автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Гравитационно-гидравлические вакуумные устройства для систем глубокого водопонижения

На правах рукописи

РГВ од

- 3 Ш 2Э0С

ГИНЦ Андрей Владиславович

ГРАВИТАЦИОННО-ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ СИСТЕМ ГЛУБОКОГО ВОДОПОНИЖЕНИЯ

Специальность 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2000

Работа выполнена в Унитарном Государственном предприятии -научный центр - «Северный научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации» (ГНЦ «СевНИИГиМ»)

Научный руководитель - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бишоф Эрих Алоизович,

Научный консультант - член-корреспондент РАСХН,

доктор технических наук, профессор

Штыков Валерий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Войнич - Сяноженцкий Теймураз Георгиевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник Волынов Михаил Анатольевич

Ведущая организация - Головной научно-проектный центр ЛЕНВОДПРОЕКТ

Защита состоится «24» ноября 2000 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета К 120.41.01 в Государственном предприятии -специализированном научном центре «Госэкомелиовод» по адресу: 107005, г. Москва, ул. Бауманская, 43/1,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГП СНЦ «Госэкомелиовод»

Автореферат разослан «19» октября 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук - Колесникова Татьяна Васильевна

\\Ш . 023 .2 ~5i ~0i 9 О

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Все более ощущаемый дефицит энергетических ресурсов, а также сложность эксплуатации водоподъемных и вакуумных установок в системах вертикального дренажа приводят к тому, что их использование становится нерентабельным и от дренажа приходится отказываться даже тогда, когда это грозит необратимыми последствиями для подтапливаемых территорий. Наиболее ярко эта проблема проявляется при устройстве систем глубокого водопонижения с сифонными водоотводами, требующими использования вакуум-насосов различной производительности и средств автоматизации их работы.

Создавшееся положение требует развития новых технологий и конструкций, которые позволят использовать альтернативные источники энергии, в том числе энергию потока воды.

В этих условиях весьма актуальной становится задача разработки воздухоотводящего устройства, позволяющего утилизировать энергию малых величин перепадов уровней воды водотока, с использованием ее для удаления воздуха из полости вакуумируемых водоотводов, особенно в тех условиях, когда установка энергоемкого насосного оборудования и его эксплуатация сопряжены с большими затратами материалов, труда и энергии.

Цель и задачи исследований. Основной целью исследований являлось создание конструкций вакуумных устройств, позволяющих осуществить отведение воздуха из полости вакуумируемых водоотводов без использования дополнительной энергии, а также разработка теоретического обоснования их расчета.

Исходя из цели настоящей работы, были поставлены следующие задачи:

- разработать конструкции вакуумных воздухоотводящих устройств;

- исследовать процесс захвата воздуха нисходящим потоком воды, движущимся по вертикальной трубе при отведении воздуха из атмосферы и герметичной емкости;

- установить основные характеристики водовоздушного потока и их изменения по длине трубы с учетом и без учета скорости всплытия пузырей воздуха;

- получить аналитическое решение задачи определения параметров нисходящего потока водовоздушной смеси в зависимости от величины относительного сжатия пузырей воздуха по длине трубы;

- определить эффективность действия и обосновать оптимальные параметры вакуумных воздухоотводящих устройств;

- провести анализ результатов совместной работы вакуумируемых систем водоотведения с вакуумными воздухоотводящими устройствами и разработать методику их расчета.

Методика исследования. Разработка новых конструкций вакуумных устройств выполнена на основе анализа научно-технической и патентной документации. Исследование их работы производилось на экспериментальных установках с элементами систем глубокого водопони-жения, выполненными в натуральную величину. При разработке методики расчета вакуумных устройств теоретические исследования проводились в рамках общепринятой теории движения водовоздушных смесей. Экспериментальные исследования осуществлялись с использованием широко проверенных практикой методов установления количества воздуха, выделяющегося из воды при разрежении, и всплытия пузырей воздуха в трубах.

Научная новизна работы. Впервые определены закономерности захвата воздуха нисходящим потоком воды в вертикальных трубах и формирования плотности образующейся при этом водовоздушной смеси в зависимости от степени относительного сжатия воздуха по длине трубы. Показана возможность создания достаточно высокого разрежения в герметичной емкости устройства при малых скоростях потока на входе в нисходящую трубу, за счет суммирования величин гидростатического и гидродинамического вакуума. Установлены условия отказов в работе вакуумных воздухоотводящих устройств, а также влияние скорости

всплытия пузырей воздуха на их производительность. Разработана методика расчета вакуумных воздухоотводящих устройств для систем глубокого водопонижения.

Практическое значение и реализация результатов исследований. Внедрение предлагаемых конструкций вакуумных воздухоотводящих устройств для систем глубокого водопонижения и методов их расчета расширяет область применения вертикального дренажа, позволяя устранить необходимость в использовании насосного оборудования и средств автоматизации его работы, при значительном уменьшении объемов земляных работ.

Результаты исследований использованы: институтом СевКавги-проводхоз при составлении рабочего проекта водопонижения на территории пос. Передовой Изобильненского района Ставропольского края и ТОО Компания ИНВЭКО (Ленгипроводхоз) при составлении ТЭО водопонижения в г. Пугачеве Саратовской области.

Апробация работы. Основные положения по теме диссертации докладывались и обсуждались: на подсекции "Гидравлика и гидрология" 58-ой научно-технической конференции Санкт-Петербургского Университета путей сообщения (С.-Пб., 1998); на конференции "Акватерра" (VI горно-геологический форум "Природные ресурсы стран СНГ*. С.-Пб., 1998). Конструкции вакуумных воздухоотводящих устройств были представлены на стенде Правительства Ленинградской области Национальной выставки 'Технология из России' 99" (Москва.12-15 октября 1999г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации отражены в 12 печатных научных работах; в том числе в 8 патентах Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 85 наименований, 4 приложений (13 страниц) и алфавитно-предметного указателя. В диссертации 138 страниц машинописного текста, 8 таблиц, 34 рисунка. Общий объем работы 196 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследования, дается общая характеристика работы.

Первая глава посвящена анализу конструкций систем глубокого водолонижения и путей их совершенствования. Показано, что наиболее распространенным видом дренажа до настоящего времени остается горизонтальный трубчатый дренаж, строительство которого, особенно в условиях высокого стояния уровней грунтовых вод, сопряжено с большими затратами труда и объемами земляных работ особенно при насыщенности территории инженерными коммуникациями.

Альтернативным техническим решением в таких условиях служат системы вертикального дренажа. Однако использование этих систем считается рентабельным только в тех случаях, когда установленное на них энергетическое оборудование позволяет оказывать влияние на достаточно большую площадь. Снизить стоимость и расширить возможности использования систем вертикального дренажа позволяет применение вакуумных систем с сифонными водоотводами, впервые в гидротехнической практике осуществленное в 1936 году (Абрамов С.К., Альтов-ский М.Е., Масловский Е.А.). В настоящее время сифонные водоотводы рекомендуются как один из путей совершенствования осушительно-увлажнительных систем с вертикальным дренажем (Довнар C.B., Му-рашкоА.И., Митрахович А.И., Немиро В.А.), и как надежный способ забора воды из систем глубокого водопонижения при стабилизации оползней (Вашингтонское транспортное управление).

Установлено, что использование вакуум-насосов даже на крупных вакуумируемых водоотводах систем водопонижения, в ряде случаев, является избыточным. В большинстве случаев, для отведения воздуха требуется автоматически действующая воздухоотводящая установка небольшой мощности, которая соответствует объему и темпам поступления выделяющегося из воды воздуха.

Во второй главе рассмотрена история развития конструкций устройств, захват и перенос воздуха в которых осуществляется потоком воды, движущимся за счет разницы давлений в сообщающихся между собой столбах воды и водовоздушной смеси.

Первые упоминания о подобных устройствах встречаются в трудах Герона Александрийского (между 150-120 г.г. н.э.), описавшего более 70-ти конструкций устройств, для подъема воды и зарядки сифонов. Идеи Герона нашли дальнейшее развитие в работах Джамбаттиста Делла Порта (1538 -1615 г.г.), предложившего ряд устройств позволяющих «увеличить высоту всасывания с помощью воздуха». Однако надежность работы этих устройств оказалась невысокой и они не получили широкого распространения.

На рис. 1 приведено схематическое изображение трех разработанных нами модификаций вакуумного воздухоотводящего устройства, энергетической основой действия которых служит перепад уровней воды между входом и выходом из устройства:

a), с подвижным входом воды и переменной величиной разрежения в его полости, - позволяет получить заданную величину разрежения, путем изменения высоты подъема поплавка;

b). с регулируемым впуском воздуха и постоянной величиной разрежения в его полости, - обеспечивает отведение воздуха до заданной величины разрежения;

c), без движущихся частей, - обеспечивает отведение воздуха из сифонных водоотводов, имеющих постоянный ток воды.

В основе действия приведенных выше модификаций лежит принцип захвата воздуха нисходящим потоком воды и его транспортирования по трубе, в составе образующейся при этом водовоздушной смеси. Захват воздуха происходит за счет небольших величин динамического вакуума, образующегося на входе в нее, а абсолютная величина вакуума определяется положением входа относительно уровня воды верхнего бьефа.

а)

Рис. 1. Модификации гравитационно-гидравлического вакуумного устройства а ) с подвижным входом воды Ь) с регулируемым впуском воздуха с) без движущихся частей

1 - водоток; 2 - восходящий участок устройства; 3 - перемычка с краном; 4 - герметичная емкость устройства; 5 - воздухоподводяицая трубка; 6 - поплавок; 7 - воздухоотводящая трубка; 8 - нисходящий участок устройства;

Устройства выгодно отличаются от своих аналогов простотой конструкции, высокой надежностью работы и минимумом эксплуатационных затрат. Они начинают работать при перепадах уровней воды между бьефами водотока, равных 0.6 ... 0.7 м, а с увеличением последних до 1.0 ... 1.5 м уже обладают высокой эффективностью действия по отводу воздуха. Разработанные способы автоматической зарядки вакуумных устройств позволяют синхронизировать их работу с сезонными подъемами уровней фунтовых вод или с периодами выпадения атмосферных осадков повышенной интенсивности.

В третьей главе рассмотрены основы теории движения водовоз-душных смесей. Выделены основные характеристики водовоздушного потока и установлена закономерность их изменения по длине вертикальной трубы.

Анализ основ теории движения водовоздушных смесей в вертикальных трубах, в условиях, когда движение фаз потока совпадает по направлению, выполнен по работам А.А.Арманд, С.С.Кутателадзе, МАСтыриковича, H.H. Константинова, С.Соу, Х.Маеда и Г.Уоллиса.

При нисходящем движении смеси, однако, режимы течения отличаются от классической последовательности изменения структуры водовоздушного потока. В этом случае имеют место пузырьковое и снарядное течение, а при малых скоростях движения воды - кольцевое при котором течение воздуха отсутствует. Показано, что при нисходящем движении водовоздушной смеси наилучшей структурой следует считать

снарядную, характеризующееся расходом водовоздушной смеси Q/+g, а также отдельными расходами воды Q / и воздуха Q g в ее составе.

Плотность водовоздушной смеси У т, изменяется по длине трубы в связи с изменением давления и с упругими свойствами входящих в ее состав пузырей воздуха:

в 7

откуда

Ч ' т У

( 1)

При этом осредненная величина расхода воздуха б в составе водовоздушной смеси, учитывающая изменения величины расхода воздуха по длине потока, определяется в соответствии с законом изотермического сжатия:

Установлено, что в вертикальных трубах диаметром более 0.5 см пузыри воздуха, под действием Архимедовой силы, всплывают в направлении противоположном движению потока. За счет этого воздух «просачивается» через смесь и имеет место некоторый дрейф газообразной фазы относительно жидкой, что приводит к уменьшению расхода воздуха в смеси и увеличению ее плотности.

Показано, что для снарядных пузырей преобладание инерционных сил имеет место лишь при диаметре трубы 5.0 см; преобладание влияния сил вязкости в рассматриваемых случаях места не имело, а силы поверхностного натяжения оказывают преобладающее влияние на скорость всплытия пузырей лишь при диаметре трубы 0.5 см.

Установлено, что величина скорости всплытия снарядных пузырей в трубах разного диаметра (Табл. 1), имеет большое значение для расчета вакуумных воздухоотводящих устройств, поскольку именно ее значение определяет границу однонаправленного нисходящего движения водовоздушной смеси. Данные экспериментального определения скорости всплытия пузырей воздуха показали хорошую сходимость полученных результатов с теоретическими зависимостями и позволяют констатировать, что снарядный режим движения водовоздушной смеси в вер-

р^рг * р2

( 2)

тикальных трубах обладает преимуществом по сравнению с пузырьковым, поскольку, в этом случае, скоростью всплытия пузырей воздуха в трубах малого диаметра можно пренебречь, а в трубах большого диаметра она значительно ниже, чем для мелких пузырьков.

Таблица 1

Скорость всплытия одиночных пузырей воздуха в вертикальных трубах при снарядном режиме движения ( Т воды = 16 0 С )

Диаметр трубы d , см 0.3 0.5 1.0 2.0 5.0

Скорость всплытия Vb, см/с: G.B Wallis - 0.0/ -0.02 6.80/ +0.13 15.19/ +0.49 24.16/ -0.84

White Е.Т. Beardmore R.H. - 0.0/ -0.02 6.70/ +0.03 15.06/ +0.33 23.81 -1.19

Maeda N. Hanaoka M.,Ueda T. - 0.0/ -0.02 4.00/ -2.67 14.00/ -0.70 24.80/ -0.20

Константинов H.H. 3.60/ +3.60 7.30/ +7.28 10.40/ +3.73 14.70 -0.70 23.20/ -1.80

По данным опыта 0.00 0.02 6.67 14.70 25.00

В четвертой главе изложены результаты теоретических исследований, рассмотрены закономерности движения и приведены данные результатов лабораторных исследований движения водовоздушной смеси при захвате воздуха из атмосферы и герметичной полости вакуумного устройства. Установлены зависимости для определения коэффициента полезного действия, причины отказов в работе вакуумного устройства и порядок его расчета.

В результате исследования захвата воздуха из атмосферы нисходящим потоком воды, рассмотрена физическая картина процесса и построены эпюры давлений при движении по вертикальной трубе воды и водовоздушной смеси. Установлено явление саморегулирования потока водовоздушной смеси: если в поток поступает недостаточное количество воздуха, то скорость его движения потока возрастает, что приводит к усилению захвата воздуха. Если же воздуха поступает много, то скорость потока уменьшается, захват воздуха прекращается и поток начинает «разгоняться» до тех пор, пока в нем вновь не создадутся условия для захвата очередного воздушного пузыря.

Показано, что при условии равномерного движения нисходящего потока водовоздушной смеси, можно исследовать закономерности ее -формирования, рассматривая раздельно: течение воды выше сечения впуска воздуха и течение водовоздушной смеси - ниже этого сечения. При этом от скорости потока воды выше сечения впуска воздуха зависит величина расхода воды в составе водовоздушной смеси, а от скорости движения потока водовоздушной смеси ниже этого сечения, - количество перемещаемого в потоке воздуха.

Расход воды Q {, поступающий к сечению впуска воздуха, определяется величиной напора воды над этим сечением

а расход водовоздушного потока, движущегося ниже сечения впуска воздуха, равен

(3)

Разделив выражение ( 3) на (4) и решив его относительно величины средней плотности водовоздушной смеси с учетом коэффициентов сопротивлений М / и И , получим следующее выражение

из которого следует, что средняя плотность водовоздушной смеси не зависит от величины перепада уровней воды Н и ее можно регулировать как путем изменения величины напора воды над сечением впуска воздуха АХ , так и коэффициента сопротивления на вход - „х.

Условия отведения воздуха из герметичной емкости устройства отличаются от захвата воздуха из атмосферы лишь тем, что сечение впуска воздуха в устройство уже обладает геодезическим вакуумом, величина которого соответствует высоте его расположения над уровнем воды верхнего бьефа. При этом по мере изменения высоты подъема устройства, увеличивается длина его нисходящего участка, что приводит к уменьшению гидравлического уклона и расхода воздуха в смеси, а, следовательно, к увеличению плотности которую (при пренебрежении силами трения) можно оценить исходя из равенства действующих напо-

(5)

ров:

(6)

откуда

Гта+г/{н-ж)

у

(7)

Полученную зависимость (7), удалось привести к линейному виду, введя в него величину относительного сжатия по длине трубы, записанную в виде а - Ъ\(Н - + 7.)

У тг =Г та+(1~Г „<,)■" ■ ( 8)

Экспериментальная проверка полученных зависимостей подтвердила предположение о том, что плотность водовоздушной смеси находится в линейной зависимости от величины относительного сжатия, а ее величина может быть определена как:

1-У. 1-;

то

О

•а - (9)

У тЪ У та

где ' о - начальный гидравлический уклон образования водовоздушной смеси.

Зависимость (9), представленная на Рис. 2, позволяет по заданному расходу воды в смеси получить все расчетные характеристики вакуумного воздухоотводящего устройства при любых соотношениях величин его высотного положения и перепада уровней между бьефами водотока. Такой подход избавляет от необходимости использования при расчетах вакуумных устройств значений коэффициентов трения водовоздушной смеси по длине, величины которых до настоящего времени изучены слабо и недостаточно освещены в литературе.

Установлено, что для вакуумных устройств, все параметры, характеризующие поток водовоздушной смеси (средняя плотность и скорость движения, средний расход захваченного воздуха и К.П.Д. нетто) определяются только ее диаметром, расходом подаваемой на вход воды, и величиной относительного сжатия воздуха.

Рис. 2. Зависимость величины средней плотности водовоздушной смеси, движущейся в нисходящем участке вакуумного устройства от величины относительного сжатия - а

при с!= 0.5 см; О,о = 4.4 мл/с; V ь = О

Рис. 3. Основные характеристики гравитационно-гидравлического вакуумного устройства с диаметром нисходящего участка с1 = 1.0 см. О вт - средний расход воздуха в составе смеси, мл/с; а - относительное сжатие воздуха по длине; у т - средняя плотность водо-воздушной смеси; Л о - коэффициент полезного действия устройства.

Эффективность работы гравитационно-гидравлического вакуумного устройства (коэффициент полезного действия) также определяется величинами средней плотности водовоздушной смеси и относительного сжатия воздуха по длине трубы

при этом первые два сомножителя этого выражения представляют

К.П.Д. нетто вакуумного устройства 7о, который для трубы заданного диаметра зависит только от величины степени сжатия по длине трубы и характеризует соотношение полезной и затраченной работы, произведенной вакуумным устройством от сечения впуска воздуха до сечения выхода. Что же касается третьего сомножителя, то он характеризует долю затраченной работы, приходящуюся на поддержание расхода воды, необходимого для образования водовоздушной смеси.

Установленные экспериментально для поливинилхлоридных трубок, изготовленных по ТУ 64-2-286-79 диаметром 10 мм, зависимости

симума позволяет получить достаточно высокую эффективность работы устройства в широком диапазоне соотношений высоты его расположения и величины перепада уровней воды.

Отказом в работе воздухоотводящего устройства следует считать отсутствие переноса воздуха потоком, которое имеет место как при переходе от пузырькового режима движения смеси к течению только воды, что соответствует «захлебыванию» водовоздушного потока водой, так и переход от снарядного режима движения потока к кольцевому, что соответствует «захлебывани.» водовоздушного потока воздухом.

(10)

Установлено, что теория явления «захлебывания» достаточно сложна, а достоверные критерии взаимного перехода режимов движения водовоздушного потока могут быть получены только в результате проведения экспериментальных работ. Поэтому во многих случаях проще установить фактическую величину расхода воды £? /0 при визуальном контроле режима движения потока. Несмотря на некоторую субъективность такого подхода, он позволяет наиболее точно установить режим работы устройства, соответствующий его максимальной производительности в процессе проведения пуско-наладочных работ.

На рис. 4. а приведены значения расхода воды Я /0, соответствующие началу захлебывания водовоздушного потока воздухом для поливинилхлоридных трубок диаметром 0.50, 0.85,1.00 и 1.4 см. Как видно из графика, полученные величины расходов, в интервале исследованных диаметров, могут быть аппроксимированы прямой, то есть линейно зависят от диаметра.

Полученные расчетные зависимости позволили обосновать методику расчета гравитационно-гидравлических вакуумных устройств, которая включает в себя последовательность определения диаметра нисходящей трубы устройства по известным значениям расхода воздуха, подлежащего отводу из обслуживаемого сооружения, величине относительного сжатия по длине трубы и соответствующей ей плотности водо-воздушной смеси в трубах разного диаметра (Рис. 4,в).

Это обстоятельство значительно упрощает расчеты, поскольку установленные экспериментально для исходящего участка воздухоотво-дящего устройства, выполненного из определенного материала, характеристики: у „г =1(а,Ы) и £>/0=1((1) учитывают влияние таких факторов, как скорость всплытия пузырей, их лобовое сопротивление, трение водовоздушной смеси по длине и диссипация энергии на выходе, во всем диапазоне скоростей и гидравлических уклонов, которые могут иметь место в практике использования воздухоотводящих устройств.

а)

Ь).

{00-

О}. • ""Л

8о

60

¿о-

го

/

/

/

/ V

/

1.0- Г/

он /

(И- 4.0 У / /

о.ь /

d-l.li ^ / /

оа / ¿гОМ /

/

0.2 ¿•-ол / /

/

/

0 /

/.о

г.о

о.г оа о.б о.& ю

Рис. 4.Экспериментальные зависимости для трубок поливинилхлоридных диаметром с1 = 0.5; 0.85; 1.0 и 1.4 см,

а) Расхода О го - начала захлебывания водовоздушного потока воздухом при атмосферном давлении

в зависимости от диаметра трубки - с!

Ы С^ПЙЛНЙЙ ПППТНПГТИ пллгтпчлмшыпй ГМРГМ V — ПТ Ввпиинии птиллитоптпт тиотмо _ о

В пятой главе дано описание конструкций вакуумных систем водо-отведения, принятых в проектно-технических решениях. Изложены результаты экспериментальной проверки эффективности их действия и области дополнительного использования.

В условиях развитого рельефа, рекомендуется использовать ступенчатую систему глубокого водопонижения с сифонными водоотводами, основным преимуществом которых является то, что они могут прокладываться с прямым и с обратным уклоном по направлению тока воды, позволяя снизить уровни фунтовых вод до верха противоразрядных емкостей, расположенных в водоприемных колодцах, на высотных отметках, одинаковых для каждой из ступеней (Рис. 5).

При равнинном рельефе поверхности рекомендуется использовать систему глубокого водопонижения с вакуумируемыми коллекторами, представляющую собой сеть водоприемных колодцев, соединенных водоподъемными трубками с герметичным коллектором, имеющим уклон в сторону водоприемника.

При работе воздухоотводящего устройства, в полости коллектора создается разрежение, благодаря чему в него поступает вода, отводимая в водосборный колодец в самотечном режиме (рис. 6).

Экспериментальная проверка эффективности действия вакуумных систем глубокого водопонижения проводилась на выполненных в натуральную величину моделях:

- сифонный водоотвод, длиной 30.3 м из пластмассовой гофрированной трубы диаметром 63 мм, с обратным уклоном средней части 0.004;

- вакуумируемый коллектор длиной 64.0 м из гладкостенных пластмассовых труб диаметром 110 мм, с прямым уклоном средней части 0.003.

Проведенные исследования показали, что при скоростях движения потока воды в средней части вакуумируемого водоотвода более 0.5 м/с весь воздух, выделяющийся из воды, выносится потоком. Максимальное поступление воздуха в воздухосборник, с расходом 2.4 мл/с отмечено

6

1 - водоприемные колодцы, заполненные фильтрующим материалом; 2 - восходящий участок водоотвода; 3 - нисходящий его участок; 4 - противоразрядная емкость; 5 - водосборный колодец;

6 — пэавитаиионно-гилпяппииргкпо оаидшипа итпитл' 7 _ ---------------п ----1---------

Рис. 6. Система глубокого водопонижения с использованием вакуумируемого коллектора.

1 - водоприемные колодцы, заполненные фильтрующим материалом; 2 - водоподъемная трубка; 3 - противоразрядная емкость; 4 - нисходящий участок водоотвода; 5 - водосборный колодец; 6 - гравитационно-гидравлическое вакуумное устройство; 7 - вакуумируемый коллектор. 7. - высота подъема воды. Н - перепад уровней.

при скорости потока в средней части водоотвода 0.31 м/с, с закономерным убыванием темпов поступления воздуха при дальнейшем увеличении или уменьшении скорости движения потока. При остановке потока воды в полости вакуумируемого водоотвода на 17 часов, средний расход поступившего в воздухосборник воздуха, составил всего 0,04 мл/с.

Максимальная производительность воздухоотводящего устройства -около 1.5 мл/с, получена при непосредственном отводе воздуха из надводного пространства в полости водоотвода. Однако, если воздух, выделяющийся из воды в полости водоотвода предварительно накапливать в воздухосборнике, расположенном в его верхней части, то производительность воздухоотводящего устройства может составить всего 0.6... 0.7 мл/с.

Экономический эффект от внедрения новой конструкции системы глубокого водопонижения с гравитационно-гидравлическим вакуумным устройством может быть получен в сфере строительства и эксплуатации. Основной эффект при строительстве системы достигается за счет исключения необходимости установки вакуум-насосов со средствами автоматизации, а также подвода электроэнергии. При этом в качестве дополнительных затрат фигурирует лишь стоимость самого вакуумного устройства и, при необходимости, сооружений, позволяющих осуществить его включение. Основной эффект при эксплуатации системы водо-отведения с вакуумными воздухоотводящими устройствами заключается в исключении расходов на электроэнергию, текущий ремонт насосного оборудования, и снижении затрат на зарплату персонала.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. При глубоком понижении уровней грунтовых вод наиболее совершенными и экономичными являются системы вертикального дренажа с вакуумируемыми водоотводами, широкое применение которых сдерживается необходимостью использования энергоемкого оборудования для отведения воздуха, выделяющегося из воды при разрежении.

2. Разработаны и испытаны три модификации гравитационно- гидравлического вакуумного воздухоотводящего устройства, позволяющего создавать в герметичной емкости постоянное разрежение величиной до 6.0 ... 7.0 м.вод.ст, энергетической основой действия которых служит перепад уровней воды между входом и выходом из устройства.

3. Захват воздуха нисходящим потоком воды и его отведение в составе образующейся водовоздушной смеси, в этих устройствах, происходит за счет весьма небольших величин динамического вакуума, образующегося на входе воды в нисходящий участок устройства, в то время как абсолютная величина вакуума в его полости определяется высотой расположения устройства над уровнем воды водотока.

4. Поток водовоздушной смеси движется по нисходящему участку вакуумного устройства с гидравлическим уклоном, равным разности между плотностью водовоздушной смеси и относительным сжатием воздуха по длине трубы; при этом плотность водовоздушной смеси определяется расходом воды, подаваемым к сечению впуска воздуха и коэффициентом гидравлического трения.

5. Величина средней плотности водовоздушной смеси линейно увеличивается по мере увеличения степени относительного сжатия воздуха по длине трубы; установленные экспериментально параметры этой зависимости при расходе воды начала «захлебывания» водовоздушной смеси воздухом, соответствуют максимальной производительности и позволяют определить плотность образующейся водовоздушной смеси при любых соотношениях высоты расположения устройства и перепада уровней воды водотока.

6. Основные параметры, характеризующие поток водовоздушной смеси, практически не зависят от длины трубы нисходящего участка вакуумного устройства, а определяются только ее диаметром, расходом, подаваемой на вход воды, и величиной относительного сжатия по длине трубы.

7. Предлагаемая методика расчета вакуумных устройств позволяет по известной величине расхода воды в составе водовоздушной смеси, соответствующей «захлебыванию» водовоздушного потока воздухом, и параметрам зависимости средней плотности смеси от величины относительного сжатия, получить паспортные кривые изменения расхода отводимого воздуха и коэффициента полезного действия устройства.

8. В условиях развитого рельефа, следует использовать ступенчатые системы глубокого водопонижения с сифонными водоотводами, а при равнинном рельефе поверхности - с вакуумируемыми коллекторами, снабженные воздухоотводящими вакуумными устройствами, при постоянной работе которых режим работы водоотводов стабилен при любых величинах расхода воды в его полости.

9. Разработанные способы и устройства, для осуществления автоматической зарядки вакуумных устройств и вакуумируемых водоотводов, позволяют синхронизировать работу системы глубокого водопонижения с сезонными подъемами уровней грунтовых вод или с периодами выпадения атмосферных осадков повышенной интенсивности.

10. Использование гравитационно-гидравлических вакуумных устройств расширяет область применения систем вертикального дренажа, исключая необходимость использования насосно-силового оборудования и средств автоматизации его работы, при снижении в 2.0 .. 2.5 раза общестроительных и эксплуатационных затрат по сравнению с системами горизонтального дренажа.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Штыков В.И., Гинц A.B., Бишоф Э.А. Системы глубокого водопониже-ния с устройствами для вакуумирования без подвода энергии извне // Гидротехническое строительство. N 2,1998, Энергопрогресс, С. 35-39

2. Гинц A.B. Гравитационно-гидравлические устройства и их использование в системах водоотведения. - В кн.: Неделя науки - 98 (пятьдесят восьмая научно-техническая конференция с участием студентов, молодых специалистов и ученых): Проф. и тез. докл. (С.-Пб., 30 марта - 20 апреля 1998 г.). С.-Пб.: Университет путей сообщения. НИС, 1998, С. 95

3. Бишоф Э.А., Гинц A.B., Штыков В.И. Гравитационно-гидравлические устройства и их использование //VI горно-геологический форум "Природные ресурсы стран СНГ'. Конференции: "Природные ресурсы стран СНГ', "Нефтегазэкспо СНГ', 'Транс-Интерпорт", "Акватерра". Тезисы докладов. Санкт-Петербург, 17-20 ноября 1998 г. - С. 176-177

4. Bishoff Е., Gints A. The constructing of the gravitative-hydraulic vacuum devices, working due to natural or artifical difference between the water levels without supplementary sources of energy / Cemagref. International database of irrigation and drainage research. -1996. - 250 - Ref.: RU-1. Pp. 244 - 245

5. Патент RU 1684422 E 02 В 11/00 (Российская Федерация). Мелиоративная система / Бишоф Э.А., Ковальчук H.H., Жегалев Ю.П., Гинц A.B., Тилк АА.Гинц H.A. Опубл. 15.10.91

6. Патент RU 2029024 Е 02 В 11/00 (Российская Федерация). Система сифонного водоотвода / Бишоф Э.А., Гинц A.B. Жегалев Ю.П., Ковальчук Н.Н, Тилк A.A. - Опубл. 20.02.95

7. Патент RU 2057844 Е 02 В 11/00, А 01 G 25/00 (Российская Федерация). Мелиоративная система / Бишоф Э.А., Гинц A.B., Ковальчук H.H. -Опубл. 10.04.96

8. Патент RU 2100663 F 04 f 10/00 (Российская Федерация). Устройство для создания разрежения / Бишоф Э.А., Гинц A.B., Жегалев Ю.П., Ковальчук H.H., Тилк A.A. - Опубл. 27.12.97

9. Патент RU 2100664 F 04 f 10/02 (Российская Федерация). Устройство для создания разрежения в замкнутом объеме / Бишоф Э.А., Гинц A.B., Жегалев Ю.П., Ковальчук H.H., Тилк A.A. Опубл. 27.12.97

10. Патент RU 2126476 Е 02 В 11/00, F 04 f 10/00 (Российская Федерация). Устройство для подъема воды / Бишоф Э.А., Гинц A.B., Тилк A.A. Опубл. 20.02.99

11. Патент RU 2138697 F 04 f 10/02 (Российская Федерация). Устройство для создания разрежения / Бишоф Э.А., Гинц A.B., Тилк A.A. Опубл. 27.09.99

12. Патент RU 2138698 F 04 f 10/02 (Российская Федерация). Устройство для создания разрежения / Бишоф Э.А., Гинц A.B., ТилкАА Опубл. 27.09.99

»

ВВЕДЕЙИЕ.

1. Системы глубокого водопонижения и пути их совершенствования

1.1. Горизонтальный трубчатый дренаж.

1.2. Системы вертикального дренажа.

1.3. Система глубокого дренажа.

1.3.1. Устройства воздухоотведения.

2. Гравитационно-гидравлические вакуумные устройства.

2.1. Конструкции опытных гравитационно-гидравлических вакуумных устройств.

2.1.1. Устройство с подвижным входом воды.

2.1.2. Устройство с регулируемым впуском воздуха.

2.1.3. Устройство для поддержания разрежения.

2.2. Способы автоматической зарядки вакуумных устройств

2.3. Предварительные исследования эффективности действия устройств.

3. Основы теории движения водовоздушных смесей в вертикальных трубах.

3.1. Режимы течения водовоздушного потока.

3.2. Основные характеристики водовоздушного потока и их изменение по длине вертикальной трубы.

3.3. Скорость всплытия пузырей воздуха в большом объеме воды и в вертикальных трубах.

4. Теория и расчет гравитационно-гидравлических вакуумных устройств.

4.1. Захват воздуха из атмосферы нисходящим потоком воды

4.1.1. Гидравлическая схема захвата воздуха из атмосферы.

4.1.2. Лабораторная установка и методика исследований.

4.1.3. Результаты исследований захвата воздуха из атмосферы.

4.2. Отведение воздуха из герметичной емкости устройства

4.2.1. Гидравлическая схема отведения воздуха.

4.2.2. Лабораторная установка и методика исследований.

4.2.3. Результаты исследований процесса отведения воздуха из герметичной емкости.

4.3. Эффективность действия и порядок расчета вакуумных устройств.

4.3.1. Коэффициент полезного действия вакуумного устройства.

4.3.2. Отказы в работе вакуумного устройства.

4.3.3. Методика расчета гравитационно-гидравлических вакуумных устройств применительно к системам глубокого водопонижения

5. Системы глубокого водопонижения с использованием гравитационно-гидравлических вакуумных устройств.

5.1. Особенности проектирования системы глубокого водопонижения с вакуумным устройством.

5.1.1. Опытные конструкции систем глубокого водопонижения в проектно-технических решениях.

5.2. Экспериментальная проверка эффективности действия вакуумных систем глубокого водопонижения.

5.2.1. Определение количества воздуха, выделяющегося в полости вакуумируемого водоотвода.

5.2.2. Гидравлический режим работы экспериментальных установок вакуумируемого водоотвода.

5.3. Сравнительная экономическая оценка использования водоотводов с воздухоотводящими устройствами.

Актуальность работы. Все более ощущаемый в России, как и во всем мире, дефицит энергетических ресурсов, а также сложность эксплуатации большого числа маломощных водоподъемных, вакуумных и компрессорных установок, которые обычно используются в сельском хозяйстве для водопонижения и водоподъема, приводят к тому, что эти мероприятия становятся нерентабельными и от них приходится отказываться даже тогда, когда это грозит необратимыми последствиями для подтапливаемых территорий [25]. При этом в настоящее время в сферу сельскохозяйственного производства вовлечено около 90 млн. га мелко контурных холмистых, горных и других «неудобных» сельскохозяйственных угодий, где неэкономично использовать традиционную энергетику, а также свыше 25 млн. личных подсобных хозяйств и садово-огородных кооперативов, определенная часть которых удалена от линий электропередач [бб].

Создавшееся положение требует развития новой технологии, позволяющей использовать альтернативные источники энергии. Эта технология, согласно [20] должна удовлетворять следующим требованиям: не загрязнять окружающей среды, отличаться принципиально простым решением, быть доступной для реконструкции, использоваться как для общественных, так и для индивидуальных нужд и быть безопасной даже при неправильном обращении. При этом из четырех известных альтернативных источников энергии (солнечная, ветровая, использование метана, энергия воды) использование воды считают наиболее лимитированным из-за ее неравномерного распределения. Однако необходимо отметить, что не только мощные водные потоки обладают большим количеством энергии. Всякий водоток, включая искусственно сооружаемые открытые каналы и закрытый горизонтальный дренаж, является носителем энергии, которая до настоящего времени не используется.

Связано это в- первую очередь с тем, что традиционный механический путь использования этой энергии становится рентабельным лишь при достаточно больших мощностях потоков. Наиболее ярко эта проблема проявляется при устройстве вакуумных систем глубокого водопонижения с сифонными водоотводами [52] для работы которых требуется использование вакуум-насосов, создающих и поддерживающих разрежение в полости водоотвода.

В связи с тем, что применение вакуумных систем сдерживается необходимостью использования энергоемкого оборудования, весьма актуальным становится разработка конструкций вакуумных устройств в которых полезная работа осуществляется за счет разности давлений в сообщающихся между собой столбах воды и водовоздушной смеси при использовании энергии малых перепадов уровней воды естественных или искусственных водотоков.

Работа выполнялась в рамках тем: 2.6 «Разработать методы расчета и конструкции систем водопонижения для населенных пунктов в зоне орошения» (1991 - 1993 гг.) и 3.8 «Разработать и испытать конструкции гравитационно-гидравлических вакуумных и компрессионных устройств для целей глубокого водопонижения, водоснабжения и аэрации воды в водоемах и водотоках» (1994 - 1996 гг.), связанных 'с задачами, поставленными в отраслевой научно-технической программе «Мелиорация и гидротехника»: «Разработать и освоить экологически безопасные ресурсосберегающие технологии и технические средства для комплексной мелиорации сельскохозяйственных угодий и во-дообеспечения сельского хозяйства, направленные на повышение продуктивности земель, эффективности и использования вод и улучшение условий жизни сельского населения на 1996 - 2000 гг.», утвержденной Заместителем Начальника Депмелиоводхоза А.А. Викснэ приказом от 10 апреля 1996 г.

Целью, работы являлось создание конструкций гравитационно-гидравлических вакуумных воздухоотводящих устройств для систем глубокого водопонижения, позволяющих осуществить отведение воздуха из полости вакуумируемых водоотводов только за счет использования энергии перепадов уровней воды собственно водотоков, при исключении затрат на установку насосного оборудования, средств автоматизации и необходимости использования дополнительных источников энергии.

В задачи исследований входило:

- разработка конструкций опытных гравитационно-гидравлических вакуумных устройств;

- определение оптимального режима течения нисходящего потока водовоздушной смеси;

- установление основных характеристик водовоздушного потока и их изменений по длине вертикальной трубы с учетом и без учета скорости всплытия пузырей воздуха;

- исследование процесса захвата воздуха нисходящим потоком воды, движущимся по вертикальной трубе;

- аналитическое решение задачи определения параметров нисходящего потока водовоздушной смеси в зависимости от величины относительного разрежения по длине трубы;

- определение эффективности действия и обоснование оптимальных параметров гравитационно-гидравлических вакуумных устройств;

- установление порядка расчета вакуумных устройств для систем глубокого водопонижения;

- исследование совместной работы экспериментальных воздухоотводящих устройств и вакуумируемых систем водоотведения и разработка методики их расчета;

- сравнительная экономическая оценка использования систем глубокого водопонижения с гравитационно-гидравлическими вакуумными воздухоотводящими устройствами.

Методика исследований. Разработка конструкций устройств производилась на основе анализа научно- технической и патентной документации по фондам РНБ им. М.Е.Салтыкова-Щедрина и ЦНСХБ ВАСХНИЛ.

Исследования проводились в гидравлической лаборатории на экспериментальных установках вакуумных устройств и элементах систем глубокого водопонижения, выполненных в натуральную величину, с точностью определения искомых параметров не хуже 5 процентов. Подробное описание опытных установок и методики измерений приведено в соответствующих разделах. Обработка результатов исследований проводилась с использованием персонального компьютера.

При разработке методики расчета вакуумных устройств систем глубокого водопонижения использованы опытные данные по выделению воздуха из воды при разрежении, а также определению скорости всплытия пузырей воздуха в трубах, полученные и опубликованные другими авторами.

Научная новизна. Впервые определены закономерности захвата воздуха нисходящим потоком воды в вертикальных трубах и плотности образующейся водовоздушной смеси в зависимости от степени относительного разрежения по длине трубы.

Установлены условия, приводящие к отказам в работе воздухоот-водящих устройств, а также влияние скорости всплытия пузырей в потоке на его энергетические характеристики.

Показана возможность создания достаточно высокого разрежения при весьма малых скоростях потока подаваемой на вход в трубу воды, за счет суммирования величин гидростатического и гидродинамического вакуума. .

На за-щиту выносятся: Конструкции трех модификаций гравитационно-гидравлических вакуумных устройств для отведения воздуха из вакуумируемых водоотводов систем глубокого водопонижения.

Закономерности формирования нисходящего потока водовоздушной смеси и аналитические зависимости, связывающие величину средней плотности водовоздушной смеси с относительным сжатием воздуха по длине трубы.

Результаты экспериментальных исследований для обоснования оптимального режима работы воздухоотводящих устройств, а также режимов движения нисходящего потока водовоздушной смеси, соответствующих отказам воздухоотводящих устройств в работе («захлебыванию» потока водой или воздухом).

Основы физического моделирования и расчета гравитационно-гидравлических вакуумных воздухоотводящих устройств систем глубокого водопонижения.

Апробация работы и реализация результатов исследований. Основные положения по теме диссертации докладывались и обсуждались на подсекции «Гидравлика и гидрология» 58 -научно-технической конференции с участием студентов, молодых специалистов и ученых Санкт- Петербургского Университета путей сообщения (Санкт-Петербург, 1998); а также на секции «Формирование ресурсов и качества поверхностных и подземных вод» конференции «Акватерра» (VI горно-геологический форум «Природные ресурсы стран СНГ». Санкт-Петербург, 1998).

Результаты исследований (конструкция вакуумируемого водоотвода с гравитационно-гидравлическим вакуумным устройством воздухоотве-дения) были использованы: институтом СевКавгипроводхоз при составлении рабочего проекта водопонижения на территории пос. Передовой

Изобильненского района Ставропольского края и Компанией ТОО ИНВЭКО (Ленгипроводхоз) при составлении ТЭО водопонижения в городе Пугачеве Саратовской области.

Публикации. Основные результаты исследований и положений диссертации отражены в 12 научных работах; в том числе получено 8 патентов Российской Федерации.

Практическая ценность. Использование гравитационно-гидравлических вакуумных устройств расширяет область применения систем вертикального дренажа, позволяя избежать необходимость использования дорогостоящего насосно-силового оборудования и средств автоматизации его работы, а также в несколько раз уменьшить объемы земляных работ при строительстве по сравнению с системами горизонтального дренажа. Простота конструкции гравитационно-гидравлических вакуумных воздухоотводящих устройств, не требующих отключения после завершения цикла удаления воздуха, а также возможность автоматического согласования производительности устройств с темпами поступления воздуха позволяет осуществить изготовление установок любой мощности без существенного изменения конструкции.

Кроме того, разработанные гравитационно-гидравлические вакуумные устройства с успехом могут быть использованы не только для во-доотведения с использованием вакуумируемых коллекторов и сифонных водоотводов на осушаемых, орошаемых землях и подтопленных территориях, но и для подъема воды из водоисточников.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав основного текста, общих выводов, библиографического списка использованной литературы, включающего 85 наименований, 4 приложений (13 страниц) и алфавитно-предметного указателя. В диссертации 138 страниц машинописного текста, 8 таблиц, 34 рисунка. Общий объем работы 196 страниц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. При глубоком понижении уровней грунтовых вод наиболее совершенными и экономичными являются системы вертикального дренажа с вакуумируемыми водоотводами, широкое применение которых сдерживается необходимостью использования энергоемкого оборудования для отведения воздуха, выделяющегося из воды при разрежении.

2. Разработаны и испытаны три модификации гравитационно-гидравлического вакуумного воздухоотводящего устройства, позволяющего создавать в герметичной емкости постоянное разрежение величиной до 6.0 . 7.0 м вод ст., энергетической основой действия которых служит перепад уровней воды между входом и выходом из устройства .

3. Захват воздуха нисходящим потоком воды и его отведение в составе образующейся водовоздушной смеси, в этих устройствах, происходит за счет весьма небольших величин динамического вакуума, образующегося на входе воды в нисходящий участок устройства, в то время как абсолютная величина вакуума в его полости определяется высотой расположения устройства над уровнем воды водотока.

4. Поток водовоздушной смеси движется по нисходящему участку вакуумного устройства с гидравлическим уклоном, равным разности между плотностью водовоздушной смеси и относительным сжатием воздуха по длине трубы; при этом плотность водовоздушной смеси определяется расходом воды, подаваемым к сечению впуска воздуха и коэффициентом трения по длине.

5. Величина средней плотности водовоздушной смеси линейно увеличивается по мере увеличения степени относительного сжатия воздуха по длине трубы; установленные экспериментально параметры этой зависимости при расходе воды начала «захлебывания» водовоздушной смеси воздухом, соответствуют максимальной производительности и позволяют определить плотность образующейся водовоздушной смеси при любых соотношениях высоты расположения устройства и перепада уровней воды водотока. б. Основные параметры, характеризующие поток водовоздушной смеси практически не зависят от длины трубы нисходящего участка вакуумного устройства, а определяются только ее диаметром, расходом, подаваемой на вход воды и величиной относительного сжатия по длине трубы.

7. Предлагаемая методика расчета вакуумных устройств позволяет по известной величине расхода воды в составе водовоздушной смеси, соответствующей «захлебыванию» водовоздушного потока воздухом и параметрам зависимости средней плотности смеси от величины относительного сжатия, получить паспортные кривые изменения расхода отводимого воздуха и коэффициента полезного действия устройства.

8. В условиях развитого рельефа, следует использовать ступенчатые системы глубокого водопонижения с сифонными водоотводами, а при равнинном рельефе поверхности - с вакуумируемыми коллекторами, снабженные воздухоотводящими вакуумными устройствами, при постоянной работе которых режим работы водоотводов стабилен при любых величинах расхода воды в его полости. •

172

9. Разработанные способы и устройства, для осуществления автоматической зарядки вакуумных устройств и вакуумируемых водоотводов, позволяют синхронизировать работу системы глубокого водопонижения с сезонными подъемами уровней грунтовых вод или с периодами выпадения атмосферных осадков повышенной интенсивности.

10. Использование гравитационно-гидравлических вакуумных устройств расширяет область применения систем вертикального дренажа, исключая необходимость использования насосно-силового оборудования и средств автоматизации его работы, при снижении в 2.0 . 2.5 раза общестроительных и эксплуатационных затрат по сравнению с системами горизонтального дренажа.

1. Абрамов С.К. Подземные дренажи в промышленном и городском строительстве. М.: Стройиздат, 1973. - 239 с.

2. Абрамов С.К., Найфельд Л.Р., Скиргелло О.Б. Дренаж промышленных площадок и городских территорий. М.: Госстройиз-дат, 1954. - 428 с.

3. Арманд А.А., Невструева Е.И. Исследование механизма движения двухфазной смеси в вертикальной трубе // Известия ВТИ. 1950. - N 2. - С. 1 - 8.

4. Аронов С.Н. Транспортирование и хранение воды. М. : Стройиздат, 1964. - 200 с.

5. Багдасаров В.Г. Теория, расчет и практика эрлифта. М.-Л.: Гостоптехиздат, 1947. 371 с.

6. Бек, Теодор. Очерки по истории машиностроения / Пер. Е.Лев-ковича и Б. Прозорова. Т. I. М.-Л.: Гос. техн.-теоретич. изд., 1933. - 300 с.

7. Бретшнейдер С. Свойства газов и жидкостей. М.-Л.: Химия, 1966. - 535 с.

8. Будников А.Н. Водоснабжение. М.: Гостехиздат, 1930. -'522 с.

9. Гейер В.Г. Шахтные водоотливные установки. М. : изд. и тип. Углетехиздата Западугля, 1948. - 280 с.

10. Гениев Н.Н. Водоснабжение. М.-Л., Стройиздат, 13-я тип. треста Полиграфкнига в Мск., 1944. 563 с.

11. Гибсон А. Гидравлика и ее приложения / Пер. с 6-го англ. изд. А.Е. Стратоницкой и С.С. Соколова под ред. М.В. Потапова. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1934. 605 с.

12. Гидродинамика газо-жидкостных смесей в трубах Мамаев В.А., Одишария Г.Э., Семенов Н.И., Точилин А.А. М. : Изд-во Недра, 1969. - 208 с.

13. Грацианский М.Н. Инженерная мелиорация. М.: Стройиздат, 1965. - 258 с.

14. Движение газожидкостных смесей в трубах /Авт.: В.А. Мамаев, Г.Э. Одишария, О.В. Клапчук и др. М.: Недра, 1978. - 270 с.

15. Дегтярев Б.М. Дренаж в промышленном и гражданском строительстве. М.: Стройиздат, 1990. - 238 с.

16. Дегтярев В.М., Калантаев В.А. Вакуумный дренаж на орошаемых землях. М.: Колос. 1976. - 94с.

17. Дейч М.Е. Газодинамика двухфазных сред. 2-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Энергоздат, 1981. - 471 с.

18. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. -М. : Энергия, 1968. 423 с.

19. Дементьев В.Г. Орошение: по спец. «Гидромелиорация». М. : Изд-во Колос, 1979. - 303 с.

20. Дэвис А., Шуберт Р. Альтернативные природные источники энергии в строительном проектировании / Пер. с англ. А.С. Гусева; Под ред. Э.В. Сарнацкого. М.: Стройиздат, 1983. - 190 с.

21. Есьман И.Г., Есьман Б.И., Есьман В.И. Гидравлика и гидравлические машины. Баку.: Азнефтеиздат, 1955. - 480 с.

22. Зворыкин А.А. История горной техники (Основные моменты развития от древнейших времен до наших дней). / Вып. 1. М. : Московский горный институт им. И.В. Сталина, 1957. - 91 с.

23. Инструкция по определению экономической эффективности ис пользования новой техники. М.: Минводхоз СССР, 1979. - 168 с.

24. Канализация населенных мест / Под общ. ред. В.Ф. Иванова. J1.-M. ОНТИ Глав. ред.строит, лит-ры, 1935. - 644 с.

25. Ковалевский B.C. Влияние изменений гидрогеологических условий на окружающую среду. М.: Наука, 1994. - 138 с.

26. Козлов Б.К. Формы течения газожидкостных смесей и границы их устойчивости в вертикальных трубах // Журнал технической физики. 1954. - Том XXIV, Вып.12. - С. 2285 - 2288

27. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидравлика газо- жидкостных систем. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958. - 232 с.

28. Логов И.Л. Пневматические насосы. М.: Машгиз, 1962. -210с.

29. Ломоносов М.В. «Первые основания металлургии, или рудничных дел». // Сочинения. Т. VII / Под ред. Б.Н. Меншуткина. Л.: Изд.и тип. Академии наук СССР, 1934. С 455 4 61 .

30. Мамаев В.А., Одишария Г.Э., Семенов Н.И., Точигин Н.А. Гидродинамика газо-жидкостных смесей в трубах. М.: Недра, 1969. -208 с.

31. Маслов Б.С., Минаев И.В., Губер К.В. Справочник по мелиорации. М.: Росагропромиздат, 1989. - 384 с.

32. Масловский Е.А., Абрамов С.К. Глубокий дренаж (опыт 25-летней эксплуатации вертикального дренажа с сифонным водоотводом). М., Стройиздат, 1964. - 130 с.

33. Мелиорация: Энциклопедический справочник /Редкол.: И.П.Ша мякин (гл. ред.) и др.; Под общ. ред. А.И. Мурашко. . Мн.: Белор. Сов. Энцикл., 1984. - 567 с.

34. Мелиорация и водное хозяйство. 3. Осушение: Справочник / Под ред. Б.С. Маслова. М.: Агропромиздат, 1985. - 447 с.

35. Методические рекомендации по расчетам защиты территорийот подтопления в зоне орошения. Киев: Институт гидромеханики АН УССР, Укргипроводхоз, 1986. - 392 с.

36. Методические указания по определению экономической эффективности внедрения новой техники, изобретений и рационализаторских предложений в зоне осушения (примеры расчета) / Северный НИИ гидротехники и мелиорации. J1., 1982. 2 97 с.

37. Митрахович А.И., Немиро В.А. О режимах работы сифонных водосборов в вертикальном дренаже / Мелиорация и водное хозяйство.- 1976. N 12. - С. 6 - 9

38. Начала гидростатики. Архимед. Стэвен. Галилей. Паскаль. / Пер. и прим. А.Н. Долгова. M.-JT.: Гос. техн.-теоретич. изд., -1932. - 261 с.

39. Немиро В.А. Обоснование применения сифонных водосборов на осушительно-оросительных системах вертикального дренажа / В кн. Осушительные и осушительно-увлажнительные системы. Минск, 1986.- С. 164 -169

40. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. II. М. : Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит., 1987. - 360 с.

41. Оползни. Исследование и укрепление / Под ред. Р. Шустера и Р. Кризека. Пер. с англ. А. А. Варги и P.P. Тизделя под ред. Г. С. Золотарева. М.: Мир, 1981. - 368 с.

42. Основы механики двухфазных систем. Лабунцов Д.А., Ягов

43. В.В., Крюков А.П. / Под ред. О.А. Синкевича. М. : Моск. энерг. ин-т, 1988. - 77 с.

44. Остромецкий А.А. Очерки по истории русской горной механики.- М.: Углетехиздат, 1953. 156 с.

45. Осушение земель вертикальным дренажем / А.И. Мурашко, А.И.Митрахович, С.В.Довнар и др. Минск: Ураджай, 1980. - 248 с.

46. Осушительно-увлажнительные системы / B.C. Маслов, В.С.Станкевич, В.Я. Черненок. М.: Колос, 1981. - 280 с.

47. Похвалов Ю.Е. Структурные характеристики снарядного и пузырькового восходящих потоков: Автореферат на соискание ученой степени докт. техн. наук. М., 1988. - 38 с.

48. Прогноз и предотвращение подтопления грунтовыми водами территорий при строительстве / Под ред. С.К. Абрамова. М. : Стройиздат, 1978. - 177 с.

49. Прогнозы подтопления и расчет дренажных систем на застраиваемых территориях и застроенных территориях / Комплекс. н-и и конструкт.-технолог. и-т водоснабжения, канализации, гидротехн. сооружений и инж. гидрогеологии. М.: Стройиздат, 1991. - 272 с.

50. Проектирование водозаборов подземных вод / Под ред. Ф.М. Бочевера. М.: Стройиздат, 1976. - 291 с.

51. Раушенбах Б.В., Белый С.А., Беспалов И.В. и др. Физические основы рабочего процесса камер сгорания воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1964. - 526 с.

52. Рекомендации по проектированию и расчетам защитных сооружений и устройств от подтопления промышленных площадок грунтовыми водами. М.: изд. ВНИИ ВОДГЕО, 1979. - 327 с.

53. Решеткина Н.М., Барон В.А., Якубов Х.И. Вертикальный дренаж орошаемых земель. М.: Колос, 1966. - 232 с.

54. Решеткина Н.М., Якубов Х.И. Вертикальный дренаж. 2-е' изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1978. - 320 с.

55. Ругалева Н.А. Новые данные о действии сифонов // Водоснабже ние и санитарная техника. 1958. N 5. - С. 24 - 28.

56. Словарь античности / Пер. с нем. М.: Эллис Лак; Прогресс, 1994. - 704 с.

57. Смирнов Н.И., Полюта С.Е. Истечение пузырьков воздуха в жидкую среду // Журнал прикладной химии. 194 9 . - Т. XXII, N 11. С. 1208 - 1210

58. Coy С. Гидродинамика многофазных систем / Пер. с англ. B.C.' Данилина и др. Под ред. М.Е. Дейча. М. : Мир, 1971. 536 с.

59. Справочник по осушению горных пород / Под ред. И. К. Стан-ченко. М.: Недра, 1984. 575 с.

60. СНиП 2.06.15-85. Инженерная защита территории от затопления и подтопления/Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР. 1986.- 48с.

61. СНиП 2.06.03-85. Мелиоративные системы и сооружения / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 60 с.

62. Стырикович М.А., Полонский B.C., Циклаури Г.В. Тепломассообмен и гидродинамика в двухфазных потоках атомных электрических станций. М.: Наука, 1982. 370 с.

63. Субботин И.М. Получение сжатого воздуха гидравлическим путем // Горный журнал. Т. 1, 1911. С. 121 - 130.

64. Татаринов М.П. Русские ученые создатели шахтных вентиляторов и насосов. - М.: Углетехиздат, 1958. - 194 с.

65. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения / Пер. с англ. канд. техн. наук B.C. Данилина и Ю.А. Зейгерника. Под ред. проф. И.Т. Аладьева. М.: Мир, 1972. - 440 с.

66. Усаковский В.М. Возобновляющиеся источники энергии. М. : Россельхозиздат, 1986. - 126 с.

67. Хьюит Дж., Холл-Тейлор Н. Кольцевые двухфазные течения / Пер. с англ. В.Я. Сидорова. М, : Энергия, 1974. - 408 с.

68. Циклаури Д.С. Гидрокомпрессоры. М.: Госстройиздат, 1960. - 72 с.

69. Циклаури Г.В., Данилин B.C., Селезнев Л.И. Адиабатные двухфазные течения. М.: Атомиздат, 1973. 487 с.

70. Шухардин С.В. Развитие рудничного водоотлива (до начала XX века) // Труды института истории естествознания и техники. Т. 25. История горной техники. 1959.

71. Maeda N. Behavior of a Single Bubble in Quiescent and Flowing Liquid inside a Cylindrical Tube / Journal of Nuclear Science and Technology. October 1975. - 12 10. Pp. 606 - 617

72. Woodbridge D.E. Hydraulic Compressed-Air Power-Plant. Engineering and Mining Journal, New York, January, 1907, p.125

73. A. c. 84472 Кл.59 с,10. СССР). Сифонный водоподъемник / Мозговой Г.В. Опубл. в БИ N 3, 1951

74. А.с. 1126728 М.кл. F 04 F 10/02. (СССР). Водоподъемник / Касимов А.Ф., Фаталиев А.К. Опубл. в БИ N 44, 1984

75. А.с. 1177556 М.кл. F 04 F 10/02. (СССР). Сифонный водоподъемник / Касимов А.Ф., Фаталиев А.К. Опубл. в БИ N 33, 1985

76. А.с. 1273655 М.кл. F 04 F 10/02. (СССР). Сифонный водоподъемник / Бухарин А.Д., Врачев А.В., Рондин Ю.П. Опубл. в БИ N 44, '198 6

77. А.с. 1355772 М.кл. F 04 F 10/02. (СССР). Способ создания разрежения в замкнутом объеме / Гостюнин И.В. Опубл. в БИ N 44, 1987

78. Патент SU 1684422 Е 02 В 11/00 (Российская Федерация). Мелиоративная система / Бишоф Э.А., Ковальчук Н.Н., Жегалев Ю.П., Гинц А.В., Тилк А.А., Гинц Н.А. Опубл. 15.10.91.

79. Патент-RU 2029024 Е 02 В 11/00 (Российская Федерация). Сис тема сифонного водоотвода / Бишоф Э.А., Гинц А.В. Жегалев Ю.П., Ковальчук Н.Н, Тилк А.А. Опубл. 20.02.95

80. Патент RU 2057844 Е 02 В 11/00, А 01 G 25/00 (Российская Федерация). Мелиоративная система / Бишоф Э.А., Гинц А.В., Ковальчук Н.Н. Опубл. 10.04.96

81. Патент RU 2100663 F 04 f 10/00 (Российская Федерация). Устройство для создания разрежения / Бишоф Э.А., Гинц А.В., Жега лев Ю.П., Ковальчук Н.Н., Тилк А.А. Опубл. 27.12.97

82. Патент RU 2100664 F 04 f 10/02 (Российская Федерация). Устройство для создания разрежения в замкнутом объеме / Бишоф Э.А., Гинц А.В., Жегалев Ю.П., Ковальчук Н.Н., Тилк А.А. Опубл. 27.12.97

83. Патент RU 2126476 Е 02 В 11/00, F 04 f 10/00 (Российская Федерация). Устройство для подъема воды / Бишоф Э.А., Гинц А.В. Тилк А.А. Опубл. 20.02.99

84. Патент RU 2138697 F 04 f 10/02 (Российская Федерация). Устройство для создания разрежения / Бишоф Э.А., Гинц А.В., Тилк А.А. Опубл. 27.09.99

85. Патент RU 2138698 F 04 f 10/02 (Российская Федерация). Устройство для создания разрежения / Бишоф Э.А., Гинц А. В., Тилк А.А. Опубл. 27.09.99

86. Результаты испытания вакуумного устройства с нисходящей трубой диаметром d = 0.5 см (Опыт 20)я, AZ , Я-AZ Z e*. Q.z Q gm t мл /с 7 m Zno по noм м м Я-AZ мл/с мл /с мл/с Q: Q,z a

87. Q, Р Р " , П .In а ,-z71 г ~ "жра-z ? ы gm -Z * 111 p a

88. Q In 0Я» = P -z П a ^gm z Q' * V- Z ? -Z V gZ 111 Pa

89. Z Ра -2 5 -Z к gz р а

90. Z = 3.66 л* ; Qg т =1.1235Q ga б g „ =0.7970 gZ .

91. Пример расчета гравитационно-гидравлического вакуумного устройства применительно к системе глубокого водопонижения

92. Исходные данные. Сифонный водоотвод выполнен из пластмассовой гладкой трубы свнутренним диаметром D = 90 мм и длиной L — 100 м.

93. Наивысшая точка водоотвода находится над уровнем воды в установленной в водосборном колодце противоразрядной емкости на высоте Z = 4.5 м.

94. Максимальный расход отводимой воды составляет Q = 5.0 л/с. Содержание растворенного в грунтовой воде воздуха при изысканиях не определялось.1. Цель расчета.

95. Требуется определить параметры воздухоотводящего устройства, если перепад уровней воды в колодце равен Я = 1.2 м.

96. Порядок расчета. 1. Величина скорости движения воды в полости сифонного водоотвода при расчетном расходе Q =5.0 л/с составит:1. О-4 5-41. У = =-- = 0.786 (м/с) .к D 3.14 -0.92

97. Поскольку при скоростях движения воды больше 0.5 м/с все пузыри воздуха выносятся из полости трубы, принимаем в качестве расчетного расход воды при скорости V = 0.5 м/с, соответствующей верхней границе скорости перемещения пузырей воздуха:

98. Q = 392.5-D2 =392.5-0.092 =3.18 (л/с).

99. Определяем величину расхода воздуха, выделяющегося из воды и скапливающегося в наивысшей точке сифонного водоотвода2 .7 = к -к . ■О Р" = 25-0.1-3.18-—-= 6.14 (мл/с) .g Р -Z 10.33-4.5

100. При этом величины к g и к, приняты по табличным значениям,поскольку величина удельного газосодержания в воде в процессе изысканий не определялась.

101. При диаметре воздухосборной камеры 0.3м, ее высота составит 13.37-4 /3.14-З2 =1.89 (дм) или h вК = 19.0 см ,что позволяет определить необходимую высоту подъема устройства над уровнем воды верхнего бьефа Z = 4.5+ 0.19 = 4.69 «4.7 м.

102. Вычисляем средний по длине нисходящего участка вакуумного устройства расход сжимающегося при его отведении воздуха в соответствии с1. P.-Z „ . P-Z10.33-4.7 ,1/f , 10.33-4.7 ^ , , ,--6.14 • In-= 4.46 мл/с-4.7 10.33

103. Определяем величину относительного сжатия по длине нисходящего участка вакуумного устройства, приняв, величину AZ = 0.15 м1. Z 4 7а =---=-—-= 0.817 « 0.82 .1. H-AZ + Z 1.2-0.15 + 4.7

104. Qr™=Q*m- =446 =4011 (МЛ/С),/mm ^gm . 1-090т min \J.s\J

105. Q f^=QKn • Ушп1ах = 4.46 = 59 25 (мл/с)1 / m max 1

106. При этом величина среднего по длине нисходящего участка вакуумного устройства расхода воздуха составит:= 40.01.0.92 0.92696 « 7.0 (мл/с)

107. С другой стороны, используя график (рис. 28) основных характеристик устройства с диаметром нисходящего участка d = 1.0 см, можно получить, что при а = 0.82,для двух нисходящих участков диаметром d =1.0 см, величина О gm = 3.5 * 2 = 7.0 (мл/с).

108. С другой стороны, по графику на рис. 28 значение величины коэффициента полезного действия устройства составит Т. 0 = 0.38, а, сучетом изменения величины перепада уровней, AZ получим т. = 0.333

109. Дополнительные области использования гравитационно-гидравлических вакуумных устройств

110. Отсутствие в конструкции водоподъемного устройства движущихся частей повышает его надежность и снижает затраты как на изготовление, так и на эксплуатационно-техническое обслуживание.

111. Захлебывание» водовоздушного потока- водой 54, 121 122, 128- воздухом 54, 120, 128- лабораторное определение 130 135