УДК 622.75: 626.81 На правах рукописи

Абдураманов Нурлан Абдуманапович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ГИДРОЦИКЛОННЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК В СИСТЕМАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ОБВОДНЕНИЯ ПАСТБИЩ

Специальность 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Республика Казахстан

Тараз 2010

Работа выполнена в ТОО «Казахский научно-исследовательский институт водного хозяйства» («КазНИИВХ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук

Ведущая организация: Кызылординский государственный

университет им. Корхыт-ата

Защита диссертации состоится 31 августа 2010 г. вчасов на заседании объединенного диссертационного совета ДО 14.14.01 при Таразском Государственном университете им. Министерства образования и науки Республика Казахстан, Республика Казахстан,

E-mail: *****@***kz

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таразского государственного университета им. , по адресу: .

Автореферат разослан_______________________________

Ученый секретарь

диссертационного совета, д. т.н.

 

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время 57,2% сельского населения снабжаются питьевой водой из централизованных систем водоснабжения, 38,2% населения для питьевых и хозяйственно-бытовых целей используют воду дворовых и общественных колодцев, поверхностных источников.

Ухудшение санитарного состояния систем водоснабжения увеличило количество случаев инфекционных заболеваний, из-за плохого санитарно-технического состояния очистных сооружений и отсутствия правильной организации службы эксплуатации.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В связи с этим была создана отраслевая программа «Питьевые воды» разработанная в соответствии с указом Президента Республики Казахстан от 16 ноября 1998 года № 000 О государственной программе «Здоровье народа» и постановлением Правительства Республики Казахстан от 7 марта 2000 года № 000 «О плане мероприятий по реализации Программы действий Правительства Республики Казахстан на годы» обеспечение населения качественной питьевой водой.

В Республике Казахстан имеется 183,7 млн. га пастбищ. Это составляет 70 процентов всей земли, из них 48 млн. га истощенны и использованию не пригодны. Восстановление этой земли в будущем позволит значительно увеличить поголовье скота, тем самым обеспечить работой часть населения сельской местности, улучшить их социальное положение. Но все это связано с решением проблем по очистке воды от твердых наносов, восстановлением работы шахтных колодцев, пескующих скважин и открытых водоисточников в основном для аридных зон Казахстана при помощи гидроциклонирования.

Развитие сельскохозяйственнного водоснабжения и обводнения пастбищ за счет внедрения ресурсосберегающих гидроциклонных технологий улучшающих эксплуатационные параметры систем водоснабжения чрезвычайно актуально, особенно в настоящий период становления рыночной экономики.

Повышение КПД гидроциклонной насосной установки (ГЦНУ) путем разработки эффективных конструкции и методов управления технологическими процессами считаются главными при решении производственных задач. Исследования технологических процессов в ГЦНУ, разработка новых конструкции и внедрение их в производство являются очень актуальными.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с госбюджетной программой 042 «Прикладные научные исследования в области агропромышленного комплекса на годы», по заданию 05.01.04 «Усовершенствование гидроциклонных устройств повышающих эксплуатационные характеристики обводнительных сооружений».

Цель и задачи работы. Изучение гидравлических процессов, происходящих в гидроциклоне и на этой основе усовершенствование конструкции гидроциклонных насосных установок, применяемых в сельскохозяйственном водоснабжении и обводнении пастбищ в условиях аридных зон Казахстана.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ и оценка надежности систем сельхозводоснабжения и обводнения пастбищ с применением гидроциклона и гидроциклонных насосных установок;

-выявление причин попадания в слив более крупных частиц, чем расчетные размеры граничных частиц;

-установление оптимальных параметров элементов гидроциклона для систем сельхозводоснабжения и обводнения пастбищ;

- разработка усовершенствованных конструкции гидроциклонов и гидроциклонных насосных установок в системах сельскохозяйственного водоснабжения и обводнения пастбищ.

Объект исследований. Гидроциклоны и гидроциклонные насосные установки, разработанные автором и при его участии;

Предмет исследований. Режимы работ двухкомпонентных гидроциклонов при различном подводе входного патрубка к гидроциклону, с различными формами входного отверстия и глубины затопления сливного патрубка в системах сельхозводоснабжения и обводнения пастбищ.

Научная новизна работы:

- выявлено, что в гидроциклонах с односторонним подводом входного патрубка наблюдается асимметричное расположение квазиповерхности нулевых осевых скоростей, приводящей к укрупнению размеров граничных частиц; для оценки степени асимметричности вращения потока жидкости вводится понятие «относительный момент количества движения циклонного потока»;

- установлена причина образования эффекта стратификации наносов в гидроциклонной камере;

- получены относительные величины расходов через песковое и сливное отверстия в зависимости от относительного напора жидкости на входе в гидроциклонную камеру при круглой, квадратной и полукруглой форме входного отверстия для различных значений угла отклонения входного патрубка по вертикальной и горизонтальной плоскостях для обводнения патстбищ аридных зон Казахстана;

- разработаны новые конструкции гидроциклонов и гидроциклонных насосных установок, применяемых в сельхозводоснабжений и обводнении пастбищ.

Практическая ценность работы:

- предложено изготовление напорных гидроциклонов с парными входными патрубками, расположенными касательно к стенкам аппарата, наклоненных в вертикальной плоскости в 2º…4º для систем сельхозводоснабжения и обводнения пастбищ аридных зон Казахстана;

- предложено выполнение отверстия входного патрубка гидроциклона в форме полукруглого сечения;

- предложено гидроциклоны выполнять с затопленным сливным патрубком до глубины (0,8…1,0)Нц (Нц –высота цилиндрической части);

- разработаны инновационные типы гидроциклонов и гидроциклонных установок, применяемых в сельхозводоснабжении и обводнении пастбищ.

Положения выносимые на защиту:

- причины образования асимметричности циклонного потока с односторонним подводом входного патрубка к стенкам гидроциклона и эффекта стратификации наносов (твердой фазы) в гидроциклонной камере;

- результаты экспериментальных исследований гидравлических процессов в гидроциклонных насосных установках, применяемых в сельхозводоснабжении и обводнении пастбищ;

- обоснование эффективности разработанных автором гидроциклонов и гидроциклонных установок для систем сельхозводоснабжения и обводнения пастбищ аридных зон Казахстана.

Методика исследований. Включала в себя теоретические исследования и стендовые испытания усовершенствованной конструкции гидроциклона для ресурсосберегающих технологий систем сельхозводоснабжения и обводнения пастбищ. При этом использовались установленные государственным и отраслевым стандартами методы испытаний поливной техники, дополненные с учетом конкретных условий и задач, математическая статистика и методика определения экономической эффективности использования новой техники, изобретений и рационализаторских предложений.

Реализация результатов работы.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы внедрением гидроциклонной насосной установки в сельскохозяйственное производство в аридных зонах Казахстана, в частности, в фермерском хозяйстве «Алты кара», с. Орнек Жамбылского района Жамбылской области (Акт внедрения от 01.01.2001г.).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной научно-практической конференции, «Проблемы водного хозяйства», ТарГУ им. г. Тараз, (2006г.); на второй международной научной конференции «Проблемы современной механики, КазГУ им. Аль-Фараби, Алматы (2006г.); на международной научной конференции «Проблемы теоретической и прикладной механики», КазГУ им. Аль-Фараби, Алматы (2006г.); на международной научной конференции «Evropska veda XXI stoleti – 2008», Praha, Чехия (2008г.), на научных семинарах «Проблемы водного хозяйства, гидротехники и мелиорации» при ТарГУ им. (2009г.)

Публикации. Результаты научно-исследовательских работ по теме диссертации опубликованы в 19 трудах, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК, 4 тезиса докладов на Международных научных и научно - практических конференциях. Получено 9 патентов РК и 2 авторских свидетельства СССР на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 105 наименований и 6 приложений. Работа изложена на 114 страницах компютерного текста, иллюстрирована 76 рисунками и содержит 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, приведены цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведен анализ и оценка работы существующих систем сельхозводоснабжения и обводнения пастбищ с применением гидроциклонов и гидроциклонных установок, проведен обзор существующих конструкции гидроциклонов, анализ результатов основных и экспериментальных исследований отечественных и зарубежных ученых.

Обзор конструкций гидроциклонов показывает, что объем информации по их развитию непрерывно увеличивается. Идет процесс усовершенствования каждого элемента гидроциклона таким образом, чтобы технологическая операция необходимая для производства выполнялась четко, будь это классификация твердых содержимых в исходной гидросмеси или сгущение пульпы до требуемой консистенции. Конструкции становятся более наукоемкими и сложными из-за стремления производственников к одновременному выполнению одним устройством нескольких технологических процессов (многофункциональности гидроциклонных установок) на более высоком уровне.

Гидроциклоны нашли применения в новых областях производственных потребностей: сбора нефти с поверхности открытых водоисточников; разделения несмешивающихся компонентов жидкости; подсос наносов и их транспортировка; конструктивное слияние гидроциклона со струйным аппаратом, центробежным насосом, флотатором, отстойником, фильтром и т. д. Это показывает актуальность развиваемого направления, результативность инновационного подхода к исследованиям.

Настал период развития конструкции гидроциклонов и гидроциклонных насосных установок, нацеленных на управление технологическими процессами, которые обеспечат высокую степень разделения, сгущения и осветления.

Во второй главе введено новое понятие «относительный момент количества движения», с помощью которого оценивается степень асимметричности вращения потока жидкости в гидроциклоне. Показано, что асимметричное расположение в гидроциклонном пространстве поверхности нулевых осевых скоростей (НОСк) приводит к укрупнению размеров граничных частиц.

Для оценки степени асимметричности потока жидкости в гидроциклоне с одним входным патрубком вводим «относительный момент количества движения»:

ξм=, (1)

где – радиус оси входного патрубка гидроциклона;

r – текущий радиус; (rсв < r ≤ rц);

С – опытный коэффициент;

– текущий момент скорости (единицы массы жидкости);

– момент количества движения единичной массы жидкости на оси входного патрубка;

е – основание натурального логарифма.

Для обеспечения осесимметричности поверхности НОСк предлагается изготовление гидроциклонов с парными входными патрубками, расположенными касательно к стенкам аппарата (рисунок 1).

Показано, что в гидроциклонной камере в результате действия силы тяжести, силы сопротивления, силы давления, кориолисовой силы инерции и силы Магнуса-Абдураманова происходит эффект стратификации наносов.

Кориолисова сила инерции, как показано на рисунке 2, способствует торможению вращательного движения более крупных частиц и ускорению вращения мелких частиц, относительно оси аппарата. На динамику стратификации наносов значительное влияние оказывает и гранулометрический состав наносов исходной гидросмеси, поступающий в гидроциклонную камеру через входной патрубок.

 

1 – корпус гидроциклона; 2 – входной патрубок; 3 – ось входного патрубка;

4 – поверхность НОСк; 5 – сливной патрубок; 6 – песковый патрубок

Рисунок 1 – Схема частичного восстановления осесимметричности

гидроциклонного потока

а) при входе закрученного потока в гидроциклонную камеру;

б) при входе незакрученного потока в гидроциклонную камеру

Рисунок 2 – Схема к определению направления действия кориолисовой силы

Предлагаются следующие способы повышения эффективности работы вакуумгидроциклонных насосных установок:

а) изменение шага и высоты нарезки винтов сливного патрубка гидроциклона;

б) упразднение разреженного воздушного столба в циклонной камере.

В третьей главе приводится описание предлагаемой конструкции гидроциклона, методика проведения исследований и результаты лабораторных испытаний усовершенствованной конструкции гидроциклона.

Анализ существующих конструкции гидроциклонов выявил ряд их недостатков – это нестабильность степени очистки и неуправляемость разделительного процесса.

Для экспериментального изучения технологических процессов, происходящих в гидроциклоне и на этой основе для разработки методов совершенствования гидроциклонов, была собрана установока на базе насоса 1,5К/6 с вертикально установленным гидроциклоном с регулируемыми входным, сливным и песковым патрубками (рисунок 3).

1 – бак; 2 – направляющая планка; 3 – дренаж; 4 – всасывающий патрубок насоса; 5 – насос; 6 – нагнетательный патрубок насоса; 7 – эл. двигатель; 8 – вентиль, 9 – манометр; 10 – нагнетательный шланг; 11 – гидроциклон; 12 – угломер; 13 – насадка; 14 – крепежный болт; 15 – кронштейн; 16 – входной патрубок; 17 – песковый патрубок; 18 – сливной патрубок; 19 – контргайка; 20 – уплотнительная прокладка; 21 – гайка; 22 – шланг сливного патрубка; 23 – стойки; 24 – водослив; 25 – перегородка

Рисунок 3 – Принципиальная схема экспериментальной

гидроциклонной насосной установки

Изменяя угол наклона входного патрубка по вертикальной плоскости θ = 0º...6º и по горизонтальной плоскости φ = 0º...2º, поочередно меняли насадки круглого, квадратного и полукруглого сечения с изменением глубины затопления сливного патрубка и давления на входе в гидроциклон при Р = 0,1; 0,3; 0,5 кгс/см2. Также, менялись песковые патрубки с диаметрами отверстия d = 18; 11; 9 мм. Расходы через сливной и песковый патрубки гидроциклона (Qсл и Qпес) определялись объемным способом.

В опытах с двухфазной жидкостью после прохождения объема воды через разгрузочные отверстия, твердая фаза собиралась со дна мерной емкости и заполнялась в аллюминиевые бюксы, для просушивания в электрической печке. После просушивания твердой фазы, соответствующей каждому опыту, остаток просеивался через сито для установления гранулометрического состава наносов пескового и сливного патрубков.

Плотность жидкости с каждого отверстия находилась по известной формуле:

- для сливного патрубка ,

где mсл. ж., mсл. т. – масса жидкости и наносов, извлекаемая из сливного патрубка;

Wсл – объем воды, прошедший через сливной патрубок.

- для пескового патрубка ,

где mпес. ж., mпес. т – масса жидкости и наносов, извлекаемая из пескового патрубка;

Wпес – объем воды, прошедший через песковый патрубок.

Плотность жидкости на входе в гидроциклон:

,

Консистенция пульпы определялась по формуле: К = Т : Ж,

где Т – твердая фаза; Ж – жидкая фаза.

Изучена величина относительного расхода жидкости через песковое отверстие напорного гидроциклона при круглой, квадратной и полукруглой формах входного отверстия для различных значений угла отклонения входного патрубка по вертикальной (θ) и горизонтальной (φ) плоскостях (рисунки 4,5,6).

Рисунок 4 – График зависимости при θ =2°;

(входное отверстие – круглое). Dц =184 мм; Нц=10 мм; dcл=36 мм;

dвх=36 мм; dпес=9 мм; β=15°

Рисунок 5 – График зависимости при θ = 2°;

(входное отверстие – квадратное). Dц=184 мм; Нц=110 мм; dcл=36 мм;

dвх=36 мм; dпес=9 мм; β=15°

При обработке опытных материалов были использованы методы математической статистики и системный анализ.

Получено, что:

- с увеличением удельной кинетической энергии потока на входе в гидроциклон, относительный расход пескового отверстия уменьшается асимптотически приближаясь к оси абсцисс;

- для каждого значения величина уменьшается с увеличением глубины затопления сливного патрубка;

- увеличение угла внутреннего наклона входного патрубка к стенкам гидроциклона (φº) приводит к уменьшению относительного расхода пескового отверстия;

- минимальный расход пескового отверстия достигается при полукруглой форме входного патрубка (рисунок 6);

- круглое отверстие в этом отношении является наихудшим (рисунок 4); промежуточное положение занимает квадратная форма (рисунок 5) входного отверстия.

Согласно опытным данным график зависимости можно выразить аналитически в виде:

(2)

По нашим опытным данным в пределах изменения

, число N=1·10-3…2·1

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2