CC BY
28
Шамшура Сергей Александрович, д-р техн. наук, научный сотрудник, reception@,donstu.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет
REGRESSION DEPENDENCES OF VIBRATIONAL ENERGY LOSS COEFFICIENTS
OF MULTILAYER WOOD MATERIALS
N.A. Chukarina, D. V. Ruslanov, S.A. Shamshur
This article presents the results of experimental studies and mathematical processing in the form of regressive dependencies, which actually allows you to perform calculations of noise levels in the processing of panel multilayer blanks.
Key words: regression dependence, loss factor, multi-layered materials, wood.
Chukarina Natalia Alexandrovna, postgraduate, reception@donstu. ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Ruslyakov Dmitry Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, recep-tionadonstii. ru, Russia, Mines, Institute of Service and Entrepreneurship, Branch of the Don State Technical University,
Shamshura Sergey Alexandrovich, doctor of technical sciences, researcher, recep-tion@donstu. ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University
УДК 621.643; 004.94
РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ СТЕНДА «ТРУБОПРОВОД»
Т.Е. Мамонова, Е.В. Грищенко, А.П. Ралдугин
Приведена схема стенда для проведения испытаний в рамках исследования метода определения утечки из трубопровода. Выполнен гидравлический расчет и выбор аппаратной части экспериментальной установки. Проведено имитационное моделирование стенда в приложении Simscope Fluid пакета MatLab. Показано изменение давление в трубопроводе в стандартном режиме.
Ключевые слова: имитационное моделирование, учебный стенд, трубопровод, определение утечки, датчик давления.
Известно, что выполнение испытаний на реальных трубопроводных системах, работающих на производствах для перекачивания жидкости и газа, в настоящее время является задачей весьма проблематичной. Применительно для трубопроводного транспорта в различных секторах производства существует более 25 методов обнаружения утечек из трубопроводов, описание которых приведено в [1]. Для реализации части их них, а также разработки и проверки работоспособности новых методов определения утечек и средств измерений параметров трубопровода и перекачиваемой жидкости необходимо задействовать реальные объекты, что зачастую невозможно в условиях крупного промышленного производства.
71
Разработка лабораторного оборудования позволяет создать удобный инструментарий для проведения исследований экспериментальных методов в малых масштабах и контролируемой среде без необходимости вмешиваться в производственный процесс. Соответственно, разработка экспериментального стенда «Трубопровод», который позволит проводить необходимые исследования методов обнаружения утечки в трубопроводе, а также обучающие занятия для студентов, является актуальной.
Учебный стенд «Трубопровод» представляет из себя зацикленный трубопроводный контур, состоящий из двух резервуаров с водой и двух водопроводных труб (рис. 1). На каждой трубе установлен насос, перекачивающий воду и поддерживающий давление в системе, и задвижка, оборудованная электроприводом. Также на одной из труб установлены два дифференциальных манометра с электромагнитными клапанами, при помощи которых и проводится исследование метода обнаружения утечки, предлагаемый ранее автором [2].
Рис. 1. Схема стенда: а - вид сверху; б - вид спереди; 1 - емкости с рабочей жидкостью; 2 - второстепенная (отводящая) труба;
3 - главная труба; 4 - предохранительный клапан;
5 - дифференциальные манометры; 6 - задвижки с электроприводом;
7 - насосы; 8 - кран имитирующий утечку
Для правильного выбора насоса и трубопроводной конструкции стенда, необходимо выполнить построение гидравлической характеристики для системы трубопровода и напорно-расходной Q-H характеристики насоса.
Напорно-расходная характеристик гидравлической сети Q-H определяется по формуле [4]
1 \ 1 Г л Л2
+ 11Х + А-1 ^ 1
Р - Р
Нс = /(р,Х,Л,Q) = Z2 -+
Р' %
а
2 • %
4 • Q
к-а
J
, (1)
где 2\ и - высоты расположения сечений, м; Р^, Р2 - давление в сечениях,
Па; и _ ^ ^ ~ расход жидкости, м3/с; I, d - длина и внутренний диаметр
трубопровода, м; ю - средняя скорость потока в трубе, м/с; - коэффициент местного сопротивления; X - коэффициент гидравлического трения,
Для проведения расчетов принимаем следующее: рабочей жидкостью является вода при температуре ? = 20° С, значения коэффициентов и X соответствуют простым системам и ю - оптимальная скорость потока в трубопроводе. Значения давления в сечениях, длины и диаметра трубопровода можно получить исходя из конструкции стенда. Все исходные данные указаны в табл. 1 [3].
Таблица 1
Исходные данные
, м г2 , м Р1, Па-103 Р2, Па-103 1, м d, м С, м/с 4 X p, кг/м3
0 0,5 101,37 101,325 2,75 0,098 2 1 0,01 998,2
В соответствии с уравнением (1) и исходным данным, указанным в табл. 1, в пакете МаШСАБ построена гидравлическая характеристика сети представленная на рис. 2.
О 0.01 0.02 0.03 0.04
<2
Рис. 2. Гидравлическая характеристика трубопроводной сети
стенда «Трубопровод»
Исследуем влияние коэффициентов местного сопротивления и гидравлического трения (коэффициента путевых потерь) X на изменение потери напора, то есть изменение функций и И„(Х). Первый влияет на построение гидравлической характеристики сети и, как следствие, смещение рабочей точки насоса. Второй напрямую зависит от внутреннего диаметра гидравлической сети и абсолютной шероховатости А материала, из которого выполнена исследуемая трубопроводная сеть.
Формула потерь напора в зависимости от коэффициента местного сопротивления:
к =
4 • (( л-й2
2 • g
Формула потерь напора в зависимости от значения коэффициента путевых потерь:
к=х •1- у
й 2 • g
В табл. 2 представлены справочные значения коэффициента местного сопротивления ^ и значения абсолютной шероховатости А, взятые из
[5].
Справочные значения
Таблица 2
Тип местного сопротивления $ Значения абсолютной шероховатости А, мм
Плавно очерченный вход в трубу 0,1-0,2 Стекло 0
Выход из трубы в резервуар или в канал под уровнем, ниша в канале 1 Оцинкованные трубы 0,15
Предохранительный клапан 2-3 Стальные трубы 0,07-0,5
Всасывающий клапан с сеткой при насосах 2,5-12 Чугунные трубы 0,2-1
2
1
Данные приведены для труб диаметром 100 мм, длиной 6 м и толщиной стенки 3 мм. Расчеты проводились при ( = 0.02 м3/с. По итогам расчетов в программном пакете МаШСАВ построены графики потерь напора в зависимости от коэффициента местного сопротивления и от коэффициента путевых потерь (рис. 3).
2 4 6 3 10 0 02 0 03 0 04
« X
а б
Рис. 3. Графики зависимостей потери напора в зависимости от: а - коэффициента местного сопротивления; б - коэффициента
путевых потерь
Из полученных данных можно сделать вывод о том, что для уменьшения потерь напора на местные сопротивления необходимо сделать систему с наименьшим количеством сложных конструктивных элементов. Изменение же коэффициента путевых потерь приводит к незначительному изменению напора, а значит, материал можно выбрать исходя из других показателей.
Коэффициент местного сопротивления £ оказывает наибольшее влияние на потери напора, а значит, при разработке конструкции его следует учитывать.
Далее выполнен выбор насоса для разрабатываемого стенда. Производители в силу коммерческих интересов не часто предоставляют эксплуатационные напорно-расходные характеристики насосов, по которым при имеющейся гидравлической характеристики трубопроводной сети можно просто определить экономическую эффективность от производительности предложенных насосов. Значит необходимо провести теоретические исследования для построения данной характеристики насосов. Построение напорно-расходной характеристики Q-H насосов без учета потерь можно теоретически представить в аналитическом виде [4]:
( п
нн = / (П2, п, ь2, в 2, q) = [^ i - - * п ^ - б
1__1
g ТТ^МёР 2
лп2 п 60
1е 2
g
пп2 п , "60
где П2 - внешний диаметр рабочего колеса, м; п - скорость вращения рабочего колеса, об/мин; Ъ2 - толщина лопатки, расположенной на рабочем колесе, м; ¡в2 - выходной угол лопатки.
Для построения характеристики насоса необходимо знать такие параметры, как П2, п, Ъ2, ¡32. Чтобы узнать их, следует воспользоваться способом выбора насоса на основе прототипа, выпускаемого промышленностью. Для этого необходимо использовать поле характеристик, выпускаемых промышленностью насосов К (консольных), приведенных в [6]. Чтобы определить, какой прототип нам необходим, нужно знать требуемые напор и расход жидкости. Для выполнения исследований на разрабатываемом стенде, нужно обеспечить давление в системе близкое к двум атмосферам. Такое давление в переводе на напор равняется 20 м (1 атм. - 10 м). Значение расхода жидкости выбирается исходя из удобства проведения эксперимента. Так как объём рабочей жидкости составляет 0,25 м3, теоретически приемлемый расход будет около 10 м3/ч. Следовательно, удовлетворяющий условиям прототип - К 8/18.
Далее строятся теоретические графики напорно-расходной характеристики центробежного насоса при различных частотах вращения центробежного насоса п от 350 до 2900 об/мин. (рис. 4, б).
Пересечение гидравлической характеристики трубопроводной сети и напорно-расходных характеристик центробежного насоса определяют рабочую точку (расход и подачу транспортируемой жидкости). Для определения рабочей точки решим квадратное уравнение
г IЛ 8 1 (пП2п ^ 1
Е£ + Х- I—г-г+
й) gж4 пп1ъ1\ёв1
60
g
б2 + г2 - +
Pg
'тсп2пл 2
60
1 = 0
g
На рис. 4 указаны напорно-расходные характеристики сети и насоса.
Рабочая точка насоса будет иметь координаты: расход б = =0,014 м3/с и напор Н = 0,758 м.
Рис. 4. Напорно-расходные характеристики сети и насоса: а - для исходной трубопроводной сети; б - для различных скоростей
вращения насоса
Потери энергии в насосе неизбежны, поэтому подводимая к нему энергия должна быть больше полезной. Эти потери учитываются коэффициентом полезного действия. Определение мощности насоса по рабочей точке выполняется по формуле
N = / ((, Н ) = Рё(Н = 0,33 кВт 102 п
Для определения марки насосов, подходящих для работы в составе разрабатываемого стенда, был выполнен поиск существующих на рынке и приемлемых по цене. Характеристики рассматриваемых насосов взяты из [7-11] и указаны в табл. 3.
Таким образом, при разработке стенда был выбран Вертикальный многоступенчатый насос 32 ОБЬР4-20, так как он удовлетворяет заявленным требованиям, обладает лучшим соотношением цены к характеристикам и легкодоступен для приобретения. Если необходимо будет изменить рабочую жидкость с воды на нефтепродукты следует выбрать насос ЦБН МВ 80.
Таблица 3
Технические характеристики насосов __
Марка „F СО % ев « О С Напор, м Подача макс, м3/ч Частота вращения вала, об/мин Мощ-ность, кВт Масса, кг Цена, руб. Доступность
ENSI 32GDLF4-20 4 16 8 2900 0.37 20 11950 Томск
CP 130 Pedrollo 4 15.9 4.8 2900 0.37 7.8 10443 Киев
ЦБН МВ 80 4 7.2 6 2900 0.37 8.5 55030 Москва
Speroni SBI 3-3 F-SQQE 3 18 4.5 2900 0.37 19 13209 Москва
CM1-2 A-R-A-E-AVBE C-A-A-N 1.7 11.7 2.5 2900 0.33 13.5 13137 Новосибирск
Далее выполнено моделирование стенда. В качестве среды моделирования выбран Simulink пакет Simscape Fluid.
Для моделирования труб нужны следующе характеристики:
76
внутренний диаметр труб; длина трубы;
совокупная эквивалентная длина локальных сопротивлений; шероховатость поверхности.
Все участки трубы разрабатываемого стенда были рассчитаны по формулам, приведённым ниже. При этом использовались геометрические размеры, указанные на рис. 1.
Значение совокупных эквивалентных длин локальных сопротивлений является значением потери напора по длине трубопровода. Для его расчета используется формула Дарси-Вейсбаха [12].
A h = l-
I -V2
d-2-g
где X - коэффициента гидравлического трения; / - длина трубопровода м; У средняя скорость потока м/с, Q - расход жидкости через трубо-
провод м3 /с; А - площадь сечения м2.
Для расчета коэффициента гидравлического трения X используется алгоритм, записанный в [13]. В соответствии с данным алгоритмом сначала нужно рассчитать число Рейнольдса по формуле
Re = ±^r>
v
где Rr - гидравлический радиус м; и - кинематический коэффициент вязкости м2/с.
Если Re > 2300 (турбулентный режим движения потока жидкости), то проверяется дополнительно условия:
- если Re < 20 —; т0 имеют место гидравлически гладкие трубы и
, 0,316
расчет выполняется по формуле Блазиуса А - —;
Rc
- если < Re < 500 —; х0 имеют место зона доквадратического сопротивления и расчет выполняется по формуле Алыптуля
>0,25
' fiX и
Я = 0Л1-
68 h +
Re d J
если Re >500—; т0 имеют место зона квадратического сопро-
тивления и расчет выполняется по формуле Шифринсона Л = 0,11
А
где d - внутренний диаметр трубы, м; И - абсолютная эквивалентная шероховатость трубопровода, м.
Если Re < 2300 (ламинарный режим движения потока жидкости), то
64
расчет выполняется по формуле Пуазейля: l - r— .
Модель стенда в приложении Simscape Fluid пакета MatLab и результаты моделирования в виде графика зависимости давления на выходе трубопровода показаны на рис. 5. При этом в модели учтены различные линейные сопротивления, изменения которых связано с различными значениями диаметра трубы.
Упр*§п*ми*
УлрмлпоиачД опил
Взда»
Вкшимсы
■3
Cwwtert
S*nsor2
Цмтробфжний НМОС
Tprfu
I Hydr«Ac Reiwenco3
Ну*аЛcFUd
У
Scope I
НуЫаЛс PlMlore
PS-SraAnt aT®
Corrvonorl
, Hydratfc RrtwwJ
ввддюаы
*0-*OOe-*(L
-«OD—*d
>—<T>
Scgmwloe Р«иЛ»1 Sudden Area Change Sogmoniod f4»«ne2 Sogmentoti Pip«u»4 Sogmenied P4»Vni Segmented Рдопеб
P. ГЬ.10s
и
Bwiia
01
--"1 - ■
» 100
Рис. 5. Структурная схема модели стенда и схема трубопровода в приложении Simscape Fluid пакета MatLab и график изменения давления на конце трубы
Давление в системе возрастает максимально до 217 кПа, что соответствует допустимому рабочему давлению разрабатываемого стенда.
Таким образом, на основании выполненных расчетов был разработан учебно-научный стенд для выполнения экспериментов. Данный стенд позволит выполнять исследования для изучения разработанного автором метода определения утечки, а также проводить обучение студентов, изучающих направления, связанные с автоматизацией технологических процессов и производств. Предложенные расчетные формулы и методика раз-
работки стенда позволят выполнять расчетно-проектные работы для разработки трубопроводных стендов в соответствии с необходимыми характеристикам.
Список литературы
1. Мамонова Т.Е. Методы диагностики линейной части нефтепроводов для обнаружения утечек // Проблемы информатики. 2012. № S3 (17). С. 103-112.
2. Мамонова Т.Е. Метод определения утечки из нефтепровода, основанный на разности во времени давления // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2013. Т. 323. № 1. С. 216-219.
3. Мамонова Т.Е., Медведев А. С. Разработка стенда «трубопровод» для исследования метода определения утечки // Сборник трудов XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных. «Молодёжь и современные информационные технологии». Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Томск: Томский политехнический университет, 2018. С. 9293.
4. Галдин Н.С. Основы гидравлики и гидропривода: учебное пособие. Омск: Изд-во СибАДИ, 2010. 145 с.
5. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. 560 с.
6. Рабочие характеристики насосов [Электронный ресурс]. URL: https://studref.com/437366/ stroitelstvo/ rabochie polya harakteristik nasosov (дата обращения: 04.02.2020).
7. Насос промышленный 32GDLF4-20 [Электронный ресурс]. URL: https://agrovektor.ru/physical product/ 913485- nasos- promyshlennyy-32gdlf4-20.html (дата обращения: 06.02.2020).
8. Центробежный насос Pedrollo CP 130 [Электронный ресурс]. URL: http://www.nasos-italy.ru/centrobezhnye/CP/cp-130.html (дата обращения: 06.02.2020).
9. Основные возможности центробежного насоса MB 80 [Электронный ресурс]. URL: https://www.debem.ru/catalog/himicheskii-centrobezhnyj -nasos/mb-80/ (дата обращения: 06.02.2020).
10. Насос многоступенчатый вертикальный sbi 20-3 f-sqqe [Электронный ресурс]. URL: https://sellpump.ru/catalog/detail/374338/ (дата обращения: 06.02.2020).
11. Насос поверхностный Grundfos CM1-2 A-R-A-E-AVBE C-A-A-N [Электронный ресурс]. URL: https://gf-shop.ru/nasos-poverhnostnyi-grundfos-cm1-2-a-r-a-e-avbe-c-a-a-n (дата обращения: 06.02.2020).
12. Степанченко Т.Е., Шкляр В.Н. Оценка точности алгоритма определения параметров утечки // Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 318. №. 4. C. 37-42.
13. Определение потерь напора на трение по длине. Формула Дар-си-Вейсбаха. [Электронный ресурс]. URL: https: //studfile .net/preview/ 3386419/ page:3/ (дата обращения: 06.02.2020).
Мамонова Татьяна Егоровна, канд. тахн. наук, доцент, siepteatpu.ru, Россия, Томск, Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
Грищенко Евгений Вадимович, студент, xikc1996@,gmail. com, Россия, Томск, Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
Ралдугин Антон Павлович, студент, notanraparambler.ru, Россия, Томск, Национальный исследовательский Томский политехнический университет
DEVELOPMENT AND MODELING OF «PIPELINE» EQUIPMENT T.E. Mamonova, E. V. Grishchenko, A.P. Raldugin
The test bench diagram is presented as part of the investigation of the method of determining leakage from the pipeline. Hydraulic calculation and selection of hardware part of experimental plant were performed. The bench simulation was performed in the Simscope Fluid application of the MatLab package. The pressure change in the pipeline in standard mode is shown.
Key words: simulation, training bench, pipeline, leak detection, pressure
sensor.
Mamonova Tatyana Egorovna, candidate of technical sciences, docent, stepte@tpu.ru, Russia, Tomsk, National Research Tomsk Polytechnic University,
Grishchenko Yevgeny Vadimovich, student, xikc1996@gmail. com, Russia, Tomsk, National Research Tomsk Polytechnic University,
Raldugin Anton Pavlovich, student, notanrap@rambler.ru, Russia, Tomsk, National Research Tomsk Polytechnic University
