CC BY
32
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК 626.882
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО КАВИТАЦИОННОГО АЭРАТОРА ДИФФУЗОРНОГО ТИПА ВОДОВОЗДУШНОЙ ПРОМЫВНОЙ СИСТЕМЫ
© 2007 г. В.П. Боровской, Е.В. Головня
Обычно в промывных струйных системах в качестве рабочего агента используется жидкость. В то же время исследованиями установлено, что применение водовоздушных струй, например, для промывки сеток рыбозащитных сооружений, повышает эффективность в 1,5-2,0 раза [1, 2]. Наличие этого факта дает основание рассматривать возможность применения водовоздушных струй в качестве активного средства при промывке различных загрязненных поверхностей, включая и закрытый горизонтальный дренаж. В свете сказанного данное направление исследований, связанное с разработкой высокоэффективных промывных систем, представляется актуальным и перспективным.
Для решения этой задачи в работе [3] предложено включить в состав промывной системы специальный аэратор жидкости, который, будучи установленным в самом начале напорной линии, создает необходимое газонасыщение жидкости, формируя таким образом на выходе водовоздушный рабочий агент. В то же время из опыта эксплуатации гидротехнических сооружений известно, что чрезмерное газонасыщение жидкости, возникающее, например, при самоаэрации высокоскоростных открытых потоков в гидротехнических сооружениях, снижает их размывающую способность [4]. Следовательно, размывающий эффект имеет место при сравнительно малых концентрациях газа в жидкости.
С учетом этого можно сформулировать основные требования, предъявляемые к аэраторам водовоздушных промывных систем. Суть их сводится к необходимости обеспечения на выходе достаточно высокого (для обычных аэраторов) давления рабочей смеси при сравнительно небольшом газонасыщении жидкости.
Теоретически таким требованиям отвечает конструкция гидродинамического кавитационного аэратора диффузорного типа (ГКА-ДТ), разработанная в НГМА, опубликованная в работе [5] (рис. 1).
Принцип работы представленного устройства подобен работе водовоздушного эжектора. Жидкость под давлением подаётся в сопло. Ускоренный таким
образом поток попадает в приемную диффузорную камеру (ПДК). Здесь создается глубокое разрежение, которое, подобно вакуумному насосу, втягивает в себя воздух из атмосферы через систему газозаборных отверстий (ГЗО), расположенных на поверхности ПДК.
Рис. 1. Конструктивная схема ГКА-ДТ: 1 - напорная труба; 2 - сопло; 3 - цилиндрическая часть сопла; 4 - приемная диффузорная камера (ПДК); 5 - газозаборные отверстия (ГЗО); 6 - кольцевой затвор; 7 - камера смешения (КС)
В данной модификации аэратора регулирование подачи газа осуществляется путём открытия или закрытия рядов газозаборных отверстий с помощью подвижного кольцевого затвора. Окончательное бар-ботирование жидкости завершается в камере смешения. Сопряжение камеры смешения с напорной отводящей линией водовода осуществляется традиционно с помощью диффузора.
Для получения технических характеристик этого устройства проводились специальные лабораторные исследования на испытательном стенде в гидротехнической лаборатории НГМА (рис. 2).
Рис. 2. Лабораторная установка
Воздух
.КРвых
Смесь
Вода
Рис. 3. Схема лабораторной установки: 1 - насосный агрегат; 2 - всасывающий патрубок; 3 - напорная линия; 4 - сбросная труба; 5 - сопло; 6 - приемная диффузорная камера; 7 - газозаборная камера; 8 - камера смешения;
9 - диффузор; 10 - отводящая напорная труба
Схема размещения оборудования и измерительной аппаратуры в составе испытательного стенда представлена на рис. 3.
Экспериментальный образец ГКА-ДТ изготовлен со следующими геометрическими параметрами: диаметр сопла dо = 10 мм; диаметр камеры смешения d кс = 20 мм; диаметр отводящей трубы d вых = 50 мм; угол конусности диффузоров 6 диф = 8о ; длина камеры смешения lкс = 200 мм. Гозозаборные отверстия
располагаются на одинаковом радиальном удалении друг от друга по шесть отверстий в каждом из десяти рядов приемной диффузорной камеры и выполнены с диаметром dгзо = 2,5 мм. Согласно теории струйных аппаратов [6], главным геометрическим параметром устройства является отношение площадей живого сечения камеры смешения и рабочего сопла ю кс /ю 0 , которое в экспериментальном образце равно 4.
Насосный агрегат обеспечивал подачу QНА = 45 м /ч и напор HНА = 30 м. Забор жидкости
осуществлялся из гидравлического лотка через всасывающий патрубок. Излишки воды сбрасывались по сбросной трубе, расположенной непосредственно перед входом в аппарат. Управление подачей жидкости и газа в аэратор осуществлялось посредством регулирования кранов Крвх, Крвых, Крсбр, Крвак.
Расход жидкости и газа определяли объемным способом, причем объем инжектированного воздуха измерялся газомером марки UGI METERS LTD London (G4) 1995. Давление на входе в аэратор и выходе из него измерялось манометрами (Мвх, М вых), а в газозаборной камере - вакуумметром (Вак).
Эксперименты проводились по нескольким сериям, каждая из которых характеризовалась различной степенью открытия крана на сбросной трубе. В каждой из серий для заданного количества открытых ГЗО противодавление регулировалось с помощью крана Крвых. Степень его закрытия ограничивалась условием прекращения аэрации жидкости.
Открытие ГЗО в опытах осуществлялось по рядам, начиная с 1-го ряда (6 отверстий) и заканчивая максимально возможным их количеством. Дополнительное открытие рядов отверстий ограничивалось условием начала вытекания жидкости из отверстий последнего ряда.
Измерение объема инжектируемого воздуха осуществлялось с помощью съемной газозаборной камеры, установленной непосредственно на ПДК. Достижимый в опыте вакуум измерялся вакуумметром при полностью закрытом кране Крвак (см. рис. 3).
В ходе проведения экспериментов измерялись следующие показатели: манометрическое давление на входе в аэратор (p вхм ) и выходе (p ВЬКм); вакуум создаваемый в газозаборной камере (p вак); расходы газа (Qг) и жидкости (Qж ). При последующей обработке этих сведений были получены необходимые для анализа параметры, такие как: средние скорости течения в характерных сечениях устройства (на входе -и вх , в сопле - u 0, в камере смешения - и кс и на выходе - ивых); полное избыточное давление на входе (p вх) и выходе (p вых ); потери напора на аэраторе (Дp аэр = p вх - p вых); перепады давлений для рабочей
жидкости (ДРр = Pвх -Pвак ) и смеси (ДРс = Pвых -Pвак ^ относительный перепад давлений (Дрс/Дрр ); коэффициент аэрации (Ра = Qг/Qж ); массовый (Рш) и объемный (в ио) коэффициенты инжекции.
Важнейшей характеристикой струйных аппаратов является связь объемного коэффициента инжек-ции с относительным перепадом давлений, т.е.
вио = f (Ар с/ Ap р). Для ее получения определялся
объемный коэффициент инжекции по следующей
формуле: вио = рЯ?го вим , где р - плотность во-
P н + P гс
ды; Я - газовая постоянная; Тгс - абсолютная температура газа в смеси; р н - нормальное атмосферное
2
давление; ргс - избыточное давление в смеси. Входящий в формулу массовый коэффициент инжекции определялся по известному коэффициенту аэрации и отношению плотностей воздуха при нормальном атмосферном давлении (р гн) и воды по зависимости
Рим = Р1нРа, а абсолютное давление газа в смеси Р
определялось по формуле р гс =
Р н + Р г RTгс
■. Средняя
плотность водовоздушной смеси р с и коэффициенты инжекции связаны между собой следующей пропорцией Рс = Р(1 + Рим)(1 + Рио)•
Полученные результаты лабораторных исследований наглядно представлены в графическом виде на рис. 4 в сравнении с расчетными показателями опорной (традиционной) модели ВВЭ, выполненной с теми же геометрическими размерами конструктивных элементов, что и экспериментальный образец ГКА-ДТ.
Ар/Ар1
0,00
- 1 ряд (6 отверстий)
■ 2 ряда(12)
- 3 ряда (18)
■ 4 ряда(24)
- 5 рядов(30)
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45
Рис. 4. Сводный график результатов лабораторных исследований экспериментального образца ГКА-ДТ: 1 - характеристика ВВЭ; 2 - достижимый объемный коэффициент инжекции ВВЭ; 3 - область оптимальной работы экспериментального образца аэратора
Область исследований охватывает следующий диапазон изменения главных показателей: Дрс/Дрр = 0,43 - 0,77 и Рио = 0 - 0,47. Достижимый
(максимальный) объемный коэффициент инжекции составляет в ио ~ 0,45 . На графике видно, что большинство экспериментальных точек ложатся достаточно кучно, образуя в совокупности своей своеобразный шлейф. Исключение составляют только те точки,
которые получены при открытии первого ряда (6 отверстий) и пяти рядов (30 отверстий).
Это обстоятельство объясняется следующим образом. В первом случае открытие всего одного ряда ГЗО является явно недостаточным для свободного поступления воздуха из атмосферы в ПДК, и на графике это отражается достижением сравнительно небольших значений объемного коэффициента инжек-ции вио = 0,27 - 0,30.
Во втором случае ситуация прямо противоположная - открыто слишком много отверстий. Расширение рабочего потока в приемной диффузорной камере обусловливает рост пьезометрического давления и снижение вакуума. Ориентировочно в районе четвертого ряда давление рабочего потока достигает величины атмосферного давления, а в пятом ряду - вода уже начинает вытекать из отверстий в газозаборную камеру.
Для отсасывания этой «вторичной» жидкости затрачивается определенная часть энергии вакуума, что снижает эффективность работы аэратора, и дальнейшее открытие отверстий уже не имеет смысла. График связи объемного коэффициента инжекции и количества открытых ГЗО (п гзо) представлен на рис. 5.
ß„„ 0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
- 1 1
=--üb--,.
Г 5
//.' /У У
/У-'
г
// i yi I гзо (опт)
0
12
18
24
Потери давления на устройстве:
О 170 - 180 МПа
□ 140- 150 МПа
30
А 110 - 115 МПа
Рис. 5. К обоснованию оптимального количества открытых ГЗО
На графике (рис. 5) видно, что открытие свыше двух рядов (12 отверстий) уже не оказывает существенного влияния на рост газонасыщения жидкости. Следовательно, открытие двух рядов ГЗО является достаточным для данного образца аэратора.
Для сравнения на рис. 4 представлены кривые 1 и 2, характеризующие опорную модель ВВЭ. Обе кривые построены по зависимостям, приведенным в работе [6], которые в принятых нами обозначениях приобретают следующий вид:
Ар с АР р
2 и 0
Ф1
2ф 2-(2 -ф2))-(1 + ß™ )2
ß™ = KjАр р/Ар c -1,
где Фц2,3) - коэффициенты скорости сопла, камеры смешения и диффузора (фх = 0,95 ; ф2 = 0,975 ; ф3 = 0,9); К = 0,85 - коэффициент пропорциональности.
На графике (см. рис. 4) видно, что все экспериментальные точки лежат выше характеристики ВВЭ (кривая 1) и в их расположении отчетливо выделяются три характерные области.
В первой из них экспериментальные точки накладываются на кривую достижимых объемных коэффициентов инжекции при значениях вио = 0 ■ 0,12 и Дрс/Дpр > 0,58. Вторая область характеризуется
скачкообразным увеличением объемного коэффициента инжекции от значения 0,12 до 0,45 при Дрс/Дpр = 0,56^ 0,57. И только в третьей области
при Дрс/Дрр < 0,55 газонасыщение жидкости достигает своего предельного значения в ио = 0,43 ■ 0,46 = = const. Дальнейшее увеличение давления на устройстве заметного влияния на величину объемного коэффициента инжекции не оказывает, что на графике отражается отклонением точек вниз.
Важно отметить, что выделенные области характеризуются различной величиной вакуума, создаваемого в ПДК. Так, в первой области наблюдаются низкие значения вакуума, что, судя по всему, соответствует режиму работы обычного ВВЭ (см. кривую 2 на рис. 4). Вторая область является переходной и характеризуется началом возникновения кавитации, а потому нестабильным газонасыщением (вио = 0,12^0,45). В третьей области в ПДК вакуум достигает своего предельного значения Р вак =(0,98 ■ 0,99)-105 Па, соответствующего давлению насыщенных паров (р нас). Эта область отличается развитой кавитацией и стабильным газонасыщением.
На основе выполненного анализа работы экспериментального образца ГКА-ДТ можно сделать следующие выводы:
- устойчивое предельное газонасыщение жидкости (в йотах = 0,45) достигается при относительном пере-
паде давлений на устройстве Арс/Арр = 0,5 ■ 0,55,
что соответствует режиму развитой кавитации при наименьших потерях напора на устройстве (Ар аэр = 110 ■ 115 КПа), который и является оптимальным;
- сравнительная эффективность работы ГКА-ДТ, оцененная по относительному перепаду давлений, превосходит характеристику ВВЭ приблизительно в 1,75 раза (на 75 %).
Полученные таким образом показатели экспериментального образца ГКА-ДТ достаточно высоки, и это дает основание рекомендовать его к применению в составе водовоздушных промывных систем.
Литература
1. Михеев П.А. Рыбозащитные сооружения и устройства. М., 2000.
2. Ефремкина Л.В., Чистяков А.А., Герман Г.М. Гидравлические исследования очистного водовоздушного устройства сетчатого рыбозаградителя / НИМИ. Новочеркасск, 1988. Библиогр.: 2 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ 14.02.89, № 039 - В89.
3. Боровской В.П., Головня Е.В., Шавлидзе А.А. Конструктивно-технологическая схема водовоздушной дренопро-мывочной системы // Сб. науч. тр. НГМА, 2005. Новочеркасск, 2005. С. 45-50.
4. Слисский С.М. Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических сооружений: Учеб. пособие для вузов. М., 1979.
5. Боровской В.П., Герман Г.М., Головня Е.В. Кавитацион-ный аэратор жидкости для промывных устройств сетчатых рыбозащитных сооружений // Охрана и возобновление гидрофлоры и ихтиофауны: Тр. АВН. Новочеркасск, 2005. Вып. 5. С. 39-49.
6. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты: 3-е изд., перераб. М., 1989.
Новочеркасская государственная мелиоративная академия 7 ноября 2006 г.
УДК 626.824:004
ФОРМИРОВАНИЕ ПАРАДИГМЫ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ МНОГОЦЕЛЕВОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
© 2007 г. Е.А. Васильева
В условиях вступления страны во Всемирную торговую организацию (ВТО) весьма актуальна проблема разработки принципов создания гидромелиоративных систем (ГМС) многоцелевого использования, технологий их эксплуатации, которые направлены на сни-
жение материалоемкости и энергоемкости систем, повышение производительности труда, с одновременным ростом экономической эффективности орошаемого земледелия [1, 2]. Для решения проблемы необходимо разработать концептуальную схему формиро-
