CC BY
3
УДК 004.021:639.2.06
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДОРЫБНОЙ СМЕСИ НА РАБОТУ ВАКУУМНЫХ РЫБОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК
А. А. Землянов
ASSESSMENT OF THE INFLUENCE OF THE WATER-FISH MIXTURE CONCENTRATION ON THE VACUUM FISH PUMPING UNITS OPERATION
A.A. Zemlyanov
Аннотация. В статье выполнено исследование влияния концентрации водорыбной смеси на производительность и энергетическую эффективность вакуумных рыбонасосных установок было. Были внесены уточнения в расчеты объема жидкости, перекачиваемой за один цикл, и гидравлических потерь в трубопроводе. Если внутренний диаметр трубопровода не менее 250 мм, а длина трубопровода не превышает 100 м, то влиянием массовой доли рыбы можно пренебречь. Если длина нагнетательного трубопровода превышает 1,5 км, то показатель удельных энергетических затрат возрастает на 20%, падение производительности составляет примерно 10%.
Ключевые слова: вакуумные рыбонасосные установки; производительность; гидравлическое сопротивление; математическая модель; массовая доля рыбы.
Abstract. The study of the influence of the concentration of the water-fish mixture on the performance and energy efficiency of vacuum fish-pumping units was carried out in the article. Clarifications were made to the calculations of the volume of liquid pumped in one cycle and the hydraulic losses in the pipeline. If the internal diameter of the pipeline is not less than 250 mm, and the length of the pipeline does not exceed 100 m, then the influence of the mass fraction of fish can be ignored. If the length of the injection pipeline exceeds 1.5 km, then the indicator of specific energy costs increases by 20%, the drop in productivity is approximately 10%.
Keywords: vacuum fish-pumping units; productivity; hydraulic resistance; mathematical model; mass fraction offish.
Введение
Вакуумные рыбонасосные установки (ВРУ) обеспечивают наименьшую повреждаемость объектов лова из всех типов устройств по перемещению рыбы. Принципиальная схема ВРУ показана на рисунке 1. ВРУ все больше внедряются на промысловых судах и береговых предприятиях рыбной отрасли. Одним из серьезных недостатков ВРУ является их низкая энергетическая эффективность, по сравнению, например, с центробежными рыбонасосами. Поэтому продолжаются исследования по совершенствованию ВРУ.
В Калининградском государственном техническом университете разработаны математические модели функционирования ВРУ на базе водокольцевых компрессорных машин (ВКМ) [1-6]. На их основе была разработана компьютерная программа для математического моделирования работы ВРУ, включая расчет производительности и показателей энергетической эффективности установок [7].
В [1-6] выполнено исследование влияние различных технических параметров на работу ВРУ, но только при фиксированной концентрации водорыбной смеси. Хотя известно, что от указанной концентрации меняется гидравлическое сопротивление. Цель данной статьи - оценить влияние концентрации водорыбной смеси на производительность и энергетическую эффективность. вакуумных рыбонасосных установок
Рисунок 1 - Принципиальная схема ВРУ: 1 - емкость с водорыбной смесью; 2 -всасывающий трубопровод; 3 - буферная емкость (бочка); 4 - нагнетательный трубопровод;
5 - приемная емкость с водоотделителем; 6, 7 - клапаны
Изменение математической модели работы ВРУ
В данной статье была использована компьютерная программа «Моделирование работы вакуумной рыбонасосной установки» [7] с некоторыми изменениями. Расчет коэффициента гидравлических потерь при течении водорыбной смеси (ВРС) по трубопроводу производился по формуле предложенной Н.Р. Ахмедовой по результатам обработки экспериментальных данных [8]:
X = V© В0/Яеа, Яе = Жё^, (1)
где X, Х0 - коэффициент гидравлических потерь по длине трубопровода при течении ВРС и воды, соответственно; Яе - число Рейнольдса; V - коэффициент кинематической вязкости воды; ё - внутренний диаметр трубы (рукава); Ж- средняя по поперечному сечению трубопровода скорость движения ВРС; © - массовая доля рыбы в смеси; безразмерные эмпирические константы а = 2,0; В0=16,54.
Коэффициент гидравлических потерь по длине трубопровода при течении воды рассчитывался по известной формуле Альтшуля:
хо=о.-^. (2)
где А - абсолютная эквивалентная шероховатость трубы.
Как в [9]: первом приближении будем полагать, что потери напора при течении ВРС в местных гидравлических сопротивлениях (повороты, клапаны и др.) возрастают так же, как по длине трубопровода. Тогда сумму гидравлических потерь (местных и по длине трубопровода) можно рассчитать по такой приближенной формуле:
* = в {Х о 1 + «« ) £ • в = (3)
Еще одно изменение математической модели связано с расчетом объема ВРС, перекачиваемый за один цикл У1. = У0 - Уты, где У0 - объем бочки, Ут/„ - минимальный объем воздуха, при котором давление в бочке настолько возрастает, что прекращается движение жидкости. В [7] указанная величина рассчитывалась по упрощенной формуле (4):
Vmin = Po• V / ^Л - Р^#1о)
(4)
где PЛ - атмосферное давление; P0 - давление в бочке в конце первой фазы первого этапа работы ВРУ (после завершения работы ВКМ в режиме вакуумного насоса); р - плотность ВРС; = ^(0) - начальная высота всасывания (см. рис. 1).
В формуле (4) не учитывается понижение уровня в баке 1 на рис. 1. С учетом этого получим алгебраическое уравнение для определения Vmin:
Ушп ^Л - р^ю + (V - Vmin)/Sl)] = Pо• Vо,
(5)
где S1 - площадь горизонтального сечения емкости 1 (полагаем ее постоянной). Анализ показал, что разница расчета Vmin по формуле (4) и уравнению (5) может достигать 30%.
Результаты расчетов
Поставленная задача была решена численным методом в среде МаШсаё [7]. Были использованы нагрузочные характеристики ВКМ ЗАО «Беском» [10], аналитическое выражение для которых приведено в [11]. В качестве базовых были приняты следующие значения параметров: объем бочки У0 = 2 м3; п = 1450 об/мин; длина всасывающего рукава L1= 20 м; внутренний диаметр ё = 250 мм; начальные перепады высот = 2 м; = 6 м; коэффициент утечки k = 0,03; абсолютная эквивалентная шероховатость А = 0,15 мм; время работы вакуумного насоса (продолжительность первой фазы первого этапа) T11 = 50 с.
Согласно данным [10] длина нагнетательного трубопровода ВРУ L2 может достигать 2 километров. В данной статье расчеты были выполнены при трех значениях L2: 150, 500 и 1500 м. На рис. 2-4 показаны результаты расчета при Ь2 = 500 м.
г, с
2.0 1.5 1.0 0.5
0
V, м
4
с
a Ь
Рисунок 2 - Изменение давления в бочке (О) и объема перекачанной ВРС (Ь) во время второй
фазы первого этапа (всасывание ВРС)
Р, кПа
10 15 20 25
a Ь
Рисунок 3 - Изменение давления в бочке (О) и объема перекачанной ВРС (Ь) во время
второго этапа (вытеснение ВРС)
О, дм3/с
5 10 15 20 25 и с
а Ь
Рисунок 4 - Изменение расхода ВРС (а) и числа Рейнольдса (Ь) во время второго этапа
(вытеснение ВРС)
Производительность и показатели энергетической эффективности ВРУ
Во время разгрузки промыслового судна наибольшее значение имеет производительность ВРУ. За один цикл она рассчитывается по формуле:
Q = V/т,
(6)
где V1 - объем жидкости V1, перекачанной за один цикл; T - полное время цикла.
Механическая работа, затраченная ВКМ (во время первой фазы первого и второго этапов):
T11 T21 ^ = Лп + A2i, All = f V(P(t)) dt, ¿21 = i v2(P(t)) dt. (7)
0 0
Полезная (гидравлическая) работа:
Tl2 T22
Ag = Л12 + Л22, Л12 = Si • f(( - P(t))W(t)dt, Л22 = S2 • f(P(t) - Pa )W(t)dt. (8)
Энергетическая эффективность ВРУ оценивается КПД п и показателем удельных энергетических затрат на перекачивание 1 дм ВРС Е:
П = 100 Ag / Az, E = Az/Q .
(9)
Значения, рассчитанные по формулам (6)-(9) внесены в таблицу 1. Видно, что при ¿2=150 м влияние массовой доли рыбы на показатели невелико. Так при 0=0,4 производительность за цикл снижается всего на 2,5% по сравнению с перекачиванием воды (0=0), а удельные затраты энергии возрастают примерно на 5%. Если же ¿2=1500 м, то производительность ВРУ падает на 8%, а на перекачивание 1 дм3 ВРС будет затрачена работа на 19,7% больше, чем на перекачивание воды.
Заметное ухудшение показателя удельных энергетических затрат с ростом 0 обусловлено увеличением гидравлических потерь в трубопроводе. По формулам (4), (5) это увеличение прямо пропорционально концентрации ВРС. Что приводит к снижению скорости движения смеси в трубопроводе и чисел Рейнольдса. В формуле (4) число Рейнольдса находится в знаменателе. Следовательно, его уменьшение влечет увеличение потерь.
Таблица 1 - Влияние концентрации ВРС на производительность и энергетическую ___эффективность ВРУ __
L2, м 0 T, с Q, дм3/с П, % E, кДж/дм3
150 0 81,3 20,0 20,73 73,29
0,2 82,1 19,8 20,76 75.03
0,4 83,0 19,5 20,78 76,92
500 0 86,4 18,8 21,17 84,69
0,2 87,7 18,5 21,05 87,78
0,4 89,1 18,1 20,89 91,33
1500 0 97,4 16,7 20,06 112,02
0,2 100,8 16,1 19,53 121,34
0,4 105,3 15,4 18,82 134,11
Заключение
Таким образом, если внутренний диаметр трубопровода не менее 250 мм, а длина трубопровода не превышает 100 м, то влиянием концентрации водорыбной смеси на производительность и энергетическую эффективность ВРУ можно пренебречь. Если длина нагнетательного трубопровода превышает 1,5 км, то показатель удельных энергетических затрат возрастает на 20%, а падение производительности составляет примерно 10%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Великанов Н.Л., Наумов В. А. Компрессорные машины вакуумных рыбонасосов // Рыбное хозяйство. 2018. № 6. С. 78-81.
2. Великанов Н.Л., Наумов В.А. Динамические характеристики вакуумных насосов и компрессоров рыбонасосных установок // Рыбное хозяйство. 2019. № 1. С. 79-83.
3. Великанов Н.Л., Наумов В. А. Моделирование характеристик водокольцевых вакуумных насосов // Известия вузов. Машиностроение. 2019. № 10. С. 70-77.
4. Наумов В.А., Великанов Н.Л. Этапы работы вакуумной рыбонасосной установки // Рыбное хозяйство. 2020. № 2. С. 108-112.
5. Наумов В.А., Великанов Н.Л., Землянов А.А. Производительность вакуумных рыбонасосных установок большой мощности // Рыбное хозяйство. 2020. № 4. С. 119-123.
6. Наумов В.А., Землянов А.А. Расчет нестационарного притока водорыбной смеси в рабочую емкость вакуумной рыбонасосной установки // Известия КГТУ. 2020. № 59. C. 88-96.
7. Наумов В. А., Землянов А.А. Моделирование работы вакуумной рыбонасосной установки. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020617879 от 15.07.2020.
8. Фонарев А. Л. Технические указания по расчету горизонтального гидравлического транспорта рыбы и его технических средств. Москва: ВНИРО, 1977. 29 с.
9. Фонарев А. Л. Гидравлика и гидравлические машины в промышленном рыболовстве: учебник. Москва: Колос, 1993. 168 с.
10. ЗАО «Беском». Водокольцевые вакуум-насосы и компрессоры. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. URL: http://servocompressor.ru/docs/vvn/vvn_vk.pdf (дата обращения: 01.06.2021).
11. Наумов В. А. Математическое моделирование работы насосов в сети: монография. Калининград: Изд-во ФГБОУ ВО «КГТУ», 2020. 209 с.
12. RYCO и СТАРКО: 10 лет в месте // Рыба и морепродукты. 2012. № 1 (57). С. 38-40. [Электронный ресурс]. URL: http://fish-seafood.ru/news/detail.php ID=73895.html (дата обращения: 01.06.2021).
REFERENCES
1. Velikanov N.L., Naumov V.A. Kompressornye mashiny vakuumnyh rybonasosov [Compressor machines of vacuum fish pumps]. Rybnoe hozyajstvo. 2018. No 6, pp. 78-81.
2. 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.
3. 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.
4. 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. 108112.
5. 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.
6. Naumov V.A., Zemlyanov A.A. Raschet nestacionarnogo pritoka vodorybnoj smesi v rabochuyu emkost' vakuumnoj rybonasosnoj ustanovki [Calculation of the non-stationary inflow of the water-sampling mixture into the working tank of the vacuum fish pump unit]. Izvestiya KGTU. 2020. No. 58, pp. 88-96.
7. 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.
8. Fonarev A.L. Tekhnicheskie ukazaniya po raschetu gorizontal'nogo gidravlicheskogo transporta ryby i ego tekhnicheskih sredstv. [Technical instructions for calculating the horizontal hydraulic transport of fish and its technical means]. Moscow: VNIRO, 1977. 29 p.
9. Fonarev A.L. Gidravlika i gidravlicheskie mashiny v promyshlennom rybolovstve: uchebnik [Hydraulics and hydraulic machines in industrial fishing: textbook]. Moscow: Kolos, 1993. 168 p.
10. 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: 01.06.2021).
11. Naumov V.A. Математическое моделирование работы насосов в сети: монография. [Mathematical modeling of pump operation in the network: monograph]. Kakiningrad: KGTU Publ., 2020. 209 p.
12. RYCO i STARKO: 10 let vmeste [RYCO and STARKO: 10 years in a place]. Ryba i moreprodukty. 2012. No. 1(57), pp. 39-40. [Electronic resource]. URL: http://fish-seafood.ru/news/detail.php ID=73895.html (date accessed: 01.06.2021).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Земляное Антон Алексеевич
Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, Россия, студент четвертого курса строительного факультета,
E-mail: zemlyanov99@gmail.com
Zemlyanov Anton Alekseevich
Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia, 4-year student of the Construction Faculty,
E-mail: zemlyanov99@gmail.com
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
