автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Регулирование расхода жидкости в трубопроводах введением в поток гидродинамически активных добавок

Міністерство освіти України Рівненський державний технічний університет

Жук Володимир Михайлович

и

и

УДК 532.517.4:532.135

с

РЕГУЛЮВАННЯ ВИТРАТИ РІДИНИ В ТРУБОПРОВОДАХ ВВЕДЕННЯМ У ПОТІК ГІДРОДИНАМІЧНО АКТИВНИХ ДОДАТКІВ

05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Рівне - 1999

Дисертацією с рукопис

Робота виконана в Державному університеті "Львівська політехніка” Міністерства освіти України

Науковий керівник -

кандидат технічних наук, доцент Чернюк Володимир Васильович, завідувач кафедри гідравліки та сантехніки Державного університету "Львівська політехніка"

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Яхно Олег Михайлович, завідувач кафедри гідропневмоавтоматики і гідравліки

Національного технічного університету "Київський політехнічний інститут"

кандидат технічних наук, доцент Рогалевич Юрій Петрович,

доцент кафедри гідравліки Рівненського державного технічного університету

Провідна установа -

Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти України (кафедра гідравліки та водовідведення), м. Київ

Захист відбудеться "Лютого 2000 Р. о. _м годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104,01 у Рівненському державному технічному університеті (м,Рівне, вул. Соборна, 11)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Рівненського державного технічного університету- (м.Рівне, вул. Соборна, 11)

Автореферат розісланий "ЗО " грудня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 47.104.01, к.т.н.

Востріков В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Виходячи із загальносвітових тенденцій до зменшення енергомісткості виробництв, розробка нових енергоощадних технологій є справою першорядної ваги. Зменшення втрат енергії в трубопровідних системах -важливе питання енергозбереження. Тому особливої актуальності набуває вивчення можливих шляхів зниження гідравлічного тертя при транспортуванні рідин, особливо при турбулентному режимі руху, як найбільш розповсюдженому. Перспективним в цьому плані є введення в потік рідини гідродинамічно активних додатків (ГДАД), що дозволяє також цілеспрямовано впливати на фізичні властивості транспортованої рідини з метою керування основними параметрами потоку.

Традиційно витрату рідини в трубопроводі регулюють локальними пристроям»; засувками, вентилями, спеціальними регуляторами витрати, принцип дії яких базується на дроселюванні потоку. У пристроях такого типу витрата рідини підтримується постійною за рахунок того, що максимально відкритий прохід відповідає мінімальному напорі на вході в систему, а при збільшенні напору прохід відповідно прикривається, що викликає збільшення опору трубопроводу в цілому і забезпечує, таким чином, постійність витрати. Проте, витрату рідини можна регулювати керованим зниженням турбулентного тертя по довжині трубопроводу за рахунок введення в потік ГДАД з метою зменшення турбулентних напружень тертя. Такий спосіб управління витратою потоку є більш зручним та економічним в експлуатації, не вимагає апаратних пристроїв для керування ступенем відкриття запірно-регулюючої арматури і в частині випадків дозволяє відмовитись від складних регуляторів витрати.

Вищесказаним пояснюється актуальність проблеми дослідження впливу ГДАД на гідравлічний опір трубопровідних систем та ствррення методик розрахунку параметрів таких потоків.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає п.4 “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології'’ “Концепцій пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки”, прийнятих постановою Кабінету міністрів України від 22.06.1994р. № 429 та науковому напрямку кафедри гідравліки та сантехніки ДУ «Львівська політехніка».

Метою роботи є наукове обгрунтування і розробка методів регулювання витрати рідини в трубопроводах за допомогою гідродинамічно активних додатків

Задачі дослідження: узагальнити сучасні уявлення про механізми зміни гідравлічного опору ГДАД; теоретично та експериментально обгрунтувати можливість застосування ГДАД для регулювання витрати рідини в трубопроводах; розробити математичну модель регулювання витрати рідини в трубопроводі; обгрунтувати здійснимість перерозподілу витрати між кількома трубопроводами введенням у потік ГДАД; дослідити вплив ГДАД на підвищення рівномірності роздачі рідини в трубопроводах з шляховим відбором; вивчити залежність витрати рідини в трубопроводі від концентрації; розробити спосіб стабілізації витрати за допомогою ГДАД; запропонувати стабілізатор витрати, іцо реалізує даний спосіб; виявити діапазон економічно доцільного використання ГДАД.

Методи дослідження. Використано комплексний метод дослідження. Розробка методик регулювання витрати рідини в трубопроводах введенням у потік ГДАД підкріплена чисельним розрахунком розподільних трубопроводів та експериментальним дослідженням впливу ГДАД на турбулентне тертя та витрату в трубопроводі.

Наукова новіпна одержаних результатів:

1) отримано нові експериментальні дані про вплив полімерних додатків на величину турбулентного тертя в трубах, особливо при малих концентраціях додатків (10~7- 10 ”5 кг/кг);

2) запропоновано методики регулювання витрати рідини в трубопроводах введенням у потік ГДАД;

3) розроблено математичну модель стабілізації витрати в трубопроводі за допомогою ГДАД при довільному коливанні тисків на його кінцях;

4) встановлено закономірності впливу ГДАД на підвищення рівномірності відтоку рідини в трубопроводах з шляховим відбором;

5) обгрунтовано умови, при яких застосування полімерних додатків для зменшення турбулентного тертя € економічно вигідним.

Наукові положення, висновки та рекомендації, сформульовані в дисертаційній роботі, теоретично обгрунтовані, їх вірогідність підтверджена результатами чисельних і фізичних експериментів, проведених з використанням сучасних методів дослідження.

Наукове значения роботи. Розроблені методики регулювання витрати рідини в трубопроводах введенням в потік ГДАД поглиблюють знання про керування параметрами напірних потоків. Отримані експериментальні результати доповнюють відомості про зміну гідродинамічного опору полімерними додатками, особливо в діапазоні сильно розведених розчинів з масовими концентраціями 10 "7-10 ~5 кг/кг.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено зручні для практичного використання методики розрахунку інтегральних параметрів потоків з ГДАД. Використання запропонованого і запатентованого способу регулювання витрати рідини дозволяє підтримувати постійну витрату рідини в трубопроводі без втрат енергії потоку на органах регулювання. Розроблено регулятор витрати, що реалізує запропонований спосіб. Результати дисертаційної роботи знайшли промислове використання: а) при оптимізації роботи систем автоматизованого пожежогасіння, що засвідчує акт впровадження, виданий у 1999р Управлінням державної пожежної охорони УМВС України у Львівській обл.; б) для підвищення рівномірності роздачі води в поливних трубопроводах (роботи за угодою про творчу співпрацю з інститутом "Укрдіпросад" м.Сімферополь у 1997р).

Апробація результатів дисертації. Результати теоретичних і експериментальних досліджень доповідалися та обговорювалися на дев’яти конференціях (див. список опублікованих робіт) та на трьох наукових семінарах: на 138 та 140 засіданнях українського наукового семінару з гідравліки в Українському транспортному університеті відповідно 17.03.98р та 17.02.99р; на міжкафед-ральному фаховому науковому семінарі «Гідравліка та інженерна гідрологія» в Рівненському державному технічному університеті 27.05.99р.

Публікації. По темі дисертаційної роботи отримано патент України на винахід на спосіб та пристрій і опубліковано 15 друкованих праць, з них 3-у Віснику ДУ "Львівська політехніка"; 3 - в науково-технічному збірнику "Гідравліка і гідротехніка" та 9 - в матеріалах конференцій ( 5 доповідей та 4 тези доповідей).

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків і додатків. Загальний обсяг дисертації: 157 сторінок, включаючи список літератури із 137 назв на 13 сторінках, 3 таблиць і 6 додатків на 6 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми, подається загальна характеристика роботи, розробляється структурно-логічна схема дисертації.

Розділ 1. Стан проблеми. Подано огляд літератури з питань, пов'язаних з дослідженням ефекту Томса та керуванням кінематичними та динамічними параметрами потоку рідини. Показано, що особливий практичний інтерес викликають питання, пов'язані з керуванням інтегральними характеристиками потоку - зміною втрат енергії та витрати рідини, які широко розповсюджені в процесах добування, транспортування та переробки рідин і газів.

Зменшення турбулентного тертя актуальне як для внутрішньої, так і для зовнішньої задачі гідродинаміки. Способи зниження турбулентного тертя можна віднести до трьох основних груп: а) вплив на склад та фізичні параметри транспортованого середовища; б) дія на стінки труби (каналу); в) фізичне подавленна турбулентності. Найперспективнішим є зменшення турбулентного тертя в трубах за допомогою ГДАД (ефект Томса). Першими дослідниками на Україні, які вивчали цю проблему, були М.Бабенко, В.Базилевич, Л.Козлов,

І.Повх, О.Ступін, О.Торяник, О.Яхно. Свій внесок в теоретичне та експериментальне дослідження потоків з ГДАД зробили В.Амфілохієв, Ю.Іванюта, В.Іоселевич, В.Калашников, Г.Кобец, С.Кутателадзе, Б.Ліпатов, Б.Миронов, В.Пилипенко, О.Покривайло, Л.Сєдов, Е.Хабахпашева, Л.Чекалова, З.Шульман. За кордоном цією проблемою займалися Г.Беверсдорф, Н.Берман, П.Вірк, Ф.Дерст, Д.Джеймс, Дж.Ламли, М.Ландаль, В.Тідерман, Е.Хінч, Дж.Хойт та ін.

До ГДАД відносять малі анізометричні частинки, які при введенні їх у потік рідини здатні зменшувати турбулентне тертя. Це полімери з ланцюжковою будовою молекул, міцелотвірні поверхнево-активні речовини (МПАР), тонкі волокна, деревна пульпа, торфи, сапропеліти, білкові сполуки. Ефективність ГДАД визначається його хімічною природою, тобто структурною хімічною формулою та молекулярною масою. Найкраще зменшують тертя лінійні ланцюжкові полімери з молекулярною масою 105 - 106 і вище.

Вагомою перевагою МПАР є стійкість до механічної деструкції. Це зумовило їх використання в оборотних системах. У розімкнених трубопровідних системах ефективнішими є ланцюжкові полімери. Із них поліакриламід (ПАА) та поліоксиетилен (ПОЕ) викликають до себе підвищену зацікавленість через високу гідродинамічну ефективність, порівняно невисоку вартість та екологічну безпечність.

Аналіз вітчизняних і закордонних винаходів, пов’язаних із регулюванням витрати, дозволяє виділити кілька десятків способів, за допомогою яких досягається бажаний ефект. їх теж можна віднести до трьох вищевказаних груп. Однак нами не виявлені дані про регулювання витрати зміною гідравлічного тертя по довжині трубопроводу, в тому числі введенням у потік додатків.

Розділ 2. Теоретичні дослідження. Подано теоретичні засади використання ГДАД для конкретних задач регулювання: 1) стабілізації витрати рідини в трубопроводі при змінній різниці тисків на його початку та в кінці; 2) перерозподілу витрати рідини між кількома трубами; 3) підвищення рівномірності роздачі рідини в трубопроводах з шляховим відбором.

Задача стабілізації витрати розв’язувалася в загальній постановці: для довільного трубопроводу із заданими конструктивними параметрами при змінній різниці тисків Ар=(р1-рт) на його кінцях (рис. 1).

При зменшенні перепаду тисків Ар у трубопроводі витрата зменшується.

п’єзометричних висот лише трохи більша за геометричну висоту підйому рідинн, витрата значно сильніше залежить від зміни прикладеної різниці тисків. Це добре ілюструє графік залежності безрозмірної витрати <2' від безрозмірної різниці тисків р’=Ар ‘уНг, де <2' знаходять з виразу

де Я - коефіцієнт гідравлічного тертя; - сума коефіцієнтів місцевих опорів.

Аналіз показав, що запропонована стабілізація витрати введенням ГДАД легше досягається в трубопроводах з більшими значеннями безрозмірної різниш тисків р\ тобто, коли втрати напору переважають над геометричною висотою подачі (рис.2).

Швидкість зміни витрати зі зміною перепаду тисків визначається похідною

яка прир'<2 починає різко зростати, прямуючи до нескінченості при р' -/.

2

2

Рис І. Розрахункова схема напірного трубопроводу

Причому, при Ар»(уНг) Q=^[Дp , а при Ар—>'/Нг, тобто, коли різниця

(1)

й,07ф'=1/(2Л///-1),

(2)

Рис.2. Зміна безрозмірної втрати рідини в трубопроводі при змінному перепаді тисків на його кінцях

Умова постійності витрати Q :

(р’ -]) / (/.L D + EQ = соті. (3)

Для довгих трубопроводів умова (3) приймає вигляд

(р’-1)/Л = const. (4)

Враховуючи виявлену нами лінійну залежність коефіцієнта гідравлічного тертя від концентрації полімерних додатків для сильно розведених розчинів, було показано, що витрата q маточного висококонцентрованого розчину полімеру типу ПАА, необхідна для підтримання постійної витрати Q в трубопроводі, знаходиться з виразу

С0кА

де ра , рр - відповідно початкова та біжуча безрозмірна різниця тисків в системі; к - безрозмірний коефіцієнт у рівнянні лінійної регресії ЛР--(/.$■-кС) ; С„ -концентрація маточного розчину полімера, кг/кг; А - безрозмірна стала, яка визначається з формули

А = 8LQ2/(nrgHrD5). (6)

Проаналізовано умови стабілізації витрати при самопливному витіканні рідини з живильного резервуару при відсутності припливу в останній. Встановлено, що стабілізація в цьому випадку можлива в діапазоні 0,6< Н Ні< 1, де Н, Ні -біжучий та початковий напір відповідно, тобто за допомогою введення в даний потік полімерних додатків витрата рідини в трубопроводі підтримується постійною майже до повного спорожнення живильного резервуару, оскільки його висота практично завжди менша за початковий напір Ht, під яким витікає рідина.

Обгрунтовано можливість перерозподЬу витрат рідини з однієї ємності в декілька інших за допомогою ГДАД. Найефективнішими для досягнення цієї

задачі є ПАА та ПОЕ. Вони, ефективно зменшуючи турбулентне тертя в цилінд-

ричних трубах (рис.З,а), збільшують опір труб змінного перерізу (ТЗП) (рис.З,б).

б)

Рис.З. Залежність коефіцієнта X від концентрації водних розчинів полімерів, а) для гладкої труби 0=5,81 мм (Ке=20000), б) для ТЗП <1=0,8 мм (за В.Калашніковим); 1- ПОЕ; 2- ПАА, , Ар - коефіцієнт гідравлічного тертя відповідно для води та розчинів полімерів Введения ГДАД у трубопровід при незмінній різниці тисків на його кінцях (напорі Н) веде до зміни числа Рейнольдса. Лінії, що відповідають однаковому напору, описуються кривими

Х=К Яе2, (7)

Q.cft'/c

Рис.4. Номограма залежності витрати Q від напору Н при течії в гладкій трубі діаметром /5=5,81мм води - (1) і водних розчинів ПАА різних концентрацій (в ppm): 5 - (2), 10 - (3); 50 - (4), 100 - (5), 500 - (6). Довжина труби l~N0D; 1 ррш= 1-Ю'6 кг/кг

а)

де К^^^НсІ11V - коефіцієнт, постійний для даної труби при незмінному напорі та кінематичній в'язкості рідини.

Принцип перерозподілу та керованої зміни витрати рідини пояснюється номограмою на рис.4. Введенням додатків ПАА досягається збільшення пропускної здатності циліндричної труби в 1,5...2,5 рази.

За експериментальними даними, отриманими В.Калашніковим, було проаналізовано діапазон зменшеній витрати в ТЗП. Дослідження аналогічної номограми ()-Н для ТЗП, показує, що для потоків води з Ие=100...1000 максимальне зменшення витрати в ТЗП введенням додатків ПОЕ становить 5...7,5 раз. Таким чином, цілеспрямований вплив за допомогою додатків на опір циліндричних труб і ТЗП дозволяє здійснювати перерозподіл витрат рідини між трубопроводами.

Розглянута задача про підвищення рівномірності шляхової роздачі рідини в трубопроводі діаметром О та довжиною Ь з відбором крізь однакові отвори діаметром сі, розташовані з кроком І. Отримано залежність зміни п’єзометричного напору Я, витрат рідини в трубі £? та крізь отвори ц для течій води та розчинів ГДАД. Досліджено вплив додатків на ступінь шляхової нерівномірності роздачі рідини, що визначається відношенням витрати крізь перший та останній за ходом руху рідини отвір: г)=цас]1. Запропоновано алгоритм і програму для чисельного розрахунку таких трубопроводів з врахуванням зміни по довжині труби числа Рейнольдса і коефіцієнта гідравлічного тертя на основі диференційного рівняти руху рідини в трубопроводі зі змінною масою, записаного у кінцево-різницевому вигляді. П'єзометричний напір у кожній розрахунковій точці визначається з виразу

Я,-/ = Я,- + А, - 2У№+і~ (8)

де Уі, і'і./ - середні швидкості руху рідини в /-тій та (і-1) точках відповідно. Встановлено, що особливості роздачі води характеризуються трьома безрозмірними величинами: коефіцієнтом витрати отворів //; шпаруватістю трубопроводу /=N<£/1?, де Я - кількість отворів; коефіцієнтом опору трубопроводу £і=А,//Д де ).0 - коефіцієнт гідравлічного тертя дія квадратичної області опорів. Чисельним розрахунком охоплено область: //=0,3-0,8; /=0,24-4;

6. =3,8-253. Графік залежності ступеня нерівномірності від коефіцієнта витрати отворів подано на рис.5. Більшість дослідів проведено в площині /<-0,62, тобто для малого отвору в тонкій стінці при великих числах Рейнольдса.

Детально вивчався вплив і/ на ступінь нерівномірності /у при коефіцієнті

О 0,2 0,4 0,6 0,8 р I

витрати /л =0,62. Зручним для сприйняття і аналізу є зображення скалярного поля Г] )) при //=0,62 (рис.6). Чисельний експеримент підтвердив положення, що при Сі<6 напір у кінці розподільного трубопроводу більший, ніж на його початку, за рахунок різкого зменшення швидкісного напору.

Рис 6. Графік скалярного поля г/=і](Єі.;/) для розподільного трубопроводу з постійними діаметрами отворів і кроком між ними при коефіцієнті витрати /і=0,62=соп5і: і - лінія постійного напору £1=6; 2 - лінії трубопроводів з однаковим співвідношенням ХоІІ) сІ'

Аналіз скалярного поля / ), дав змогу отримати рівняння для

визначення ступеня нерівномірності роздачі рідини:

// = (1-0,0016Q)x ехр(0,116 f<Li141) (9)

У ході експлуатації труби заростають, що викликає збільшення еквівалентної шорсткості стінок труби Д,, а відтак і коефіцієнта гідравлічного тертя А. Отже, для всякого розподільного трубопроводу поступово збільшується ступінь нерівномірності шляхової роздачі рідини.

Встановлено, що введення полімерних додатків з метою підвищення рівномірності роздачі води дає найбільший ефект в трубопроводах з великими значеннями / . Так, для / = 4,0 зниження А0 вдвічі спричиняє 3-5-кратне зменшення ступеня нерівномірності ц (рис.6).

Розділ 3. Постановка експерименту. Подано опис експериментальної установки та методики дослідження впливу ГДАД на гідравлічний опір прямих гладких труб діаметром від 5,81 до 33,42 мм та відносною шорсткістю менше

0,001, а також труб з великою шорсткістю (Aquadrop) діаметром 20,45мм з висотою виступів 1мм. В якості робочих рідин використовувалися водні розчини ПАА виробництва Калуського ВАГ "Оріана" (ТУ 6-01-1049-81) та ПОЕ WSR-301 фірми Union Carbide (США). Вибрано схему вимірювань, обгрунтовано діапазон значень діаметрів досліджуваних труб, виду додатків і їх концентрацій. Розроблено методику досліджень з використанням повиофакторного експерименту, складені програми обчислень результатів дослідів на ЕОМ.

Проведено порівняння існуючих та запропонованих критеріїв гідродинамічної ефективності додатків. Звичайно використовують критерій Si

S,- (А,,-, - Яр і) /Аіп • 100 % , (10)

де А,п , Арі - коефіцієнти гідравлічного тертя відповідно для потоку води та водного розчину полімера, взяті при одному числі Рейнольдса Rej, але при різних дотичних напруженнях на стінці т0.

При дослідженні зміни витрати рідини зручніше використовувати запропонований в роботі критерій .SV

S2 = /Арг -1) ■ 100 % (П)

де Ауп . Яр2 - коефіцієнти гідравлічного тертя відповідно для потоку води та водного розчину полімера при однаковому дотичному напруженні на стінці труби гц.

Критерій визначається з графіків гідравлічного опору в координатах Прандтля-Кармана. Абсциса цього графіку є функцією лише дотичного напруження на стінці г0:

Яе-= 2-І2 - сі ■ у]га /р ■' V

82=((2р/(23-1)-Ш%, (13)

де 05 , Ор - витрата розчинника та розчину полімера відповідно.

Використана методика проведення вимірювань та їх математичної обробки дозволила досягти відносної похибки визначення коефіцієнта гідравлічного тертя в межах 3,7-6,7%, а коефіцієнтів раптових звужень і розширень труб - до 5-10%.

Крім того, було проведено реологічні дослідження робочих рідин з використанням ротаційного віскозиметра ВСН-3 та капілярного віскозиметра ВПЖ-1.

Розділ 4. Вплив додатків на витрату рідини в трубопроводах. Проведено аналіз результатів експериментальних досліджень течій водних розчинів полімерів крізь прямі труби, раптові звуження та розширення на них і труби типу Адиасіюр. Отримано залежності коефіцієнта гідравлічного тертя та витрати рідшш в трубі від діаметра труб, концентрації додатків та числа Рейнольдса.

Рис.7. Криві гідравлічного тертя в координатах Прандтля-Кармана Яе/Д;для течії води та водних розчинів ПАА в гладкій трубі діаметром </=5,81мм Крива опору для течії води в гладкій трубі Я',2=2-^(Кехі,''}-0,8 ; профіль Вірка: /.’,/'=9,5-^(Кех><.,')-19,1

З припущення домінування в потоці турбулентного ядра отримано вирази для розподілу осереднених швидкостей в трубі для розчинів різних концентрацій, графічна інтерпретація яких подана нижче.

у * 1000 концентрації додатків ПАА

Результати реологічних досліджень показали, що розчини ПАА з концентраціями до Юррт мають властивості ньютонівської рідини з в’язкістю, близькою до в’язкості води; з концентраціями від 10 до 100 рріп їх ще можна вважати ньютонівськими, але з підвищеною в’язкістю; ігри концентраціях, більших 300 ррш - ведуть себе як псевдопластичні рідини (рис.9).

Рис.9. Реологічні властивості водних розчинів ПАА

0 200 400 600 800 1000 1200 с'1'

Для розчинів полімерів з концентраціями до 10...50 ppm має місце лінійна залежність коефіцієнта гідравлічного тертя від масової концентрації

1Р-- As-kC, (14)

причому коефіцієнт гідродинамічної ефективності додатків к в дослідженому діапазоні діаметрів можна знайти з виразу:

к~5700 D. (15)

Для труби 0^5,81 мм було отримано узагальнену емпіричну залежність для Ар в області особливо малих концентрацій:

АР =(0.32*-0,152С) Ке0 08'-'0”-006 О6)

Аналогічні залежності отримано для труб інших діаметрів.

Розділ 5. Застосування результатів досліджень. Подано основні засади використання ГДАД при вирішенні прикладних задач. Описано розроблений і запатентований спосіб регулювання витрати рідини в трубопроводі та регулятор витрати рідини (рис. 10). .

Рис. 10. Пристрій для стабілізації витрати рідини 2 в трубопроводі: 1-резервуар; 2-ємність; 3-рідина; 4-з’єднувальна труба; 5-трубопровід; 6-злпвний патрубок; 7-бачок; 8-ріди-на з ГДАД; 9-поплавок, 10-подавальна трубка, 11-торовидна камера; 12-патрубки; 13-шиберннй пристрій, 17-сильфон; 20-патрубок, 26, 27 - нижнє положення бачка і подавальної трубки

Введено поняття корисності додатків, яка визначається відношенням величини їх гідродинамічної ефективності до вартості. Порівняння корисності досліджуваних полімерних додатків показало перевагу вітчизняного ПАА над імпортним ПОЕ(рис. 11).

КР

ПОЕ, 0=5,81 «м - —й—ПАА.О*5,81 мм

Рис. 11 Залежність корисності полі-мера Кр=(А$- Ар) СЦ від виду полімерного додатка та його концентрації (// - ціка полімера, грн/кг)

100 1 000

С, ррт

Проаналізовано техніко-економічну ефективність використання досліджуваних ГДАД з метою економії енергії за рахунок зменшення турбулентного тертя. Показано, що їх доцільно застосовувати в трубопроводах довжиною L>(106... 107)D. В більш коротких трубопроводах викорастання додатків виправдане при наявності інших корисних ефектів, наприклад, при регулюванні витрати рідини в трубопроводі, покращенні характеристик транспортованого середовища. Крім того, застосування ГДАД може дати значний соціальний ефект при покращенні характеристик протипожежного струменя або при збільшенні пропускної здатності каналізаційних колекторів під час їх катастрофічного переповнення.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

1. Отримано нові експериментальні дані щодо впливу полімерних додатків на інтегральні характеристики потоків в гладких трубах, трубах типу Aquadrop, на раптових звуженнях і розширеннях труб.

2. Розроблено науково обгрунтовані методики регулювання витрати рідини в трубопроводах за допомогою ГДАД. Розглянуто особливості регулювання для трьох задач: стабілізації витрати рідини в трубопроводі при змінному перепаді тисків на його кінцях; перерозподілу витрати рідшій між декількома трубопроводами; зменшення ступеня нерівномірності роздачі рідини в трубопроводах з шляховим відбором.

3. Проведено чисельний експеримент, який показав, що особливості роздачі рідини в трубопроводах з відтоком по шляху визначаються трьома безрозмірними параметрами, що залежать від конструктивних особливостей трубопроводу та від властивостей транспортованої рідини: коефіцієнтом витрати отворів, шпаруватістю трубопроводу та його зведеним коефіцієнтом опору. Отримано загальну залежність для визначення ступеня нерівномірності відбору рідини.

4. Експериментально встановлено, що для сильно розведених полімерних розчинів з масовими концентраціями до 10...50 ppm коефіцієнт гідравлічного тертя зменшується зі збільшенням концентрації за лінійним законом. Підтверджено, що гідродинамічна ефективність полімерних додатків в прямих гладких трубах спадає зі збільшенням діаметра. Встановлено, що при масовій концентрації розчинів ланцюжкових полімерів тішу ПАА чи ПОЕ до 10 ppm значення гідродинамічної ефективності обернено пропорційне до діаметра труби в степені, близькому до одиниці.

5. Обгрунтовано, що введення полімерних додатків в трубопровідні потоки, з метою зменшення втрат енергії на турбулентне тертя, економічно ефективне в трубопроводах довжиною L > (106... I0?)D.

6. Розроблено та запатентовано спосіб регулювання витрати рідини введенням в потік ГДАД та відповідний йому регулятор витрати. Впровадження розробок на підприємствах, підпорядкованих Управлінню державної пожежної охорони УМВС у Львівській області, показало їх економічну ефективність та дало позитивний соціальний ефект (покращення умов техніки безпеки).

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Жук В.М., Чернюк В.В. Течія рідин з гідродинамічно активними добавками через місцеві опори //Вісігак Державного університету "Львівська політехніка". Теплоенергетичні системи та пристрої. - Львів: В-во ДУ"ЛП", 1994. - N282. - С. 27-30.

2. Жук В.М., Піцишин Б.С. Течія рідин між коаксіальними та ексцентрич-ішми циліндрами // Вісник Державного університету "Львівська політехніка". Теато-енергетичні системи та пристрої.- Львів: В-во ДУ"ЛП", 1995. - №291- С. 18-20.

3. Жук В., Орел В. Проблеми використання гідродинамічно активних добавок для збільшення пропускної здатності каналізаційних колекторів // IV naukowa konferencja Rzeszowsko-Lwowska "Problemy budovvnictwa і inzynierii srodowiska. Cz.ll Inzynieria Srodowiska". - Rzeszow, 1995 - C. 241-246.

4. Чернюк В.В., Жук В.М. Поєднання чисельних та експериментальних методів при дослідженні течій в місцевих опорах круглих трубопроводів // Тезисы докл. І Международной конф. "Численные методы в гидравлике и гидродинамике".-Донецк, 1994-С. 18.

5. Чернюк В.В., Жук В.М. Стабілізація витрати рідини, що витікає з резервуару при змінному напорі // Вісник Державного університету "Львівська політехніка". Теплоенергетичні системи та пристрої-Львів: В-во ДУ"ЛП", 1996.— N304,- С. 76-80.

6. Чернюк В., Жук В. Стабілізація витрати води домішками в автоматизованій протипожежній системі з живильним резервуаром // Українсько-Польська науково-технічна конференція "Сучасні проблеми водопостачання і знешкодження стічних вод”.- Poland, Poznan: Circle Design s.c, 1996,- С. 75-85.

7. Orel W., Zuk W. Zwifkszenie wydajnosci kolektorow kanalizacyjnych poprzez wprowadzanie polimerow // Miedzynarodowa konferencja Studenckich Kol Naukovvych. XIII Sejmik SKN. - Wroclaw, 1996. - S. 25.

8. Чернюк В.В., Жук В.М., Піцишин Б.С., Орел В.І. Управління параметрами потоків введенням гідродинамічно активних додатків // Збірник наукових праць "Захист довкілля від техногенного впливу".- Кременчук, 1997 - С. 69-74.

9. Zuk W., Czemiuk W. Zwi^kszenie rownomiemosci rozdzialu wody w rurociqgach na ich drodze // II Mi?dzynarodowa konferencja Studenckich Kol Naukowych. XIV Sejmik SivN - Wroclaw, 1997,-S. 35.

10. Жук B.M. Збільшення пропускної здатності каналізаційних колекторів в екстремальних умовах введенням полімерних додатків // Збірник наукових праць "Захист довкілля від техногенного впливу".- Кременчук, 1998.-№1(2).- С. 122-126.

11. Чернюк В.В., Жук В.М., Піцишин Б.С. Визначення ширини проміжку між неспіввісними ротором і статором // Гидравлика и гидротехника. Межвед. научно-техн. сборник,- К.: Техніка, 1998.- Вып. 59,- С. 33-36.

12. Чершок В.В., Жук В.М., Піцишин Б.С. Визначення довжини живого перерізу потоку між неспіввісними ротором і статором // Гидравлика и гидротехника. Межвед. научно-техн. сборник.-К.: Техніка, 1998 - Вып. 59,- С.36-39.

13. Чернюк В.В., Жук В.М. Розподіл витрат рідини між трубопроводами шляхом введення в потік додатків // Гидравлика и гидротехника. Межвед. научно-техн. сборник. - К.: Техніка, 1998- Вып. 59,- С. 39-43.

14. Патент № 21829 А Україна, МКВ G05D7/00. Спосіб регулювання витрати рідини в трубопроводі та регулятор витрати / Чернюк В.В., Жук В.М. (Україна).-№96073053; Заявл. 30.07.96; Опубл. 30.04.98, Бюл. № 2,- 9 с.

15. Чернюк В.В., Піцишин Б.С., Орел В.І., Жук В.М. Вплив додатків поліакриламіду на опір раптових звужень і розширень труб // Юбилейная научнотехническая конференция "Гидроаэромеханика в инженерной практике". - Киев, 1998,-С. 125.

16. Жук В. Вплив полімерних додатків на особливості роздачі води по довжині поливних трубопроводів // Польсько-український науково-технічний симпозіум "Виклик комунальним системам водопровідно-каналізаційного господарства на порозі XXI віку".- Poznan - Rzeszow - Lwow: Oficyna wydawnicza politechniki Rzeszowskej - 1999,- C. 145-152.

АНОТАЦІЯ

Жук В.М. Регулювання витрати рідини в трубопроводах введенням у потік гідродинамічно активних додатків - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 - гідравліка та інженерна гідрологія. - Рівненський державний технічний університет, Рівне, 1999.

У дисертації подано наукове обгрунтування і розробка методик регулювання витрати рідини в трубопроводах за допомогою гідродинамічно активних додатків (ГДАД) з використанням ефекта Томса. Розглянуто три задачі регулювання: стабілізація витрати рідини в трубопроводі при змінному перепаді тиску на його кінцях; перерозподіл витрати рідини між декількома трубопроводами; зменшення ступеня нерівномірності роздачі рідини в трубопроводах з відбором по шляху.

Експериментально встановлено, що для сильно розведених полімерних розчинів з масовими концентраціями до 10...50 ppm коефіцієнт гідравлічного тертя зменшується зі збільшенням концентрації за лінійним законом, а значення гідродинамічної ефективності обернено пропорційне до діаметра труби в степені, близькому до одиниці.

Досліджено діапазон економічно доцільного використання ГДАД з метою зменшення втрат енергії по довжині труб. Розроблено та запатентовано спосіб регулювати витрати рідини в трубопроводі введенням в потік ГДАД і відповідний регулятор витрати. Результати роботи впроваджено у системах автоматизованого пожежогасіння.

Ключові слова: регулювання витрати, гідродинамічно активні додатки (ГДАД), ефект Томса, перерозподіл витрати, ступінь нерівномірності роздачі.

АННОТАЦИЯ

Жук В.М. Регулирование расхода жидкости в трубопроводах введением в поток гидродинамически активных добавок - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология. - Ровенский государственный технический университет, Ровно, 1999.

В диссертации дано научное обоснование и разработка методик регулирования расхода жидкости в трубопроводах с помощью гидродинамически активных добавок (ГДАД) с использованием эффекта Томса. Приведено обозрение и анализ гипотез, объясняющих эффект Томса.

Рассмотрены три задачи регулирования: стабилизация расхода жидкости в трубопроводе при изменяющемся перепаде давления па его концах; перераспределение расхода жидкости между двумя и более параллельными трубопроводами; повышение степени равномерности раздачи жидкости в трубопроводах с раздачей по пути.

Разработана математическая модель регулирования расхода в трубопроводе. Показано, что стабилизация расхода введением ГДАД легче достигается в трубопроводах, для которых потери напора на гидравлическое трение превышают геометрическую высоту подачи. Получены расчетные зависимости для определения количества высококонцентрированного раствора ГДАД, необходимого для поддержания постоянного расхода при изменяющейся разнице давлений.

Построены номограммы для определения изменения расхода жидкости в трубопроводах за счет введения добавок. Показано, что целенаправленное влияние на сопротивление цилиндрических труб и труб переменного сечения

позволяет осуществлять перераспределение расхода жидкости между

трубопроводами.

Проведено теоретическое исследование и численный эксперимент с использованием разработанной программы для определения распределения напоров и расходов жидкости в трубопроводах с отбором по пути. Показано, что особенности отбора полностью определяются трема безразмерными параметрами, зависящими от конструктивных особенностей трубопровода и от свойств

перекачиваемой жидкости: коэфициентом расхода отверстий, скважинностью трубопровода и его приведенным гидравлическим сопротивлением.

Проведены эксперименты по влиянию полимерных добавок типа

полиакриламида (ПАА) и полиоксиэтилена (ПОЭ) на величину турбулентного трения и расход жидкости в гладких трубах. Получены общие зависимости этих величин от диаметра трубопровода, концентрации добавок и числа Рейнольдса. Показано, что для сильно разбавленных полимерных растворов с концентрациями до 10 ppm коэффициент гидравлического трения уменьшается с увеличением концентрации за линейным законом, а гидродинамическая эффективность добавок типа ПАА в прямых трубах при концентрациях до 10 ррш обратно пропорциональна диаметру трубы.

Исследован диапазон экономически выгодного использования ГДАД с целью уменьшения потерь энергии на турбулентное трение по длшіе труб. Показано, что введение полимерных добавок эффективно для трубопроводов с

длшгой L>(106... I07)D. Рассчитана полезность полимерных добавок, как отношение гидродинамической эффективности к цене полимера. В диапазоне исследованных диаметров полезность ПАА украинского производства вьпие, чем импортного ПОЭ. Разработан и запатентован способ регулирования расхода жидкости в трубопроводе введением в поток ГДАД и соответствующий регулятор расхода.

Результаты работы внедрены в системах автоматизированного пожаротушения. Получен экономический эффект в размере 38 тыс. грн.

Ключевые слова: регулирование расхода, гидродинамически активные добавки (ГДАД), эффект Томса, перераспределение расхода, степень неравномерности раздачи.

THE SUMMARY

Zhuk V.M. Regulation of the charge of a liquid in pipelines by introduction in a flow hydrodynamical active additives- Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.23.16 - hydraulics and engineering hydrology. - Rivne State Technical University, Rivne, 1999.

In the thesis the scientific substantiation and development of a technique of a liquid charge regulation in pipelines with the help of the hydrodynamical active additives (HDAA) are given. Three separate tasks of regulation are considered: stabilization of the charge of a liquid in the pipeline with varied difference of pressure on its ends; redistribution of the charge of a liquid between several pipelines; decrease of a degree of a liquid distribution non-uniformity in pipelines with distribution on a way.

It was proved, that for polymer solutions with mass concentrations within range

10. ..50 ppm friction coefficient is linear function of the concentration. Hydrodynamical efficiency of polimeric additions is back proportional to the diameter.

The range of economically favourable using HDAA with the purpose of reduction of energy losses on length in pipes is investigated. The way of regulation of the charge of a liquid in the pipeline by HDAA introduction in a flow and appropriate regulator of the charge are developed and patented.

The results of the work have found an industrial utility in systems of the automated suppression of a fire.

Key words: regulation of the charge, hydrodynamical active additives (HDAA;. Tom’s effect, redistribution of the charge, degree of a liquid distribution non-uniformity.