УДК- 66.023
Л. А. Каримов, В. А. Булкин РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ ИЗ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЩЕЛЕВЫХ ОТВЕРСТИЙ
Ключевые слова: водосливы, емкость-реактор, истечение.
Рассмотрена лабораторная установка, представляющая собой емкость-реактор, из которого производится непосредственно истечение (процесс смешивания); щелевая насадка, с заданными размерами установлена на стенке реактора, для изучения определенного вида истечения или смешивания жидкостей.
Keywords: spillways, capacity-reactor outflow.
Considered laboratory facility, which is a capacity reactor, from which the outflow directly (mixing process) crevice tool, of a given size is installed on the wall of the reactor to study a particular type or expiration mixing liquids.
Истечение жидкостей из круглых отверстий и насадок в процессах и аппаратах химической технологии рассмотрено достаточно широко, но недостаточная изученность теории истечения жидкостей из отверстий прямоугольного сечения сдерживает расчет и развитие проектирования гидродинамических смесителей, для смешивания трудносмешиваемых и несмешивающихся жидкостей, в которых отверстия такого вида используются.
Водосливом принято называть безнапорное отверстие (водосливное отверстие)- вырез, сделанный в гребне стенки, через который протекает жидкость. Часть стенки в пределах водосливного отверстия, через которую переливается жидкость, называется водосливной стенкой. Речные водосливы являются прототипом щелевых отверстий.
Водосливы классифицируются по ряду признаков.
В зависимости от геометрической формы водосливного отверстия Различают: прямоугольные, треугольные, трапецеидальные, круговые, параболические, с наклонным гребнем.
В зависимости от формы и размеров поперечного сечения водосливной стенки различают:
- водосливы с тонкой стенкой; в случае этих водосливов, струя воды переливающаяся через водосливную стенку, формируется под действием только верховой ее грани; остальные поверхности водосливной стенки не влияют на картину истечения; при наличии вертикальной стенки, водослив с тонкой стенкой имеет место, когда 5 < (0.1-0.5)Н;
- водосливы с широким порогом, имеющие водосливную стенку любой высоты, гребень которой обычно представляет собой горизонтальную плоскость. В случае прямоугольных водосливов с широким порогом, толщина стенки лежит в пределах 2Н < 5 < 8Н.
- водосливы со стенкой практического
профиля.
В зависимости от очертания гребня водосливной стенки в плане. Различают водосливы с прямолинейным в плане гребнем: прямые (лобовые), косые, боковые.
В зависимости от влияния нижнего бьефа на истечение. Различают неподтопленные водосливы (Р и Н не зависят от глубины Ип в нижнем бьефе), и подтопленные водосливы (Р и Н зависят от глубины Ип в нижнем бьефе).
В зависимости от соотношения Ь и ВО (относится лишь к прямоугольным водосливам):
- водосливы без бокового сжатия, когда Ь =
В0
- водосливы с боковым сжатием, когда Ь<
В0
В зависимости от наклона водосливной
стенки:
- водосливы с вертикальной стенкой;
- водосливы с наклонной стенкой;
В зависимости от степени свободы доступа воздуха под струю жидкости, переливающуюся через водосливную стенку:
- водосливы со свободным истечением, со свободным доступом воздуха с боков в пространство под струю (или воды нижнего бьефа, в случае, если, уровень воды нижнего бьефа стоит выше гребня водослива)
- водослив с несвободным истечением, когда в подструйное пространство доступ воздуха (или воды нижнего бьефа) затруднен.
В данной работе предпринята попытка исследования вертикального водослива
подтопленного и неподтопленного типа, для которых ширина отверстия на порядок меньше высоты.
Для исследования разработана
лабораторная установка, представляющая собой емкость-реактор, из которого производится непосредственно истечение (процесс смешивания); щелевая насадка, с заданными размерами установлена на стенке реактора, для изучения определенного вида истечения или смешивания жидкостей; насосом осуществляется подача воды и создается требуемых расход. Кроме того, к установке подведена линия слива, для создания и поддержания необходимого уровня жидкости.
В процессе истечения жидкости в данной установке, отверстие предполагается малым, по сравнению с напором Н и размерами резервуара и свободная поверхность жидкости не влияют на приток струи жидкости к отверстию, т.е.
наблюдается совершенное сжатие струи.
Степень сжатия оценивается
коэффициентом сжатия 1_, равным отношению площади поперечного сечения струи в месте сжатия к площади отверстия:
(1.1)
После преобразований находим: т =
(1.2)
где ф- коэффициент скорости (для отверстия в тонкой стенке ф=0,97)
Обычно площадь реактора намного больше площади отверстия, поэтому скорость у0 практически незначительна и ею можно пренебречь, тогда формула примет простой вид:
. = - (1.3)
Распределение скоростей по сечению струи является равномерным лишь в средней части сечения (в ядре струи), наружный же слой жидкости несколько заторможен вследствие трения о стенку. Как показывают опыты, скорость в ядре струи практически равна теоретической, поэтому введенный коэффициент ф следует рассматривать как коэффициент средней скорости. Если истечение происходит в атмосферу, то давление по всему сечению цилиндрической струи равно атмосферному.
Расход жидкости в сжатом сечении можно определить из уравнения неразрывности:
0=МожЧ (1.4)
Практически удобнее пользоваться вместо мсж произведение ^е где е коэффициент сжатия для малых отверстий, равный 0,6-0,64), таким образом, можно записать:
:"=.'-■.,. (1.5)
Произведение е на ф принято обозначать буквой ц и называть коэффициентом расхода, подставив /1=еф получим формулу для расчета расхода жидкости при истечении ее в атмосферу через отверстия и насадки:
? = ¡¡к^2йН = рт/ОДУ (1.6)
где р - расчетное давление, под действием которого происходит истечение жидкости.
На основе опытов установлено, что для малого отверстия в тонкой стенке / колеблется от 0,59 до 0,63, или в среднем /=0,61. Это выражение применимо для всех случаев истечения, трудность заключается в достаточно точной оценке коэффициента расхода ц. Из уравнения следует, что:
г = з/и^даг (1.7)
Это значит, что коэффициент расхода также представляет собой отношение действительного расхода к теоретическому, который имел бы место при отсутствии сжатия струи и сопротивления, но теоретический расход не является расходом при истечении идеальной жидкости, так как, сжатие струи будет иметь место и при отсутствии гидравлических потерь.
Т.о. действительный расход всегда меньше теоретического, следовательно, коэффициент расхода всегда меньше 1 вследствие влияния двух факторов: сжатия струи и сопротивления. В одних
случаях больше влияет первый фактор, в других -второй.
При истечении жидкостей через затопленные отверстия, вся кинетическая энергия струи теряется на вихреобразование, как при внезапном расширении. Для затопленного отверстия формулы для определения скорости и расхода имеют тот же вид, что и для незатопленного отверстия. Разница заключается в том, что под величиной подразумевается в случае затопленного отверстия не глубина погружения, а разность уровней в резервуарах:
373>Т (1.8)
где /нес - коэффициент расхода затопленного отверстия, определяемый по формуле А.Д.Алынтуля:
_ (1.9)
где п=ы/0 отношение площади отверстия к площади сечения потока выше отверстия, ш=т/02 то же ниже отверстия. Для отверстий малых размеров по сравнению с резервуарами (п^0,
у3=а/,ТГгГ (2.0)
т.е. совпадает со значением коэффициента расхода при незатопленном истечении (истечении в атмосферу).
Коэффициент сжатия струи е и коэффициент сопротивления £при истечении при затопленном отверстии практически не отличается от соответствующих коэффициентов при истечении через незатопленное отверстие. Опыт показывает, что коэффициент расхода ц при истечении через затопленное отверстие можно принимать равным коэффициенту ц для незатопленного отверстия.
На изображенной схеме, рис. 1, истечение происходит следующим образом:вода, скопившись перед стенкой водослива, переливается через щель, сделанную в стенке водослива.
В Верти ¡ьеф д
I Г"
Нижний дьеф
Рис. 1 - Геометрические размеры: Ь - ширина водосливного отверстия; б - толщина водосливной стенки; Св, Сн - высоты водосливной стенки в верхнем и нижнем бьефах; В0 - ширина русла, в котором установлен водослив; Z - геометрический перепад на водосливе (разность горизонтов воды в верхнем и нижнем бьефах); V - скорость подхода, средняя скорость, измеряемая в указанном выше сечении В-В
Верхним бьефом называется область потока перед водосливной стенкой, нижним бьефом называется область потока за водосливной стенкой. Сечение В-В- сечение на расстоянии 1в, в котором начинается заметный спад свободной поверхности. Как правило, 1в = (3-5)Н.
Величина Н, измеряемая в сечении В-В, называется геометрическим напором на водосливе. Геометрический напор на водосливе представляет собой превышение над гребнем водосливной стенки горизонта воды в сечении В-В, где еще нет заметного спада свободной поверхности, обусловленного истечением воды через водослив.
В данной работе рассматривается прямоугольный водослив, с вертикальной тонкой стенкой. Рассматриваются подтопленные и неподтопленные водосливы с боковым сжатием.
Назначением данной лабораторной установки является изучение процессов истечения жидкостей из щелевых насадок, водосливов, а так же для изучения процессов смешивания не смешивающихся или трудносмешиваемых жидкостей.
Главным условием при проектировании установки для изучения истечения жидкостей из насадок, являлось создание и учет условий подтопления, влияния порога водослива,
необходимого вертикального и бокового сжатия, совершенного сжатия струи, т.е. исключения влияния боковых стенок и дна резервуара на процесс истечения жидкости из затопленного и незатопленного щелевого отверстия.
При исследовании истечения жидкостей, одним из исследуемых параметров является анализ и изучение вида насадки, ее геометрии и расположение, определение коэффициента расхода, зависящего напрямую от геометрического напора (расхода подаваемой жидкости, относительного перепада бьефов), параметров и типа насадки (коэффициентов сжатия).
Установка состоит из емкости-реактора, из которой производится непосредственно истечение (процесс смешивания), щелевой насадки, с заданными размерами, для изучения определенного вида истечения или смешивания жидкостей, емкостей из которых происходит подача жидкостей для смешивания, и насоса для подачи воды и осуществления процесса циркуляционного перемешивания. Кроме того, к установке подведены линия подачи воды и линия слива, для создания и поддержания необходимого уровня жидкости.
Так же на линиях установлены регулирующие вентили для осуществления общей функциональности лабораторной установки и регуляции расхода компонентов при изучении процессов смешивания.
Достижение условий подтопления и неподтопления при исследовании достигалось изменением вариантов компоновки подачи жидкости в емкость-реактор. Для определения коэффициента расхода производится исследование истечения при различных величинах
геометрического напора на водосливе и расходах воды. Кроме того, при данном исследовании производится анализ вида истекающей струи и величина ее вылета, как факторов способных оказывать влияние на процесс истечения жидкости.
через неподтопленный водослив. 1 - емкость-реактор, 2 - насадка щелевая, 3 - резервуар для хранения подачи жидкостей для смешивания, 4 -насос на линии нагнетания, 5 - регулирующие вентили, 6 - ротаметр. -1- Линия подачи воды, -2-линия подачи жидкостей смешивания, -3- линия слива
В реактор 1 производится подача воды, по линии -1- до определенного уровня, из которого через насадку 2 происходит истечение жидкости. Вода циркулирует в установке по замкнутому контуру при помощи насоса 4. Измерение расхода производится при помощи ротаметра 6, регулирование осуществляется вентилем,
находящимся на линии нагнетения.
Слив жидкости из установки осуществляется по линии слива -3-.
При использовании установки по рис.1 вентиль на линии нагнетения воды в реактор, при работе насоса всегда должен быть открыт
Достоинством установки является возможность имитации работы смесительных устройств в аппаратах типа «Смекон» [6, 7], применяющихся для получения эмульсий и суспензий из трудно смешивающихся компонентов.
Действительный расход, теоретический расход, коэффициент расхода и число Рейнольдса при свободном истечении жидкости определяются следующим образом:
Од=М, (2.1)
где Од- действительный расход(м3/сек); ^ время истечения(сек.); У-объем истечения(м3).
Ей, = % цМЦ/Эр (2.2)
где (5Т- теоретический расход(м3/сек.), -1- коэффициент расхода, Ь- ширина щели(м), Н- высота уровня жидкости(м)
ц =0д/0 (2.3)
\л/ср= Од/Ьа (2.4)
с1экв=Ь*а/2(Ь*а) (2.5)
Рв=Шср* dэкв*p/м (2.6)
где а - высота щели (м), средняя скорость(м/с),
[¿э^. -эквивалентный диаметр щели(м), р-плотность жидкости(кг/м3), ^-динамическии коэффициент вязкости(МПа*с).
На основе расчетов получены следующие графики:
Рис. 3 - График зависимости расхода от высоты уровня жидкости для щелей размерами:^-2х100^-2,7х100 ▲ -3,4х100(мм)
Рис. 4 - График зависимости коэффициента расхода от числа Рейнольдса для щелей размерами*-2х100^-2,7х100А-3,4х100(мм)
Из графиков видно что с увеличением высоты уровня жидкости расход практически линейно возрастает. А при Яе-2000 стабилизируется
коэффициент расхода, что вероятно является
признаком перехода истечения в турбулентный
режим.
Литература
1. Чугаев Р.Р. Гидравлика: Учебник для вузов. -4е изд., доп. и перераб.- Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. -672 с.
2. Касаткин Г.К. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М: «Химия», 1973.-754 с.
3. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М: «Химия», 1981.
4. Курганов А.М., Федоров Н.Ф. Гидравлические расчеты систем водоснабжения и водоотведения: Справочник / Под общ. Ред. А.М. Курганова. - 3-е изд., перераб. И доп. - Л.: Стройиздат. Ленингр. Отд-ние, 1986. - 440с.
5. Примеры расчета по гидравлике. Учеб. Пособие для вузов. Под ред. А.Д. Альштуля. - М.: Стройиздат, 1976. - 255 с.
6. Смирнов С.А., Реут В.И., Егоров А.Г., Булкин В.А. Коэффициент расхода при истечении идеальной жидкости из вертикального щелевого отверстия. Тепло-и массообменные процессы, энергетика // Вестник КГТУ. 1998. №2.
7. Смирнов С.А., Реут В.И., Яшин Ю.Н., Булкин В.А. Расчет и проектирование щелевого смесителя для гомогенизации ингибиторных растворов. Нефтяное хозяйство. 1999. № 1
8. Валеев С.И., Степанов Н.И., Иванов Н.В., Булкин В.А. Гидродинамика цилиндрических гидроциклонов с малым расходом через верхнии слив // Вестник КГТУ. 1998. № 2.
© Л. А. Каримов - магистрант каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, karimov-lenar@mail.ru; В. А. Булкин - д-р техн. наук, проф. той же кафедры.