CC BY
45
Научный журнал КубГАУ, №104(10), 2014 года
1
УДК626.823.4
КРИТИЧЕСКИЕ СКОРОСТИ ПОДСАСЫВАЕМЫХ ПОТОКОВ В СТРУЙНЫХ СМЕСИТЕЛЯХ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ, МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ И ВОДЫ
Тарасьянц Сергей Андреевич д.т.н., к.т.н., профессор
Вакуленко Юлия Сергеевна аспирантка
Уржумова Юлия Сергеевна Канд.техн.н.
Дегтярева Карина Александровна Канд.техн.н., ассистент
Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт (ДГАУ), Новочеркасск, Россия
В статье рассмотрен кольцевой двухповерхностный струйный трехкомпонентный насоссмеситель. Предлагается метод расчета критических докавитационных скоростей, подсасываемых потоков животноводческих стоков и минеральных удобрений
Ключевые слова: СТРУЙНЫЙ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ, КРИТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ, ПОДСАСЫВАЕМЫЙ ПОТОК, НАПОР, СОПЛО
UDC 626.823.4
STALLING SPEEDS OF PRESSURE IN-FLOW STREAMS OF STOCK-RAISING FLOWS, MINERAL FERTILIZERS AND WATER
Tarasyants Sergey Andreevich Dr.Sci.Tech. ,professor
Vakulenko Julia Sergeevna postgraduate
Urzhumova Julia Sergeevna Cand.Tech.Sci.
Degtyareva Karina Aleksandrovna Cand.Tech.Sci., assistant
Novocherkassk Engineering reclamation Institute (DGA U), Novocherkassk, Russia
The article describes a circular two-surface three-component jet agitator (pump). The calculation method of critical precavitation speeds and in-flows of livestock wastes and mineral fertilizes was introduced
Keywords: JET, THREE-COMPONENT, AGITATOR, STALL SPEED, IN-FLOW, PRESSURE HEAD, NOZZLE
При определении критических значений скорости потока во внешней и внутренней областях, составляется уравнение Д. Бернулли, приведенное для сечений А-А и t-t во внешней, А-А и О-О внутренней областях.
и
где
р.
\+( ) — + Ht — + ft-UT
os. а л, ал, 7а v 1 f~t' л, с л,
ЧР
ЧР
Pi
ЧРц
+ н <±=^ + ^(1 + Г Лї±+Н t±+kw
Эр0 ЧРо 2ч ' я- * а- ^ £
— - атмосферное давление, м
QPa
(1)
(2)
kw(x-t) - потери напора на отрыв животноводческих стоков во всасывающем трубопроводе смесителя, м
( и ( , - коэффициенты гидравлического сопротивления от
J t J и
входа в смеситель f-f до сечения t-t во внешней и О-О во внутренней областях, приведенные к скоростям U t и U 0.
http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/082.pdf
Научный журнал КубГАУ, №104(10), 2014 года
2
Значения величин в круглых скобках в зависимостях (1) и (2) могут быть приняты равными, так как величины коэффициентов ( и ( _
/Г J II
изменяются в пределах от 0,03 до 0,10, т.е. 1= 1+С“f_t = 1 + (в, где
(в = 0,03 — 0 ДО - коэффициент гидравлического сопротивления камеры смешения (на вход).
Рисунок 1- струйный трехкомпонентный насос - смеситель
1-внутренняя кольцевая щель; 2- внутреннее сопло; 3- наружное сопло; 4 - трубопровод подачи воды; 5 - заглушка; 6 - наружный стакан; 7 -конфузор; 8 - камера смешения; 9 - внешняя подсасывающая область; 10 -трубопровод подачи минеральных удобрений; 11 - задвижка; 12 - внутренняя подсасывающая область животноводческих стоков; 13 - трубопровод подачи животноводческих стоков; 14 - задвижка.
Потери напора hw^x_t-i зависят в основном от конструкции механического рыхлителя при его наличии.
В случаях, когда отсутствует механический рыхлитель, всасывающий трубопровод выполняется в виде наконечника и потери hwix_t^ можно учитываются через коэффициент (в, придав ему величину максимума.
http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/082.pdf
Научный журнал КубГАУ, №104(10), 2014 года
3
При замене в уравнениях (1) и (2) гидродинамическое давление в сечениях t-t во внешней и О-О во внутренней областях, упругостью водяного пара
гт
РРа
, и добавив, в качестве слагаемого величину срывной кавитации а (по
Х.Ш. Мустафину [1] а=0,3), что подтверждается нашими опытами [2], получим с учетом 1+^J, +(7=1 + + а=1+СБ + ® формулу для опреде-
J - t j о
ления критической докавитационной скорости.
(3)
В случае работы на воде (ри = р1 наконечником «s 0):
р0) и с коротким всасывающим
(4)
где: Нс = Н2 — Ht - заглубление сечения 0-0 и t-t под уровень навозонакопителя, м; для исследуемого кольцевого двухповерхностного смесителя принимается заглубление сечения О-О или t-t в зависимости от того, какая относительная скорость больше E/t(t — t) или £/t(0 — О.
При определении максимальных скоростей подсасываемых потоков на активном участке взаимодействия, бескавитационный режим работы
j jj
смесителя обеспечивается при соблюдении условий U t< Uк и U 0 < Uk. При заданных геометрических размерах и коэффициентов смешения
jj
значение относительной скорости U 0 определяется по зависимости:
(5)
выведенной ниже:
Зависимость (5) получена с учетом того, что v0 = l, a m = —.
й}
j
При определении относительной скорости U t вводятся допущения:
http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/082.pdf
Научный журнал КубГАУ, №104(10), 2014 года
4
1) В сечении О-О весовой расход рабочей струи рассматривается условно разделенным на части, пропорционально расходам подсасываемого потока, поступающего из внешней и внутренней областей, (каждая из частей рабочей струи работает на вовлечение соответствующей части подсасываемого потока; граничная поверхность областей предполагается цилиндрической по длине проточной части, с постоянным радиусом.
2) Гидродинамическое давление в сечениях, взаимодействующих струй рабочей и подсасываемой, полагается постоянным по сечению;
3) Плотность подсасываемого потока по пути областей (внешней и внутренней) полагается постоянной, т.е. Pi = const;
4) В пределах камеры смешения живое сечение подсасываемого потока предполагается очерченным частью торховой поверхности.
5) Касательные напряжения в потоках по граничной поверхности с радиусом гг, разделяющей внутреннюю и внешнюю области равны нулю, ввиду малого поперечного градиента продольных скоростей.
6) Коэффициенты Кориолиса и Буссинеска в сечениях О-О и С-С принимаются равными 1, имея в виду распределение скоростей равномерным.
Максимальная скорость U t во внешней области определяется при выращивании относительных напоров нагнетания Нг при Z > 0 и Z ^ 0.
Напор нагнетания смесителя в относительных величинах определяется по зависимости:
нг = нг + нг (6)
где Нг и Н г - относительные величины напоров во внешней и внутренней областях.
Относительные напоры Н г и Н г получены по уравнениям количества движения, составленным для сечений О-О и С-С и уравнения Бернулли
http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/082.pdf
Научный журнал КубГАУ, №104(10), 2014 года
5
для сечений f-f и t-t и f-f и О-О во внешней и внутренней областях при Z > 0.
2 . ■ 2 ' \ , ■ ■ , / ■ 2 • 2'
Hr = 2(V0 ы0р0 + ио /oPl) + 0,5(90 + 9) (f/t -U0 )р,-9 X
—'—г
Cl + 0^t Рі-^Ді + ^+УРг,-
(7)
Нг = 2(у0 ^Ор0 + У . /(jPj-9 (1 + 0^7, Р1-9 7е(1+Сг + ург (8)
В случае когда, относительная скорость подсасываемого потока при оптимальном расстоянии Zovt постоянна на всем активном участке, то обозначив ее U величина определяется по зависимости U = U 0 = U t, а также
обозначив / —/ с и q = 9 // , зависимость (7) получена в виде:
—■ _■ 2 . _'2- _'2 , _._2
Нг = 270 £У0р0 + 2і/ -Рі-У 9 (І+Оі-^^ДІ + Сг + У (8)
Оптимальная величина выведена по зависимости:
(9)
Решение, которого дает qopt
Из первого допущения следует, что:
- коэффициенты смешения во внешней и внутренней области равны полному коэффициенту смешения:
а
су _ Gj.
g'l+gI _ G±_ _ _ _
(10)
- относительный радиус граничной поверхности
(11)
- отношение подсасываемых величин
qpiPofo
т — 1 =="а
mrD
-1,
—2
Так как = —, V0 = 1,/ 0 = г0
(12)
(12)
Подставив зависимости (9) и (12) в выражение (10) выведена зави-
симость для определения максимальной скорости подсасываемого потока во внешней области
http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/082.pdf
Научный журнал КубГАУ, №104(10), 2014 года
6
(13)
Формулы для определения величин, входящих в зависимость (13) при заданных коэффициенте смешения а0 , геометрической характеристики смесителя m и относительных радиусов отверстии кольцевого сопла г0 и
(14)
- геометрическая характеристика во внешней области;
t
— _______2
9 = 1 - гг
(15)
- относительная площадь камеры смешения, отнесенная ко внешней области;
-■ _ і
f° ~ w?
- ’ї
ar„
л?г —
+ 4—^(1 + ztg--rd
із
(16)
Площадь живого сечения относительная подсасываемого потока в сечении О-О внешней области.
Таблица 1- сводка формул для расчета относительных максимальных скоростей подсасываемого потока
смеситель
Кольцевой с двухповерхностной
рабочей струей
Области растекания подсасываемого потока
внешняя
внутренняя
U „ =
Ял
р±(т- 1)
С центральной рабочей струей
Кольцевой с одноповерхностной
рабочей струей
U„ =
Ял
О “Г
р^т- 1)
http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/082.pdf
Научный журнал КубГАУ, №104(10), 2014 года
7
Для смесителя с центральной рабочей струей fo вычисляется по
— 1 — — 1 — _JJ формуле (16) при г 0 = —, Q0 = f о + — U0 по формуле (18) при г 0 = 0 и
j
7 =7.
J о J о
Для сопоставления опытных и расчетных значений максимальных
j jj
относительных скоростей во внешней U t и внутренней U t областях и подтверждение правомерности применения зависимости.
Использованы опыты, приведенные в работах [2] и [3].
С геометрической характеристикой m=6,25;
Относительным расстоянием Z = 2,8 и 2=1,08;
Углом конусности конфузора у=20° (0,349 рад);
Коэффициентом гидравлического сопротивления на вход (Е = ОД; Исследования проводились при, т.е. р1 = р0 = 1.
В таблице 2 приведено сопоставление опытных и расчетных относи-
j j
тельных скоростей U q = U0 и U t = Ut при различных коэффициентах смешения а0 и расстояниях 2.
Г.Е. Мускевич [3] выполнил замеры скоростей в проточной части кольцевого насоса-смесителя с двухповерхностной рабочей струей и с цилиндрическим смесителем.
Геометрическая характеристика смесителя m=4,17.
Относительное расстояние 2 = 0,6 — 0,8.
Угол конусности конфузора у=96°08.
Коэффициент гидравлического сопротивления на вход = 0,05. Исследования проводились на воде, (р^_ = 1,0).
http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/082.pdf
Научный журнал КубГАУ, №104(10), 2014 года
8
Таблица 2-сопоставление опытных по Панину и расчетных данных
Ко- эф. сме те- ния Яо Ско- рость ко м/с опыт Рас сто яни е Z Площади относит. расчетные Опытные скорости Расчетные скорости Расхож- дение
Го и'ч м/с % %
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
1,10 22,00 2,0 2,9 0,09 0,13 0,08 0,14 -4,4 6,8
1,17 17,30 1,7 2,4 0,09 0,14 0 0,09 1,14 -5,1 6,4
1,07 15,00 1,3 1,9 0,08 0,12 0,08 0,13 -2,3 7,0
0,53 14,00 2,8 2,03 0,16 2,01 0,6 1,00 0,04 0,07 0,04 0,06 -2,3 -7,0
1,04 7,40 0,7 1,00 0,09 0,13 5 0,08 2 0,13 12, 7 -3,0
1,60 14,65 1,9 3,00 0,13 0 0,20 5 0,12 6 0,20 2 -3,0 -1,5
2,61 14,70 2,9 4,95 0,19 0,33 0,20 0,33 4,1 -1,2
2,74 15,00 3,2 5,30 0,21 3 0,35 0,21 0,34 0,9 -1,1
1,77 18,00 2,4 4,00 0,13 0,22 0,13 0,21 1,5 -1,4
Сопоставление опытных по Г.Е. Мускевичу [3] и наших расчетных данных показано в таблице 3.
Таблица 3- Сопоставление опытных по Г.Е. Мускевичу и расчетных данных
Коэф. смесите- ля а0 Опытные скорости Расчетные скорости й (относи- тельные) Створ I % Створ II %
Ско- рость м/с Створ I Створ II
U 0(оп), м/с t/i(oif) А1 и и (оп)
1,20 15,00 5,50 0,367 5,30 0,35 0,379 3,45 7,37
В таблицах 2 и 3 получено удовлетворительное совпадение опытных и расчетных данных, что подтверждает правомерность ранее выведенных зависимостей для расчета относительных скоростей Ut во внешней и
U 0 — U во внутренней областях.
Исследован кольцевой трехкомпонентный эжектор с двухповерхностной рабочей струей, установленный на опытном орошаемом участке.
http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/082.pdf
Научный журнал КубГАУ, №104(10), 2014 года
9
Одна из задач исследования состояла в опытном определении критических по кавитации коэффициентов смешения для различных напоров рабочего потока.
Геометрическая характеристика смесителя m=5,28.
Внешний диаметр кольцевого сопла d 0 — 63,3 мм.
jj . .
Внутренний диаметр кольцевого сопла d 0 = 5 5 мм.
Диаметр камеры смешения Dg = 7 2 мл.
Расстояние от обреза сопла до начала Z = 40 мм.
Угол конусности конфузорау = 90°.
При определении расчетного критического коэффициента смешения
приняты следующие величины параметров.
Атмосферное давление —=10,33мм.
РРо
Р
Упругость водяного пара-21- = 0,24 м (при температуре 20°С)
РРа
Заглубление выходного отверстия сопла под 1м;
Коэффициент срывной кавитации о = 0,3;
Коэффициент гидравлического сопротивления входа (Б = 0,1; Исследования проводились на воде, р1 = А> = 1,0;
Таблица 4 - Сопоставление опытных и расчетных критических по
кавитации коэффициентов смешения
На- пор на- гнет. Ни, м Рабо- чий расход Qo, м3/с Ско- рость истече- ния из сопла К, м/с Расчетная скорость 1/ г.(отно-ситель-ная) Расчетная критич. скорость йь (относи- тельная) Расч.критич. коэфф. смешения «к = и'Л™~ и Расхожд. ак — 1 ■ як(пп) Опыт н.кри тич. коэф. сме- ше- ния ®1с(пп)
90,7 0,031 40,22 0,061 1,32 1,31 0,76
82,6 0,028 36,33 0,069 1,47 1,47 0
70,0 0,026 33,74 0,076 1,58 1,51 41,86
http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/082.pdf
Научный журнал КубГАУ, №104(10), 2014 года
10
Теоретические исследования дали возможность для определения гидравлических и геометрических элементов струйных смесителей, используемых в системах орошения стоками животноводческих комплексов. Доказана возможность применения к подсасываемому потоку, уравнения Д.Бернулли, и получена зависимость, для определения критической, по кавитации, скорости подсасывающих потоков. Выведены зависимости, для вычисления максимальных скоростей подсасываемого потока в различных конструкциях насосов-смесителей при сопоставлении подсасываемого с критической скоростью, определяющей докавитационный режим.
Литература
1. Мустафин Х.Ш. Расчет эжектора на воде и гидросмеси // Сб. трудов ВНИИ-Неруд, 1968.- 12c.
2. Панин В.М. Водоструйные насосы и их применение при намыве земляных плотин и при строительных работах с глубоким водоотливом. - М.:Госстройиздат. 1953.- 49c.
3. Мускевич Г.Е. Гидравлические исследования и расчет водоструйных аппаратов // Дис..Канд. техн. наук. Ростов н/Д 1970.- 58c.
References
1. Mustafin H.Sh. Raschet jezhektora na vode i gidrosmesi // Sb. trudov VNII-Nerud, 1968.- 12c.
2. Panin V.M. Vodostrujnye nasosy i ih primenenie pri namyve zemljanyh plotin i pri stroitel'nyh rabotah s glubokim vodootlivom. - M.:Gosstrojizdat. 1953.- 49c.
3. Muskevich G.E. Gidravlicheskie issledovanija i raschet vodostrujnyh appara-tov //
Dis...Kand. tehn. nauk. Rostov n/D 1970.- 58c.
http://ej.kubagro.ru/2014/10/pdf/082.pdf
