Исследование системы струйный гаситель – гидроимпульсатор

Аннотация

Дружкова Л. М., Фаридж-Заде С. А. Исследование системы струйный гаситель – гидроимпульсатор. Приведины схема и принцип действия струйного гасителя. Описаны индивидуальные характеристики гасителя

Схема струйного гасителя колебаний давления приведена на рис. 3.1. Гаситель состоит из конфуза 1, диффузора 2, корпуса 3 с патрубком 4 для отвода жидкости. Между конфузом и диффузором имеется зазор l.

Предположим, что поток жидкости, подводимый к гасителю, характеризуется избыточным давлением Р_о и расходом Q_о. В конфузоре энергия давления превращается в кинетическую. Если патрубок 4 сообщен с атмосферой, то давление между конфузором и диффузором снижается до атмосферного. Постоянный перепад давлений на кофузоре Р_о обеспечивает неизменную нагрузкунасосу, питающему гаситель. В диффузоре происходит обратное превращение кинетической энергии в статическую. Обозначим избыточное давление жидкости на выходе диффузора Р. Если потребитель, подключенный к гасителю, отбирает не всю жидкость, поступающую в него, а только часть, то расход на выходе Q будет меньше Q_о.

Под индивидуальными характеристиками гасителя будем понимать зависимость между давлением на выходе Р и коэффициентом полезного действия ∫ от расхода Q при постоянных давлении, плотности и вязкости жидкости на входе в конфузор, а также постоянном избыточном давлении в камере корпуса Р_с. КПД гасителя будем определять по формуле:

 

η = PQ ⁄ P₀Q₀

 

Течение жидкости в конфузорах и диффузорах хорошо изучено. Но построить индивидуальные характеристики гасителя по имеющимся данным нельзя, т. к. процессы в нем не сводятся к простому последовательному течению жидкости через диффузор и конфузор. При расходах Q < Q_о часть жидкости, обтекая входной участок диффузора, сливается через патрубок 4. В этих режимах наблюдается изменение количества движения секундной массы жидкости на ось, возникновение импульса силы во входном сечении диффузора и следовательно, рост давления в сравнении с атмосферным. При расходах Q_о и низких давлениях на выходе из гасителя струя полностью не перекрывает входное сечение диффузора поэтому будет наблюдаться, и, как следствие, значительные потери воздуха. Из изложенного следует, что имеющиеся зависимости для течения жидкости в конфузорах и диффузорах можно использовать при расчетах только одной точки индивидуальных характеристик, когда подсос отсутствует и Q = Q_о. По этой точке можно оценить только гидравлическое совершенство гасителя, установить направление по выбору основных конструктивных размеров, поэтому следует остановиться на определении ее параметров.

В гасителе конфузор представляет собой сужающийся насадок. Для насадка:

где v – скорость жидкости в выходном сечении, м/с;

φ – коэффициент скорости

Р = Р_о – Р_с – перепад давлений, Па;

ρ – плотность жидкости, кг/м³

Приистечении жидкости в атмосферу Рс = О поэтому жидкости в выходном сечении:

Таким образом, потери давления в насадке:

 

ΔP_n = (1 − φ) P₀

 

Известно, что максимальное значение φ имеют коноидальные насадки (φ = 0,98). В этом случае Δ Р_н = 0,04Р_о. Но их изготовление – дело сложное. При работе на загрязненной жидкости они быстро изнашиваются, следовательно, целесообразно ориентироваться на применение серийных конических насадков с цилиндрической вставкой, для которых угол конусности β_н = 20 ои φ = 0,95. В этом случае ΔР_н = 0,1Ро. Минимальное значение зазора между диффузором и насадком обусловлено еобходимостью получения малого сопротивления при отводе сливающегося через сброс расхода Q_о – Q.

В первом приближении потерями давления в струе между насадком и диффузором можно пренебречь. Можно также пренебречь потерями на входе в диффузор. Потери в самом диффузоре в соответствии с:

 

ΔP_d = φ_y ΔP_р.р

 

Где φ_у – коэффициент зависящий от угла конусности

ΔР _р.р – потери давления при резком расширении тока, Па

Известно, что:

Где ν₁ и ν₂ – скорости на входе и на выходе из диффузора, м/c

Коэффициент φ_у при угле конусности шесть градусов будет минимальным (φ_у = 0,16). Однако длина диффузора при этом получается значительной и изготовить его трудно. Например, при изменении диаметра диффузора от 0,022 м до 0,115 м необходима длина заготовки равная 1,22 м. Поэтому приходится идти на увеличение угла конусности.  Для углов 12^о коэффициент φ_у = 0,24. Длина диффузора при прежних диаметрах входа и выхода составляет 0,425 м. Расчеты показывают, что при φ^,_у = 0,16 потери в диффузоре ΔР^,_d = 0,055 Р_о, а при φ^,,_у = 0,24, ΔР^,,_d = 0,08 Ро. Таким образом, в рассматриваемом режиме при угле конусности шесть градусов расчетные потери давления примерно всего на 205 % меньше, чем при угле 12^о. При угле 12^о следует ожидать, что общие потери в гасителе составят в режиме Q = Q_о примерно 18 %, а КПД – около 0,82.

В связи со сложностью процессов теоретический расчет видуальных характеристик гасителя на данном этапе провести нельзя. Необходимы сложные объемные исследования, которые составляют собой самостоятельный интерес и выходят за пределы настоящей прикладной работы. Поэтому определение индивидуальных характеристик гасителя колебаний давления были проведены экспериментально.

Подобие струйных гасителей.

Для обобщения результатов экспериментальных исследований распространения на гасители произвольных конструктивных соотношений необходимо найти безразмерные комплексы, определяющие подобие.

При решении этой задачи используем теорию размерностей

Из изложенного выше следует, что давление в выходном патрубке гасителя является функцией следующих фундаментальных переменных: диаметра подводящего трубопровода D, длины конфузора диаметра выходного насадка d, зазора l, диаметра входного сечения диффузора d_d, диаметра отводящего трубопровода D длины диффузора l_d, подводимого давления Р_о, давления вкамере сброса Р_с, расхода Q, плотности ρ и вязкости жидкости μ.

Предположим, что между давлением на выходе из гасителей и определяющими факторами существует соотношение

 

P = f (D^a, l_H^b, d^c, l^e, d_d^f, D_d^h, l_d^k, P_o^m, P_cⁿ, Q^r, p^s, μ^t)

 

Размерность всех переменных в выражении можно представить размерностями массы М, длины L_и времени Т. Представим в выражении вместо символов переменных их размерности

 

ML ⁻¹ T ⁻² = f (L^a, L^g, L^c, L^e, L^f, L^h, L^K,M (L ⁻¹ T ⁻²)^m, (ML ⁻¹ T ⁻²)ⁿ, (L³ T⁻¹)^r, (ML⁻³)^s,(ML⁻¹ T⁻¹)^t)

 

Чтобы размерность правой части последнего выражения была равна размерности левой, должны быть выполнены соотношения:

 

I = m + n + s + t; −I = a + b + c + e + f + h + k − m− n− 3r− 3s− t; −2 = − 2m − 2n − r − t.

 

После соответствующих преобразований имеем:

 

m = I− n − 0,5r − 0,5t;    (3.2) s = 0,5r − 0,5t;   (3.2) c = − a − b − e − f − h − k − t − 2r    (3.2)

 

Подставив в (3.1.) показателе степеней a, b, e, f, h, k, n, r, t, а так же из выражений (3.2), (3.3.), (3.4) m, s, c, получим:

Таким образом из изложенного следует, что безразмерные характеристики

Будут одинаковы для геометрически подобных гасителей при равенстве чисел Рейнольдса для их потоков

Для эффективной работы гидроимпульсатора в условиях шахт обычной технологии к струйному разделителю с d = 20–22 мм необходимо подводить поток с Р_о = (3–7) МПа и Q_о = (0,025–0,04) м³/с. Числа Рейнольдса потока в зазоре гасителя при этом составят (1,5–2,0). 10^б. При таких числах Рейнольдса потоки становятся автомодельными (коэффициенты потерь давления не зависят от числа Рейнольдса). Следовательно, для подобия режимов струйных гасителей выполнение условия R_e = const не обязательно. Об этом убедительно свидетельствует рис. 3.2., на котором приведены экспериментальные зависимости для гасителя с d= 1,7⋅10^-2 м, d_d=1,95⋅10^-2 м, l=0,5⋅10^-2 м, угле конусности диффузора β_d=12^o, P_o=1,0; 2,0; 3,0 МПа, Р_с = 0.

Литература

1. Бойко Н. Г., Геммерлинг О. А. Обоснование параметров гидроимпульсной струи генератора установки для проведения скважин.// Наукові праці Донецького державного технічного університету. Випуск 42. Серія: гірничо–електромеханічна. – Донецьк: Дон–НТУ, 2002. – С. 54–57.

2. Тимошенко Г. М., Бугрик В. А. Гидроимпульсная отбойка — перспективный способ выемки угля на шахтах с обычной технологией // Уголь Украины, 1989, №6. – С. 13 – 14.

3. Никифоров М.А. Струйный гаситель гидравлических ударов. Труды ВНИИГидроугля. Вып. 37. – 1976. – C. 56–60.