Вплив додатків поліакриламіду на втрати напору в раптових звуженнях і розширеннях труб

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. У технологічних процесах різних галузей господарства України широко використовуються рідинні потоки, на переміщення яких витрачається енергія. Енергомісткими є засоби керування цими потоками, які переважно є турбулентними. У багатьох країнах світу (у тому числі в Україні) ведуться роботи, направлені на керування їхнім гідродинамічним опором: зменшення небажаного та збільшення корисного. Подорожчання електроенергії спонукало до активного пошуку шляхів енергозаощадження. Уряд і Державний комітет України з науки та техніки поставили задачу й далі розробляти та впроваджувати енергоощадні технології.

Для керування напірними потоками успішно застосовуються гідродинамічно активні додатки (ГДАД). Понижуючи турбулентне тертя в прямих циліндричних трубах, ГДАД здатні викликати як зменшення, так і збільшення опору каналів змінного перерізу. У зв'язку з цим постає задача дослідження закономірностей впливу ГДАД на втрати енергії потоків рідин у місцевих опорах трубопроводів. Поглибленого вивчення заслуговують раптові звуження та розширення труб, оскільки звуження та розширення є складовими елементами потоків у будь-якому каналі змінного перерізу. Питання актуальне для гідравлічних систем з трубопроводами діаметрами меншими від 50 мм (найпоширеніших у засобах керування потоками рідин), коли вплив ГДАД найістотніший, і корисною є знакозмінна дія місцевих опорів на втрати напору.

Метою роботи є встановлення закономірностей впливу додатків поліакриламіду (ПАА) на втрати напору в раптових звуженнях і розширеннях труб.

Задачі дослідження:

- проаналізувати існуючі представлення про вплив ГДАД на втрати напору у трубопроводах;

- експериментально встановити закономірності впливу додатків ПАА на втрати напору в раптових звуженнях і розширеннях труб;

- отримати розрахункові залежності для обчислення коефіцієнтів опорів раптових звужень і розширень труб з урахуванням впливу додатків ПАА;

- уточнити механізм дії полімерних додатків на втрати енергії у раптових звуженнях і розширеннях труб;

- оцінити технічну ефективність та економічний ефект одержаних результатів.

1. Пониження гідравлічного опору додатками

Подано огляд літератури з питання зменшення гідродинамічного опору різними способами при течії рідин у трубопроводах. Показано, що один з найбільших ефектів є при уведенні в потік рідини ГДАД, зокрема полімерних додатків з лінійною будовою молекул великої (більше 105) молекулярної маси. Явище зменшення гідродинамічного опору відоме як ефект Томса.

Базуючись на тому, що ефективність додатків полімерів зі зменшення опору є однією з найбільших серед інших методів, було вивчено літературні джерела з впливу цих додатків на втрати напору в таких місцевих опорах трубопроводів, як конфузори, раптові звуження труб, дифузори, раптові розширення труб і діафрагми. Дослідженням течії потоків з полімерними додатками через ці місцеві опори займалися В. Амфилохієв, С. Бєлов, В. Девісилов, Ю. Іванюта, Б. Ліпатов, І. Повх, Б. Семьонов, Л. Чекалова, В. Чернюк; К. Масаказу, Т. Мотойоші, Ш. Нобуюкі, В. Пісолкар та ін. З'ясовано, що тільки Б. Ліпатовим зроблено пояснення впливу додатків полімерів на втрати напору в місцевих опорах трубопроводів, який може бути певною мірою зведений до одночасного прояву двох тенденцій. З одного боку, до попереднього зменшення рівня турбулентності в потоці при течії в трубі до місцевого опору. З іншого боку, до збільшення цього рівня в струмені, що утворюється в місцевому опорі при відриві основної течії від стінок труби, які його обмежують. Зроблено висновок, що недостатньо вивчено течії рідин з полімерними додатками крізь раптові звуження і раптові розширення труб. Ці дослідження несистематичні, їх було зроблено без взаємозв'язку між собою. А в більшості поодиноких експериментів неможливо виявити будь-які нові точки зору на фізику досліджуваного процесу.

2. Постановка експерименту

Розглянуто вплив ГДАД на покази вимiрювальної апаратури. Обґрунтовано діапазон значень діаметрів досліджуваних труб, які утворюють раптові звуження і розширення. Вибрано схему вимірювання втрат напору. Подано опис експериментальної установки та методики досліджень впливу полімерних додатків на гідравлічні опори раптових звужень і розширень труб та прямих гладких труб. З використанням планування експерименту обґрунтовано діапазон зміни діаметрів від 3,91 до 50,20 мм, коли ще проявляється вплив додатків полімерів на втрати напору в місцевих опорах. Схему експериментального трубопроводу зображено на рис.1. Статичний тиск на ньому становив 3,5 м.

Із 8%-го технічного гелю ПАА (ТУ 6-01-1049-92) виробництва ВАТ “Оріана” (м. Калуш, Івано-Франківська обл.) готувались робочі водні розчини концентраціями від 5·10-6 до 10-3 кг/кг. Для уникнення впливу механічної деструкції ПАА на результати досліджень течія їх розчинів в експериментальному трубопроводі здійснювалася під дією сил гравітації. Реологічні дослідження полімерних розчинів з використанням ротаційного віскозиметра ВСН-3 показали, що вони - псевдопластичні рідини.

Місцеві втрати напору визначали відніманням втрат на тертя, виміряних в трубах з діаметрами D та d, від загальних втрат напору на мірній ділянці трубопроводу, яка містить місцевий опір:

а) для раптового звуження труби:

; (1)

б) для раптового розширення труби:

. (2)

Коефіцієнт гідравлічного тертя обчислювали з формули Дарсі-Вайсбаха:

. (3)

У цих формулах (h1 - h2), ... , (h5 - h6) - втрати напору на ділянках з довжинами l1-2, ... , l5-6; VD1, Vd, VD2 - середні швидкості течії потоку відповідно в перерізах труб з діаметрами D1, d, D2; D1, d, D2 - коефіцієнти кінетичної енергії потоку; у розрахунках приймали D1dD21.

При визначенні числа Рейнольдса Re, за яким характеризували турбулентність потоку, кінематичну в'язкість розчинів брали такою ж, як для води залежно від температури рідини. Цим встановлювалося значення дійсного (технічного) ефекту впливу додатків.

Відносну зміну значень коефіцієнтів і від дії ГДАД обчислювали як:

; (4)

, (5)

Індекси “w” та “s” відповідають течії води та водного розчину полімера за однакових чисел Re. Співвідношення та характеризують ефективність ГДАД з впливу на втрати напору.

При використаній методиці проведення вимірювань та їх математичній обробці відносна похибка визначення коефіцієнта гідравлічного тертя та коефіцієнтів раптових звужень і розширень труб не перевищувала 5-10%.

3. Вплив додатків поліакриламіду на втрати напору в раптових звуженнях і розширеннях труб

Проведено аналіз результатів експериментальних досліджень течій водних розчинів полімерів крізь прямі труби, раптові звуження та раптові розширення на них. З метою охоплення великого діапазону ступенів деформації потоку (для раптового розширення труб n=(D2/d)2 та для раптового звуження труб m=(d/D1)2) досліджувалися такі схеми експериментального трубопроводу: 1) D = 20,95 мм = const, d = var; 2) D = var, d = 8,70 мм = const; 3) D = var, d = 5,81 мм = const. Будувалися залежності , ; , ; , ; для раптових звужень і розширень труб.

Вплив додатків ПАА на гідравлічний опір раптових звужень і розширень труб залежить від ступеня деформації потоку в них, концентрації додатків і числа Рейнольдса. Якщо в місцевих втратах напору переважають втрати на зміну форми, що має місце при m<0,7 для раптового звуження і при n>(4,1…6,4) - для раптового розширення, то при Re>104 додатки ПАА викликають збільшення опору.

При m>0,7 і n<(4,1…6,4), коли перевищують втрати на тертя, загальні затрати енергії понижуються. При настає незалежність значення коефіцієнта від числа Рейнольдса для розчинів ПАА усіх концентрацій.

Опір раптового розширення труби понижується додатками в ділянці, що розташована, за числом Рейнольдса, після стрибка турбулентного переходу. Ця ділянка розширюється зі зменшенням n в бік великих чисел Re і менших концентрацій розчину, починаючи з С = 10-3 кг/кг.

Виявлено для n<20 при Re=8·103 поділ кривих на дві гілки, що розбігаються зі зменшенням Re. При зменшенні n розширюється діапазон концентрацій, при яких спостерігається роздвоєння кривих. Нижнє основне положення кривих відповідає, мабуть, відхиленню обмеженого затопленого струменя до стінки труби діаметром D2 при її розширенні, верхнє - осьовій течії.

При ступені звуження потоку , Re>2·104 та кг/кг, де Сopt - оптимальна концентрація, вплив додатків ПАА на опір раптового звуження труби не змінюється зі зменшенням m. При збільшенні ступеня розширення потоку n, понад 12,6 (див. нижче), спостерігається тенденція до ослаблення аж до повного зникнення ефекту впливу додатків ПАА на гідравлічний опір раптового розширення труби.

Пояснено механізм дії полімерних додатків на втрати енергії потоків рідин у раптових звуженнях і розширеннях труб. Процеси, які відбуваються у раптовому розширенні труби при наявності полімерних додатків, можна розділити на дві групи: 1) відповідальні за зменшення опору, що проявляється у видовженні і стабілізації затопленого обмеженого струменя; 2) ті, які викликають збільшення втрат напору, що спричинені збільшенням поздовжніх пульсацій швидкості та периферійних вихорів, а також втратами енергії на ежекцію цих вихорів і відновлення орієнтаційного ефекту полімерних молекул вздовж стінки.

На втрати напору в раптовому звуженні труби порівняно з раптовим розширенням додатково впливають такі процеси: 1) збільшення та інтенсифікація вихорів перед звуженим перерізом труби; 2) розтягнення полімерних молекул при вході в канал меншого діаметра, що супроводжується збільшенням поздовжньої в'язкості; 3) комплекс явищ, які мають місце в межах обмеженого затопленого струменя, що розширюється, послаблених попереднім його звуженням; 4) відновлення орієнтаційного ефекту полімерних молекул, порушеного на ділянці розширення струменя після стисненого перерізу, і посилення його в трубі меншого діаметру. Виявлено схожість явищ впливу ПАА на турбулентність у випадку наявності твердих стінок і без них. Підтверджений механізм, запропонований Б. Ліпатовим.

Коефіцієнти та з урахуванням впливу додатків ПАА на основі експериментальних даних можна обчислити як:

. (6)

Тут значення для раптових звужень і розширень труб визначали за відомими залежностями, наведеними у довідковій літературі.

При цьому розрахункові залежності для обчислення для раптових розширень труб при будь-якій фіксованій концентрації додатків у потоці описуються такою функцією:

, (7)

а для раптових звужень і раптових розширень труб при кг/кг - функцією виду (з надійністю 0,95 за критерієм Фішера):

, (8)

де a1, b1, c1, d1 та a2, b2 - емпіричні коефіцієнти; a1, b1, c1, d1 залежать від n; a2, b2 залежать від m або n.

За формулою (7) знайдено, що при (за критерієм Стьюдента) та використання полімерних додатків є доцільним для даної геометрії трубопроводу.

4. Застосування результатів досліджень

Розроблено алгоритм обчислення втрат енергії в раптовому розширенні труби за питомою потужності, що витрачається на подолання опору потоку при транспортуванні рідини з витратою Q та перепадом тиску на робочій ділянці довжиною L та площею поперечного перерізу :

. (9)

Величина - це середня енергія, що підводиться на робочій ділянці в одиницю об'єму рідини за одиницю часу за рахунок роботи сил тиску.

Для обчислення площі використовувалася модель, в якій канал змінного перерізу замінювався каналом постійного перерізу з діаметром:

, (10)

де k - коефіцієнт, який нами при D/d = 1…2 пропонується визначати як:

. (11)

Перепад тиску обчислювали як:

; (12)

а довжину L приймали рівною довжині ділянки повторного приєднання потоку після його раптового розширення.

Використання формули (9) дає можливість точного розрахунку необхідної потужності двигуна при переміщенні рідин у трубопровідних системах, насичених місцевими опорами.

Описано розроблений і запатентований спосіб перерозподілу витрат плинного середовища введенням у потік ГДАД, принцип дії якого показано на рис.6. При використанні цього способу досягається безперервне формування потрібного співвідношення витрат в окремих трубопроводах без залучення сторонніх джерел енергії. Зміна витрат рідини здійснюється за допомогою блоків трубок постійного або змінного перерізу.

Регулювальна характеристика витрати рідини Q в трубопроводі гідравлічної системи від концентрації С уведених у потік ГДАД записується:

, (13)

де - коефіцієнт регулювання, що характеризує глибину регулювання.

; (14)

, - коефіцієнт опору, відповідно, регульованої та нерегульованої ділянки трубопроводу при течії в ньому води.

Оскільки економічна вигода від дії додатків ПАА на місцевих опорах одержується тільки при використанні полімерних розчинів з концентраціями, що знаходяться на ділянці росту залежності від С, то при функція f(C) описується формулою (8), взятою зі знаком мінус.

Показано можливі області застосування результатів досліджень, а саме енергоощадні способи управління параметрами потоків: регулювання витрати рідини в спринклерних і дренчерних системах пожежогасіння; перерозподіл витрат рідини між декількома трубопроводами; зниження абразивного спрацювання поверхні труб при транспортуванні рідин у трубопроводах.

Проаналізовано технічну ефективність використання досліджуваного ПАА при транспортуванні рідин за кількістю витраченої електроенергії:

, (15)

де - ККД нагнітачів, приймався однаковим при течії води і полімерного розчину. При цьому є три випадки: 1), E>0 - економія електроенергії; 2), E = 0; 3), E<0 - перевитрата електроенергії.

Встановлено, що в місцевих опорах при їх застосуванні як регуляторів тиску чи витрати ефект зростає зі збільшенням глибини регулювання тиску, яка залежить від геометричних характеристик опору і значень діаметрів трубопроводу, витрати рідини та гідродинамічної ефективності додатків.

Намічено напрямки подальших досліджень проблеми, серед яких дослідження структури потоку на місцевому опорі та на ділянках безпосередньо до і після нього за допомогою оптичних методів і методів візуалізації.

гідродинамічний трубопровід поліакриламід

Висновки

1. На підставі огляду існуючих досліджень з впливу ГДАД на втрати напору в місцевих опорах встановлено, що рух рідин з додатками полімерів крізь раптові звуження і раптові розширення труб досліджено менше, ніж у конфузорах, дифузорах і діафрагмах. Звуження та розширення є складовими елементами потоків в будь-якому каналі змінного перерізу, що свідчить про актуальність їхнього вивчення. Систематичні дослідження раптових звужень і розширень труб дозволить повною мірою пояснити механізм дії полімерних додатків на втрати тиску в місцевих опорах трубопроводів.

2. Одержано зменшення та збільшення втрат напору в раптових звуженнях і розширеннях труб уведенням у потік додатків ПАА. Отримано значно більший вплив додатків полімерів на опір раптового звуження труби (до 290%) порівняно з раптовим розширенням (до 35%), до того ж, на раптовому звуженні труби переважає збільшення втрат напору. Зменшення опору як для раптового звуження, так і для раптового розширення труб мало місце при ступенях звуження потоку m=(d/D1)2<0,7 та розширення потоку n=(D2/d)2>(4,1…6,4) відповідно, коли потік деформується незначно, і також незначно порушується орієнтаційний ефект полімерних молекул.

3. Для води та водних полімерних розчинів усіх концентрацій незалежність коефіцієнтів місцевих опорів раптових звужень і розширень труб настає при числах Рейнольдса, рівних 10000…20000.

4. Максимальне збільшення опору раптового розширення труби додатками ПАА з концентраціями, які не перевищують оптимальної кг/кг, досягається при ступені розширенні потоку n=12,6±0,9. Тому використання додатків ПАА є доцільним в діапазоні .

5. При концентраціях до 10-4 кг/кг включно та значення відносної зміни коефіцієнтів опору раптових звужень труб не залежать від ступеня звуження потоку m.

6. Уточнено механізм дії полімерних додатків на втрати енергії потоків рідин у раптових звуженнях і розширеннях труб, який базується на тому, що в тих місцевих опорах, де переважають втрати на тертя, додатки понижують гідродинамічний опір, а при домінуванні опору форми - збільшують його. Підтверджений механізм, запропонований Б. Ліпатовим.

7. Розроблено алгоритм визначення втрат енергії в раптовому розширенні труби, який полягає в тому, що раптове розширення труби замінюється, за відомою моделлю, фіктивною циліндричною трубою і використовується відома формула обчислення втрат енергії в прямій циліндричній трубі за питомою потужністю, що витрачається на подолання опору потоку. Це дає можливість точного розрахунку необхідної потужності двигуна при переміщенні рідин у трубопровідних системах, насичених місцевими опорами.

8. У загальному вигляді розв'язано задачу регулювання витрати рідини в гідравлічній системі введенням у потік ГДАД. Розроблено та запатентовано спосіб перерозподілу витрат плинного середовища між декількома трубопроводами. При його використанні досягається безперервне формування потрібного співвідношення витрат в окремих трубопроводах без залучення сторонніх джерел енергії.

9. Оцінено економічний ефект від використання ПАА при течії рідин, виходячи з кількості витраченої електроенергії. Встановлено, що в місцевих опорах при їх застосуванні як регуляторів тиску чи витрати ефект зростає зі збільшенням глибини регулювання тиску (витрати), яка залежить від геометричних характеристик опору і значень діаметрів трубопроводу, витрати рідини та гідродинамічної ефективності додатків.

10. Результати матеріалів дисертаційної роботи впроваджено на ВАТ “Прикарпатпромарматура” з очікуваним річним економічним ефектом 19,3 тис. грн. та на ТзОВ Науково-виробничій фірмі “Техногал” з очікуваним річним економічним ефектом 21,6 тис. грн.

Література

1. Чернюк В.В., Жук В.М., Піцишин Б.С., Орел В.І. Управління параметрами потоків введенням гідродинамічно активних додатків // Захист довкілля від техногенного впливу: Зб. наук. праць. - 1997. - № 1. - С.69-74.

2. Чернюк В.В., Піцишин Б.С., Орел В.І., Жук В.М. Вплив додатків поліакриламіду на опір раптових звужень труб // Вісн. Держ. ун-ту “Львів. політехн.”. Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматика. - 1999. - №378. - С.3-8.

3. Орел Вадим. Аналіз впливу полімерних додатків на втрати тиску в місцевих опорах трубопроводів // Вісн. Нац. ун-ту "Львів. політехн.". Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. - 2000. - № 404. - С.23-30.

4. Орел В. Застосування формули зміни діаметра струменя рідини стосовно раптового розширення трубопроводу // Вісн. Нац. ун-ту "Львів. політехн.". Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. - 2001. - №432. - С.11-14.

5. Орел В.І. Розрахунок втрат енергії при транспортуванні рідин у трубопроводах з раптовим розширенням потоку // Вісн. Рівненського Держ. техн. ун-ту. Збірник наук. праць. - 2001. - Вип. 1(8). - С.99-104.

6. Чернюк В.В., Орел В.І., Гнатів Р.М. Змінювання гідравлічного опору раптових розширень труб додатками поліакриламіду // Вісн. Укр. держ. ун-ту водн. госп-ва та природокорист. Збірник наук. праць. - 2002. - Вип. 5(18), ч.5. Гідротехнічні споруди, гідравліка, гідрологія та гідроенергетика. - С.202-209.

Размещено на Allbest.ru