Регулювання витрати рідини в трубопроводах введенням у потік гідродинамічно активних додатків

 

(р’-1) / = const.

 

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

 

q =  ,

 

де р'о, р'p – відповідно початкова та біжуча безрозмірна різниця тисків в системі; k – безрозмірний коефіцієнт у рівнянні лінійної регресії P= ( S-kC) ; Со – концентрація маточного розчину полімера, кг/кг; А – безрозмірна стала, яка визначається з формули

 

A = 8LQ2/ ( 2gHГD5).

 

Проаналізовано умови стабілізації витрати при самопливному витіканні рідини з живильного резервуару при відсутності припливу в останній. Встанов-лено, що стабілізація в цьому випадку можлива в діапазоні 0, 6≤ Н/H1≤ 1, де H, H1 – 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 Н1, під яким витікає рідина.

Обгрунтовано можливість перерозподілу 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, збільшують опір труб змінного перерізу (ТЗП).

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 зменшення витрати в ТЗП. Дослідження аналогічної номограми Q-H для ТЗП, показує, що для потоків води з Re=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 D та довжиною L з відбором крізь однакові отвори діаметром d, розташовані з кроком l. Отримано залежність зміни п’єзометричного напору Н, витрат рідини в трубі Q та крізь отвори q 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: =qо/q1. Запропоновано алгоритм і програму для чисельного розрахунку таких трубопроводів з врахуванням зміни по довжині труби числа Рейнольдса і коефіцієнта гідравлічного тертя на основі диференційного рівняння руху рідини в трубопроводі зі змінною масою, записаного у кінцево-різницевому вигляді. П’єзометричний напір у кожній розрахунковій точці визначається з виразу

 

Нi+1 = Нi + hi – 2Vi (Vi+1 – Vi) /g

 

де Vi, Vi+1 – середні швидкості руху рідини в і-тій та (і+1) точках відповідно.

Встановлено, що особливості роздачі води характеризуються трьома безрозмірними величинами: коефіцієнтом витрати отворів μ; шпаруватістю трубопроводу f=Nd2/D2, де N – кількість отворів; коефіцієнтом опору трубопроводу ζL=λoL/D, де λo – коефіцієнт гідравлічного тертя для квадратичної області опорів. Чисельним розрахунком охоплено область: μ=0, 3-0, 8; f=0, 24-4; ζL =3, 8-253. Графік залежності ступеня нерівномірності від коефіцієнта витрати отворів подано на рис. 5. Більшість дослідів проведено в площині μ=0, 62, тобто для малого отвору в тонкій стінці при великих числах Рейнольдса.

Детально вивчався вплив ζL і f на ступінь нерівномірності η при коефіцієнті витрати =0, 62. Зручним для сприйняття і аналізу є зображення скалярного поля η=η (ζL, f) при =0, 62 (рис. 6). Чисельний експеримент підтвердив положення, що при L<6 напір у кінці розподільного трубопроводу більший, ніж на його початку, за рахунок різкого зменшення швидкісного напору.

У ході експлуатації труби заростають, що викликає збільшення еквівалентної шорсткості стінок труби е, а відтак і коефіцієнта гідравлічного тертя . 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 f. Так, для f = 4, 0 зниження о вдвічі спричиняє 3-5-кратне зменшення ступеня нерівномірності η.

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 ВАТ «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 повнофакторного експерименту, складені програми обчислень результатів дослідів на ЕОМ.

Проведено порівняння існуючих та запропонованих критеріїв гідродинамічної ефективності додатків. Звичайно використовують критерій S1

 

S1= ( W1 – P1) / W1 100%,

 

де W1, P1 – коефіцієнти гідравлічного тертя відповідно для