Откачивание стоков вакуумной машиной Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.6:532.54: 621.52 ОТКАЧИВАНИЕ СТОКОВ ВАКУУМНОЙ МАШИНОЙ

Н.Л. Великанов1, В.А. Наумов2, С.И. Корягин3

13Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. Канта),

236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14;

2Калининградский государственный технический университет (КГТУ),

236000, г. Калининград, Советский пр., 1

Приведена математическая модель процесса откачивания стоков вакуумной машиной. Рассмотрены процессы моделирования на примере работы вакуумной автоцистерны. Предложена система дифференциальных уравнений, описывающих работу установки, и состоящая из уравнений откачки воздуха из цистерны, движения жидкости по рукаву и баланса жидкости в цистерне. Представлены зависимости диаметра рукава от обобщенных чисел Рейнольдса, диаметра рукава от изменения объема стоков в цистерне, абсолютного давления в цистерне и обобщенного числа Рейнольдса от времени всасывания при разных значениях влажности стоков, скорости движения жидкости в рукаве, объема стоков в цистерне при разных значениях их влажности.

Ключевые слова: гидравлические потери, вакуумный насос, влажность стоков, неньютоновская жидкость

PUMPING OUT DRAINS WITH A VACUUM MACHINE

N.L. Velikanov, V.A. Naumov, S.I. Koryagin

The Baltic federal university of Immanuil Kant (BFU of Kant), 236041, Kaliningrad, st. A. Nevsky, 14;

Kaliningrad State Technical University (KSTU), 236000, Kaliningrad, Sovetsky Ave., 1

A mathematical model of the process of pumping out drains by a vacuum machine is given. Simulation processes are considered using the example of a vacuum tank car. A system of differential equations describing the operation of the plant is proposed, consisting of equations for pumping air out of the tank, the movement of the liquid along the sleeve, and the balance of the liquid in tank car. The dependence of the diameter of the hose from the generalized Reynolds numbers, the diameter of the hose from changes in the volume of water in tank car, the absolute pressure in the tank and the generalized Reynolds number time suction values at different moisture drains, the speed of movement of the fluid in the hose, the volume of water in the tank at different values of humidity.

Keywords: hydraulic losses, vacuum pump, runoff humidity, non-Newtonian liquid

Вакуумная цистерна - это особый вид специализированной техники, который необходим для использования в местах с возможно или периодичной утечкой негорючих веществ, требующих оперативного удаления. Отходы удаляются благодаря оборудованию для сбора (вакуумный насос), а выгрузка в месте утилизации осуществляется благодаря системе сброса вещества (создание давления внутри). Вакуумная автоцистерна может быть установлена на шасси грузового автомобиля различной марки и размеров. Рассмотрим моделирование на примере работы вакуумной автоцистерны на шасси КамАЗ 43118 [1] (рис. 1). Параметры установки: объем цистерны10 м3, диаметр ци-

стерны - 1700 мм, рукав напорно-всасывающий диаметр 100 мм и длина 6 м. Имеется вакуумный насос пластинчато-роторный К0-505А потребляемая мощность в номинальном режиме 8 кВт, производительность при отсутствии разряжения 310 м3/час.

По инструкции [1] после запуска вакуумного насоса 4 полагается первый этап работы продолжительностью T\ = 60-90 с, во время которого вентиль 6 закрыт. Этот этап необходим, чтобы давление в цистерне снизилось до необходимого уровня. На втором этапе вентиль 6 открывают, и начинается движение жидкости по рукаву 3 под действием перепада давлений.

1Великанов Николай Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиноведения и технических систем, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: monolit8@yandex.ru;

2Наумов Владимир Аркадьевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водных ресурсов и водопользования, КГТУ, тел. 8 (4012) 99 53 37; e-mail: vladimir.naumov@klgtu.ru;

3Корягин Сергей Иванович - доктор технических наук, профессор, директор инженерно - технического института, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: SKoryagin@kantiana.ru

Рисунок 1 - Схема откачки канализационных стоков: 1 - цистерна; 2 - канализационный колодец; 3 - рукав; 4 - вакуумный пластинчато-роторный насос; 5 - трубопровод насоса; 6 - люк и вентиль

Система дифференциальных уравнений (1) -(3), описывающих работу установки, включает уравнение откачки воздуха из цистерны [2], уравнение движения жидкости по рукаву (уравнение Бернулли при переменном перепаде давления [3]) и уравнение баланса жидкости в цистерне:

d р

(V(г) - г0)• —= ... d г

= / (р (г) )•( к • рА - (1 + к) • р (г)),

Р(0) = Ра ;

(1)

dW 1 Ж

ь-— (ра - Р(г))- gH (г) --•( 1 + с),

d г р 2

d V d г

Ж( 0 ) = 0 ; (2)

= 5 • Ж (г) , V (0 ) = 0 ,

ь

£ = ЕС м + Х- , (3)

d

где

V - объем жидкости в цистерне; р(0 - абсолютное давление в цистерне; Ра - атмосферное давление; ^ - время;

к - коэффициент утечки; /\(р) - зависимость производительности вакуумного насоса от давления в цистерне;

Ж - скорость движения жидкости в ру

каве;

р - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения; Ь, Б - соответственно, длина и площадь поперечного сечения рукава; Н - перепад высот; й - внутренний диаметр рукава; См - коэффициент местных гидравлических потерь;

X - коэффициент гидравлических потерь на трение. В дальнейшем будем считать

Примерная зависимость производительности вакуумного насоса 0=/\(р) и его затраченной мощности Ы=/г(р) от давления всасывания была найдена с помощью методики [4, 5] по опорным точкам, приведенным в техническом паспорте [1]. Максимальная производительность вакуумного насоса при атмосферном давлении G = 310 м3/час = 0,0861 м3/с; минимальное абсолютное давление, создаваемое вакуумным насосом, pv = 15 кПа. Затраченная мощность в номинальном режиме N0 = 8 кВт.

Зависимость затраченной мощности вакуумного насоса от давления всасывания позволяет рассчитать работу

А2 = | /2 ( р(г)) dt ,

(4)

где Т - полное время работы вакуумного насоса.

Полезная (гидравлическая) работа рассчитывается по найденной зависимости скорости жидкости и перепада давления от времени:

т

А„ = 5 • |(Ра - р(г))• Ж (г) dt . (5)

0

Откуда коэффициент полезного действия установки п=100А„ /Аг.

Канализационные стоки относятся к неньютоновским жидкостям. Гидравлические потери при течении таких жидкостей по трубам и каналам очень сильно зависят от их структуры (типа) и реологических параметров: пластической (динамической вязкости) цэ и предельного напряжения сдвига Т0. Для различных жидкостей выбирают подходящую реологическую модель (см. [6-8] и библ. в них). В данной работе воспользуемся рекомендациями [9] для стоков животноводческих ферм. В левой части табл. 1 приведены реологические параметры стоков в зависимости от влажности.

Таблица 1 - Параметры стоков

животноводческих ферм

Влажность Справочные Рассчитанные

К, % значения [9] значения

Й0, Пах P, Т0, т, 0,

кг/м3 Па с дм3/с %

86 0,70 1054 50 596 16,8 16,5

87 0,52 1050 30 455 22,0 21,2

90 0,28 1038 9,0 403 24,8 23,7

94 0,10 1022 0,9 365 27,4 25,8

100 0,00114* 1000 - 314 31,8 29,4

Для чистой воды при15°С.

Воспользуемся эмпирической формулой для расчета гидравлических потерь при тече-

т

0

Откачивание стоков вакуумной машиной

нии стоков в ламинарном режиме (при чивании стоков заметно ниже, а время - выше,

Ref <1500 ) [9]:

9,3 + 255 d Re ,

Re

И-0

p Wd 6 p W

(6)

где Ref - обобщенное число Рейнольдса.

Для турбулентного режима используем известную формулу Альтшуля:

X,

0,11

Д 68 — +-

d Re ,

(7)

У

10

1. * * / ' УУ у^ 5

Ф / * / * / / 'Ж

* * * , > / * //

*/// * / / V * /// у * f/s */у/ у

Лу

100

200

300

400

500

чем при перекачивании воды.

W, м/с

» у

N^! , 3

J

100

200

300

400

500

где А - абсолютная эквивалентная шероховатость рукава.

Задача Коши (1 - 3) решалась численным методом в среде МаШса^ Далее приведены результаты расчета откачки стоков из канализационного колодца объемом 10 м3 , глубиной 4 м (рис. 2-4). Длина рукава прията 6 м. На рис. 3 - 4 внутренний диаметр рукава й = 0,1 м. Видно, что производительность установки сильно зависит от влажности стоков К. Время полной откачки увеличивается с ростом плотности и вязкости жидкости. При этом давление в цистерне меняется незначительно с изменением К (см. рис. 4а). По рис. 4б только для чистой воды и стоков с влажностью К =94% течение происходит в турбулентном режиме. При меньшей влажности реализуется ламинарный режим течения стоков в рукаве.

Рисунок 3 - Изменение во время всасывания скорости движения жидкости в рукаве при разных значениях К: 1 - К = 100% (вода); 2 - К = 94%; 3 - К = 90%; 4 - К = 87%; 5 - К = 86%

р, кПа 80

60

40

20

5

Яе4

10'

10

10"

10

. 1

2

3

,— — .J

150 300 450 t, с

а)

150 300 б)

450

Рисунок 4 - Изменение во время всасывания стоков: а) - абсолютное давление в цистерне, Б) - обобщенное число Рейнольдса при разных значениях влажности свиных стоков: 1 - К = 100% (вода); 2 - К = 94%; 3 - К = 90%; 4 - К = 87%; 5 - К = 86%

На рис. 5 - 9 представлены результаты расчета при различных диаметрах рукава. На рис. 10 - 11 показано влияние продолжительности первого этапа на изменение скорости движения жидкости и давление в цистерне.

10

t, с

Рисунок 2 - Изменение во время всасывания объема стоков в цистерне при разных значениях их влажности: 1 - К = 100% (вода); 2 - К = 94%;

3 - К = 90%; 4 - К = 87%; 5 - К = 86%

При разных значениях влажности стоков были рассчитаны и внесены в табл. 1 полное время откачки Т, средняя производительность Q=VolT, и коэффициент полезного действия п. Такой показатель, как КПД при отка-

У У г/

//1 / у

/ //

0 50 100 150 200 250 300 350 t, с

Рисунок 5 - Влияние диаметра рукава на изменение объема стоков в цистерне при

K = 90%, Ti = 30c: 1 - d = 100 мм; 2 - d = 125 мм; 3 -d = 150 мм; 4 - d = 175 мм

X

L

Т

0

+

2

Ч

У

0,25

V

У

р7 кПа

\

\ V

Ч

ч

/ 4 2х Iх

О 50 100 150 200 250 300 350 с Рисунок 6 - Влияние диаметра рукава на изменение давления в цистерне при К = 90%, Т\ = 30с: 1 - ё = 100 мм; 2 - ё = 125 мм; 3 - ё = 150 мм; 4 - ё =

175 мм

Q, дм3/с

3

2

___1_

0 50 100 150 200 250 300 350 t, с

Рисунок 7 - Влияние диаметра рукава на изменение расхода жидкости во время всасывания при

K = 90%, h = 30c: 1 - d = 100 мм; 2 - d = 125 мм; 3 -d = 150 мм; 4 - d = 175 мм

0 50 100 150 200 250 300 350 t, с

Рисунок 8 - Влияние диаметра рукава на изменение обобщенных чисел Рейнольдса при

К = 90%, Т\ = 30с: 1 - ё = 100 мм; 2 - ё = 125 мм; 3 -ё = 150 мм; 4 - ё = 175 мм

0.045________

О 50 300 150 200 250 300 350 t, с

Рисунок 9 - Влияние диаметра рукава на изменение коэффициента потерь на трение при

K = 90%, Ti = 30c: 1 - d = 100 мм; 2 - d = 125 мм; 3 -d = 150 мм; 4 - d = 175 мм

Литература

1. Челябинский машиностроительный завод. Автоцистерна вакуумная на шасси КамАЗ 43118 [Электронный ресурс]. - URL: https://chmz.org/produktsiya/element/mv-10-kamaz-43118/ (дата обращения: 31.01.2019).

W, м/с

4___

/

/

Г

0 50 100 150 200 250 300 350 400 t, с

Рисунок 10 - Влияние продолжительности первого этапа на изменение скорости движения жидкости при: К = 90%, ё = 100 мм: 1 - Т\ = 20с; 2 - Т\ = 40с; 3 - Т\ = 60с; 4 - Т\ = 90с

К М3

И <

1

0 50 100 150 200 250 300 350 400 f. с

Рисунок 11 - Влияние продолжительности первого этапа на изменение объема стоков в цистерне при: K = 90%, d = 100 мм: 1 - Ti = 20c; 2 - Ti = 40c; 3 - Ti = 60c; 4 - Ti = 90c

2. Великанов Н.Л., Наумов В.А. Динамические характеристики вакуумных насосов и компрессоров рыбонасосных установок // Рыбное хозяйство. -2019. - № 1. - С. 79-83.

3. Наумов В.А. Механика движения неоднородных сред: учебник. - Калининград, 2005. - 125 с.

4. Великанов Н.Л., Наумов В.А. Компрессорные машины вакуумных рыбонасосов // Рыбное хозяйство. - 2018. - № 6. - С. 78-81.

5. Великанов Н.Л., Наумов В.А. Моделирование характеристик водокольцевых вакуумных насосов // Известия вузов. Машиностроение. - 2019. - № 10. -С. 70-77.

6. Зверева В.А., Гулякин А.В. Аномальный способ снижения гидравлических сопротивлений // Волог-динские чтения. - 2012. - № 80. - С. 154-156.

7. Рябинин М.В., Труханов К.А. Методика определения потерь на трение в гидравлически гладкой трубе для псевдопластичных жидкостей // Современные проблемы науки и образования: электронный научный журнал. - 2015. - № 1. - URL: https://science-education.ru/pdf/2015/1/1857.pdf.

8. Булатов А.И. Системный анализ исследований течения вязко-пластичных жидкостей - глинистых и цементных растворов // Бурение и нефть. - 2016. -№ 3. - С. 18-23.

9. Методические рекомендации РД-АПК 1.10.15.0208 по технологическому проектированию систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета. Утверждены Министерством сельского хозяйства РФ 29.04.2008. - Москва: Минсельхоз, 2008. - 97 с.