CC BY
6
УДК 004.021:639.2.06
АЛГОРИТМ И КОМПЬЮТЕРНАЯ ПРОГРАММА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ВАКУУМНЫХ РЫБОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК
А. А. Землянов
ALGORITHM AND COMPUTER PROGRAM FOR MODELING THE OPERATION OF VACUUM FISH PUMPING UNITS
A.A. Zemlyanov
Аннотация. Компьютерная программа для моделирования работы вакуумных рыбонасосных установок прошла государственную регистрацию. Программа базируется на ранее разработанных математических моделях отдельных этапов работы вакуумных рыбонасосов. В статье представлена блок-схема алгоритма программы. Описаны блоки расчета откачки и закачки воздуха в рабочую камеру с помощью водокольцевых компрессорных машин. Всасывание и вытеснение водорыбной смеси происходит за счет создаваемого перепада давлений. Программа позволяет рассчитать среднюю производительность и коэффициент полезного действия установки за цикл работы.
Ключевые слова: вакуумные рыбонасосные установки; водокольцевые компрессорные машины; математическая модель; компьютерная программа; алгоритм; блок-схема.
Abstract. The computer program for modeling the operation of vacuum fish pumping units has passed state registration. The program is based on previously developed mathematical models of individual stages of vacuum fish pumps operation. The flowchart of the program algorithm is presented in the article. The calculation blocks for pumping and injecting air into the working chamber using water-ring compressor machines were described. Suction and displacement of the water-fish mixture occurs due to the created pressure drop. The program allows you to calculate the average performance and efficiency of the unit per cycle.
Keywords: vacuum fish pumps; water-ring compressor machines; mathematical model; computer program; algorithm; flowchart
Введение
Вакуумные рыбонасосные установки (ВРУ) обеспечивают наименьшую повреждаемость объектов лова из всех типов устройств по перемещению рыбы. Поэтому их широко применяют на практике, наряду с центробежными рыбонасосами [1]. Принцип работы таких установок (см. Рисунок 1) двухэтапный, причем каждый этап распадается на две фазы. Первый этап: в первой фазе происходит откачивание воздуха из рабочей камеры (бака) с помощью вакуумного насоса; во второй фазе водорыбная смесь засасывается в бак за счет созданной разности давлений. Второй этап: в первой фазе воздуходувка повышает давление в рабочей камере с водорыбной смесью; во второй фазе происходит вытеснение жидкости из бака за счет созданного избыточного давления. В качестве компрессорных машин ВРУ, чаще всего, используются водокольцевые компрессорные машины (ВКМ). Моделирование характеристик ВКМ и процесса откачки (закачки) с их помощью воздуха из рабочей камеры (бака) подробно рассмотрено в статьях [2-5]. На их основе была разработана компьютерная программа обработки результатов испытаний ВКМ, аппроксимации нагрузочных характеристик, моделирование динамики изменения давления в рабочей камере и расчета коэффициента полезного действия (КПД) ВКМ [6]. Ее элементы стали блоками для расчета работы ВРУ в первых фазах обоих этапов.
Рисунок 1 - Типовая схема ВРУ: 1 - емкость с водорыбной смесью; 2 - всасывающий трубопровод; 3 - рабочая емкость (резервуар); 4 - нагнетательный трубопровод; 5 -приемная емкость с водоотделителем; 6, 7 - клапаны
Для вторых фаз обоих этапов математические модели были разработаны в [7-9].
Работа ВРУ во 2-й фазе первого этапа описывается следующими дифференциальными уравнениями с начальными условиями: нестационарного движения жидкости в одномерном приближении (уравнение Бернулли при переменном перепаде давления) и изменения объема жидкости в резервуаре ¥(г)
Ь
ёЖ 1
ёг
Р
Ра - Рм
¥0
¥0 - ¥(г)
Ж
- Н+ О, Ж( 0) = 0;
ё¥ ёг
= Бх • Ж (г), ¥( 0) = 0,
(1) (2)
где Ж - скорость водорыбной смеси в трубопроводе, р - плотность водорыбной смеси, g -ускорение свободного падения, Ь1, 51 Н1 - соответственно, длина, площадь поперечного сечения, перепад высот всасывающего трубопровода, Р11 - абсолютное давление в конце первой фазы первого этапа, ^ - коэффициент гидравлических потерь всасывающего трубопровода.
Работа ВРУ во 2-й фазе второго этапа описывается тремя дифференциальными уравнениями:
ё р
((0 - ¥(г)У — = /2 (Р(г)У ((1 - к) • Р(г) + к • Ра ) - Р(г)Ж(г)Б2, Р(0) = Р2Х. (3) ё г
Ь ^ =1 (О)- Ра)- g
а г р
Н 2 -
¥(г) 1 Ж 2
(1 + С 2 ), Ж( 0) = 0;
0
ё¥_ ёг
= -5*2 • Ж(г), ¥(0) = ¥м , Рр>1 = Ра + Рg
Н2 -
V
м
5
0 J
(4)
(5)
где 50 - площадь основания резервуара, Ь2, 52, Н2 - соответственно, длина, площадь поперечного сечения, перепад высот нагнетательного трубопровода, - коэффициент гидравлических потерь нагнетательного трубопровода.
2
2
Блок схема алгоритма моделирования работы ВРУ
Компьютерная программа «Моделирование работы вакуумной рыбонасосной установки» прошла государственную регистрацию, поэтому стало возможным опубликовать блок-схему ее алгоритма. Алгоритм включает следующие блоки:
- Расчет коэффициента гидравлического сопротивления водорыбной смеси (рис. 2);
- Расчет параметров работы ВКН (рис. 3);
С Начало )
/ Исходные / / денные и / / параметры /
Г
-- - -
Л5Л
Формула Альтшуля
Эмпирические формулы
Н
Да
/ Шкала / Лаеиси мости/
I--
Расчет
коэффициента гидравлического сопротивления водорыбной смеси
I_______I
Рисунок 2 - Блок-схема алгоритма. Расчет коэффициента гидравлического сопротивления
водорыбной смеси
Г
|р=ЭЛ1
¡п1егр сэркпе
/Нагрузочная 'лэрактеристака
I--
Расчет параметров в режиме вакуумного насоса
Рисунок 3 - Блок-схема алгоритма. Расчет параметров работы ВКМ в режиме вакуумного
насоса
Расчет параметров работы ВКК (рис. 4);
Расчет первой фазы первого этапа. Откачка воздуха из бака (рис. 5);
Расчет второй фазы первого этапа. Всасывание водорыбной смеси в бак (рис. 6);
Расчет первой фазы второго этапа. Нагнетание воздуха в бак (рис. 7);
Расчет второй фазы второго этапа. Вытеснение водорыбной смеси из бака (рис. 8).
Рисунок 4 - Блок-схема алгоритма. Расчет параметров работы ВКМ в режиме компрессора
(воздуходувки)
Входными компьютерной программы параметрами являются:
- Плотность и концентрация (массовая доля) рыбы;
- Атмосферное давление;
- Объем рабочей емкости (бака);
- Площадь основания резервуара (бака)
- Коэффициент утечки;
- Длина всасывающего и нагнетательного трубопровода;
- Внутренний диаметр трубопровода;
| р(0) = = Рак ]
Уравнение откачки
Затраченная работа
I___
1 фаза 1 этапа -Откачка воздуха из бака
Рисунок 5 - Блок-схема алгоритма. Расчет первой фазы первого этапа.
Откачка воздуха из бака
- Высота всасывания и нагнетания;
- Абсолютная шероховатость стенок трубопровода;
- Суммарный коэффициент гидравлических потерь в местных сопротивлениях.
- Коэффициент кинематической вязкости воды;
- Параметры работы ВКМ в режиме вакуумного насоса;
- Минимальное давление ВКМ в режиме вакуумного насоса;
- Продолжительность работы ВКМ в режиме вакуумного насоса;
- Параметры работы ВКМ в режиме компрессора.
Рисунок 6 - Блок-схема алгоритма. Расчет второй фазы первого этапа. Всасывание водорыбной смеси в бак
Основные рассчитываемые характеристики ВРУ: Продолжительность одного цикла работы ВРУ; Объем водорыбной смеси, перекачиваемой за один цикл; Средняя производительность ВРУ за один цикл; Механическая работа, затраченная ВКМ за один цикл; Полезная (гидравлическая работа); Коэффициент полезного действия ВРУ.
Рисунок 7 - Блок-схема алгоритма. Расчет первой фазы второго этапа.
Нагнетание воздуха в бак
Во время первых фаз рассчитывалась механическая работа, затраченная ВКМ:
-41 -'21
Л2 = лп + Лы, Лп = |ух(Р(г))йг, А21 = | V2(Р(г))аг.
(6)
Во время вторых фаз рассчитывалась полезная (гидравлическая) работа:
12 22 Л§ = Д2 + Л22, Л12 = ^ • ¡(Рл - Р(г))-Ж(г)аг, Л22 = ^ • ¡(Р(г) - РА )-Ж(г) аг. (7)
Рисунок 8 - Блок-схема алгоритма. Расчет второй фазы второго этапа. Вытеснение водорыбной смеси из бака
Применение компьютерной программы
В данной статье воспользуемся результатами испытаний ВКМ ЗАО «Беском» [11]. Нагрузочные характеристики ВКМ при работе в режиме вакуумного насоса и компрессора представлены на рис. 9 и 10.
Производительность (расход воздуха) ВКМ О и затраченная мощность N в зависимости от давления в камере Р рассчитывались по методике, описанной в [2], с учетом замечаний [12]:
О = /1(Р), О2 = /2(Р), N1 = щ(Р) , N2 = У2(Р), (8)
где индекс 1 относится к работе ВКМ в режиме вакуумного насоса, 2 - компрессора.
70 Р. кПа
Рисунок 9 - Нагрузочная характеристика водокольцевого вакуумного насоса ВВН1-12. Точки - данные [11], линии - расчет по формулам (8)
м /ынк 6
N
Ч^С?
N
кВт 20
16
12
100 120 140 160 ISO 200 220 240 260 Р кПа
Рисунок 10 - Нагрузочная характеристика водокольцевого компрессора ВК-6М1. Точки -
данные [11], линии - расчет по формулам (8)
На рис. 11-12 представлены результаты расчета работы ВРУ на втором этапе при следующих значениях параметров: объем резервуара У0 = 2 м3; п = 1450 об/мин; длина трубопроводов Ь]= Ь2,= 30 м; внутренний диаметр ё=0,15 м; перепад высот Н1 = 6 м; коэффициент утечки к = 0,05 и разных значениях Н2.
150 100 50
0
Рисунок 11 - Расход водорыбной смеси в нагнетательном трубопроводе на втором этапе работы ВРУ при изменении высоты нагнетания: 1 - H2 = 6 м; 2 - H2 = 9 м; 3 - H2 = 12 м
1.5 1
0.5
дм/с
\
1 'Г
/
5 10 15 20 25 f,c
0 5 10 15 20 25
Рисунок 12 - Объем перекачиваемой водорыбной смеси на втором этапе работы ВРУ при разных значениях высоты нагнетания. Обозначения, как на рис. 11 Р, кПа
200 150 100 50
0 5 10 15 20 25 *,с
Рисунок 13 - Абсолютное давление в баке на втором этапе работы ВРУ при разных значениях высоты нагнетания. Обозначения, как на рис. 11
Найденные зависимости от времени давления в рабочей емкости Р(г) и скорости водорыбной смеси в трубопроводе Ш(г). позволяют рассчитать среднюю производительность и КПД ВРУ за полный цикл работы, соответственно:
б = У1 /Т , п = 100 • Л?/Л2, (9)
где V - объем жидкости ¥1, перекачанной за один цикл; Т - полное время цикла.
Заключение
Таким образом, разработанная компьютерная программа позволяет по нагрузочным характеристикам ВКМ и техническим параметрам ВРУ рассчитывать среднюю производительность и КПД установок. Программа рекомендуется для подбора режимов и схем работы ВРУ, обеспечивающих в заданных условиях наибольшую производительность или повышенную энергоэффективность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кудакаев В.В., Карпелев Т.П., Бойцов А.Н. Автоматизированные гидравлические системы транспортировки рыбы из орудий лова рыбонасосами // Известия ТИНРО. 2016. Т. 186. С. 207-213.
2. Великанов Н.Л., Наумов В.А. Компрессорные машины вакуумных рыбонасосов // Рыбное хозяйство. 2018. № 6. С. 78-81.
3. Великанов Н.Л., Наумов В.А. Динамические характеристики вакуумных насосов и компрессоров рыбонасосных установок // Рыбное хозяйство. 2019. № 1. С. 79-83.
4. Великанов Н.Л., Наумов В.А. Моделирование характеристик водокольцевых вакуумных насосов // Известия вузов. Машиностроение. 2019. № 10. С. 70-77.
5. Naumov V.A., Velikanov N.L. Simulation of operational characteristics of the water-ring vacuum pumps // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019. Т. 537. 032029.
6. Наумов В.А., Землянов А.А. Расчет КПД водокольцевого вакуумного насоса по нагрузочным характеристикам. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019660345 от 05.08.2019.
7. Наумов В.А., Великанов Н.Л. Этапы работы вакуумной рыбонасосной установки // Рыбное хозяйство. 2020. № 2. С. 108-112.
8. Наумов В.А., Великанов Н.Л., Землянов А.А. Производительность вакуумных рыбонасосных установок большой мощности // Рыбное хозяйство. 2020. № 4. С. 119-123.
9. Naumov V.A. Influence of leakage on characteristics of the vacuum transport unit based on the water-ring pump // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. Т. 862. 032007.
10. Наумов В.А., Землянов А.А. Моделирование работы вакуумной рыбонасосной установки. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020617879 от 15.07.2020.
11. ЗАО «Беском». Водокольцевые вакуум-насосы и компрессоры [Электронный ресурс]. URL: http://servocompressor.ru/docs/vvn/vvn vk.pdf (дата обращения: 01.06.2020).
12. Бояринова Н.А., Кикот А.В., Наумов В.А. Особенности статистической обработки результатов экспериментальных исследований случайной функции, полученных разными авторами // Известия КГТУ. 2015. № 37. С. 199-206.
REFERENCES
1. Kudakaev V.V., Karpelev T.P., Bojcov A.N. Avtomatizirovannye gidravlicheskie sistemy transportirovki ryby iz orudij lova rybonasosami [Automated hydraulic system of transporting fish from fishing gear by fish pumps]. Izvestiya TINRO. 2016. V. 186, pp. 207-213.
2. Velikanov N.L., Naumov V.A. Kompressornye mashiny vakuumnyh rybonasosov [Compressor machines of vacuum fish pumps]. Rybnoe hozyajstvo. 2018. No 6, pp. 78-81.
3. Velikanov N.L., Naumov V.A. Dinamicheskie harakteristiki vakuumnyh nasosov i kompressorov rybonasosnyh ustanovok [Dynamic characteristics of vacuum pumps and compressors of fish-pumping units]. Rybnoe hozyajstvo. 2019. No 1, pp. 79-83.
4. Velikanov N.L., Naumov V.A. Modelirovanie harakteristik vodokol'cevyh vakuumnyh nasosov [Modeling of characteristics of water ring vacuum pumps]. Izvestiya vuzov. Mashinostroenie. 2019. No. 10, pp. 70-77.
http://vestnik-
;-nauki.ru
ISSN 2413-9858
5. Naumov V.A., Velikanov N.L. Simulation of operational characteristics of the water-ring vacuum pumps. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019. V. 537. 032029.
6. Naumov V.A., Zemlyanov A.A. Raschet KPD vodokol'cevogo vakuumnogo nasosa po nagruzochnym harakteristikam [Calculation of the efficiency of a water ring vacuum pump by load characteristics]. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii programmy dlya EVM. No. 2019660345 dated 05.08.2019.
7. Naumov V.A., Velikanov N.L. Etapy raboty vakuumnoj rybonasosnoj ustanovki [Stages of operation of the vacuum fish pumping unit]. Rybnoe hozyajstvo. 2020. No. 2, pp. 108-112.
8. Naumov V.A., Velikanov N.L., Zemlyanov A.A. Proizvoditel'nost' vakuumnyh rybonasosnyh ustanovok bol'shoj moshchnosti [Productivity of high-power vacuum fish pumping units]. Rybnoe hozyajstvo. 2020. No. 4, pp. 119-123.
9. Naumov V.A. Influence of leakage on characteristics of the vacuum transport unit based on the water-ring pump. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. V. 862. 032007.
10. Naumov V.A., Zemlyanov A.A. Modelirovanie raboty vakuumnoj rybonasosnoj ustanovki [Modeling of the operation of a vacuum fish pumping unit]. Svidetel'stvo o gosudarstvennoj registracii programmy dlya EVM No. 2020617879 dated 15.07.2020.
11. ZAO «Beskom». Vodokol'cevye vakuum-nasosy i kompressory [Water ring vacuum pumps and compressors]. [Electronic resource]. URL: http://servocompressor.ru/docs/vvn/vvn_vk.pdf (date accessed: 01.06.2020).
12. Boyarinova N.A., Kikot A.V., Naumov V.A. Osobennosti statisticheskoj obrabotki rezul'tatov eksperimental'nyh issledovanij sluchajnoj funkcii, poluchennyh raznymi avtorami [Features of statistical processing of results of experimental studies of a random function obtained by different authors]. IzvestiyaKGTU. 2015. No. 37, pp. 199-206.
Земляное Антон Алексеевич Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, Россия, студент четвертого курса строительного факультета, направление подготовки «Природообустройство и водопользование», E-mail: [email protected]
Zemlyanov Anton Alekseevich Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia, 4-year student of the Construction Faculty, field of study "Environmental engineering and Water use", E-mail: [email protected]
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 236023, Россия, г. Калининград, ул. Щорса, д. 1 кв. 4 8(9622)56-15-36
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
