CC BY
5
УДК 533.5:621.52
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРУБОПРОВОДА И ОБЪЕМА БУФЕРНОЙ ЕМКОСТИ НА РАБОТУ ВАКУУМНОЙ РЫБОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ
В. А. Наумов
INFLUENCE OF THE PIPELINE PARAMETERS AND THE VOLUME OF THE BUFFER TANK ON THE VACUUM FISH PUMPING UNIT OPERATION
V.A. Naumov
Аннотация. Увеличение внутреннего диаметра трубопровода вакуумной рыбонасосной установки (ВРУ) приводит к уменьшению скорости движения жидкости и снижению гидравлических потерь. В результате время одного цикла заметно падает, а средняя производительность ВРУ. При увеличении длины нагнетательного трубопровода от 50 м до 2 км продолжительность одного цикла работы ВРУ возрастает с 81 до 98 секунд. Производительность и КПД падает незначительно, тогда как удельные энергетические затраты заметно возрастают. Производительность ВРУ растет с увеличением объема буферной емкости. При этом удельные энергетические затраты падают.
Ключевые слова: вакуумные рыбонасосные установки; трубопровод; буферная емкость; производительность; энергетическая эффективность; расчет.
Abstract. An increase in the internal diameter of the vacuum fish pump (VFP) pipeline leads to a decrease in the speed of fluid movement and a decrease in hydraulic losses. As a result, the time of one cycle significantly decreases, and the average productivity of the VFP increases. With an increase in the length of the discharge pipeline from 50 m to 2 km, the duration of one cycle of VFP operation increases from 81 to 98 seconds. The performance and efficiency decreases slightly, while the specific energy costs increase noticeably. The VFP performance increases with an increase in the volume of the buffer tank. At the same time, specific energy costs are falling.
Keywords: vacuum fish pumping units; pipeline; buffer tank; performance; energy efficiency; calculation.
Введение
Вакуумная рыбонасосная установка (ВРУ) для гидропневматической транспортировки рыбы на большие высоты и дальние расстояния впервые была разработана и успешно испытана во ВНИРО в 50-е годы прошлого века [1]. Тогда ВРУ не получили широкого распространения, хотя они и обеспечивают наименьшую повреждаемость объектов лова из всех типов устройств по перемещению рыбы. Одной из причин была низкая энергетическая эффективность ВРУ. Кроме того, сыграло свою роль и отсутствие в то время надежных компрессорных машин.
В последние десятилетия в рыбном хозяйстве всего мира, и России в том числе, стали широко использовать ВРУ бочкового типа [2-4]. Сказалось повышение требований к качеству рыбной продукции и появление водокольцевых компрессорных машин (ВКМ), пригодных к работе в тяжелых, в том числе промысловых, условиях. Их название связано с тем, что используется буферная емкость (БЕ) - бочка [5-9].
БВРУ работают в два этапа. В первой фазе первого этапа ВКМ в режиме вакуумного насоса откачивает воздух из буферной емкости 3 объемом V0 (см. рис. 1); вентиль 8 открыт, клапаны 6 и 7 закрыты. Давление в БЕ падает до некоторой величины P0, зависящей от коэффициента утечки, но большей, чем технологически минимальное давление для данного ВКМ PV. Во второй фазе первого этапа открывают клапан 6, и водорыбная смесь (ВРС) из резервуара 1 поступает в БЕ. Вторая фаза продолжается до тех пор, пока давление в БЕ не
поднимется до значения Р1, меньшего атмосферного РА на величину давления столба жидкости высотой Н1.
На втором этапе закрывают клапан 6, открывают клапан 7. ВКМ работает в режиме компрессора, нагнетая воздух и вытесняя ВРС из БЕ.
Рисунок 1 - Схема ВРУ: 1 - резервуар с ВРС; 2 - всасывающий трубопровод (рукав); 3 -буферная емкость (бочка); 4 - нагнетательный трубопровод; 5 - приемная емкость с водоотделителем; 6, 7 - клапаны; 8 - вентиль ВКМ
В Калининградском государственном техническом университете (КГТУ) в рамках выполнения государственного задания были разработаны математические модели отдельных этапов функционирования БВРУ на базе ВКМ, включая откачивание воздуха из БЕ, всасывание ВРС в БЕ, нагнетание воздуха в БЕ камеру и вытеснение из нее ВРС [10-12]. Численным методом была решена задача Коши для каждого из этапов. Было показано, что в общем случае задачи являются нестационарными из-за изменения перепада давления. В 2021 году было исследовано влияние увеличения частоты вращения ротора на производительность и энергетическую эффективность БВРУ [13].
В технической документации производителей БВРУ [5-8] предусмотрена возможность их использования для перекачивания ВРС на большие расстояния. Например, в [9] приведена максимальная длина нагнетательного трубопровода - 2000 м. При этом изменение характеристик работы БВРУ не обсуждается. Цель данной статьи - исследовать влияние длины и диаметра нагнетательного трубопровода, а также объема БЕ на производительность и энергетическую эффективность БВРУ.
Математическая модель
В расчетах использованы математические модели этапов функционирования БВРУ, разработанные в [10-12]. Изменение давления в рабочей камере при откачивании воздуха с помощью ВКМ из БЕ описывается дифференциальным уравнением:
dP
V0 -77 = fi (P(t), п)(k • PA - (1 + к) • P(t)), P(0) = PA
dt
(1)
где P(t) - абсолютное давление в БЕ; PA - атмосферное давление; t - время; к - коэффициент утечки воздуха из вакуумной системы; f1(P,n) - зависимость производительности ВКМ в режиме вакуумного насоса от давления и частоты вращения ротора (ЧВР) п.
Система дифференциальных уравнений для второй фазы первого этапа работы БВРУ:
d W d t
1 Р
Pa - Pi
Vo
Vo - V(t)
W
- gHi- — •(l + Z), W( 0) = 0;
(2)
аУУ = Q(t), W(t) = Щр-, У(0) = 0, Щ = Ию + Ш аt ¿0
(3)
где И10, - длина, начальная высота подъема, обобщенный коэффициент
гидравлического сопротивления всасывающего трубопровода (рукава), соответственно; У -объем ВРС в БЕ, м3; W - средняя скорость движения ВРС во всасывающем трубопроводе, м/с; р - плотность ВРС смеси, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; Q(t) -объемный расход жидкости в трубопроводе, м' 3/с; ¿о = яйг/4 - площадь поперечного сечения трубопровода, м2; ¿1 - площадь основания емкости 1 (см. рис. 1) с ВРС, м2.
Система дифференциальных уравнений для второго этапа работы БВРУ:
(Уо - = / (РО), п) ((1 - к) • РО) + к • РА ) - РО) • Q(t) , Р(о) = Р2;
а t
dW 1
W2
¿2^- — - Ра )-gИ 2 -^(1 + С2 ), W(0) = 0;
ау dt
dt р
= ^0), У( 0) = ум = у, - У^
И2 = И20 -
У(0
:
(4)
(5)
(6)
где ¿2 - площадь основания БЕ, Ь2, И2, - соответственно, длина, перепад высот, коэффициент гидравлических потерь нагнетательного трубопровода.
Заметим, что на 2-м этапе также можно выделить 1-ю фазу - нагнетание воздуха в резервуар. Движение ВРС начинается лишь тогда, когда правая часть уравнения (5) становится положительной. До этого ее объем в резервуаре У не изменяется. Продолжается 2-я фаза 2-го этапа до опорожнения резервуара. 2-я фаза 1-го этапа заканчивается, когда давление в БЕ увеличивается до значения Р1, равного атмосферному РА за вычетом давления столба жидкости И1. Квадратное уравнение для искомого давления имеет вид:
Р2 -
РА - Pg
И10 +
1))
У0
• Р1 - рgPо -0 = 0. ¿1
(7)
где И10 = И1(0) - перепад уровней в начале первого этапа работы ВРУ; р - плотность жидкости; g - ускорение свободного падения.
В дифференциальных уравнениях (1) и (4) необходимо задать зависимость производительности ВКМ от давления в резервуаре Р и ЧВР по формулам из [13]. Величина механической работы затраченной ВКМ на 1-м и 2-м этапе:
т„
т,
Аг1 (п) = | ф1 (P(t, п), па, Аг2 (п) = | ф 2 (P(t, п), па .
0
0
(8)
Величина полезной (гидравлической) работы БВРУ на 1-м и 2-м этапе:
Ар1 (п) = | Q(t,n) •(Ра - РО,п)) сИ, Ар2 (п)= | Q(t,n) •(РО.п) - Ра ) сИ. (9)
Коэффициент полезного действия и удельные затраты механической энергии рассчитываются по формулам (Аг = Аг1 + Аг2, АР = АР1 + АР2):
0
т
п = 100АР / А, Е = / ух. (10)
Результаты расчетов
Результаты расчета для БВРУ на базе ВКМ КБ625 при различных значениях внутреннего диаметра рукава представлены на рис. 2-5. Значения размерных параметров были прияты: У0 = 2 м3; к = 0,03; Н10 = 2 м; Н20 = 6 м; Ь1 = 20 м; Ь2 = 150 м; п = 1450 об/мин; массовая доля рыбы в смеси х=0,2; ^ =10 м2.
Р, кПа
250
200
150 100 50
0 10 20 30 40 t._c
Рисунок 2 - Изменение давления в БЕ на втором этапе работы БВРУ при различных
значениях диаметра: 1 - ¿/=150 мм; 2 - ¿/=200 мм; 3 - ¿/=250 мм; 4 - ¿/=300 мм; 5 - ¿/ = 350 мм
2, дм3/с
150|—я————
120-Г/^ГС----
90 И---
И/ 2
60-//// ' ' —_--
30
0 10 20 30 40 tzc
Рисунок 3 - Изменение расхода в нагнетательном рукаве на втором этапе работы БВРУ при различных значениях диаметра рукава. Обозначения, как на рис. 2
Увеличение внутреннего диаметра трубопровода приводит к уменьшению скорости движения ВРС и снижению гидравлических потерь. В результате время одного цикла заметно падает, а средняя производительность ВРУ за один цикл - возрастает (рис. 5а). При этом КПД изменяется незначительно, тогда как удельные затраты энергии снижаются с 1300 почти до 800 кДж/м3 (рис. 56).
Результаты расчета для ВРУ на базе ВКМ КБ625 при различных значениях длины нагнетательного трубопровода представлены на рис. 6-9. Значения размерных параметров: У0 = 2 м3; к = 0,03; Нш = 2 м; Н20 = 6 м; и = 20 м; ё=250 мм; п = 1200 об/мин; х=0,2; & =10 м2.
1
_2
_э
г -----5 -4
/
/
/ 4
1
10 20 30 40
К м
1.6 1.2 о.в
0.4
\1
\\ X
5\\
О 10 20 30 40 I, с
Рисунок 4 - Изменение объема ВРС в БЕ на втором этапе работы БВРУ при различных значениях диаметра рукава. Обозначения, как на рис. 2
Т
с
115
100 S5 70
\ Т
ДИ/'с
О 21 1S 15 12
150 200 250 300 d, мм 150 200 250 300 ^ин
a b
Рисунок 5 - Зависимость интегральных характеристик БВРУ от диаметра рукава: a -характеристики производительности; b - энергетической эффективности
При указанных условиях различаться будет только процесс вытеснения ВРС на 2-м этапе. Протекание 1-го этапа не зависит от величины L2 (показано на рис. 6).
Р, кПа
W, м/с
4 6 8 а Ъ
Рисунок 6 - Протекание второй фазы первого этапа работы БВРУ при различных значениях длины нагнетательного трубопровода: а - давление в БЕ; скорость ВРС во всасывающем
рукаве; с - изменение объема ВРС в БЕ
Увеличение длины напорного трубопровода приводит к росту гидравлических потерь, что сказывается на втором этапе работы БВРУ. Увеличивается продолжительность второго этапа и максимум давления в БЕ (рис. 7). При этом гораздо медленнее возрастает мгновенный расход ВРС в трубопроводе в течение этого этапа (рис. 8) и происходит
Рисунок 7 - Изменение давления в БЕ на втором этапе работы БВРУ при различной длине нагнетательного трубопровода: 1 - ¿2=400 м; 2 - ¿2=800 м; 3 - ¿2=1200 м; 4 - Ь2 = 1600 м; 5 -
Ь2 = 2000 м
дм/'с
2 3_ 4 5
0 5 10 15 20 25 30 35 Рисунок 8 - Изменение расхода в нагнетательном рукаве на втором этапе работы БВРУ при различной длине нагнетательного трубопровода. Обозначения, как на рис. 7
К м3
1.5 1.0
0.5
0 5 10 15 20 25 30 35 I, с Рисунок 9 - Изменение объема ВРС в БЕ на втором этапе работы ВРУ при различной длине нагнетательного трубопровода. Обозначения, как на рис. 7
Т
95
90
85
80
тУ^ о
О 0.5 1.0 1.5 и
О
дм3/с 20
18
16
14
[ 0 0.5 1.0 1.5 £г,еы
а Ь
Рисунок 10 - Зависимость интегральных характеристик БВРУ от длины нагнетательного трубопровода: а - характеристики производительности; Ь - энергетической эффективности
Влияние объема БЕ (бочки) показано на рис.11-18 при 51 =10 м . Значения других размерных параметров были приняты: к = 0,03; Н10 = 2 м; Н20 = 6 м; Ь1 = 20 м; Ь2 = 150 м;
¿/=300 мм; /; = 1200 и 1750 об/мин; х=0,2.
Р, кПа
80 60 40 20
1 2\ 1 4
/
/
У
0 2 4 6 8 10 с
Рисунок 11 - Изменение давления в БЕ во время второй фазы первого этапа работы БВРУ при Ь2 = 150 м, п = 1200 об/мин и различной величине объема БЕ:
1 - Го = 0,5 м3; 2 - Го = 1 м3; 3 - ¥0 = 2 м3; 4 - ¥0 = 3 м3; 5 - Г0 = 4 м3 <2, ды3/с
300
200
100
0 2 4 6 8 10 £, с
Рисунок 12 - Изменение расхода во всасывающем рукаве во время второй фазы первого этапа работы БВРУ при различной величине объема БЕ. Условия и обозначения, как на рис. 11
2.5 2.0
1.5
1.0 0.5
К м
0 2 4 6 8 10 Л С
Рисунок 13 - Изменение объема ВРС в БЕ во время второй фазы первого этапа работы БВРУ при различной величине объема БЕ. Условия и обозначения, как на рис. 11
300 250 200 150 100
Р, кПа
ь
№ 4 5
1л
/
1 х
0 5 10 15 20 25 30 35 *,с
Рисунок 14 - Изменение давления в БЕ во время второго этапа работы БВРУ при при Ь2 = 150 м, п = 1200 об/мин и различной величине объема БЕ:
1 - ¥о = 0,5 м3; 2 - ¥о = 1 м3; 3 - ¥о = 2 м3; 4 - ¥о = 3 м3; 5 - ¥о = 4 м3
120 90 60
дм/с
А 4 5
(> п
/ /
/ /
0 5 10 15 20 25 30 35 *,с Рисунок 15 - Изменение расхода в нагнетательном трубопроводе во время второго этапа работы БВРУ при п = 1200 об/мин и различной величине объема БЕ. Условия и обозначения, как на рис. 14
V; м
2.0 1.5 1.0 0.5
\
4
ч2 \з Л
0 5 10 15 20 25 30 35 г1,с Рисунок 16 - Изменение объема ВРС в БЕ во время второго этапа работы ВРУ при п = 1200 об/мин и различной величине объема БЕ. Условия и обозначения, как на рис. 14
Т
с
90 70 50 30
Т) О
дм/'с
О
Ш/
35 25 15
0 1
4 К, м
0 1 2 3 4 !{,, м а Ь
Рисунок 17 - Зависимость интегральных параметров БВРУ от объема БЕ при п = 1200 об/мин: а - производительности; Ь - энергетической эффективности
Г
с
£5 70
55
40
гу о
3/
дм/с
О
3
(И/
50 35 20
О
1
4 м
4
0 12 3 а Ь
Рисунок 18 - Зависимость интегральных характеристик БВРУ от объема БЕ при п = 1750 об/мин: а - производительности; Ь - энергетической эффективности
Заключение
Увеличение внутреннего диаметра трубопровода приводит к уменьшению скорости движения ВРС и снижению гидравлических потерь. В результате время одного цикла заметно падает, а средняя производительность БВРУ за один цикл - возрастает. При этом КПД изменяется незначительно, тогда как удельные затраты энергии заметно снижаются.
При увеличении длины нагнетательного трубопровода от 50 м до 2 км продолжительность одного цикла работы БВРУ возрастает с 81 до 98 секунд, средняя производительность за один цикл снижается не на много (с 94 до 86 дм3/с), КПД падает с 27,5 % до 24,8% (тоже незначительно), тогда как удельные энергетические затраты заметно возрастают (с 600 почти до 900 кДж/м3). С увеличением объема БЕ линейно растет время одного цикла работы БВРУ. Еще больше возрастает объем ВРС, перекачиваемый за один цикл, поэтому средняя производительность растет. При увеличении V0 0,5 до 2-3 м удельные энергетические затраты падают сначала очень сильно (с 3400 до 1000 кДж/м3), а затем это падение замедляется. Дальнейшее увеличение объема буферной емкости влечет некоторое увеличение производительности БВРУ, но энергоэффективность не улучшается
Выявленные закономерности показали, что энергетическую эффективность БВРУ целесообразно оценивать не по КПД, а показателем удельных энергетических затрат Е на перекачивание ВРС (кДж/м3).
ЛИТЕРАТУРА
1. Теслин И.И. Гидропневматическая транспортировка рыбы на большие высоты и дальние расстояния // Труды ВНИРО. 1954. Т. 27. С. 50-55.
2. Кудакаев В.В., Карпелев Т.П., Бойцов А.Н. Автоматизированные гидравлические системы транспортировки рыбы из орудий лова рыбонасосами // Известия ТИНРО. 2016. Т. 186. С. 207-213.
3. Таран В.Е. Гидромеханизация промысловых судов // Рыболовство - аквакультура: III Междунар. науч.-техн. конф.: материалы (Владивосток, 18-20 апреля 2017 г.). Владивосток: Изд-во Дальрыбвтуз, 2017. С. 19-24.
4. Колесников П. Автоматизированная установка для транспортировки рыбы // Автоматизация и производство. 2020. № 2. С. 18-19.
5. ООО «АгроБалтПроект» [Электронный ресурс]. - URL: http://www.agro-balt.ru/ (дата обращения: 31.05.2021).
6. Inventive Marine Products Limited [Электронный ресурс]. - URL: http://inventivemarine.com/canavac/products/canavac/ (дата обращения: 01.05.2021).
7. Faivre Company [Электронный ресурс]. URL: http://faivre.ru/production/rybonasosy (дата обращения: 07.04.2021).
8. Euskan Fish handling systems [Электронный ресурс]. - URL: http://www.euskan.com/ (дата обращения: 08.04.2021).
9. RYCO и СТАРКО: 10 лет вместе // 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).
10. Naumov V.A. Influence of leakage on characteristics of the vacuum transport unit based on the water-ring pump // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. 862 032007.
11. Наумов В. А., Великанов Н. Л. Этапы работы вакуумной рыбонасосной установки // Рыбное хозяйство. 2020. № 2. С. 108-112.
12. Наумов В.А., Великанов Н.Л., Землянов А.А. Производительность вакуумных рыбонасосных установок большой мощности // Рыбное хозяйство. 2020. № 4. С. 119-123.
13. Наумов В.А. Изменение производительности и энергетической эффективности вакуумной рыбонасосной установки с увеличением частоты вращения ротора // Известия КГТУ. 2021. № 61. C. 64-75.
REFERENCES
1. Teslin I.I. Gidropnevmaticheskaya transportirovka ryby na bol'shie vysoty i dal'nie rasstoyaniya [Hydropneumatic transportation of fish to high altitudes and long distances]. Trudy VNIRO. 1954. Vol. 27, pp. 50-55.
2. Kudakaev V.V., Karpelev T.P., Bojcov A.N. Avtomatizirovannye gidravlicheskie sistemy transportirovki ryby iz orudij lova rybonasosami [Automated hydraulic systems for transporting fish from fishing gear with fish pumps]. Izvestiya TINRO. 2016. Vol. 186, pp. 207-213.
3. Taran V.E. Gidromekhanizaciya promyslovyh sudov [Hydromechanization of commercial vessels]. Rybolovstvo - akvakul'tura: III Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf.: materialy (Vladivostok, 18-20 april 2017). Vladivostok: Dal'rybvtuz Publ., 2017, pp. 19-24.
4. Kolesnikov P. Avtomatizirovannaya ustanovka dlya transportirovki ryby [Automated installation for fish transportation]. Avtomatizaciya iproizvodstvo. 2020. No. 2, pp. 18-19.
5. OOO «AgroBaltProekt» [LLC "AgroBaltProekt"] [Electronic resource]. URL: http://www.agro-balt.ru/ (accessed: 31.05.2021).
6. Inventive Marine Products Limited [Electronic resource]. URL: http://inventivemarine.com/canavac/products/canavac/ (accessed: 01.05.2021).
7. Faivre Company [Electronic resource]. URL: http://faivre.ru/production/rybonasosy (accessed: 07.04.2021).
8. Euskan Fish handling systems [Electronic resource]. - URL: http://www.euskan.com/ (accessed: 01.06.2021).
9. RYCO i STARKO: 10 let vmeste [10 years together]. Ryba i moreprodukty. 2012. No. 1 (57), pp. 38-40. [Electronic resource]. URL: http://fish-seafood.ru/news/detail.php_ID=73895.html (accessed: 01.06.2021).
10. Naumov V.A. Influence of leakage on characteristics of the vacuum transport unit based on the water-ring pump. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. 862 032007.
11. Naumov V.A., Velikanov N.L. Etapy raboty vakuumnoj rybonasosnoj ustanovki [Stages of operation of the vacuum fish pump unit]. Rybnoe hozyajstvo. 2020. No. 2, pp. 108-112.
12. Naumov V.A., Velikanov N.L., Zemlyanov A. A. Proizvoditel'nost' vakuumnyh rybonasosnyh ustanovok bol'shoj moshchnosti [Productivity of vacuum fish-pumping installations of high power]. Rybnoe hozyajstvo. 2020. No. 4, pp. 119-123.
13. Naumov V.A. Izmenenie proizvoditel'nosti i energeticheskoj effektivnosti vakuumnoj rybonasosnoj ustanovki s uvelicheniem chastoty vrashcheniya rotora [Change in the performance and energy efficiency of a vacuum fish pump unit with an increase in the rotor frequency]. Izvestiya KGTU. 2021. No. 61, pp. 64-75.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Наумов Владимир Аркадьевич Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, Россия, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водных ресурсов и водопользования, действительный член Российской инженерной академии, действительный член Российской академии естественных наук, E-mail: van-old@rambler.ru
Naumov Vladimir Arkad'evich Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia, Chairman of The Water Resources Department, Doctor of Technical Science, Professor, Member of Russian Engineering Academy, Member of Russian Academy of Natural Science, E-mail: van-old@rambler.ru
