Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Применение аппаратов гидроциклонного типа для разделения эмульсий 10
1.1 Устройство и принцип действия гидроциклона 10
1.2 Конструкции гидроциклонов для разделения несмешивающихся жидкостей 12
1.3 Основные подходы решения задачи описания гидродинамики в гидроциклоне 19
1.4 Основные факторы, влияющие на эффективность разделения эмульсий в гидроциклоне
1.5 Применение гидроциклонов для очистки сточных вод в системе оборотного водоснабжения 43
1.6 Формулировка цели и постановка задачи исследования 47
Глава 2. Теоретические основы разделения в гидроциклоне 49
2.1 Гидродинамика закрученного потока в цилиндроконическом гидроциклоне 49
2.1.1 Уравнение динамики вязкой несжимаемой жидкости 49
2.1.2. Анализ общих уравнений методами теории подобия 54
2.1.3 Основные расчетные зависимости, описывающие движение в гидроциклоне 59
2.2 Компьютерная система для определения гидродинамических показателей несущей фазы в цилиндроконичеком гидроциклоне 65
2.3 Подходы и методы определения турбулентной вязкости в гидроциклоне 71
Глава 3. Гидродинамика гидроциклонных аппаратов для разделения эмульсий с малым содержанием легких примесей 82
3.1 Описание экспериментальной установки для измерения полей скоростей и давлений в гидроциклоне 83
3.2 Выбор и обоснование метода измерения полей скоростей и давлений в гидроциклоне 85
3.3 Исследование полей скоростей и давлений в цилиндроконическом гидроциклоне 90
3.4 Исследование полей скоростей и давлений в цилиндрическом гидроциклоне 99
3.5 Исследование полей скоростей и давлений в цилиндрическом гидроциклоне с удлиненным верхним сливным патрубком 108
3.6 Выводы ИЗ
Глава 4. Расчет эффективной вязкости и исследование эффективности разделения в гидроциклонах 114
4.1 Расчет эффективной вязкости в цилиндроконическом гидроциклоне.. 115
4.2 Расчет эффективной вязкости в цилиндрическом гидроциклоне 120
4.3 Расчет эффективной вязкости в цилиндрическом гидроциклоне с удлиненным верхним сливным патрубком 125
4.4 Исследование эффективности разделения в гидроциклонах 127
4.5 Выводы 132
Заключение 133
Литература 136
Приложения
- Конструкции гидроциклонов для разделения несмешивающихся жидкостей
- Применение гидроциклонов для очистки сточных вод в системе оборотного водоснабжения
- Компьютерная система для определения гидродинамических показателей несущей фазы в цилиндроконичеком гидроциклоне
- Выбор и обоснование метода измерения полей скоростей и давлений в гидроциклоне
Введение к работе
В настоящее время в связи с обострением экологических проблем приобретает особую актуальность создание эффективных центробежных сепараторов для разделения жидких неоднородных систем применительно к процессам очистки сточных вод и газовых выбросов от мелкодисперсных частиц. Одним из перспективных аппаратов для разделения жидких неоднородных систем являются гидроциклоны.
Интенсивное внедрение гидроциклонов в промышленность определяется рядом существенных их преимуществ [5-7, 23, 40, 61, 82, 85, 88, 91, 102-104 118, 120, 121, 130, 137, 146], по сравнению с аппаратами выполняющими аналогичные задачи, но работающие по другим принципам, как то отстойники, сгустители, классификаторы и т.д. В отдельных случаях гидроциклоны используются в сочетании с этим оборудованием, значительно повышая эксплуатационную надежность и эффективность разделения в целом.
Гидроциклоны просты по конструкции, компактны, высокопроизводительны, дешевы в изготовлении, могут располагаться в непосредственной близости от основных технологических участков и удобны в эксплуатации (благодаря отсутствию вращающихся деталей и узлов). Например, сравнительная оценка затрат на строительство с применением напорных гидроциклонов показывает, что капитальные затраты в 10-15 раз меньше, чем в варианте с отстойниками. Сравнение приведенных затрат показало, что в варианте с напорными гидроциклонами годовые затраты в 2.5 раза меньше [120].
Первые интенсивные исследования гидроциклонов в СССР были начаты в 1939 году, а в 1940 гидроциклоны диаметром 1000 и 1500 мм были установ-
лены на апатито-нефелиновой фабрике комбината "Апатит". С тех пор, как в России, так и за рубежом проведено большое количество теоретических и экспериментальных исследований, посвященных различным аспектам центробежного разделения и в частности гидроциклонам [5-7, 10-15, 25, 33, 42, 43, 47, 54, 57, 58, 62, 65, 68, 73, 76, 77, 80, 81, 88, 91, 93, 97, 98, 101-103, 105, 121, 123, 137, 139, 140, 143, 146, 147, 152, 154, 156]. Аппараты гидроциклонного типа используются для разделения суспензий, эмульсий, а также эмульсионно-суспензионных жидкостей. Анализ публикаций показывает, что если первая группа гидроциклонов (для разделения суспензий) достаточно хорошо изучена и развита, то научных исследований и разработок посвященных гидроциклонам для разделения эмульсий явно недостаточно, о чем можно судить по практически отсутствующим фундаментальным исследованиям в этой области. Хотя отдельные разработки в направлении исследования гидроциклонов для разделения несмешивающихся жидкостей [1, 3, 4, 12-14, 17-22, 31, 33, 40, 43, 49, 59, 70, 88-90, 92, 93, 99, 100, 104, ПО, 117-122, 126, 138, 140, 145, 148, 150, 151, 155] показывают о перспективности их использования.
Повышенное внимание к гидроциклонам для разделения жидкостей эмульсионного типа возникло в связи с экологическими проблемами, так как практически все промышленные предприятия имеют сточные воды, содержащие нефтяные, масляные, жировые загрязнения. В настоящее время это разделение в основном производят длительным отстаиванием в резервуарах - отстойниках большого объема. В отстойниках работающим фактором является разность плотностей компонентов. Использовать разницу в плотностях целесообразней в центробежном поле, где фактор разделения на несколько порядков выше.
Особый интерес к исследованию возможностей циклонного разделения эмульсий возникает на втором этапе нефтедобычи, когда для ее интенсификации используются различные искусственные методы(добавка химических реактивов, законтурное обводнение и т.д.). В этих случаях увеличивается наличие жидких примесей, как в самой нефти, так и в жидкостях содержащих нефть. Переработка больших объемов жидкостей загрязненных как механическими, так и нефтяными примесями является реальной проблемой при рассмотрении экологических задач.
Следует отметить, что все ранее проведенные исследования выполнены на канонических (стандартных) формах гидроциклонов, которые имели большее выходное сечение верхнего сливного патрубка по отношению к нижнему шламовому патрубку и практически отсутствуют исследования гидродинамики гидроциклонов с малым расходом жидкости через верхний сливной патрубок. Технологические требования к гидроциклонам для разделения эмульсий с малым содержанием (с невысокой концентрацией) легких примесей (около 1 %), к которым относятся нефтесодержащие сточные воды промышленных предприятий, определяет отвод основного количества очищенной жидкости через нижний сливной патрубок, и лишь небольшую часть жидкости, обогащенную легкими примесями через верхнее сливное отверстие.
Отсутствие теоретических исследований и экспериментальных данных гидродинамики и методов расчета гидроциклонов такого типа привели к необходимости проведения настоящей работы.
Диссертация состоит из четырех глав.
Первая глава посвящена анализу основных теоретических и экспериментальных исследований посвященных различным аспектам гидроциклонирова-ния.
Во второй главе приводится теоретическое описание структуры течения жидкости в гидроциклоне на основе рассмотрения уравнений Навье - Стокса, учитывающих эффективную вязкость v =v+v . Представлен обзор моделей
для определения коэффициента турбулентной вязкости V .
В третьей главе представлено описание экспериментальной установки и методики проведения опытов с целью получения опытных данных тангенциальной составляющей скорости, давления по радиусу и высоте цилиндрокони-ческого и цилиндрического противоточного гидроциклонов.
В четвертой главе приведены результаты расчета эффективной вязкости и экспериментальные исследования эффективности разделения в гидроциклонах различной конструкции. На основе проведенных исследований даются рекомендации для расчета и проектирования гидроциклонов, предназначенных для разделения эмульсий с малым содержанием легких примесей (около 1%)
Настоящая работа выполнена на кафедре "Машины и аппараты химических производств" Казанского государственного технологического университета.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю доктору технических наук, профессору Булкину Вадиму Александровичу и кандидату технических наук, эксперту по проблемам экологии республики Татарстан Иванову Николаю Владимировичу, а также всему коллективу кафедры "Машины и аппараты химических производств" КГТУ за доброжелательное отношение и поддержку в работе.
Конструкции гидроциклонов для разделения несмешивающихся жидкостей
Только в последние годы гидроциклоны интенсивно внедряют в производство для разделения несмешивающихся жидкостей (например для воды от нефтепродуктов), вытесняя в некоторых случаях отстойники, фильтры и центрифуги [133]. Это связано с более сложным (по сравнению с суспензиями) механизмом процесса разделения, а также отсутствием достаточно точных методов расчета конструктивных и технологических параметров.
Основной трудностью процесса разделения эмульсий по сравнению с суспензиями является значительно меньшая разница плотностей компонентов, составляющих систему, что требует большего времени разделения. С другой стороны в гидроциклоне для разделения эмульсий движение дисперсной фазы может быть направлено как от периферии к центру, так, и наоборот, что накладывает дополнительные требования на конструктивное исполнение. Однако большинство известных гидроциклонов для разделения эмульсий мало чем отличается от гидроциклонов для разделения суспензий, тем не менее некоторые конструктивные изменения просматриваются. Особенно ярко это видно в трех продуктовых гидроциклонах, где сконцентрированная легкая фаза подвергается дополнительному разделению в проточной секции.
Для разделения двух несмешивающихся жидкостей наибольшее применение нашли цилиндроконический гидроциклон и цилиндрический противоточный гидроциклон с тангенциальной разгрузкой нижнего слива [12, 13, 88, 121]
Один из первых аппаратов для разделения жидких сред предложил Д.Бредли [137]. Этот аппарат, (рис.1.2,а) состоит из цилиндрического корпуса с тангенциальным подводом исходной жидкости и центральным полым вытеснителем с вертикальными щелями для отвода легкой фазы. Кольцевая пластина меньшего диаметра на вытеснителе позволяет регулировать зазор между стенкой корпуса и пластиной, что дает возможность менять соотношение потоков в аппарате в зависимости от состава исходной жидкости и требуемого качества конечных продуктов.
Для выделения из сточной воды, содержащей наряду с относительно тяжелыми загрязнениями эмульсионные нефтепродукты с дисперсной фазой (размер частиц менее 1 мкм), на которые действие центробежных сил практически не оказывается предложен Дзержинским филиалом НИИхиммаш гидроциклон с коалесцирующей загрузкой (рис 1.2, б).
Содержащиеся в воде тяжелые загрязнения выгружаются через патрубок в нижней части аппарата, а частично осветленная вода вместе с содержащимися в ней нефтепродуктами направляется вверх. При этом наиболее крупные включения нефтепродуктов более легкие, чем вода, движутся к центру и выводятся через сливной патрубок 5, а эмульсия через патрубок 4 попадает в коа-лесцирующую камеру 1, загруженную фторопластовой крошкой, где она освобождается от мелких эмульсионных включений. Эти включения прилипают к хорошо смачиваемой нефтепродуктами поверхности загрузки, укрупняются, смываются потоком жидкости, всплывают под колпак 3 и выходят из аппарата. Очищенная вода огибает конфузор 2 и также удаляется из гидроциклона. Один такой гидроциклон заменяет крупный отстойник-флотатор.
В гидроциклоне для очистки воды от нефти, нефтепродуктов и механических примесей повышение эффективности разделения достигается за счет увеличения времени пребывания жидкости в поле действия центробежных сил [40]. Для этого верхний сливной патрубок (рис. 1.2г) сделан значительно удлинённым. Освобожденная в гидроциклоне от механических примесей эмульсия направляется в сливной патрубок. Содержащиеся в жидкости частицы нефти под действием центробежных сил концентрируются вдоль оси вращения жидкости, образуя водогазонефтяной смеси. Вследствие увеличения времени пребывания в центробежном поле разделяемой эмульсии в центре вращающегося потока успевают сконцентрироваться и очень мелкие частицы нефти. Сконцентрированная водогазонефтяная смесь удаляется по трубе 2, а очищенная вода, пройдя камеру 1, удаляется через патрубок 3.
Длина сливной камеры не оказывает существенного влияния на очистку воды от механических примесей, но с увеличением ее повышается эффективность очистки воды от эмульгированных нефти и нефтепродуктов. Гидроциклон испытан на очистке нефтепромысловых вод с повышенной загрязненностью нефтью и нефтепродуктами. Эффект очистки достигал 97-99 % , в очищенной воде концентрация нефти и нефтепродуктов не превышала 90 мг/л при начальном содержании до 3000 мг/л. Для получения "тонких сливов" Болдырев Ю.Н. [31] предлагает применять гидроциклон с углом конусности 3. Он утверждает, что увеличивая время нахождения жидкости в зоне разделения потоков за счёт удлинения конической части, значительно улучшается разделительная способность аппарата.
Известно, что увеличение времени пребывания обрабатываемых сред в аппарате можно добиться путём установки в корпусе циркуляционного контура, как показано на рис . 1.2д. 4 рис 1-.3 Гидроциклон Даже при оптимальном режиме работы во внутреннем пространстве аппарата не образуется чёткой поверхности раздела обрабатываемых сред, поэтому центральное кольцо жидкости, представляющее собой смесь фаз, близкую по составу к исходной, некоторые исследователи предлагают выводить из аппарата и направлять на повторное разделение. Для решения этой задачи используются трехпродуктовые гидроциклоны (рис. 1.2е) [60]. С целью повышения эффективности очистки эмульсий, содержащей включения твердой фазы, известна конструкция гидроциклона (рис. 1.3), в котором корпус снабжен концентрично установленными внутри него обечайками. Наличие обечаек 7,8 примыкающих к крышке 2, позволяет исключить под крышечный циркуляционный контур, а заглублением обечаек 9,10 в конусе корпуса 1 аппарата исключают циркуляционный контур в конусе. Все это позволяет избежать продольного перемешивания фаз. Количество обечаек в гидроциклоне может быть различным, так как их число, а также длина зависит от гранулометрического состава эмульсии. Чем больше медианный размер частиц эмульсии, тем меньше количество и длина обечайки. Это связано с возрастанием центробежной силы, действующей на частицу, при большем размере капли и, следовательно, большой радиальной скорости последней. Применение гидроциклона данной конструкции позволяет повысить эффективность сепарации до 90-95 %.
Для лучшей сепарации жидкостей эмульсионного типа используется двух стадийный цикл с применением двух гидроциклонных аппаратов, где жидкость после первой ступени гидроциклонирования подаётся на вход другого аппарата для дальнейшей обработки [88, 91, 121, 138]. Необходимо отметить, что использование двух стадийных циклов хотя и позволяет получить более качественное разделение несмешивающихся жидкостей, однако экономически его применение вряд ли оправдано, так как это связано с существенным ростом материальных и энергетических затрат, в связи с необходимостью использования дополнительного нагнетательного оборудования и транспортных коммуникации [121, 142]. Поэтому необходимо вести разработку и исследование новых конструкций гидроциклонов для разделения несмешивающихся жидкостей, позволяющих осуществлять разделение в одну стадию.
Применение гидроциклонов для очистки сточных вод в системе оборотного водоснабжения
Вода играет важную роль во многих процессах, протекающих в природе, и в обеспечении жизни человека. В промышленности воду используют как сырье и источник энергии, как хладоагент, растворитель и т.д. Объем потребле-ния пресной воды в мире достигает 3900 млрд. м /год. Около половины этого количества потребляется безвозвратно, а другая половина превращается в сточные воды. Наиболее перспективный путь уменьшения потребления свежей воды - это создание оборотных и замкнутых систем водоснабжения. Применение оборотного водоснабжения позволяет в 10-50 раз уменьшить потребление свежей воды. При оборотном водоснабжении значительно уменьшаются капитальные вложения и эксплуатационные затраты. Во всех отраслях промышленности доля оборотной воды непрерывно возрастает. Так, в химической промышленности она возросла до 82.5 %, в нефтедобывающей до 99 %, в теплоэнергетике до 90 %.
Одним из перспективных направлений применения гидроциклонов является внедрение их в очистные сооружения водооборотных систем, для очистки сточных вод в системе оборотного водоснабжения предприятий энергетики, нефтехимии, автомобильных хозяйств. Организация оборотного водоснабжения резко сокращает потребление свежей воды и значительно сокращает или исключает сброс сточных вод в водоем и окружающую среду. Свежая вода расходуется лишь на восполнение потерь и составляет 5-10 % от расхода. Сточные воды названных производств отличаются разнообразным, изменяющимся в широких пределах составом, который в значительной степени зависит от местных климатических условий, технологических параметров производства. Концентрация взвешенных веществ в таких водах изменяется от 100 до 3000 мг/дм , нефтепродуктов от 20 до 3000 мг/дм . По требованию технологии содержание взвешенных веществ (механических примесей) в воде, возвращае-мой для повторного использования, не должно превышать 7-15 мг/дм , для не которых производств до 40 мг/л. Нефтепродуктов интервал концентраций ко-леблется от 0.1 до 3-5 мг/дм , для некоторых производств до 20 мг/дм .
Отстойники, построенные для очистки сточных вод в системе оборотного водоснабжения, как правило не обеспечивают требуемой степени очистки, не смотря на относительно большие габариты (длиной до 7.2 м). Применение безнапорных гидроциклонов (D=2.2 м), также не привело к желаемым результатам. Безнапорные гидроциклоны [110] успешно применяются для очистки вод-ных объектов от плавающего слоя нефти. На открытых морских акваториях, в портах, на поверхности рек, озер появление плавающего слоя нефти как правило связано с авариями на морском и речном транспорте, на нефтепромыслах и нефтепродуктопроводах. Ликвидация последствий выбросов нефти в водоемы направлена как на уменьшение вредных экологических воздействий, так и на сбор потерянных нефтепродуктов с целью их дальнейшего использования. Но следует отметить, что безнапорные гидроциклоны предназначены только для отделения из воды нефти, находящейся в виде пленки или слоя на свободной поверхности, т.е. они осуществляют функции сбора нефти с поверхности. Выделение из воды нефтяных капель в эмульгированном состоянии производят в цилиндрических противоточных гидроциклонах (D=50 мм).
Сточные воды поступают в приемный резервуар (иногда пре-дотстойник) оборудованный контейнером для задерживания крупных предметов. Насосами сточные воды направляются на очистку, в частности в напорные цилиндроконические гидроциклоны, в которых происходит отделение крупных (механических примесей) со сбросом их в бункер. Пройдя цилиндроконические гидроциклоны, тонкослойные отстойники, сточные воды поступают в цилиндрические гидроциклоны для очистки от нефтепродуктов. После гидроциклонов очищенная вода направляется во флотаторы, коалесцирующие или сорбционные фильтры. Очищенная вода возвращается в водооборотную систему производства.
Как показывают технико-экономические сравнения, при внедрение цилиндрических противоточных гидроциклонов годовой экономический эффект составляет 150000 мил.рублей. При этом величина капитальные вложений на строительство очистных сооружений сокращается в несколько раз, а эксплуатационные затраты снижаются на 15 %, улучшаются санитарно-экологические условия эксплуатации. Не менее важным преимуществом схемы с гидроциклонами является значительная экономия площадей. В данном случае площадь, занимаемая гидроциклонной установкой, в 10 раз меньше площади, которая потребовалась бы для размещения резервуаров-отстойников. Последний показатель часто является основным и определяющим при выборе того или иного метода очистки сточных вод конкретного производства.
Компьютерная система для определения гидродинамических показателей несущей фазы в цилиндроконичеком гидроциклоне
Данная компьютерная система (модель) создана на основе рассуждений проведенных в параграфе 2.1 и посвящены определению гидродинамических показателей несущей фазы в гидроциклоне, т.е. нахождение составляющих скорости и давления потока. Предполагается, что в дальнейшем на основе полученных результатов будут произведены расчеты движения частиц примеси. Поэтому была разработана компьютерная система, позволяющая в перспективе реализовать эти две функции.
Компьютерная система позволяет рассмотреть большой набор конструктивных (задающих область течения) и гидродинамических (определяющих режим течения жидкости в гидроциклоне) параметров.
К конструктивным параметрам относятся (рис. 2.3): длина гидроциклона hO, длина цилиндрической части корпуса h_0, радиус корпуса R0, минимальный радиус корпуса R_0, длина патрубка hi, длина цилиндрической части патрубка h_l, радиус патрубка R1, минимальный радиус патрубка R_l.
Главное меню реализует следующие функции: редактирование данных -DATAEDIT, расчет полей скоростей и давлений в гидроциклонах - STFLOW), расчет движения частиц примеси в гидроциклоне - PURIFCTN, выход из системы - QUIT.
Окно редактирования имеет меню второго уровня, которое позволяет редактировать конструктивные и гидродинамические параметры (Edit_l), редактировать данные необходимые для расчета частиц примеси (Edit_2), и выйти в главное меню (EXIT).
В Edit_l, кроме редактирования можно посмотреть конструкцию гидроциклона в осевом сечении, а также при выходе из окна будет произведена проверка на корректность задания исходных данных. Edit_2 предназначено для редактирования данных, необходимых для реализации второй основной функции, поэтому при выборе этого окна появится сообщение, что оно еще не реализовано.
Окно расчета гидродинамических показателей, так же как и окна редактирования имеют меню второго уровня. С его помощью возможны следующие действия: редактирование данных, необходимых для расчета (Edit_l); расчет полей скоростей и давлений в гидроциклоне (RUN), запись полученных результатов в файл (WrtDoc), просмотр результатов в графическом виде на экране дисплея (View), выход в главное меню (EXIT).
Окно Editl этого меню аналогично окну Editl меню редактирования. Зайти в Run можно только после того как отредактированы данные в Editl. Воспользоваться записью и просмотреть результаты можно после того, как произведен расчет в Run. После ввода результатов пользователь может записать исходные данные в файл. Очередной заход в Edit_l анализирует ранее полученные данные.
Выбор окна расчета движения частиц примеси приведет к появлению сообщения, что оно еще не реализовано. В этом окне обязательно будет меню второго уровня с пунктами редактирования (Edit_2), расчета (Run) и выхода в главное меню (Exit).
Причем в окно PURIFCTN можно зайти после того как произведен расчет в окне STFLOW. Из любого меню (главного меню, меню редактирования, меню расчета гидродинамических показателей) можно воспользоваться системной помощью, нажав клавишу F1. Нажимая F1 в главном меню, пользователь получает возможность выбора нужной информации: о всей системе в целом или о каждом окне главного меню по отдельности. Нажатие клавиши F1 из любого подменю выдает информацию об этом подменю.
Проведенные рассуждения и исследования в 2.1 и 2.2 позволяют описать процесс разделения эмульсий (суспензий) в цилиндроконическом гидроциклоне в некоторой модели. Эта модель позволяет рассмотреть большой набор конструктивных и технологических параметров работы гидроциклона. Данная модель позволяет установить взаимосвязь различных параметров в том числе эффективной вязкости v3 (v + vT) с полями скоростей и давлений в гидроциклоне.
На основании полученной компьютерной системы проведен расчет тангенциальной составляющей скорости потока в зависимости от конструктивных и гидродинамических параметров. В качестве примера были взяты экспериментальные данные по цилиндроконическому гидроциклону [83, 121]. Результаты расчета представлены на рис 2.5 (сплошная линия -теоретическая кривая).
Выбор и обоснование метода измерения полей скоростей и давлений в гидроциклоне
Основное внимание в исследованиях и оценке характеристики аппаратов уделяется экспериментальным методам, так как теория многофазных систем сложна и еще не достаточно разработана.
Экспериментальные исследования гидродинамики гидроциклона предусматривают измерение полей давления и скоростей рассматриваемых течений [12, 13, 36, 40, 50, 86, 104, 111, 121]. В настоящее время имеется целый ряд экспериментальных методов измерения: контактные или зондовые (трубки Пито-Прандтля, шаровые многоканальные зонды, гидромеханические вертушки и др.), беззондовые (оптический, стробоскопический, электродиффузионный и др.). Выбор конкретного метода измерения определяется видом течения, размерами исследуемого аппарата, требуемой точностью проведения экспериментов и рядом других факторов. Введение непосредственно в поток зондов может в некоторых случаях существенно исказить исходную картину течения, чего практически не бывает при использовании беззондовых методов.
Беззондовые методы [149] измерения дают более высокую точность измерения, однако метод непосредственного зондирования намного проще и дешевле, но требует больше времени. Из многочисленных зондов наименьшую погрешность измерения дает поперечно натянутая капиллярная трубка со специальными приемными отверстиями [9, 36, 111, 114, 115, 143, 144]. Во избежание существенных погрешностей измерения и искажений потока следует обеспечить требование, согласно которому "коэффициент загромождения потока" не должен превышать 5 %. Под этим коэффициентом понимается отношение площади полного миделевого сечения зонда к площади поперечного сечения канала в плоскости установки зонда. В случае измерения закрученных потоков использование поперечно натянутых зондов оправдано еще и потому, что в них ради альная компонента скорости Vr, которую поперечно натянутый зонд не позволяет измерять, пренебрежимо малы по сравнению с другими составляющими вектора скорости (тангенциальной). Поэтому погрешности измерения в этом случае будут минимальными. В данном случае [115] величина погрешности измерения определяется, как правило, ценой деления микроманометра и не превышает 2.6 %.
Учитывая всё вышеперечисленное, для проведения экспериментальных исследований, был использован такой тип зондов. С помощью этого насадка можно измерять осредненную скорость и ос-редненное направление потока. Насадок представляет собою тонкую длинную трубку с наружным диаметром более 1 мм. Внутренняя полость трубки разделена перегородкой 1 на две части. По одну сторону перегородки, на расстоянии 1 мм от нее, равномерно по кругу в трубке имеются восемь отверстий 0.23 мм, по другую сторону - одно отверстие. Такая трубка, длинная и тонкая, как струна, устанавливается обычно поперек потока таким образом, чтобы вектор скорости был приблизительно ортогонален ее оси. Перемещая трубку вдоль оси, можно измерять поперечный профиль скорости как в зоне прямого, так и обратного тока.
Сущность метода измерения состоит в следующем. В процессе предварительной градуировки пневмометрического насадка определяют угол фст , при котором давление рь отбираемое от одиночного отверстия, равно статическому давлению рст. в измеряемом сечении Для нашего случая pi=p8 при фст=41.5. При измерении выходные трубки насадка подсоединяют к дифференциальному манометру для регистрации разности давлений (ргр8), где р8 - давление в полости с восемью отверстиями. Величина давления р8 при всех значениях угла ф постоянна. Вращая насадок вокруг своей оси, находят два положения насадка ± ф і, при которых перепад давлений (ргр8) одинаков. В этом случае при фо=0 ось одиночного отверстия совпадает с направлением вектора осредненнои скорости потока. Далее измеряют перепады давлений Apn=p!-p8 при фо=0 и Дрст=рі-р8 при Фо=Фст- По измеренным значениям Арп и Арст определяют скоростной напор Ар=Арп-Арст и с использованием уравнения Бернулли Ap=pV /2 вычисляют ос-редненную скорость потока о. Статическое давление определяется по формуле рст=р8+Арст.
Тангенциальная составляющая скорости движения жидкости определяется проекцией вектора осредненнои скорости на поверхность, перпендикулярную оси гидроциклона: V(D=u -sin(a) (3.1) В гидроциклоне трубка датчика располагалась в плоскости, перпендикулярной оси канала. Для тарировки датчика в этой же плоскости в стенке измерительной вставки имелось отверстие для отбора статического давления. Радиальное и угловое перемещение приемника осуществлялось с помощью специально изготовленного координатного устройства, обеспечивающего задание линейных координат с точностью ±0,05 мм и угловых координат с точностью ±2,5.
Перед проведением экспериментов проводилась тарировка измерительного зонда. Для этой цели зонд совместно с координатным устройством устанавливался на расстоянии 6 калибров от входа в калибровочную трубу. Жидкость подавалась по оси калибровочной трубы. Этим добивались того, что в сечении, в котором находится зонд, течение жидкости было установившимся, незакручен-ным и симметричным относительно оси канала. Поперечно натянутый зонд вращался вокруг своей оси. Через определенное изменение угла снимались показания манометра, показывающее давление зонда. Также определялось статическое давление, снимаемое со стенки канала. Такие измерения проводились при пяти различных расходах жидкости.
Похожие диссертации на Очистка сточных вод в гидроциклонах систем оборотного водоснабжения
