CC BY
68
УДК 532.137.7:556.556
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФОРМЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ СТРУЙНЫХ АППАРАТОВ, ФОРМИРУЮЩИХ ПРОТЯЖЕННУЮ ВОДЯНУЮ ЗАВЕСУ
О. Б. МЕЖЕННАЯ
За последние 40 лет появилось большое количество устройств, предназначенных для распыления жидкости или формирования жидкостных завес ограниченных размеров. Начиная с 1970-х гг. разрабатываются струйные аппараты, формирующие протяженные куполообразные завесы [1], [2].
Анализ существующих конструкций струйных аппаратов, формирующих куполообразные жидкостные завесы, показывает, что они многофункциональны и могут быть использованы для технологических целей, оздоровления воздушного бассейна, в чрезвычайных ситуациях для защиты человека, оборудования от вредного воздействия пыли, газа, лучистого тепла, в медицине [3], [4].
Целью данной работы является изучение совершенствования формы, установление основных геометрических размеров струйных аппаратов, позволяющих обеспечить абсолютную сплошность и максимальную протяженность водяной завесы.
Методика эксперимента
Для установления размеров струйного аппарата выбран аппарат, состоящий из одной пары конических отбойников и соединительного устройства. Куполообразная жидкостная завеса образуется путем излива жидкости через кольцевую щель.
Для этого предусмотрено проведение следующего комплекса экспериментов:
- выбор угла раскрытия конических отбойников;
- установление оптимальной толщины куполообразной жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата;
- определение оптимального отношения длины стабилизирующего участка к толщине жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата;
- выявление необходимости устройства диффузора, радиусов закругления в нижнем и верхнем отбойниках струйных аппаратов.
Выбор угла раскрытия конических отбойников. Определение оптимального угла раскрытия конических отбойников планируется проводить аналитическим и экспериментальным методами.
Сделано допущение, что куполообразная жидкостная завеса при больших скоростях излива имеет форму конуса (такое допущение приводит к завышению локализуемого объема на 10-15 %, что вполне допустимо):
Учреждение образования «Белорусский государственный университет транспорта», г. Гомель
Введение
где ф - угол раскрытия конических отбойников, град.
В процессе аналитического исследования предусматривается построение кривой
V = /^ J путем подстановки в уравнение (1) значения — с интервалом в 10° от 0 до 90е (рис. 1).
ф2 град
Рис. 1. Зависимость V = /"I — 1 —
12 J
Установление оптимальной толщины куполообразной жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата планируется, как и в первом случае, проводить в два этапа: аналитически и экспериментально.
Оптимальная толщина куполообразной жидкостной завесы может быть рассчитана по следующей зависимости:
= К ■ Ь
(2)
где Ьоп- оптимальная толщина куполообразной жидкостной завесы на выходе из
Г ЬI
струйного аппарата, м; К = — - отношение толщины куполообразной жидкостной
I Ьк )
завесы на выходе из струйного аппарата к толщине куполообразной жидкостной завесы при слиянии с горизонтальной поверхностью; Ьк - критическая толщина куполообразной жидкостной завесы, м; Ьо - толщина жидкостной завесы (высота кольцевого канала) на выходе из струйного аппарата, м.
В результате проведения исследований было установлено значение следующих величин: К - составляет 18-22 и Ьк лежит в пределах 0,15-0,22 мм [5]. Подставляя в уравнение (2) средние значения указанных величин, получаем оптимальную толщину куполообразной жидкостной завесы на выходе струйного аппарата, равную 3,5 мм.
Экспериментальным исследованиям предшествует установление геометрических размеров струйного аппарата. На рис. 2 приведена схема струйного аппарата.
При установлении размеров аппарата используем известное положение, что отношение длины стабилизирующего участка к высоте щели должно быть более 50 (чем устраняется влияние входных условий).
Отношение длины стабилизирующего участка к высоте кольцевого канала часто называют числом калибров:
где п - число калибров; /с - длина стабилизирующего участка, м.
Учитывая, что на данном этапе исследований не оптимизированы размеры и форма струйного аппарата, отношение длины стабилизирующего учета к высоте кольцевой щели принимается 70.
Подставляя в уравнение (3) значение величины п и Ь0 = Ьоп, получаем /с, равное 245 мм.
В результате графического построения находим диаметр отбойников аппарата, который равен 670 мм.
Правильность выбора оптимального отношения длины стабилизирующего участка к толщине жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата планируется оценивать по протяженности куполообразной жидкостной завесы.
Экспериментальные исследования предусматривается проводить со струйными аппаратами, выполненными с проточной частью, которая характеризуется следующим числом калибров: 30, 40, 50, 60, 70 и 75.
Струйные аппараты, которые характеризуются приведенным числом калибров, имеют соответствующие диаметры отбойников: 380, 490, 600, 710, 820 и 875 мм.
Исследования рекомендуется проводить при скорости излива куполообразной жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата, равной 12 м/с, и толщине жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата 3,5 мм.
Устройство диффузора и закругления в нижнем отбойнике, конуса и закругления в верхнем отбойнике струйных аппаратов. Влияние диффузора и закругления в нижнем отбойнике, конуса и закругления в верхнем отбойнике струйного аппарата предусматривается оценивать по протяженности куполообразной жидкостной завесы.
Исследование планируется проводить в два этапа: а) графическое оформление струйного аппарата; б) экспериментальная проверка необходимости устройства диффузора и закругления в нижнем отбойнике, конуса и закругления в верхнем отбойнике струйного аппарата.
Для графического оформления струйного аппарата рекомендуется использовать ранее установленные геометрические характеристики:
- оптимальный угол раскрытия отбойников, равный 120°;
- оптимальная толщина куполообразной жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата, равная 3,5 мм;
- оптимальное отношение длины стабилизирующего участка проточной части струйного аппарата к толщине жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата, равное 70.
Практика установления оптимального отношения длины стабилизирующего участка проточной части струйного аппарата к толщине жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата указывает на возможность уменьшения диаметра отбойников с 820 до 490 мм (при том же числе, характеризующих проточную часть струйного аппарата), путем устройства диффузора и закругления в нижнем, конуса и закругления в верхнем отбойниках. На основании справочных данных [6] угол раскрытия диффузора рекомендуется выполнять с углом а, равным 4-12° (при этих углах раскрытия диффузора имеет место минимальное значение местного сопротивления).
В рассматриваемой конструкции струйного аппарата угол раскрытия диффузора принимаем равным 8° (среднее значение).
Длину диффузора планируется принять таким образом, чтобы отношение длины стабилизирующего участка к толщине жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата было равно 70.
Для проверки правильности выбора принятого отношения длины стабилизирующего участка к толщине жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата рекомендуется провести испытания со струйными аппаратами, имеющими следующую переменную длину диффузора: 30, 65, 100 и 120 мм (что соответствует числу калибров 50, 60, 70 и 75).
После установления размеров диффузора нижнего отбойника определяются размеры конуса верхнего отбойника.
Конус в верхнем отбойнике струйного аппарата исполняет роль рассекателя, который начинает формирование полой струи жидкости.
Определяющей величиной при построении рассекателя является диаметр Dр (где Dр -диаметр шпильки соединительного устройства, полученной в результате прочностного расчета аппарата, равный Dр = 32 мм).
Исходя из принятой конфигурации рассекателя и длины диффузора нижнего отбойника, полная длина рассекателя будет определяться по формуле:
Ь = Ь + 4, + 4н. (4)
где Ьк - полная длина конуса верхнего отбойника, м; Ьл - оптимальная длина диффузора,
м; Ьсу - длина конуса в соединительном устройстве (принимается 0,5Do); Ьдн - длина
начального участка конуса верхнего отбойника (принимается 1,2^1), м.
Радиусы закругления нижнего и верхнего отбойников струйного аппарата принимаем из конструктивных соображений равными Я1 = 30 мм и Я2 = 35 мм.
После оформления конструктивных элементов переходим к графическому оформлению струйного аппарата (рис. 2).
Рис. 2. Схема струйного аппарата
По результатам экспериментальных исследований планируется построение кривой Ь = /(V ) для значений п, равных 50, 60, 70 и 75 и скоростях излива жидкостной завесы 8, 10, 12, 14 и 16 м/с.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Согласно данной методике выполнен комплекс исследований, который представлен ниже.
Выбор угла раскрытия конических отбойников. На основании аналитического исследования выбора угла раскрытия конических отбойников и водосливов получена
зависимость V = /(—), которая представлена на рис. 1. Из рис. 1 видно, что
2
максимальный локализуемый объем составляет 86 м (см. точку А), имеет место при угле раскрытия конических отбойников, равном 110°.
Выполнены исследования на струйных аппаратах с отбойниками и углами раскрытия 90, 120 и 150°. При угле раскрытия отбойников, равном 90°, локализуемый объем
33
составляет 28 м при угле раскрытия отбойников 120°-86 м , при угле раскрытия, равном 150°, разрыв куполообразной жидкостной завесы наступает на высоте 1,5 м от горизонтальной плоскости. При этом радиус жидкостной завесы в этом сечении составляет 5,46 м (если на этой отметке сделать предусмотренный разрыв, то объем локализованной сплошной куполообразной завесы составит 54 м ).
Сопоставляя результаты аналитических и экспериментальных исследований, можно сделать вывод, что оптимальным углом раскрытия конических отбойников является угол 120°.
Установление оптимальной толщины куполообразной жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата. Получена зависимость протяженности куполообразной жидкостной завесы от толщины последней на выходе из струйного аппарата.
На рис. 3 представлена зависимость Ь = /(Ь0) протяженности куполообразной
жидкостной завесы от её толщины на выходе из струйного аппарата (при V2 = 3 м/с, п = 70, V1 = 12 м/с). Из графика Ь = /(Ь0) видно, что протяженность куполообразной жидкостной завесы изменяется от 4,2 до 5,3 м при изменении толщины жидкостной завесы, на выходе из струйного аппарата от 0,001 м до 0,005 м.
Несмотря на увеличение протяженности куполообразной жидкостной завесы за пределами оптимального значения толщины жидкостной завесы, рекомендовать струйные аппараты при этом режиме не целесообразно, так как система водоснабжения будет работать неэкономично. Кроме того, увеличение толщины жидкостной завесы для данного типа струйных аппаратов (с двумя отбойниками) не отвечает защитным целям и технологическим нуждам.
Ь 0, м
Рис. 3. Зависимость Ь = /(Ь0)
Определение оптимального отношения длины стабилизирующего участка к толщине жидкостной завесы. Получена зависимость протяженности куполообразной жидкостной завесы от отношения длины стабилизирующего участка к толщине жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата. На рис. 4 приведена зависимость Ь = /(п).
Рис. 4. Зависимость Ь = /(п)
Из графика Ь = /(п) видно, что протяженность куполообразной жидкостной завесы изменяется от 4,6 до 5,2 м при изменении отношения длины стабилизирующего участка к толщине жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата (числа калибров от 30 до 75). Протяженность куполообразной жидкостной завесы при числе калибров струйного аппарата 70 практически не изменяется.
Устройство диффузора и закругления в нижнем отбойнике, конуса и закругления в верхнем отбойнике струйных аппаратов. Получена зависимость протяженности куполообразной жидкостной завесы от скорости излива последней при устройстве диффузора и закругления в нижнем, конуса и закругления в верхнем отбойниках при разных числах калибров, характеризующих проточную часть струйного аппарата.
Рис. 5. Зависимость Ь = /(V ): п = 50; п = 60; -А— п = 70
На рис. 5 представлена зависимость Ь = /(V) при различных значениях п.
Зависимость протяженности куполообразной жидкостной завесы при устройстве диффузора и закругления в нижнем отбойнике, конуса и закругления в верхнем отбойнике струйного аппарата от скорости излива жидкостной завесы при разных значениях (при
V2 = 3 м/с, Ъо = 0,0035 м).
Из графика Ь = /(V) видно, что при п = 70 протяженность куполообразной жидкостной завесы изменяется от 4,3 м при V1 = 8 м/с до 4,2 при V1 = 16 м/с; при п = 60 протяженность куполообразной жидкостной завесы изменяется от 4,2 при VI = 8 м/с до 4 м при V1 = 16 м/с; при п = 50 протяженность куполообразной жидкостной завесы изменяется от 4 при V! = 8 м/с до 3,9 при V1 = 16 м/с.
Из графика также видно, что протяженность куполообразной жидкостной завесы при п = 70 и устройстве диффузора и закругления в нижнем, конуса и закругления в верхнем отбойниках струйного аппарата при V1 = 12 м/с достигает максимального значения, равного 5,7 м.
Заключение
Грибовидную форму отбойников струйных аппаратов можно считать оптимальной и отвечающей форме верхнего отбойника, состоящего из усеченного конуса и диффузора, сопряженных по радиусу, и нижнего отбойника, состоящего из усеченного и удлиненного конусов, сопряженных по радиусу.
Оптимальный угол раскрытия конических отбойников струйных аппаратов лежит в пределах 110-130°.
Оптимальная толщина куполообразной жидкостной завесы для струйных аппаратов с двумя сопрягаемыми отбойниками составляет 1,5-3,5 мм.
Оптимальное отношение длины стабилизирующего участка к толщине жидкостной завесы на выходе из струйного аппарата лежит в пределах 70-75.
Оптимальным диаметром отбойников грибовидной формы можно считать диаметр 400-500 мм.
Оптимальным диаметром стояка для струйных аппаратов с отбойниками грибовидной формы можно считать размер 250-350 мм.
Оптимальная скорость излива куполообразной жидкостной завесы для струйных аппаратов лежит в пределах 10-14 м/с.
Литература
1. Новиков, В. М. Защитный водный колпак / В. М. Новиков, П. П. Строкач // Сельское хоз-во Беларуси. - 1979. - № 1. - С 110-115.
2. Устройство Новикова В. М. для распыления жидкости : а. с. 1132402 СССР, В05В17/08 / В. М. Новиков ; Брест. инженер.-строит. ин-т. - № 3610353 ; заявл. 23.07.83 ; опубл. 12.11.84 // Описание изобрет. - 1984. - 9 с.
3. Пажи, Д. Г. Основы техники распыливания жидкости / Д. Г. Пажи, В. С. Галустов. -Москва : Химия, 1984. - 253 с.
4. Методические рекомендации по расчету и выбору струйных комплексов для защиты воздушной и водной среды от загрязнений по дисциплине «Отраслевая экология» / П. П. Строкач [и др.] ; под общ. ред. П. П. Строкач. - Брест : БГТУ, 2003. - 34 с.
5. Новиков, В. М. Стенд для гидравлических испытаний струйных аппаратов, состоящих из грибовидных отбойников / В. М. Новиков // Информ. листок. - 1989. - № 47-89. - 4 с.
6. Идельченко, И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И. Е. Идельченко.
- Москва : Машиностроение, 1975. - 556 с.
Получено 12.04.2007 г.
