Рівненський державний технічний університет

Міністерства освіти і науки України

Філіпович Юрій Юрійович

УДК 621.52: 631.624.001.2

УДОСКОНАЛЕННЯ КОНСТРУКЦІЙ І МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ

ВАКУУМНИХ УСТАНОВОК АВТОМАТИЗОВАНИХ НАСОСНИХ СТАНЦІЙ

06.01.02 - сільськогосподарські меліорації

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Рівне - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Рівненському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Назаров Микола Тимофійович, професор кафедри використання водної енергії і гідравлічних машин Рівненського державного технічного університету, м. Рівне

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник ШЕВЧЕНКО ОЛЕКСАНДР ВАСИЛЬОВИЧ, Інститут гідротехніки і меліорації УААН, м. Київ

кандидат технічних наук ГАРНИК ВОЛОДИМИР КИРИЛОВИЧ, директор ВАТ “Проектно-технологічний інститут “Укроргводбуд”, м. Київ

Провідна установа: Інститут гідромеханіки НАН України, м. Київ

Захист відбудеться “ 15 ” червня 2001 р. о 12 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 при Рівненському державному технічному університеті за адресою: 33000, м.Рівне, вул. Соборна, 11

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Рівненського державного технічного університету за адресою: м.Рівне, вул. Приходька, 75

Автореферат розісланий “ 03 ” травня 2001 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доцент В.П.Востріков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із напрямків підвищення темпів розвитку економіки на базі науково-технічного прогресу для України було і залишається удосконалення та реконструкція гiдромелiоративних та водопостачальних напірних систем, впровадження ресурсозберігаючих технологій і передового досвіду експлуатації у водогосподарське та енергетичне будівництво.

Успішна експлуатація меліоративних насосних станцій залежить від підтримання основного та допоміжного обладнання у справному стані, роботи насосів у режимах високих к.к.д. (що пов'язано із необхідністю зменшення витрат електроенергії), дотримання контролю за витратою насосів, впровадження засобів автоматики і телемеханіки.

Ефективним видом заливу та подальшого підтримання у залитому стані відцентрових насосів автоматизованих насосних станцій (АНС) є використання вакуумних систем. На сьогодні проектування таких систем недостатньо обгрунтоване експериментальними дослідженнями, не існує єдиної методики розрахунку робочих циклів вакуумних систем та оцінки впливу параметрів вакуум-системи на її робочі характеристики.

Кожна сучасна насосна станція є гідроенергетичним вузлом, який складається із гідротехнічних, енергетичних і будівельних споруд, гідромеханічного і енергетичного обладнання. Кожен елемент вузла забезпечує безвідмовну роботу обладнання, тому від роботи вакуум-системи залежить робота всієї насосної станції і, в свою чергу, робота гідромеліоративної системи вцілому. Вакуумні системи належать до допоміжного обладнання АНС, але забезпечують безперебійну роботу основних насосних агрегатів, отже вивчення їх технологічних процесів є актуальним питанням.

Наукове завдання, що розглядається у дисертаційній роботі, полягає у вивченні технологічних процесів систем заливу відцентрових насосів, удосконаленні методики розрахунку технологiчних процесiв вакуумних установок та їх конструкцій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота продовжує дослідження, що проводяться на кафедрі використання водної енергії і гідромашин Рівненського державного технічного університету, згідно із загально-кафедральним планом та планом держбюджетних і госпдоговірних робіт університету і є продовженням науково-дослідної роботи “Удосконалення існуючих типів вакуумних систем автоматизованих насосних станцій” (№ ГР 01900013852).

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є удосконалення існуючих та розробка нових аналітичних та чисельних методик розрахунку технологічних процесів вакуумних систем АНС та розробка нових пристроїв для заливу відцентрових насосів. Об'єктом досліджень є робочі цикли вакуумних установок, а предметом досліджень – конструкції вакуумних установок, тривалість робочого циклу вакуум-систем та вплив параметрів вакуумної установки на характер її роботи.

При вивченні технологічних процесів вакуумних установок використовувався метод експериментальних досліджень складних систем за їх окремими елементами, а при обробці отриманих матеріалів –методи математичної статистики, фізичного та математичного моделювання.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі задачі:

- провести аналіз фізичних процесів та явищ, які відбуваються у вакуумних комунікаціях і вакуум-котлі під час технологічних процесів, що протікають у вакуумних системах на АНС гідромеліоративних систем;

-проаналізувати та удосконалити моделі і методи аналітичних та чисельних розрахунків робочих циклів вакуумних установок;

- розробити на ЕОМ програми розрахунку робочих характеристик вакуумних насосів або ежектора, часу заливу відцентрового насоса та параметрів робочого циклу вакуумних систем, оснащених вакуум-насосом або ежектором з вертикальним або горизонтальним вакуум-котлом;

- виконати експериментальне визначення розрахункових параметрів робочого циклу вакуумної системи і експериментальну перевірку запропонованих методик розрахунку;

- провести оцінку впливу характеру та розмірів окремих елементів вакуум-системи на її технологічний процес та дати відповідні рекомендації з метою збільшення тривалості часу роботи вакуумної установки;

- розробити нові пристрої для заливу відцентрових насосів, установлених на насосних станціях з позитивною висотою всмоктування.

Наукова новизна одержаних результатів. Експериментальним та розрахунковим шляхом вперше отримано графічну залежність тривалості робочого циклу вакуумної установки від початкового рівня води у вакуум-котлі, висоти та площі поперечного перерізу вакуум-котла, часу роботи вакуум-насоса, площі живильної труби вакуум-котла та коефіцієнта витрати живильної труби. Запропоновано нові залежності для експериментального визначення витрати повітря, підсмоктаного у вакуум-систему. Отримана аналітична залежність для визначення приведеної площі живильної труби та графічна залежність вакууму і рівнів води у вакуум-котлі та тривалості всіх періодів робочого циклу від значень приведеної площі живильної труби. Вперше отримано залежність коефіцієнта витрати та приведеної площі живильної труби від довжини, діаметра і коефіцієнта шорсткості стінок труби, а також суми втрат напору в ній.

Практичне значення одержаних результатів. Результати роботи дозволяють визначати при реконструкції, проектуванні та експлуатації насосних станцій параметри основних елементів вакуумних систем з метою забезпечення більшої тривалості робочого циклу та економії електроенергії під час їх роботи.

Складено та реалізовано на ЕОМ програми розрахунку робочих характеристик вакуум-насоса або ежектора, параметрів робочого циклу вакуумної системи, оснащеної вакуумним насосом і ежектором, часу заливу відцентрового насоса і приведеної площі живильної труби. Розроблений пакет програм має закінчений вигляд і готовий до інженерного використання, як фрагмент САПР систем заливу робочих насосів АНС. Запропоновано удосконалену методику аналітичного розрахунку часу заливу відцентрового насоса з урахуванням поздовжнього профілю всмоктувальної труби. Пропонується методика експериментального визначення приведеної площі живильної труби вакуум-котла і методика перерахунку характеристик робочого циклу вакуумних установок.

Результати досліджень впроваджені при вивченні вакуумної системи діючої насосної станції в с.Бечаль Костопільського району Рівненської області та представлені у Рівненське обласне управління меліорації і водного господарства “Рівнеоблводгосп” у вигляді рекомендацій. Окремі результати досліджень у вигляді рекомендацій передані у ВАТ “Укрводпроект” (м. Київ). Нові конструкції систем заливу відцентрових насосів підтверджені патентами України.

Особистий внесок здобувача. В ході підготовки дисертаційної роботи особисто отриманими здобувачем результатами є:

- проведення аналізу фізичних процесів та явищ, які відбуваються у вакуумних комунікаціях і вакуум-котлі під час робочого циклу вакуум-системи та дослідження технологічних процесів вакуумних систем;

- розробка та реалізація на ЕОМ програм розрахунку робочих характеристик вакуум-насоса або ежектора, параметрів робочого циклу вакуумної системи, оснащеної вакуумним насосом і ежектором, часу заливу відцентрового насоса і приведеної площі живильної труби;

- виконання розрахунково-теоретичних дослідженнь для удосконалення аналітичних методів розрахунку параметрів вакуумної системи та методики визначення витрати повітря, що підсмоктується у вакуум-систему і проведення експериментальної перевірки на натурній установці;

- аналітична залежність для визначення приведеної площі живильної труби, яка дозволяє проводити розрахунки енерго-економічних показників вакуумної установки;

- підготовка та проведення експериментів для визначення робочих характеристик вакуум-насосів і ежектора та дослідження впливу початкового рівня води у вакуум-котлі, часу роботи вакуумного насоса, діаметра живильної труби на тривалість робочого циклу;

- розробка принципу подібності для перерахунку параметрів технологічних процесів вакуумної установки;

- розробка нових пристроїв для заливу робочих та підтримання у залитому стані резервних відцентрових насосів насосних станцій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень, що включені до дисертації доповідалися на:

- Науково-технічних конференціях викладачів, співробітників і студентів Рівненського державного технічного університету (м. Рівне, 1998, 1999, 2000 рр.);

- Міжнародній науково-практичній конференції "Проблемы мелиорации и сельского хозяйства на современном этапе" (м. Горки, БСГА, 1999р.);

- Всеукраїнській науково-практичній конференції аспірантів та студентів “Соціально-економічні проблеми України на порозі ХХІ сторіччя” (м. Нікополь, НІУБіП, 2000 р.);

- Міжнародній науково-практичній конференції "Проблемы мелиоративного строительства и водохозяйственного обустройства на современном этапе" (м. Горки, БСГА, 2000 р).

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 14 праць, із них 7 статей у фахових виданнях, 2 депоновані статті, 3 тези доповідей, 2 патенти України.

Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, 44 рисунків, 22 таблиць і 11 додатків. Список використаних джерел включає 135 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показано актуальність дисертаційної роботи, зв'язок її з науковими програмами, наведено мету і задачі досліджень, наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача, дається стисла характеристика дисертаційної роботи.

У першому розділі наведено історичний огляд і аналіз існуючих на сьогодні досліджень систем заливу робочих та підтримання у залитому стані резервних відцентрових насосів АНС гідромеліоративних систем.

Досить детально проблему заливу відцентрових насосів розглянули Вишневський К.П., Карелін В.Я., Мінаєв А.В., Кривченко Г.І., Лисов К.І., Чаюк І.А., Назаров М.Т., О.Д. Петрик, Подласов О.В., Палішкін М.А., Турк В.І., Руднєв С.С., Євреєнко Ю.П., Ричагов В.В., Чебаєвський В.Ф., Черкаський В.М. Дослідження систем заливу відцентрових насосів, зокрема вакуумних систем, останнім часом є одним із напрямків робіт, що виконуються на кафедрі використання водної енергії і гідромашин РДТУ.

Властивості газів і рідин, закони їх протікання та явища, що супроводжують процеси руху рідини у трубопроводах висвітлені у працях І.І. Агроскіна, Альтшуля О.Д., Кисєльова П.Г., Большакова В.А., Гарника В.К., Жабо В.В., Константінова Ю.М., Науменко І.І., Герасимова Г.Г., Крисенкова М.І. Дослідження пов'язані із вивченням вакууму, загальні характеристики фізичних процесів, які відбуваються під його впливом описані у Б.С. Даніліна, Данильчука В.М., Б.І. Корольова, Розанова Л.Н. Питанню автоматизації і диспетчеризації технологічних процесів, які відбуваються на АНС, до складу яких входить і питання автоматизації систем заливу присвячені роботи Баховця Б.А., І.Л. Кримського, Шевченка О.В.

У розділі викладені сучасні вимоги до проектування і експлуатації вакуум-систем АНС, наведено теоретичні основи розрахунку робочих циклів вакуумних установок. Описано перспективи розвитку систем заливу робочих та підтримання у залитому стані резервних відцентрових насосів АНС. Результатом аналізу основних праць є обгрунтовано вибрана методика досліджень та сформульовані задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі викладені склад і зміст експериментальних досліджень, приділено увагу їх плануванню. Описана конструкція експериментальної установки, наведено характеристику контрольно-вимірювальної апаратури, а також експериментально отримані характеристики вакуумної установки.

Викладено методику проведення досліджень для зняття робочих характеристик вакуум-насоса та ежектора і параметрів робочого циклу вакуумної системи. Описано методику досліджень для визначення впливу заливу вакуумного насоса на його робочу характеристику, а також для визначення витрати повітря, підсмоктаного до вакуум-системи.

Наводяться формули перерахунку об'ємної витрати повітря (Q), пiдсмоктаного у вакуумний котел, у координати масової витрати (G), що описуються лінійними залежностями виду G=a-bhBAK, (де hBAK – вакуум у вакуумній системі, м; a, b - емпіричні коефіцієнти).

Під час чисельних та аналітичних розрахунків користуватися характеристиками у координатах приведеної об'ємної (-hвак) і масової (G-hвак) витрат зручніше, ніж характеристикою об'ємної витрати. Наприклад, якщо розрахунок робочого процесу вакуум-системи проводиться на ЕОМ і до програми розрахунку включено декілька марок вакуумних насосів, то при використанні характеристики Q-hвак потрібно ввести у програму для кожного насоса поліном, який складається із чотирьох-п'яти членів, тоді як при використанні двох останніх характеристик - всього лише двочлен. Порівнюючи між собою характеристики -hвак і G-hвак, перевага надоється останній, тому що поняття масова витрата є більш чітким і визначеним, ніж поняття приведена об'ємна витрата повітря.

Основною характеристикою роботи вакуумної системи є її робочий цикл.

Робочий цикл вакуумної системи – це умовна назва технологічного процесу, під час якого робочі та резервні насоси НС з допомогою вакуумних систем перебувають у готовності до пуску, тобто у залитому стані. У подальшій роботі технологічні процеси, які відбуваються у вакуумній установці будуть називатися робочим циклом. Складається цей цикл, як правило, з трьох характерних періодів:

-період роботи вакуум-насоса, коли вакуум зростає від hвак,А=ZА до hвак,Вў, а рівень води у вакуум-котлі за рахунок відкачування повітря збільшується від відмітки ZА до ZВ;

-період добігання рівня води у вакуумному котлі до свого максимуму, коли при відключеному вакуум-насосі рівень води за рахунок підсмоктуючої сили вакууму продовжує збільшуватися від ZВ до ZС, а вакуум, навпаки, внаслідок підсмоктування до вакуум-котла повітря зменшується від hвак,Вў до hвак,С=ZС;

-період зпрацювання рівня води і вакууму у котлі, коли за рахунок пiдсмоктування повітря іззовні та газовиділення всередині установки вакуум і рівень води у котлі одночасно знижуються від hвак,С=ZС до hвак,А=ZАў=ZА.

Тривалість кожного з вищеназваних періодів становить відповідно t1, t2 і t3, а тривалість усього робочого циклу tц=t1+t2+t3.

У розділі досліджено вплив окремих параметрів вакуумної системи на тривалість робочого циклу вакуум-системи. Щодо шляхів збільшення тривалості робочого циклу вакуумної установки, то вони у більшості випадків пов'язані з додатковими затратами енергії та грошових ресурсів. Так, наприклад, збільшення висоти і площі вакуумного котла і площі живильної труби вимагає додаткових капіталовкладень. Але з іншого боку, збільшення тривалості робочого циклу зменшує зпрацювання обладнання установки і витрати енергії при її експлуатації. Тому вибір оптимальних розмірів вищеназваних елементів вакуумної системи є інженерно-економічною задачею.

Результати експериментальних досліджень представлені у таблиці 1.

Таблиця 1

Вплив параметрів вакуумної установки на тривалість її робочого циклу

Досліджуваний параметр t1+t2, c tц=t1+t2+t3, c hBAK Bў, м ZB, м hBAK,C =ZC м

ZA= 3,0 м 88 1020 6,06 3,50 3,85

3,2 80 945 6,40 3,72 4,07

3,4 76 865 6,75 3,94 4,21

3,6 70 780 7,13 4,16 4,53

d= 50 мм 60 855 6,65 3,36 3,65

81,5 49 945 6,40 3,72 4,07

200 30 1245 4,60 4,39 4,25

t1= 15 c 39 615 5,28 3,41 3,68

30 56 945 6,40 3,72 4,07

45 60 1175 7,13 4,07 4,06

60 65 1330 7,59 4,43 4,40

Наприклад, із збільшенням початкового рівня води ZА від 3,0 до 3,6 м, тобто із зменшенням повітряного прошарку у вакуум-котлі (ZK=4,56 м=const), час робочого циклу скорочується від 1020 до 780 секунд. Отже, доцільно назначати відмітку початкового рівня по можливості більш низькою, але не нижче відмітки верхів корпусів відцентрових насосів, розміщених під заливом.

Збільшення площі поперечного перерізу (а відповідно і діаметра) живильної труби d від 50 до 200 мм внаслідок збільшення притоку води у вакуумний котел призводить до зменшення другого періоду робочого циклу вакуум-системи (періоду добігання води і спадання вакууму), але помітно збільшується тривалість циклу tц від 855 до 1245 секунд.

Збільшення площі поперечного перерізу SK вакуум-котла від 0,3 до 0,9 м2 призводить до збільшення тривалості tц від 676 до 993 секунд. Очевидно, що із збільшенням об'єму котла тривалість циклу збільшується, що пояснюється більшим об'ємом повітряного прошарку вакуумного котла. Але, оскільки вартість котла при цьому також збільшується, то питання про розміри котла повинно вирішуватись на основі техніко-економічного порівняння варіантів.

При збільшенні часу роботи вакуумного насоса в робочому циклі t1 від 15 до 60 секунд, спостерігалося збільшення тривалості робочого циклу tц від 615 до 1330 секунд. Це пояснюється тим, що за більший проміжок часу рівень води у вакуум-котлі підніметься на вищу відмітку, а швидкість спадання рівня води при подібних умовах експлуатації вакуумної установки буде практично однаковою.

Збільшення коефіцієнта витрати живильної труби m від 0,2 до 0,7 призводить до збільшення тривалості робочого циклу tц від 807 до 964 с. Оскільки при всіх інших рівних умовах m зростає разом із збільшенням діаметра труби і зменшенням її довжини, то живильну трубу доцільно встановлювати по-можливості більших поперечних перерізів і по-можливості більш короткою.

Проведено перевiрку методики розрахунку часу заливу відцентрового насоса, яку виконано на діючій насосній станції меліоративно-екологічного комплексу базового господарства науково-навчально-виробничого центру КСП “Світанок” в с. Бечаль Костопільського району Рівненської області. Виконана оцінка точності вимірювання основних параметрів при проведенні досліджень.

У третьому розділі наведено алгоритми та опис розроблених на ЕОМ програм розрахунку робочих характеристик вакуум-насоса або ежектора, робочого циклу вакуумної системи АНС, оснащеної вакуум-насосом або ежектором з вертикальним та горизонтальним вакуум-котлами, часу заливу відцентрового насоса з урахуванням поздовжнього профілю всмоктувальної труби, а також порівнюються результати розрахунків та результати експериментальних досліджень та аналізуються результати розрахунків за цими програмами.

На основі проведених досліджень виконано порівняння робочих циклів вакуумних систем, оснащених вакуум-насосом або ежектором, з вертикальним або горизонтальним вакуум-котлами, які доводять перевагу використання вакуум-насосного обладнання та рівність тривалості робочих циклів вакуум-систем, оснащених вертикальним і горизонтальним вакуум-котлами.

Розглянемо енергоекономічне порівняння роботи вакуумних установок АНС, оснащених вакуумним насосом і ежектором. Для цього нами було проведено ряд досліджень робочих циклів вакуумної системи, оснащеної різними вакуум-насосами (РМК-2* і RV-550-01-EE) та ежектором з трьома змінними соплами з діаметрами 25, 30 і 35 мм. Результати досліджень наведено у таблиці 2. Крім того, було проведено ряд розрахунків на ЕОМ робочих циклів вакуумних систем, які оснащені іншими вакуумними насосами типу КВН, ВВН і РМК. Результати розрахунків також показані у таблиці 2.

Як видно з таблиці, при усіх однакових геометричних параметрах вакуумної системи та рівному часі роботи вакуум-насоса або ежектора, кращі енергоекономічні показники мають вакуумні насоси (потужність електродвигунів насосів була прийнята з технічних характеристик, поміщених у довідковій літературі). Крім того, пуск ежектора потребує увімкнення відцентрового насоса, який подаватиме робочу рідину у камеру змішування ежектора. Цей відцентровий насос усвою чергу теж потрібно постійно тримати під заливом, що потребує установки на АНС одного вакуумного насоса (це особливо актуально під час першого пуску).

Тому при проектуванні систем заливу відцентрових насосів під час експлуатації чи реконструкції існуючих вакуумних установок АНС, рекомендується встановлювати саме вакуум-насосне допоміжне обладнання.

Таблиця 2

Енергоекономічні характеристики вакуумної системи в залежності від марки

вакуум-насоса або діаметра сопла ежектора

Марка вакуум-насоса Час робочого циклу, tЦ, с К-ть увімкнень обладнання в рік, n Час роботи ел. двигуна, tдв, год Витрачена енергія, Е, кВт·год Вартість ел.енергії, S, грн/рік

КВН-8 562 56153 476, 94 1335, 4 173, 60

ВВН-1,5 968 32601 271, 68 1086,7 141, 27

ВВН-12 1240 25450 212, 08 4241, 6 551, 41

РМК-2* 840 37569 313, 08 3130, 8 407, 00

РМК-4 1223 25803 215, 03 15052, 1 1956,77

RV-550-01-EE 753 41910 349, 25 2619,4 340, 52

сопло Ж 25мм 272 115942 ежектор 966, 18 16908,15 2198,06

сопло Ж 30мм 416 75808 631, 73 11055,28 1437,19

сопло Ж 35мм 373 84547 704, 56 12329,8 1602,87

Вакуумні установки насосних станцій, як правило, оснащені вертикальними вакуум-котлами, але інколи на насосних станціях влаштовують і горизонтальні вакуум-котли. Як приклад, можна навести вакуумну установку насосної станції підкачки радгоспу “Ворзельський” Києво-Святошенського району Київської області. Тому було проведено спеціальне дослідження робочих процесів вакуумних установок з горизонтальними вакуум-котлами.

Для об'єктивності та достовірності порівняння та можливості співставлення результатів розрахунку розміри вакуумних котлів були прийняті однаковими (DK=0,8 м, lK=1,8 м). Однаковими також приймалися об'єми повітряних прошарків у вакуумному котлі VП=0,782 м3 і початкові рівні води у вакуумних котлах (ZA=3,106 м).

Результати аналізу свідчать про те, що тривалість робочих циклів в обох випадках компоновки вакуумних установок є практично однаковою (відповідно, 872,4 с – для горизонтального вакуум-котла і 876 с – для вертикального). Виконані дослідження свідчать про те, що обидва варіанти компоновки вакуумних систем (із вертикальним і горизонтальним вакуумними котлами) з енергетичної точки зору є абсолютно однаковими і перевага того чи іншого варіанту визначається лише умовами розмішення вакуумної системи в приміщенні насосної станції і обумовлюється вимогами розміщення основного та допоміжного обладнання насосної станції.

Пропонується удосконалений метод визначення параметрів підсмоктаного повітря, суть якого полягає у тому, що замiсть розв'язання системи із 3ё5 рівнянь, необхідно визначити середні значення масової витрати повітря і коефіцієнта Есер:

Після цього задаємося будь-яким із параметрів витрати повітря через нещільності вакуум-системи, які омиваються водою DG або через нещільності, що знаходяться у повітрі SH - і визначаємо інший, наприклад SH, і отримуємо значення

(1)

Перевірка запропонованої методики показує, що похибка буде в межах точності розрахунку (близько 2 %), якщо прийняти DG+SH·Е=const=Gґсер.

У четвертому розділі розглянуто питання використання принципів подібності для перерахунку характеристик робочого циклу вакуумної установки з дотриманням виконання умов подібності натурних і модельних параметрів системи.

Описано методику визначення приведеної площі живильної труби mSТ. У результаті розрахунків було отримано середні значення Для кожної серії дослідів будуємо криву.

Користуючись цією кривою, можна побудувати графіки робочого циклу для будь-якої вакуумної установки, оснащеної живильною трубою, яка має показник mST менший або рівний, ніж максимальне значення показника на рис.1., тобто менше, ніж

Виконана перевірка на вакуумній установці, оснащеній живильними трубами з діаметрами dm=81,5 і dm=50 мм показала, що координати характерних точок графіків робочих циклів вакуумних систем, що порівнюються, практично співпали.

Для визначення параметра приведеної площі живильної труби вакуумного котла отримано залежність:

(2)

З отриманої формули видно, що із збільшенням діаметру труби d параметр mST зростає, а при зростанні довжини труби l, коефіцієнта шорсткості стінок труби n та суми коефіцієнтів місцевих опорів еzi - він, навпаки, зменшується. Оскільки при виведенні залежності не вводилися ніякі обмеження, то вона справедлива для будь-яких значень d, l, n та еzi живильних труб вакуумних котлів. Після цього визначаємо, як впливає параметр mST на такі показники робочого циклу установки, як тривалість робочого циклу tц, тривалість третього періоду спадання рівня води у вакуумному котлі t3, вакууму hBAK,Bў та рівні води у вакуум-котлі ZB та ZC .

Для більшої наочності на рис.2 наведено графіки залежності п'яти вищеназваних параметрів робочого циклу від параметра mST.

Графіки свідчать про те, що зі збільшенням mST вакуум hBAK,Bў знижується, а рівень ZB, навпаки, зростає. У границях різниця (hBAK,Bў-ZB) прямує до нуля. Взаємне наближення hBAK,Bў і ZB призводить до скорочення тривалості другого періоду (t2) у робочому циклі.

Вертикальними перерізами графіків, (таких перерізів можна зробити скільки завгодно, наприклад, переріз 1-1) отримуємо стільки ж даних для побудови графіків робочого циклу. Таким чином у результаті проведених досліджень розкрито, по суті, принцип подібності робочих процесів вакуумних установок.

Побудовані графіки залежності параметрів l, d, n i еzi від коефіцієнта витрати живильної труби m свідчать про те, що із збільшенням l, n та еzi коефіцієнт витрати живильної труби зменшується, а з рис. 3 випливає, що із зменшенням m тривалість робочого циклу вакуумної установки при постійній тривалості роботи вакуум-насоса також зменшується, що призводить до збільшення енергоємності робочого процесу вакуумної установки. Отже, для економії при експлуатації вакуумної установки довжину живильної труби, коефіцієнт шорсткості і коефіцієнт місцевих опорів слід якомога зменшувати.

На основі проведених експериментальних досліджень розроблені нові конструкції для заливу відцентрових насосів автоматизованих насосних станцій. Вони дозволяють збільшити тривалість робочого циклу вакуумної системи та покращити її енергоекономічні характеристики.

Водоповітряний ежектор (патент України № 34202 А), працює наступним чином.

Від відцентрового насоса робоча рідина (вода) потрапляє до підвідної труби 1. Проходячи крізь спіральну ділянку 2 робоча струмина набуває направленого обертового руху, внаслідок чого енергія її збільшується.

Із сопла 3 робоча струмина викидається з де-якою швидкістю у камеру змішування 4, проходячи через яку, захоплює певну кількість повітря. Внаслідок цього у камері змішування 4 виникає розрідження (вакуум), за рахунок якого по всмоктувальній трубі 8 підсмоктується повітря, яке необхідно відкачати.

У камері змішування 4 і колекторі 5 відбувається вирівнювання енергій робочої (водяної) та підсмоктаної (повітряної) струмин, а у дифузорі 6 відновлюється потенційна енергія потоку. По напірній трубі 7 гідроповітряна суміш відводиться до приймача повітря.

Слід зауважити, що отримання вищеописаного ефекту можливе лише при малих (1,5ё30) кутах похилу нарізної ділянки ежектора відносно осі підвідної труби. Пояснюється це тим, що зменшення швидкості потоку буде незначним, а закручування струмини дозволить захопити більше повітря, тобто створити у камері змішування більший вакуум.

Установка для заливу відцентрового насоса (патент України № 34203 А), яка зображена на рис. 5, працює наступним чином.

По паропостачальному трубопроводу 1 до вакуумного бака-конденсатора 3 надходить перегріта пара. Паровий вентиль із зворотнім клапаном 2 перекриває надходження перегрітої пари після команди реле тиску 4, яке спрацьовує після того, як у вакуумному котлі-конденсаторі 3 встановиться розрахункове значення тиску перегрітої пари. У перегрітому стані пара займає певний об'єм Vп.п. У вакуумному баці-конденсаторі 3 відбувається охолодження пари і конденсація її, за рахунок чого у ньому і виникає розрідження. Під дією вакууму вода по всмоктувальній трубі 6 піднімається із джерела води 7 у вакуумний бак-конденсатор 3, а звідти по живильній трубі 8 вона заливає відцентровий насос 9 та всмоктувальний трубопровід 10.

Завдяки наявності нещільностей у системі при вимкненому відцентровому насосі 9 у вакуумний бак-конденсатор 3 буде потрапляти повітря, внаслідок чого рівень води у вакуумнму баці-конденсаторі 3 буде понижуватися. При досягненні нижнього встановленого розрахункового рівня води вмикається реле-сигналізатор рівня води у котлі 5 і дає команду на заповнення вакуумного бака-конденсатора 3 новою порцією перегрітої пари.

Збільшення тривалості робочого циклу системи можливе за рахунок поступового охолодження перегрітої пари. З цією метою стінки вакуумного бака-конденсатора виконано рифленими. Збільшення тривалості робочого циклу призведе до підвищення ефективності роботи насосної установки, а також до зменшення витрат електроенергії.

Хоча запропонована система і є дещо складнішою за інші системи заливу відцентрових насосів, однак вона при наявності незалежного джерела перегрітої пари дає змогу відмовитися від вакуумного насоса або ежектора і при відповідному техніко-економічному обгрунтуванні може бути рекомендована до застосування на насосних станціях.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено теоретичні узагальнення і нове вирішення наукового завдання, що виявляється у вивченні технологічних процесів систем заливу відцентрових насосів, які установлюються на АНС з позитивною висотою всмоктування, удосконаленні методики розрахунків технологiчних процесiв вакуумних установок, а також конструкцій таких систем. Вирішення цього завдання дозволяє більш ефективно визначати при реконструкції, проектуванні та експлуатації насосних станцій параметри основних елементів вакуумних систем з метою забезпечення більшої тривалості робочого циклу та економії електроенергії під час їх роботи.

2. На сучасному етапі вивченню технологічних процесів, які відбуваються у вакуумних системах під час заливу робочих або підтримання у залитому стані резервних відцентрових насосів, які установлені на насосних станціях із позитивною висотою всмоктування, приділяється значна увага, але разом з тим, ряд питань потребує подальшого вивчення і тому вони є досить актуальними.

3. Розроблена методика перерахунку робочих характеристик вакуум-насосів із координат об'ємної витрати у координати приведеної та масової витрат, які описуються лінійними рівняннями, що дає можливість значно спростити аналітичні розрахунки робочих циклів вакуум-систем.

4. На основі аналізу фізичних процесів, що відбуваються під час роботи вакуумних установок, проведено оцінку впливу параметрів вакуум-системи на характер її роботи. Це дозволяє призначати такі розміри елементів вакуумних систем, що забезпечують збільшення тривалості робочого циклу та економії електроенергії.

5. Розроблені програми розрахунків на ЕОМ робочих характеристик вакуум-насоса або ежектора, робочого циклу вакуумної системи, оснащеної вакуумним насосом або ежектором з горизонтальним та вертикальним вакуум-котлами, часу заливу відцентрового насоса і приведеної площі живильної труби, можуть використовуватися при розрахунках чисельним методом за відомими параметрами вакуум-системи, для обробки результатів експериментів та їх порівняння. Розроблений пакет програм має закінчений вигляд і готовий до інженерного використання та може бути використаний як фрагмент системи автоматизованого проектування пристроїв для заливу відцентрових насосів.

6. Виконана експериментальна перевірка точності аналітичних та чисельних вирішень на установці натурних розмірів у лабораторії та на діючій насосній станції в с.Бечаль Костопільського району Рівненської області дозволяє рекомендувати запропоновані методики розрахунків в інженерній практиці та дослідницькій роботі. Використання загальноприйнятих методів досліджень на експериментальній установці натурних розмірів та порівняння отриманих результатів із результатами інших авторів підтверджують достовірність експериментальних досліджень.

7. Пропонуються удосконалена методика визначення витрати повітря, підсмоктаного у вакуум-котел під час роботи вакуумної установки та методика розрахунку часу заливу відцентрового насоса з урахуванням поздовжнього профілю всмоктувальної труби, які дозволяють проводити розрахунки та аналіз технологічних процесів вакуумних систем.

8. Запропоноване порівняння вакуумних установок, оснащених вакуум-насосом або ежектором, вертикальним або горизонтальним вакуум-котлами, дозволяють підібрати при проектуванні чи реконструкції насосних станцій такий варіант компонування обладнання вакуумної установки, який забезпечує максимальну економію енергоресурсів.

9. Всі вирішення параметрів отримані для адіабатичного закону розширення та стиснення газів, що збільшує можливості їх використання.

10. Розроблена методика визначення приведеної площі живильної труби вакуум-котла, дозволяє застосовувати принцип подібності для перерахунку параметрів робочого циклу однієї вакуумної установки на іншу. Запропонована на основі принципу подібності методика економічного обґрунтування діаметра живильної труби враховує близько двадцяти факторів впливу і дає змогу визначати економічно найвигідніший діаметр.

11. Отримані аналітичні залежності для визначення коефіцієнта витрати та приведеної площі живильної труби. Оскільки ці залежності включають в себе основні параметри вакуумної системи (діаметр, довжину, коефіцієнт шорсткості стінок труби та ін.), це дозволяє аналізувати їх вплив на параметри робочого циклу вакуум-системи та підбирати економічно найвигідніший варіант компонування вакуумного устаткування.

12. Запропоновані нові пристрої для заливу відцентрових насосів, установлених на насосних станціях з позитивною висотою всмоктування, підтверджені патентами України.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ

По темі дисертації опубліковано 14 наукових праць. Основні результати викладені у наступних публікаціях:

1. Філіпович Ю.Ю. Розрахунок робочого циклу вакуумної системи автоматизованих насосних станцій на ЕОМ // Вісник УДАВГ.- Вип.1.- Ч.2. Гідромеліорація та гідротехніка.- Рівне, 1998.- С.79-82.

2. Філіпович Ю.Ю. Вплив заливу вакуум-насоса на характер його роботи // Гідромеліорація і гідротехнічне будівництво.- Вип. 23.- Рівне, 1998.- С.87-92.

3. Філіпович Ю.Ю. Розрахунок на ЕОМ робочого циклу вакуумної системи з ежекторною установкою // Гідромеліорація і гідротехнічне будівництво.- Вип. 23.- Рівне, 1998.- С. 83-87.

4. Філіпович Ю.Ю. Вплив розмірів елементів вакуумної системи автоматизованої насосної станції на тривалість її робочого циклу // Водне господарство України.- 1999.- № 5-6.- С. 39-41.

5. Філіпович Ю.Ю. Моделювання робочого циклу вакуумної установки // Вісник РДТУ.- Вип.2.- Ч.1. - Рівне, 1999.- С.237-240.

6. Назаров М.Т., Філіпович Ю.Ю. Робочий процес вакуумної установки автоматизованої насосної станції і зв'язок його з параметрами живильної труби // Вісник РДТУ. Гідромеліорація і гідротехнічне будівництво.- Зб. наук. праць. Спецвипуск.- Рівне, 1999.- С. 145-151.

7. Назаров М.Т., Філіпович Ю.Ю. Вплив параметрів живильної труби вакуумної установки на її енерго-економічні показники //Водне господарство України.- 2000.- №3-4.- С.53-54.

8. Филипович Ю.Ю. Определение параметров подсоса воздуха при работе вакуумных установок автоматизированных мелиоративных насосных станций // Материалы международной научно-практической конференции.- Беларусь, г.Горки, БСХА, 1999.- С.222-226.

9. Філіпович Ю.Ю., Баришевська В.В. Енергоекономічне порівняння роботи вакуумних установок автоматизованих насосних станцій, оснащених вакуум-насосом та ежектором // Матеріали Всеукр. наук. конф. студ. та асп.- м.Нікополь, НІУБіП, 2000.- С.61-62.

10. Филипович Ю.Ю. Установка для заливки центробежных насосов мелиоративных насосных станций // Проблемы мелиоративного строительства и водохозяйственного обустройства на современном этапе.- г. Горки, БСХА, 2000.- С.125-129.

11. Назаров Н.Т., Петрик А.Д., Назаров С.Н., Филипович Ю.Ю. Характеристики водокольцевых вакуумных насосов в координатах G-V.- Ровно, 1996.- Деп. в ГНТБ Украины 12.12.96, №2386, Ук-96.- 7с.

12. Філіпович Ю.Ю. Дослідження вакуумної установки насосної станції в с. Бечаль КСП “Світанок” Костопільського району, Рівненської області.- Рівне, 2000.- Деп. в ДНТБ України 18.01.2000 №39-Ук-2000.- 8 с.

13. Пат. 34202 А України, МКИ 6 F 04D 9/00. Водоповітряний ежектор / Філіпович Ю.Ю. (Україна).- Заявл. 15.06.99; Опубл. 15.02.01, Бюл. №1.- 4 с.

14. Пат. 34203 А України, МКИ 6 F 04D 9/00. Установка для заливу відцентрового насоса / Філіпович Ю.Ю. (Україна).- Заявл. 15.06.99; Опубл. 15.02.01, Бюл. №1.-4 с.

АНОТАЦІЯ

Філіпович Ю. Ю. Удосконалення конструкцій і методики розрахунку вакуумних установок автоматизованих насосних станцій.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 06.01.02 – сільськогосподарські меліорації (технічні науки).- Рівненський державний технічний університет, Рівне. 2001 р.

Оцінено вплив параметрів вакуумних установок (розмірів вакуумного котла, живильної труби, початкового рівня води у вакуум-котлі, часу роботи вакуум-насоса та ін.) на характер технологічного процесу вакуумної системи. Розроблено програми розрахунку робочого циклу вакуум-установки, оснащеної вакуум-насосом та ежектором, вертикальним і горизонтальним вакуум-котлом та часу заливу відцентрового насоса. Вперше розроблено принцип подібності для перерахунку характеристик робочого циклу вакуумних установок. Розроблена методика визначення приведеної площі живильної труби, досліджено її вплив на роботу вакуумної установки. Пропонуються нові пристрої для заливу відцентрових насосів.

Ключові слова: вакуумна установка, залив відцентрового насоса, гідроповітряний вакуумний котел, робочий цикл вакуумної системи, живильна труба вакуумного котла, принцип подібності.

АННОТАЦИЯ

Филипович Ю.Ю. Усовершенствование конструкций и методики расчета вакуумных установок автоматизированных насосных станций.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 06.01.02 – сельскохозяйственные мелиорации (технические науки).- Ривненский государственный технический университет, Ривне. 2001 г.

Объектом исследований являются рабочие циклы вакуумных установок автоматизированных насосных станций гидромелиоративных систем, а предметом исследований – конструкции вакуумных установок, продолжительность рабочего цикла вакуум-системы и влияние её параметров на характер работы. Предлагается методика пересчета рабочих характеристик вакуумного насоса из координат обьемного в координаты массового расхода воздуха, имеющие линейную зависимость. Исследовано влияние параметров вакуумных установок на характер их рабочего процесса, что позволяет назначать размеры элементов, обеспечивающие максимальную продолжительность рабочего цикла и экономию электроенергии. Усовершенствована методика определения количества воздуха, подсосаного в вакуум-котел при работе вакуум-системы. Разработана методика расчета времени заливки центробежного насоса с учетом продольного профиля всасывающей линии, результаты которой сравниваются с результатами, полученными на действующей насосной станции в с.Бечаль Костопольского района Ривненской области. Разработаны программы расчета рабочего цикла вакуумной установки, оборудованной вакуум-насосом и эжектором, вертикальным и горизонтальным вакуум-котлами. Предложенный пакет программ представлен в законченном виде и готов к инженерному использованию, что позволяет создать на его базе фрагмент системы автоматического проектирования устройств для заливки центробежных насосов. Впервые разработан принцип подобия для пересчета характеристик рабочого цикла вакуумных установок и методика определения приведенной площади питательной трубы, исследовано её влияние на работу вакуум-системы. Метод экономического обоснования диаметра питательной трубы, разработанный на основании теории подобия, учитывает ряд различных факторов влияния и дает возможность подбора экономически-наивыгоднейшего диаметра питательной трубы вакуум-системы. При изучении технологических процессов вакуумных систем был использован метод эмпирических исследований, а при обработке полученного материала – методы математической статистики, физического и математического моделирования. Использование общепринятых методов исследований на экспериментальной установке натурных размеров и сравнение полученных результатов с результатами, полученными другими авторами, подтверждает достоверность экспериментальных исследований. Предлагаются устройства для заливки центробежных насосов, установленных на насосных станциях с положительной высотой всасывания.

Ключевые слова: вакуумная установка, заливка центробежного насоса, гидровоздушный вакуумный котел, рабочий цикл вакуумной системы, питательная труба вакуумного котла, принцип подобия.

ANNOTATION

Filipovych Ju. Ju. Improvement of constructions and calculation methods of vacuum plant of automated pumping stations.- Manuscript.

Dissertation for scientific degree of candidate of technical sciences in speciality 06.01.02 – agricultural meliorations.- Rivne State Technical University, Rivne. 2001.

The dissertation considers influence of vacuum plant parameters (sizes of vacuum boiler, feeding pipe, initial water level in the vacuum boiler, vacuum pump time of work etc.) on the character of vacuum-system technological process. The autor worked out a program of calculation for working cycle of the vacuum plant equipped with a vacuum-pump and ejector, vertical and horizontal vacuum-boiler, and also the time of a centrifugal pump filling. The principle of similarity for recalculation of vacuum plant working cycle charac-teristics is eleborated for the first time. The methods of determining the feeding pipe reduced area are developed, and its influence on the vacuum plant work is investigated. The autor suggets new devices for centrifugal pump filling.

Key words: vacuum plant, centrifugal pump filling, hydro-air vacuum boiler, vacuum system working cycle, vacuum boiler feeding pipe, principle of similarity.

Підписано до друку 19.03.2001. Формат 60х84 1/16

Обсяг 0.8 друк. арк. Тираж 100 екз. З.№ 19

Надруковано в Рівненському державному технічному університеті

33000,