Устройство для приготовления смеси
Известно размещаемое на самоходном шасси устройство для приготовления смеси с центробежным насосом, размещенным во входной магистрали, закачивающим жидкий компонент в открытую камеру смешения смесителя, в которую подается также сыпучий компонент и производится их перемешивание. Приготовленную смесь забирает нагнетающий насос и выдает ее под необходимым давлением потребителям.
В таком устройстве вся гидравлическая энергия, переданная жидкости всасывающим центробежным насосом, установленным во входной магистрали, теряется в смесителе, что вызывает необходимость применения переразмеренного нагнетающего насоса, требующего на привод повышенной мощности. При перемешивании компонентов в открытой камере смешения необходимо контролировать в ней уровень жидкости из-за возможности переполнения. Камера смешения, выполненная с запасом объема с целью снижения риска переполнения, увеличивает габариты смесителя.
В предлагаемом устройстве для приготовления смеси, содержащем установленные последовательно всасывающий насос, смеситель с крыльчаткой в камере смешения, нагнетающий насос, магистрали подвода жидкого и сыпучего компонентов смеси и отвода полученной смеси, крыльчатка выполнена с возможностью обеспечения динамической герметизации, обеспечивающей перемешивание компонентов под давлением.
1 илл.
Предлагаемая полезная модель «Устройство для приготовления смеси», размещаемое на самоходном или прицепном шасси, относится к области устройств, используемых, преимущественно, в нефтедобывающей и газодобывающей промышленности для приготовления растворов и смесей, закачиваемых в призабойные зоны для повышения производительности скважины при использовании технологий гидравлического разрыва пластов.
Известно размещенное на самоходном шасси устройство для приготовления смеси, содержащее двухфазный насос-смеситель с регулируемым приводом, магистрали подвода компонентов смеси и нагнетающую магистраль. Имеются разновидности этой конструкции, в которых конечное давление жидкости дополнительно увеличивается установленным за насосом-смесителем нагнетающим центробежным насосом с приводом. (Патент РФ на полезную модель 
48371 с приоритетом от 24.05.2005 г.)
Известен также размещенный на самоходном шасси агрегат для приготовления смеси с всасывающим насосом, размещенным в заборной магистрали, подающим жидкий компонент в смеситель. Одновременно в смеситель вводится сыпучий компонент и вращением крыльчатки смесителя производится его смешивание с жидким компонентом при атмосферном давлении. При этом давление, созданное всасывающим насосом, теряется. Полученную смесь забирает нагнетающий насос, который повышает давление смеси до требуемого значения, и далее, под необходимым давлением, - потребителям. Указанный агрегат является ближайшим аналогом заявляемой полезной модели. Источник сведений о ближайшем аналоге: http://www.consulting-agency-trade.com/en/frac-blender.
В указанном устройстве вся гидравлическая энергия, переданная жидкости центробежным насосом, установленным во входной магистрали, полностью теряется в смесителе, так как перемешивание жидкого и сыпучего компонентов в смесителе производится при атмосферном давлении. Нагнетающий насос, не обладая подпором на входе, работает с повышенным потреблением мощности на свой привод. В ходе работы устройства для приготовления смеси с перемешиванием компонентов в открытой камере смешения необходимо постоянно контролировать в ней уровень жидкости, не допуская переполнения. Поддержание уровня и баланса расходов поступающей и уходящей жидкости достигается непрерывной регулировкой частоты вращения центробежного насоса во входной магистрали, что может быть затруднительно при работе с большими расходами компонентов, а также на переменных режимах работы. На практике, для исключения переполнения смесителя и пролива жидкости камеру смешения выполняют со значительным запасом объема, что увеличивает габариты смесителя и приводит к сложностям его размещения его на мобильной установке. В заявленном устройстве приготовление смеси происходит при избыточном давлении, развиваемом всасывающим насосом, гидравлический баланс обеспечивается наличием смесителя с динамической герметизацией, исключающим выплеск жидкости.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является снижение затрат мощности на приготовление смеси из жидкого и сыпучего компонентов путем исключения потерь давления в смесителе, а также уменьшение габаритов смесителя и упрощение конструкции устройства.
Этот технический результат достигается благодаря тому, что в устройстве для приготовления смеси, содержащем установленные последовательно всасывающий насос, смеситель с крыльчаткой в камере смешения, нагнетающий насос, магистрали подвода жидкого и сыпучего компонентов смеси и отвода полученной смеси, смеситель выполнен с возможностью обеспечения динамической герметизации.
В конструкциях гидравлических насосов и смесителей часто используют для герметизации полостей, находящихся под давлением, рабочие колеса, на тыльной стороне которых выполнены специальные лопасти - импеллеры, которые при вращении колеса сбрасывают жидкость на периферию, обеспечивая динамическую герметизацию центральной части рабочего колеса, применительно к смесителям - магистрали подвода сыпучего компонента.
Предлагаемая полезная модель представлена на фиг.1.
Устройство для приготовления смеси содержит всасывающую магистраль 1 для подвода жидкого компонента, магистраль 2 для подвода сыпучего компонента, последовательно установленные всасывающий насос 3 с приводом, герметичный смеситель 4 с крыльчаткой 5 и нагнетающий насос 6 с магистралью отвода 7.
Устройство работает следующим образом. По магистрали 1 жидкий компонент смеси всасывающим насосом 3 под давлением подается в камеру смешения «а», а сыпучий компонент (проппант) - в полость «б» крыльчатки 5 смесителя 4. Из камеры смешения смесителя 4 полученная смесь под давлением поступает в нагнетающий насос 6, который повышает давление смеси в магистрали отвода 7 до необходимого потребителю уровня. Требуемый режим работы устройства достигаются посредством независимой регулировки частот вращения приводов всасывающего насоса 3, крыльчатки 5 смесителя 4 и нагнетающего насоса 6. Независимая регулировка частот вращения обеспечивает необходимое давление и расход смеси в магистрали отвода 7 и возможность оптимизации распределения потоков мощности между приводами всасывающего насоса 3, крыльчатки 5 смесителя 4 и нагнетающего насоса 6, позволяет снизить общие затраты мощности на всех режимах по расходу и концентрации смеси.
В предлагаемом устройстве всасывающий насос подает под давлением жидкий компонент в герметичный смеситель, в который одновременно вводится сыпучий компонент и, без снижения давления жидкого компонента, производится перемешивание компонентов. Далее смесь подается на вход в нагнетающий насос, обеспечивающий требуемое давление приготовленной смеси в нагнетающей магистрали и дополнительное перемешивание компонентов. Выполнение смесителя с обеспечением динамической герметизации позволяет проводить смешивание компонентов под давлением, снижая напор, который должен обеспечивать нагнетающий насос, благодаря чему не теряется энергия, переданная жидкому компоненту смеси всасывающим насосом. Динамическая герметизация смесителя исключает перетекание жидкого компонента, находящегося в камере смешения под давлением, в магистраль подвода сыпучего компонента, находящегося при атмосферным давлении. Динамическая герметизация смесителя, достигается воздействием лопастей вращающейся крыльчатки на жидкий компонент, создающей уравновешивающее давление со стороны полости в крыльчатке для подвода сыпучего компонента. Напор, развиваемый лопастями крыльчатки, определяется зависимостью:
, где
Ht - теоретический напор
Cu1, Cu2 - окружные составляющая абсолютной скорости жидкости на на входе и на сходе с лопасти, соответственно;
U1, U2 - окружные скорости лопасти на радиусах входа и схода жидкости, соответственно.
Источник: С.П.Стесин, Е.А.Яковенко, «Лопастные машины и гидродродинамические передачи», Москва, Машинотроение, 1990 г.
Окружные скорости пропорциональны радиусам входа и схода жидкости и частоте вращения крыльчатки, а так как радиус схода жидкости всегда больше радиуса ее входа, при превышении частоты вращения крыльчатки некоторой величины, лопасти начинают создают давление выше давления в камере смешения, препятствуя поступлению из нее жидкости через межлопаточные каналы в полость для подвода сыпучего компонента.
Последовательное размещение всасывающего насоса, герметичного смесителя и нагнетающего насоса с обеспечением независимой регулировки частоты вращения привода каждого из этих устройств позволяет оптимизировать энергозатраты на приготовление и выдачу смеси. Такая конструкция позволяет устранить нежелательные явления в работе: снижение давления в нагнетающей магистрали ниже допустимого уровня, утечку жидкого компонента из смесителя, перетекание жидкого компонента в приемную полость смесителя для сыпучего компонента. Динамическая герметизация смесителя за счет исключения резервных объемов для защиты от переполнения, и таким образом оптимизировать конструктивное решение по размещению устройства на мобильной установке.
Устройство для приготовления смеси, содержащее установленные последовательно всасывающий насос, смеситель с крыльчаткой, нагнетающий насос, всасывающую и нагнетающую магистрали, отличающееся тем, что в нем смеситель выполнен с возможностью обеспечения динамической герметизации.
