i R

dt

,

где: - суммарное потокосцепление катушек L1,L2

кi - ток протекающий в основном контуре;

кR - Активное сопротивление основного контура.

- суммарное потокосцепление, будет, имеет вид:

1 2,

1 - суммарное потокосцепление катушки L1, представляющее собой

сумму потокосцеплений данной катушки, определяемую собственной

индуктивностью и всеми возможными взаимоиндуктивными связями.

2 - суммарное потокосцепление катушки L2, представляющее собой

сумму потокосцеплений данной катушки, определяемую собственной

индуктивностью и всеми возможными взаимоиндуктивными связями.

1 суммарное потокосцепление катушки L1 определяется как:

1 . 1 . 1 . . 1,соб инд в инд в инд К

где:

. 1 1,соб инд кi L - собственное потокосцепление катушки L1;

. 1 12,в инд кi M - потокосцепление катушки L1 с катушкой 2L ;

. . 1 1в инд К кз кзi M - потокосцепление с короткозамкнутым контуром;

2 - суммарное потокосцепление катушки L2 определяется как:

2 . 2 . 2 . . 2,соб инд в инд в инд К

где:

. 2 2,соб инд кi L - собственное потокосцепление катушки L2;

. 1 12,в инд кi M - взаимное потокосцепление катушки 1L , 2L ;

. . 1 2,в инд К кз кзi M - взаимное потокосцепление с короткозамкнутым

контуром;

Перепишем уравнение 5.15

1 2sin ,к к

d dt i R

dt dt

(3.4.1)

где: потокосцепление 1 , 2 будут равны:

1 . 1 . 1 . . 1 1 12 1 1 ,соб инд в инд в инд К к к к кзd i L i M i M

dt dt dt dt dt dt dt

(3.4.2)

2 . 2 . 2 . . 2 2 12 1 2 ,соб инд в инд в инд К к к к кзd i L i M i M

dt dt dt dt dt dt dt

(3.4.3)

Используя выражение получим общую расчетную формулу:

1 2 12 21 1кз1 1кз2

1 2 12 21 1кз1 1кз2

sin( )

;

к к

к

к

Um t i R

dL dL dM dM M Mi

dt dt dt dt dt dt

diL L M M M M

dt

(3.4.4)

Упростим уравнение, заменив дифференциал произведение на суммы

двух дифференциалов:

1 2 12 21 кз1-1 кз2-1 кз2-2 кз1-2

1 2 12 21 1кз1 1кз2

sin( ) sin( )

;

к к

к

к

Um t Um t i R

i L L M M M M M M

di dL dL dM dM M M

dt dt dt dt dt dt dt

(3.4.5)

Cгруппируем однородные члены выражения для составления

уравнения основного контура.

1 2 12 21 1кз1 1кз2

1 2 12

sin( ) 2

,к к к

к

dL dL dM dM M MUm t i R i

di dt dt dt dt dt dt

dt L L M

(3.4.6)

Уравнение для короткозамкнутого контура:

1кз кз0 ;кзdi R

dt

(3.4.7)

Где: кз - потокосцепление короткозамкнутого контура,

представляющий собой суммарный магнитный поток, сцепляющийся со

всеми витками катушки индуктивности и взаимноиндуктивности

короткозамкнутого контура.

Произведем для короткозамкнутого контура операции преобразования

как для основного контура и получим окончательный вид:

1 2 1 1 1 2

,

кз кз кз кз кзкз кз кз

кз

кз

L М М Мi R i

i dt dt dt dt

dt L

(3.4.8)

3.4.2. Уравнение механического контура МВО

,

,

( , , ) ( , ) ( )3( , , , )

эм k m

k

а кр

F t I I x R t y y q x xF t I I x y

M Q

, (3.4.2.1)

,4( , , , )kF t I I x y y (3.4.2.2)

5( , )d

F y t ydt

(3.4.2.3)

Где:

F3 - dy/dt - ускорение активатора,

Fэм - сила электромагнитного притяжения,

y=dx/dt - скорость перемещения активатора

3.5 Алгоритм расчѐта системы уравнений

Система уравнений, состоящая из основного контура,

короткозамкнутого контура, уравнения механического контура и скорости

амплитуды, не может быть решена аналитическими методами, поэтому для

расчѐта режимов работы виброактиватора выше приведенные системы

уравнений рассчитаем численными методами Рунге-Кутты четвертого

порядка, составим алгоритм расчета системы. Метод Рунге-Кутты обладает

большой точностью. Метод Эйлера, или метод касательных, не столь точен.

Этот метод очень удобен для практических вичислений. [8]

Система расчета состоит из итерационного определения четырех

коэффициентов K, M, S, C:

Алгоритм расчетов будем, производит, учитывая соответствующие

коэффициентами, во времени. Матрица для алгоритма расчета выглядит

Первый ряд матрицы задаѐт время расчѐта с определѐнным шагом

ti+h. Второй ряд матрицы, рассчитывает ток в основном контуре,

учитывает наличие диода, третий ряд учитывает ток в короткозамкнутом

витке, четвертый ряд учитывает скорость движения активатора, пятый ряд

учитывает смещение активатора относительно средней точки

C t I Ik x y c1 t I Ik x y 2 c2 t I Ik x y 2 c3 t I Ik x y c4 t I Ik x y

6

ti 1

Ii 1

Iki 1

yi 1

xi 1

ti h

if Ii K ti Ii Iki xi yi 0 Ii K ti Ii Iki

xi yi 0 Iki

M ti Ii Iki xi yi

yi S ti Ii Iki xi yi

if xi C ti Ii Iki xi yi X0 X0 xi C ti Ii Iki

xi yi

K t I Ik x y k1 t I Ik x y 2 k2 t I Ik x y 2 k3 t I Ik x y k4 t I Ik x y

6

M t I Ik x y m1 t I Ik x y 2 m2 t I Ik x y 2 m3 t I Ik x y m4 t I Ik x y

6

S t I Ik x y s1 t I Ik x y 2 s2 t I Ik x y 2 s3 t I Ik x y s4 t I Ik x y

6

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РАБОТЫ АКТИВАТОРА

4.1.1 Анализ модели при механическом сопротивлении Rмех =500кг/с.

Необходимо отметить, что в ходе анализа должно соблюдаться

постоянство соотношения амплитуды и частоты питающего напряжения

U/f=const. Так, как в процессе обработки сопротивление жидкости меняется,

был выбран диапазон изменения сопротивления Rm0=500÷1100 кг/с.

Также был выбран начальный зазор = 5 мм. Важным требованием,

которому должна удовлетворять установка МВО, является хорошее качество

перемешивания полимерных гранул и воды.

Учитывая тот факт, что принцип работы установки резонансный,

необходимо рассмотреть работу установки при различных частотах

питающего напряжения.

На рисунках 4.1.1 приведены характерные зависимости основных

параметров вибратора амплитуды колебаний, магнитная сила и ток в

основной цепи в зависимости от времени

Рисунок 4.1.1 – График амплитуды колебаний при U=220В, f=70 Гц

Сведем полученные результаты в таблицу (таблица 4.1.1) для

построения частотных характеристик при Rмех =500кг/с и диапазоном

значений частоты питающего напряжения f=30÷70 Гц.

Таблица 4.1.1

f

30

35

40

45

50

55

60

65

70

U, В

100

110

120

140

160

180

200

210

220

Id, А

0,77

0,77

0,78

0,79

0,81

0,87

0,89

0,89

0,89

Iкз, А

58,72

64,55

70,04

78,26

93,61

104,58

94,07

87,58

85,69

x ,

мм

1,94

8,64

1,04

1,38

1,86

1,92

1,44

1,04

4,12

V,

м3/час

0,66971

0,06637

0,090

0,20

0,037

0,40

0,21

0,123

0,07628

На рисунке 4.1.2 представлена частотная характеристика полимерного

состава при Rm=500 кг/с

Рисунок 4.1.2 – График зависимости амплитуды колебаний активатора

от частоты питающего напряжения при Rm=500 кг/с .

Из графика видно, что максимальная амплитуда колебаний активатора

достигается при частоте f=35 Гц, так же, согласно таблице 4.1.1, величина

максимального тока в катушках составляет Imax=0,89А.

4.1.2 Анализ модели при механическом сопротивлении Rмех =650 кг/с.

Сведем полученные результаты в таблицу (таблица 4.1.2) для

построения частотных характеристик при Rмех =650 кг/с и диапазоном

значений частоты питающего напряжения f=30÷70 Гц.

0123456789

10

30 35 40 45 50 55 60 65 70

х, мм

f, Гц

Таблица 4.1.2

f

30

35

40

45

50

55

60

65

70

U, В

100

110

120

140

160

180

200

210

220

Id, А

0,75

0,77

0,79

0,80

0,83

0,86

0,88

0,88

0,89

Iкз, А

62,78

65,89

71,24

79,79

89,25

94,41

92,40

89,30

87,63

x ,

мм

1,04

8,35

9,61

1,14

1,30

1,28

1,09

8,98

7,61

V,

м3/час

0,0616

0,04482

0,051

0,088

0,128

0,129

0,089

0,061

0,043

На рисунке 4.1.3 представлена частотная характеристика полимерного

состава при Rm=650 кг/с

Рисунок 4.1.3 – График зависимости амплитуды колебаний активатора

от частоты питающего напряжения при Rm=650 кг/с .

0

2

4

6

8

10

12

30 35 40 45 50 55 60 65 70

х, мм

f, Гц

Из графика видно, что максимальная амплитуда колебаний активатора

достигается при частоте f=40 Гц, так же, согласно таблице 4.1.2, величина

максимального тока в катушках составляет Imax=0,89А.

4.1.3 Анализ модели при механическом сопротивлении Rмех

=800кг/с.

Сведем полученные результаты в таблицу (таблица 4.1.3) для построения

частотных характеристик при Rмех =800 кг/с и диапазоном значений частоты

питающего напряжения f=30÷70 Гц.

Таблица 4.1.3

f

30

35

40

45

50

55

60

65

70

U, В

100

110

120

140

160

180

200

210

220

Id, А

0,75

0,77

0,79

0,81

0,83

0,85

0,87

0,88

0,88

Iкз, А

63,76

67,08

71,04

79,37

85,77

89,40

89,84

88,89

88,23

x ,

мм

8,36

7,88

8,73

9,65

1,01

9,78

8,83

7,81

6,99

V,

м3/час

0,030

0,031

0,0357

0,050

0,062

0,059

0,047

0,036

0,030

На рисунке 4.1.4 представлена частотная характеристика полимерного

состава при Rm=800 кг/с

Рисунок 4.1.4 – График зависимости амплитуды колебаний активатора

от частоты питающего напряжения при Rm=800 кг/с.

Из графика видно, что максимальная амплитуда колебаний активатора

достигается при частоте f=55 Гц, так же, согласно таблице 4.1.3, величина

максимального тока в катушках составляет Imax=0,88А.

4.1.4 Анализ модели при механическом сопротивлении Rмех =950кг/с.

Сведем полученные результаты в таблицу (таблица 4.1.4) для построения

частотных характеристик при Rмех =9500 кг/с и диапазоном значений

частоты питающего напряжения f=30÷70 Гц.

Таблица 4.1.4

f

30

35

40

45

50

55

60

65

70

U, В

100

110

120

140

160

180

200

210

220

Id, А

0,75

0,77

0,79

0,81

0,83

0,85

0,86

0,87

0,88

Iкз, А

63,96

67,82

71,44

78,42

83,40

86,50

87,81

88,12

88,13

x ,

мм

7,18

7,36

7,91

8,34

8,43

8,13

7,57

6,99

6,48

V,

м3/час

0,019

0,022

0,025

0,032

0,035

0,033

0,028

0,024

0,022

0

2

4

6

8

10

12

30 35 40 45 50 55 60 65 70

х, мм

f, Гц

На рисунке 4.1.5 представлена частотная характеристика полимерного

состава при Rm=950 кг/с

Рисунок 4.1.5 – График зависимости амплитуды колебаний активатора

от частоты питающего напряжения при Rm=950 кг/с.

Из графика видно, что максимальная амплитуда колебаний активатора

достигается при частоте f=50 Гц, так же, согласно таблице 4.1.4, величина

максимального тока в катушках составляет Imax=0,88А.

4.1.5 Анализ модели при механическом сопротивлении Rмех =1100кг/с.

Сведем полученные результаты в таблицу (таблица 4.1.5) для построения

частотных характеристик при Rмех =1100 кг/с и диапазоном значений

частоты питающего напряжения f=30÷70 Гц.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

30 35 40 45 50 55 60 65 70

х, мм

f, Гц

Таблица 4.1.5

f

30

35

40

45

50

55

60

65

70

U, В

100

110

120

140

160

180

200

210

220

Id, А

0,75

0,78

0,80

0,82

0

,83

0,85

0,86

0,87

0,88

Iкз, А

64,07

67,83

71,48

77,45

81,76

84,63

87,81

87,22

87,73

x ,

мм

6,57

6,88

7,22

7,40

7,36

7,12

7,57

6,41

6,10

V,

м3/час

0,013

0,016

0,018

0,022

0,023

0,021

0,028

0,017

0,016

На рисунке 4.1.6 представлена частотная характеристика полимерного

состава при Rm=1100 кг/с

Рисунок 4.1.6 – График зависимости амплитуды колебаний активатора

от частоты питающего напряжения при Rm=1100 кг/с.

Из графика видно, что максимальная амплитуда колебаний активатора

достигается при частоте f=60 Гц, так же, согласно таблице 4.1.5, величина

максимального тока в катушках составляет Imax=0,88А.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

30 35 40 45 50 55 60 65 70

х, мм

f, Гц

Таким образом, для обеспечения максимальной производительности

активации, учитывая приведѐнные выше результаты расчѐтов режимов

работы виброактиватора при его эксплуатации необходимо регулировать с

помощью частотного преобразователя значение питающего напряжения в

диапазоне частоты от 30 Гц до 70 Гц. Так же установлено, что максимальное

значение тока установки равно 0,89 А.

ГЛАВА 5. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА УСТАНОВКИ

Основными элементами схемы подключение лабораторной установки

являются сам виброактиватор, преобразователь частоты и блок питания,

который должен включать в себя диод, автоматический выключатель. Общая

схема подключение лабораторной установки к электрической сети приведена

на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 – Функциональная схема регулируемого электропривода.

По результатам проведенных опытов получаем исходные данные для

выбора преобразователя частоты.

Таблица 5.1

Диапазон

регулирования частот, Гц от 30 до 70

Номинальное

напряжение сети, В 220 .U

Ток фазы, А

max 0,89 1,2 6 6,408полный зI I k

maxI - максимальный ток, протекающий

в катушке;

зk - коэффициент запаса примем равным

1,2;

5.1 Выбор преобразовательного устройства для системы

Преобразователь частоты (ПЧ) в ЭП является силовым регулятором,

вход которого подключен к питающей сети с нерегулируемыми значениями

напряжения 1U и частоты 1f , а на выходе обеспечиваются регулируемые

значения напряжения 2U (или тока 2I ) и частоты 2f в зависимости от

задания и управляющих сигналов уU .

Применение ПЧ в ЭП обеспечивает наиболее экономичные способы

регулирования скорости.

Номинальный фазный ток активатора равен 6А.

Диапазон напряжений, который необходимо обеспечить для

регулирования режимов работы активатора, составляет от 100 до 220 В.

Для обеспечения резонансного режима работы обработки активатором

различных смесей необходимо менять частоту питающего напряжения в

диапазоне от 30 до 70 Гц.

По справочным данным выбираем частотный преобразователь марки

Mitsubishi FR-E740 – 170 – EC Данный преобразователь позволяет равномерно

и экономичное регулирования производительности путем изменения частоты.

Внешний вид и характеристики частотного преобразователя приведены в

рисунке 5.2 и таблице 5.2

Рисунок 5.2 – Внешний вид преобразователя частоты Mitsubishi FR-

E740 – 170 – EC

Таблица 5.2 - Характеристики частотного преобразователя

Наименование параметра Величина

Номинальная выходная мощность

ПЧ, кВт 7.5

Номинальный ток нагрузки, А 45

Номинальное напряжение на входе, В 380 – 480 (+10%-

15%)

Диапазон регулирования напряжения,

В

От 0 В до

напряжение питания

Частота питающей сети, Гц 50/60 ± 5%

Диапазон регулирования частоты, Гц 0,2-400

Кратность тока перегрузки 1,5 Iном

5.2 Выбор аппаратуры управления и защиты

5.2.1 Аппаратура управления

Управление электромагнитным вибратором активатора осуществляется

в ручном режиме. Основным объектом управления является преобразователь

частоты. Управление осуществляется по двум каналам регулирования U и f.

5.2.2 Выбор автоматического выключателя

В качестве устройства защиты трехфазной цепи будем использовать

автоматический выключатель QF для защиты электрической схемы от токов

короткого замыкания.

Для отдельного электроприемника :

1. . . 2,23 .н расц номЭПI I А

2. 1,2 1,2 6 0,89 6,408 .уст пускI I А

Используя справочную литературу, выбираем автоматический

выключатель типа ВА25-29. Его параметры приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Параметры выключателя ВА25-29

Количество полюсов 1

Номинальный ток, А 6

Номинальное напряжение, В 240

Номинальная отключающая

способность, А

6000

Время срабатывания, с 0,004

Защитные характеристики L(B); G(C)

Сечение присоединяемых проводников,

мм2

1...25

Масса одного полюса, не более, г 130

Гарантийный срок, лет 3

Срок службы, не менее, лет 12

Условие эксплуатации УХЛ3

Износостойкость

-механическая

-коммутационная

не менее 20 000 циклов В-О;

не менее 10 000 циклов В-О.

Степень защиты выключателя IP30

Соответствие ГОСТ Р 50030.2

5.2.3 Расчет и выбор типа и сечения кабеля сети высокого

напряжения

В распределительных сетях до 1000 В выбор сечений питающий линий

производится по длительно допустимой нагрузке:

доп

прок

2,232,23 ,

k 1

номII А

. .

доп З

прок

61 6 ,

k 1

н расцII k А

где kз = 1 – коэффициент защиты, для сетей требующей защиты от

перегрузки, находящийся в нормальном помещении и имеющих изоляцию из

резины или аналогичную по тепловым характеристикам.

kпрок = 1 – поправочный коэффициент зависящий от количества

параллельно прокладываемых кабелей.

Выбираем трехжильный кабель марки ВВГ (установочный провод, с

медными жилами, поливинилхлоридная изоляция, поливинилхлоридная

оболочка. Используется для прокладки в сухих и влажных помещениях).

Сечение жилы 21,5S мм с доп 19I А

5.2.4 Выбор диода

Полупроводниковый диод - полупроводниковый прибор с одним p-n-

переходом и двумя выводами. Наиболее распространенными являются

выпрямительные диоды, принцип работы которых основан на

использовании свойства односторонней проводимости p-n-перехода.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного

тока. Основные параметры выпрямительных диодов:

- максимально допустимый прямой ток -сотни милиампер – единицы

ампер,

- максимально допустимое обратное напряжение диода – десятки

сотни вольт.

Для выбора диода зададимся, что Iпр.мах = Iн = 10 А, значение Uоб.мах ≥

Uн., исходя из этих условии выбираем диод типа Д232 с параметрами [11]:

- Uоб.мах = 400 В.

- Iпр.мах = 10 А.

- диапазон рабочих температур -60…+130 Со

- гарантийная наработка не менее – 10000 ч.

Таким образом, в результате определены основные элементы

электрической схемы электропривода установки и их эксплуатационные

параметры, позволяющие обеспечить функционирование лабораторной

установки во всѐм возможном диапазоне режимов работы при исследованиях

реологических свойств различных жидкостей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных работ по моделированию, конструированию и

разработке технологических приѐмов применения электропривода установки

приготовления полимерных растворов для обработки нефтяных скважин можно

сделать следующие выводы:

предложенная методика, расчѐтные выражения для определения массы,

механического сопротивления движению активатора и оценке

производительности активации полимерных растворов позволяют

производить расчѐты основных показателей работы установки на стадии

проектирования. Производительности активации одного модуля

составила 0,38 м3/час.

при проведении работ необходимо периодически подстраивать частоту и

амплитуду питающего напряжения для обеспечения работы установки.

Диапазон регулирования частоты может составлять от 30 до 70 Гц,

диапазон регулирования амплитуды напряжения может составлять от 100

до 220 В.

по данным расчет был выбран частотный преобразователь марки

Mitsubishi FR-E740 – 170 – EC, диод марки Д231, автоматический

выключатель ВА47-29 и кабель марки КГН.