Груколенко В.К., к.т.н.,
доцент, Груколенко А.Г., ст. преподаватель
Харьковский национальный технический университет
сельского хозяйства имени Петра Василенко
АНАЛИЗ
ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ПОТЕРЬ НАПОРА
В
ТРУБАХ ПРИ ПОМОЩИ ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК
Первые экспериментальные исследования по выявлению
влияния полимерных добавок на сопротивление движению жидкостей в
трубопроводах, имеющих различный
диаметр и различную шероховатость стенок,
на Украине были проведены в Институте гидромеханики Академии Наук. Сделана
попытка по возможности охватить более широкий диапазон скоростей движения
жидкостей с полимерными добавками, диаметра труб, материала и шероховатости
стенок, способа введения полимерных добавок в поток и влияния насоса.
Исследования
проводились на разомкнутой безнасосной установке и циркуляционной установке с
центробежным насосом.
Разомкнутая
безнасосная установка состояла из бака постоянного напора, куда заливались
приготовленные растворы полимера нужной концентрации; объем бака составлял 140
л, длина рабочего участка трубопровода – 3,0 м. В процессе исследования
измерялся расход жидкости путем фиксирования понижения уровня в водомерной
трубке напорного бака и перепада давления по длине трубопровода при помощи пьезометров, которые подключались
к отверстиям в трубе, расположенным по длине трубы через 1 м.
Циркуляционная
установка включала в себя насос типа 4НФ, привод которого осуществлялся при
помощи электродвигателя постоянного тока типа ПН-145 и замкнутое кольцо труб
общей длиной 25 м. Расход измерялся при помощи трубы Вентури, длина рабочего
участка – 6,0 м, перепады давления фиксировались на диаграммах самопишущих
дифманометров.
Исследовались
круглые трубы диаметром: 21; 51; 106 и 202 мм и труба прямоугольного сечения
25,4×25,1 мм. Материал труб: обыкновенная и нержавеющая сталь ,
органическое стекло; по типу внутренней поверхности – гладкие и шероховатые: с естественной и искусственной
шероховатостью. В исследованиях средние скорости движения
составляли от 0,1 до 9,5 м/с.
В
процессе исследования были опробованы следующие полимеры: отечественный
полиакриламид (ПАА) промышленного производства (концентрация С сухого ПАА
лежала в пределах от 0,0005 до 0,2%), два образца карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ)
(концентрациею С = 0,3%) и один образец полиэтиленоксида (ПЭО, молекулярным
весом М = 4 ∙106), величина С составляла: 0,008; 0,01; 0,024%.
Для
определения эффекта снижения потерь напора также исследовалось движение чистого
растворителя (воды).
Коэффициент
гидравлического трения определялся из
формулы Дарси- Вейсбаха:
, (1)
откуда , (2)
где - ускорение свободного падения, м/с2;
- потери напора, м;
- диаметр трубопровода, м;
- средняя скорость движения жидкости, м/с;
- длина рабочего участка трубопровода.
Эффект
снижения сопротивления определялся из соотношения:
,
(3)
где и
- коэффициенты гидравлического трения соответственно
чистой воды и с добавками
полиакриламида.
Исследования
показали, что недеградированные образцы отечественного промышленного ПАА при
небольших концентрациях (0,01%) могут снизить потери напора до 77%. В то же
время растворы КМЦ не выявили никакого эффекта снижения сопротивления, что
объясняется низким молекулярным весом исследуемых образцов.
Было
установлено, что в циркуляционных установках эффективность растворов ПАА
значительно уменьшается, что вызвано механической деградацией молекул полимера
под воздействием центробежного насоса. Интенсивность деградации молекул зависит
от окружной скорости рабочего колеса насоса и концентрации С. Растворы ПАА и
ПЭО в безнасосной установке имели минимальную деградацию молекул и показали
одинаковую эффективность. А в циркуляционной установке эффективность растворов
ПЭО была меньшей, чем у растворов ПАА, что указывает на быструю деградацию
растворов ПЭО под действием центробежного насоса.
Экспериментами
было подтверждено ранее установленную закономерность, что эффект снижения
сопротивления в основном определяется средней скоростью движения жидкости и
концентрациею раствора и в меньшей степени зависит от диаметра трубопровода.
Анализируя
полученные результаты, была сделана попытка выявить закономерность изменения
эффекта снижения сопротивления в зависимости от изменения средней скорости
течения и концентрации
раствора С. Для этого предложена следующая зависимость:
, (4)
где - верхняя предельная концентрация, равная 0,005%;
- пороговая скорость.
В
зависимость (4) следует подставлять значения , отличные от
, только в том случае, когда
‹
, а при
отношение
.
Исследование
труб с различной шероховатости показали, что при течении в них растворов ПАА
эффект снижения сопротивления уменьшается по мере возрастания шероховатости.
Характер зависимости при течении растворов в зоне квадратичного сопротивления
оставался таким же, как и для воды, т.е. коэффициент гидравлического трения
не зависел от числа
Рейнольдса. Было также замечено, что имеется область скоростей течения, где
эффект снижения сопротивления
не изменяется с
возрастанием скорости течения
.
Так
называемый остаточный эффект, заключающийся в том, что после прекращения подачи
растворов полимера по трубе пропускают воду и при этом некоторое время
наблюдается хотя и меньший, но заметный эффект снижения сопротивления, в данном
исследовании не наблюдался.
Из
опробованных в процессе исследований полимеров, обладающих свойством снижать
потери напора в трубопроводах при их малых добавках в поток воды, особое
значение имеет полиакриламид, который можно использовать в качестве
структурирующего вещества для почвы. ПАА оказал положительное влияние на водные
свойства и водный режим в почве. Улучшение физических и биологических условий в
почве, структурирование которой производилось полиакриламидом, повысило урожаи
с.х. культур, причем увеличение урожая произошло без снижения его качества.
Таким
образом, следует признать использование добавок полиакриламида перспективным
для снижения гидравлических сопротивлений в трубопроводах дождевальных
установок.
Литература:
1.
Базилевич В.А., Шабрин А.Н. Снижение гидравлических сопротивлений в
трубопроводах с помощью полимерных добавок. «Гидромеханика. Респ. межвед.
научно-техн. сб.», 1971, вып. 17.
2.
Базилевич В.А. Влияние полимеров, снижающих сопротивление, на струйные течения
жидкости. «Гидравлика и гидротехн. Респ. межвед.сб.», 1972.