Оптимизация параметров процесса смешивания жидкой фракции навоза с водой струйным смесителем

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.929:621.671:631.862.2:627.8.03

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ ЖИДКОЙ ФРАКЦИИ НАВОЗА С ВОДОЙ СТРУЙНЫМ СМЕСИТЕЛЕМ

Е.А. Чайка

Исследования струйных смесителей проводились на построенной насосной станции № 2 ООО «Калалинское» Красногвардейского района Ставропольского края.

Процесс смешивания жидкой фракции навоза с плотностью, приравненной к плотности воды (), с водой необходим для уменьшения величины азота как наиболее токсичного удобрения в поливной смеси. Полученная смесь используется ООО «Калалинское» для удобрения кормовых культур. Существующие смесительные устройства дорого обходятся как в строительстве, так и в эксплуатации [1]. На эффективность процесса смешивания жидкой фракции навоза с водой с помощью струйного смесителя (рисунок 1) наибольшее влияние оказывают следующие параметры: - напор перед смесителем (сечение «е-е»), м; - напор в напорном трубопроводе смесителя, м; - напор во всасывающем трубопроводе смесителя, м; - геометрическая характеристика смесителя.

Рисунок 1 - Схема смешения жидкой фракции навоза с водой струйным смесителем на насосной станции ООО «Калалинское»

1 - накопитель чистой воды; 2 - центробежный насос; 3 - смеситель; 4 - трубопровод подачи рабочего расхода к смесителю; 5 - трубопровод подачи смеси на поля; 6 - навозонакопитель; 7 - трубопровод подачи жидкого навоза; 8, 9, 10, 11, 20, 22, 23 - задвижки; 12 - трубопровод подачи жидкого навоза; 13, 14 - расходомеры; 15, 16 ,17 - манометры; 18 - трубопровод подачи стоков; 19 - сбросной трубопровод; 21 - трубопровод промывки

Предварительными исследованиями [1] установлено, что влияние всех перечисленных параметров на качество смешивания неравнозначно. Оптимальное сочетание параметров смешения должно обеспечивать
максимальный расход жидкой фракции навоза, подсасываемого из навозонакопителя.

Между значениями параметров , и наблюдается корреляционная связь, которая установлена экспериментально.

Для проведения экспериментальных исследований использована методика планирования многофакторного эксперимента [2]. В соответствии с данной методикой исследуемое факторное пространство описывалось математическими моделями - неполными квадратными уравнениями регрессии в виде:

,

где - средний выход процесса;

, , - коэффициенты регрессии, соответствующие линейным эффектам;

, , - коэффициенты, соответствующие эффектам парных взаимодействий;

- коэффициент тройного взаимодействия.

В качестве факторов, оказывающих наибольшее существенное влияние на выход процесса, приняты:

- напор перед смесителем Н1, закодированный как Х1 (позиция 1 на рисунке 1);

- напор перед смесителем Н2, закодированный как Х1 (позиция 17);

- напор во всасывающем трубопроводе смесителя Н3, закодированный как (позиция 13).

В качестве критериев оптимизации были приняты подсасываемый смесителем расход и рабочий расход перед смесителем в л/с.

Матрица планирования представлена в таблице 1 [1].

В таблице 2 представлены факторы и интервалы их варьирования в эксперименте.

Таблица 1 - Матрица планирования и результаты экспериментов

Таблица 2 - Факторы и интервалы варьирования

При выборе граничных значений диапазонов варьирования каждого из трех факторов исходили из реальных условий работы эжекторного смесителя и стремились обеспечить реализацию такого их сочетания, которое может обеспечивать достижение максимально возможных и максимально допустимых значений критериев оптимизации процесса смешивания. Как видно из таблицы 2, диапазон варьирования напора перед смесителем составляет 20 м, то есть 22,22 % от его максимального значения (90 м).

Минимальное значение рабочего напора составляет 70 м, то есть 77,77 % от его максимального значения. Его дальнейшее снижение нецелесообразно, так как будет отрицательно сказываться на процессе смешивания.

Максимальное значение напора в напорном трубопроводе смесителя принимается 25 м, а минимальное - 15 м при диапазоне экспериментальных значений 10 м.

Напор во всасывающем трубопроводе смесителя изменяется от 0 до 10, то есть экспериментальный диапазон составляет 10 м.

Как показали опытные данные, принятые значения напора в ключевых точках смесителей схемы обеспечат достаточную глубину экспериментальных исследований процесса эжекторного смешивания жидкой фракции навоза с водой для целей орошения сельскохозяйственных культур.

В процессе экспериментов устанавливался в соответствии с таблицами 1 и 2 требуемый режим смешивания, а затем проводились необходимые измерения. Каждый эксперимент имел трехкратную повторность. Результаты замеров подвергались осреднению, что позволило произвести их вероятностно-статистическую обработку, рассчитать центрирование отклонения расходов , и вычислить дисперсию воспроизводимости процесса. Основной упор делался на экспериментальное определение указанных расходов при значениях напора в каждом трубопроводе, установленных в соответствии со значениями уровней варьирования.

Результаты экспериментов обрабатывались по методике В. А. Вознесенского [3].

После обработки результатов исследований по рекомендованным методам [2] для описания поверхностей отклика получены следующие уравнения регрессии:

- для расхода эжектируемой жидкой фракции навоза:

,

- для рабочего расхода перед смесителем, л/с:

.

В таблице 3 представлены результаты расчета дисперсии воспроизводимости и адекватности процесса эжекции жидкой фракции навоза.

Сумма квадратов разности расходов в i-м опыте и среднего экспериментального расхода эжектируемой жидкой фракции навоза равна:

,

,

,

где - число вариантов опытов;

- число повторностей;

- число степеней свободы;

- стандартное отклонение.

Таблица 3 - Обработка результатов исследований

Значимость коэффициентов регрессии проверяли по критерию Стьюдента. Коэффициенты признавались значимыми при .

Так как все коэффициенты вышеполученных уравнений больше доверительного интервала , то все коэффициенты значимы. Учитывая, что численные значения всех коэффициентов превышают доверительный интервал, можно сделать обоснованное заключение, что все три фактора оказывают существенное влияние на выход процесса и пределы диапазона их варьирования в эксперименте выбраны верно.

Дисперсия адекватности рассчитывается по формуле:

,

где - число изучаемых факторов процесса;

- число экспериментов в матрице планирования;

- теоретические значения расхода эжектируемой жидкой фракции навоза для сочетания уровней факторов, соответствующих условиям i-го эксперимента матрицы планирования.

Число степеней свободы дисперсии адекватности равно разнице между количеством вариантов планирования в матрице и количеством определяемых коэффициентом регрессии для всех факторов и свободный член , то есть: навоз кормовой эжекторный насос

; ,

.

Критерий Фишера рассчитывали по формуле:

.

Уравнение считается адекватным при условии:

где - табличное значение критерия Фишера.

В таблице 4 представлены результаты вычислений по оценке адекватности, а также доверительные интервалы коэффициентов регрессии.

Таблица 4 - Результаты расчета адекватности процесса

Так как расчетное значение критерия Фишера менее табличного, уравнение (1) адекватно описывает процесс эжекции жидкой фракции навоза.

Предварительный анализ поверхностей отклика проводили с помощью двухмерных сечений, что позволило оценить влияние каждого фактора в отдельности на выход процесса. На рисунке 2 показаны линии уровня расхода при изменении факторов . Характер кривых показывает, что в исследуемом факторном пространстве увеличение напора при неизменных значениях напоров и и вызывает увеличение расхода от 8,76 л/с до 24,82 л/с. При этом необходимо отметить, что интенсивность роста расхода определяется сочетанием факторов (напор ) и (напор ).

Наименьший рост интенсивности расхода наблюдается при и (график 1 на рисунке 2), при и (график 4 на рисунке 2). Для названных линий характерно неизменное значение фактора (напор ). По сравнению с постоянным значением фактора изменение фактора (напор ) во всем принятом диапазоне варьирования от до увеличивает интенсивность расхода всего на 0,24 л/с.

Графики 2, 5 и 8 на рисунке 2 соответствуют двумерным сечениям поверхностей отклика, характеризующимся значениями , и , .