Українській державний університет

водного господарства та природокористування

Орел Вадим Ігорович

УДК 532.517.4:532.135:532.55

ВПЛИВ ДОДАТКІВ ПОЛІАКРИЛАМІДУ

НА ВТРАТИ НАПОРУ

В РАПТОВИХ ЗВУЖЕННЯХ І РОЗШИРЕННЯХ ТРУБ

05.23.16 – Гідравліка та інженерна гідрологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Рівне – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Чернюк Володимир Васильович,

доцент кафедри гідравліки та сантехніки

Національного університету “Львівська політехніка”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Хлапук Микола Миколайович,

завідувач кафедри гідротехнічних споруд

Українського державного університету водного

господарства та природокористування;

кандидат технічних наук,

Коваленко Віктор Федорович,

доцент кафедри гідравліки та водовідведення

Київського національного університету

будівництва і архітектури

Провідна установа: Інститут гідромеханіки НАН України, м. Київ

Захист відбудеться 13.06.2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 в Українському державному університеті водного господарства та природокористування за адресою: 33000, м. Рівне, вул. Соборна, 11

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського державного університету водного господарства та природокористування (33028, м.Рівне, вул. Приходька, 75)

Автореферат розісланий 08.05. 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 47.104.01, к.т.н. Востріков В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У технологічних процесах різних галузей господарства України широко використовуються рідинні потоки, на переміщення яких витрачається енергія. Енергомісткими є засоби керування цими потоками, які переважно є турбулентними. У багатьох країнах світу (у тому числі в Україні) ведуться роботи, направлені на керування їхнім гідродинамічним опором: зменшення небажаного та збільшення корисного. Подорожчання електроенергії спонукало до активного пошуку шляхів енергозаощадження. Уряд і Державний комітет України з науки та техніки поставили задачу й далі розробляти та впроваджувати енергоощадні технології.

Для керування напірними потоками успішно застосовуються гідродинамічно активні додатки (ГДАД). Понижуючи турбулентне тертя в прямих циліндричних трубах, ГДАД здатні викликати як зменшення, так і збільшення опору каналів змінного перерізу. У зв’язку з цим постає задача дослідження закономірностей впливу ГДАД на втрати енергії потоків рідин у місцевих опорах трубопроводів. Поглибленого вивчення заслуговують раптові звуження та розширення труб, оскільки звуження та розширення є складовими елементами потоків у будь-якому каналі змінного перерізу. Питання актуальне для гідравлічних систем з трубопроводами діаметрами меншими від 50 мм (найпоширеніших у засобах керування потоками рідин), коли вплив ГДАД найістотніший, і корисною є знакозмінна дія місцевих опорів на втрати напору.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає пунктові 6 статті 7 “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” Закону України “Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки” № 2623-ІІІ від 11 липня 2001 р. Напрямок досліджень проводиться в розвиток теми № ГР 01890009056 “Исследование структуры потока рабочей среды в геометрических неоднородностях трубопроводов гидравлических систем методами визуализации” (керівник – Молчанов А.Д.), яка виконувалася на кафедрі гідравліки та сантехніки Національного університету “Львівська політехніка”.

Метою роботи є встановлення закономірностей впливу додатків поліакриламіду (ПАА) на втрати напору в раптових звуженнях і розширеннях труб.

Задачі дослідження:–

проаналізувати існуючі представлення про вплив ГДАД на втрати напору у трубопроводах;–

експериментально встановити закономірності впливу додатків ПАА на втрати напору в раптових звуженнях і розширеннях труб;–

отримати розрахункові залежності для обчислення коефіцієнтів опорів раптових звужень і розширень труб з урахуванням впливу додатків ПАА;–

уточнити механізм дії полімерних додатків на втрати енергії у раптових звуженнях і розширеннях труб;–

оцінити технічну ефективність та економічний ефект одержаних результатів.

Об’єктами досліджень є гідравліка потоків води та водних розчинів ПАА в раптових звуженнях і раптових розширеннях труб при діаметрах до 50мм.

Предметом дослідження є вплив додатків ПАА на втрати напору в раптових звуженнях і розширеннях труб.

Методи дослідження. Використано такі методи: експериментальний для дослідження потоків рідини з додатками ПАА при течіях в раптових звуженнях і розширеннях труб; чисельний – для обробки отриманих результатів з використанням ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:–

отримано систематичні експериментальні дані для турбулентних течій води з додатками ПАА в трубопроводах з раптовими звуженнями та розширеннями потоку;–

одержано залежності для обчислення втрат напору в раптових звуженнях і розширеннях труб при введенні в потік додатків ПАА;–

уточнено механізм дії полімерних додатків на втрати енергії потоків рідин у раптових звуженнях і розширеннях труб, який базується на тому, що в тих місцевих опорах, де переважають втрати на тертя, додатки понижують гідродинамічний опір, а при домінуванні опору форми – збільшують його;–

запропоновано й обґрунтовано метод перерозподілу витрат рідини між декількома трубопроводами уведенням у потік ГДАД;–

вдосконалено відомий спосіб обчислення втрат енергії в прямій циліндричній трубі за питомою потужністю, що витрачається на подолання опору потоку, і розповсюджено його на раптове розширення труби.

Достовірність наукових досліджень. Наукові положення та висновки, сформульовані в дисертації, підтверджено результатами експериментів, проведених з використанням сучасних методів планування досліджень, методів математичної обробки дослідних даних та співставленням власних наукових результатів з опублікованими результатами інших авторів.

Практичне значення одержаних результатів. Розрахункові залежності дозволяють обчислювати втрати напору в раптових звуженнях і розширеннях труб у потоках з додатками ПАА. Розроблений алгоритм обчислення втрат енергії в раптовому розширенні труби дає змогу точно обчислювати необхідну потужність двигуна для переміщення рідин у трубопровідних системах, насичених місцевими опорами. При використанні запропонованого та запатентованого способу перерозподілу витрат рідини між декількома трубопроводами введенням у потік ГДАД досягається безперервне формування потрібного співвідношення витрат в окремих трубопроводах без залучення сторонніх джерел енергії. Даний спосіб може бути застосований при дозуванні або перемішуванні кількох рідин. Результати дисертаційної роботи знайшли промислове використання: а) при стендовому випробовуванні новостворюваної трубопровідної регулювальної та запірної арматури, що засвідчує акт впровадження, виданий ВАТ “Прикарпатпромарматура” (м.Львів) у 2001 р. з очікуваним річним економічним ефектом 19,3 тис. грн.; б) при перерозподілі потоку 40%-го їдкого натру на два різні потоки у комплексному процесі очищення повітря від сірководню й одержання сульфату натрію, що підтверджує акт впровадження, виданий ТзОВ Науково-виробнича фірма “Реагент” (м. Новий Розділ, Львівська обл.) у 2002 р. з очікуваним річним економічним ефектом 21,6 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення і результати, що наводяться у дисертації, одержані здобувачем особисто у 1995–2003 роках на кафедрі гідравліки та сантехніки Національного університету “Львівська політехніка”. Проведено літературний огляд з питань дослідження ефекту Томса та впливу ГДАД на втрати напору в різних місцевих опорах. Зроблено математичну обробку отриманих експериментальних результатів. Отримано розрахункові залежності для обчислення коефіцієнтів раптових звужень і раптових розширень труб з урахуванням впливу додатків ПАА. Уточнено механізм дії полімерних додатків на втрати енергії потоків рідин у раптових звуженнях і розширеннях труб. Обчислено втрати напору в раптовому розширенні труби за питомою потужністю, що витрачається на подолання опору потоку. У загальному вигляді розв’язано задачу регулювання витрати рідини в гідравлічній системі за допомогою введення в потік ГДАД. Проведено техніко-економічний розрахунок використання додатків ПАА з метою зміни втрат енергії на турбулентне тертя. Взято участь у розробці способу перерозподілу витрат плинного середовища, на якій отримано деклараційний патент України. Намічено напрямки подальших досліджень. У роботах [1,2,8,12,14] експериментальні дослідження течії водних розчинів ПАА крізь раптові звуження та розширення труб при d = 5,81 мм та D=15,72; 25,01; 33,42 мм виконані за участі аспірантів Б.Піцишина та В.Жука. У статті [6] залежності для течій водних розчинів ПАА крізь раптові розширення труб від d = 8,70 мм до D = 15,85; 25,01; 33,42 мм одержано, базуючись на експериментальних даних к. т. н. Р.Гнатіва. Дисертантом у роботі [10] проведено огляд практичного застосування полімерних додатків, зокрема ПАА, для підвищення надійності роботи каналізаційних колекторів, а в [13] – протипожежних систем. У роботах [1,2,6,8,13,14] графічне представлення експериментальних даних, їх аналіз і висновки з впливу додатків ПАА на втрати напору в раптових звуженнях і розширеннях труб зроблено за участі наукового керівника роботи доцента, к. т. н. В.Чернюка.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися та обговорювалися на: IV Жешівсько-Львівській науковій конференції “Problemy Budownictwa i Inzynierii Srodowiska”, 15–16 вересня 1995 р., м.Жешів; українсько-польській науково-технічній конференції “Сучасні проблеми водопостачання і знешкодження стічних вод – Львів 1996”, жовтень 1996 р., м. Львів; науково-практичній конференції “Оцінка техногенного впливу довкілля. Нові технології очистки промвикидів, зворотних вод, переробки відходів”, 20–25 жовтня 1997 р., м. Кременчук; ювілейній науково-технічній конференції “Гидроаэромеханика в инженер-ной практике”, НТУУ “КПІ”, 28–30 травня 1998р., м. Київ; VI міжнародній науковій конференції “Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля”. Львів – Кошице – Жешув, 12–15 вересня 2001 р., м. Львів; міжнародній науково-технічній конференції “Актуальні проблеми водного господарства та природокористування”, УДУВГП, 30 жовтня – 1 листопада 2002 р., м. Рівне; VI міжнародному науково-практичному семінарі “Економія. Екологія. Комфорт”, 25–28 лютого 2003 р., м. Львів та на двох міжкафедральних фахових наукових семінарах “Гідравліка та інженерна гідрологія” в УДУВГП 01.06.2001р. та 25.06.2002р.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 14 праць, з них один деклараційний патент України на винахід, 8 статей у журналах та 2 доповіді і 3 тез доповідей в матеріалах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Загальний об’єм 160 сторінки, включаючи список літератури з 234 назв на 25 сторінках, 12 таблиць на 5 сторінках і додатків трьох на 6 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, подається загальна характеристика роботи, розробляється структурно-логічна схема дисертації.

Розділ 1. Пониження гідравлічного опору додатками. Подано огляд літератури з питання зменшення гідродинамічного опору різними способами при течії рідин у трубопроводах. Показано, що один з найбільших ефектів є при уведенні в потік рідини ГДАД, зокрема полімерних додатків з лінійною будовою молекул великої (більше 105) молекулярної маси. Явище зменшення гідродинамічного опору відоме як ефект Томса.

Базуючись на тому, що ефективність додатків полімерів зі зменшення опору є однією з найбільших серед інших методів, було вивчено літературні джерела з впливу цих додатків на втрати напору в таких місцевих опорах трубопроводів, як конфузори, раптові звуження труб, дифузори, раптові розширення труб і діафрагми. Дослідженням течії потоків з полімерними додатками через ці місцеві опори займалися В.Амфилохієв, С.Бєлов, В.Девісилов, Ю.Іванюта, Б.Ліпатов, І.Повх, Б.Семьонов, Л.Чекалова, В.Чернюк; К.Масаказу, Т.Мотойоші, Ш.Нобуюкі, В.Пісолкар та ін. З’ясовано, що тільки Б.Ліпатовим Липатов Б.В. Исследование влияния полимерных добавок на турбулентное трение при резких измене-ниях живого сечения потока в трубах // Изв. АН СССР. Мех. жидкости и газа. – 1972. – № 2. – С.153-156. зроблено пояснення впливу додатків полімерів на втрати напору в місцевих опорах трубопроводів, який може бути певною мірою зведений до одночасного прояву двох тенденцій. З одного боку, до попереднього зменшення рівня турбулентності в потоці при течії в трубі до місцевого опору. З іншого боку, до збільшення цього рівня в струмені, що утворюється в місцевому опорі при відриві основної течії від стінок труби, які його обмежують. Зроблено висновок, що недостатньо вивчено течії рідин з полімерними додатками крізь раптові звуження і раптові розширення труб. Ці дослідження несистематичні, їх було зроблено без взаємозв’язку між собою. А в більшості поодиноких експериментів неможливо виявити будь-які нові точки зору на фізику досліджуваного процесу.

Розділ 2. Постановка експерименту. Розглянуто вплив ГДАД на покази вимiрювальної апаратури. Обґрунтовано діапазон значень діаметрів досліджуваних труб, які утворюють раптові звуження і розширення. Вибрано схему вимірювання втрат напору. Подано опис експериментальної установки та методики досліджень впливу полімерних додатків на гідравлічні опори раптових звужень і розширень труб та прямих гладких труб. З використанням планування експерименту обґрунтовано діапазон зміни діаметрів від 3,91 до 50,20 мм, коли ще проявляється вплив додатків полімерів на втрати напору в місцевих опорах. Схему експериментального трубопроводу зображено на рис.1. Статичний тиск на ньому становив 3,5 м.

Із 8%-го технічного гелю ПАА (ТУ 6-01-1049-92) виробництва ВАТ “Оріана” (м. Калуш, Івано-Франківська обл.) готувались робочі водні розчини концентраціями від 5·10–6 до 10–3 кг/кг. Для уникнення впливу механічної деструкції ПАА на результати досліджень течія їх розчинів в експериментальному трубопроводі здійснювалася під дією сил гравітації. Реологічні дослідження полімерних розчинів з використанням ротаційного віскозиметра ВСН-3 показали, що вони – псевдопластичні рідини.

Місцеві втрати напору визначали відніманням втрат на тертя, виміряних в трубах з діаметрами D та d, від загальних втрат напору на мірній ділянці трубопроводу, яка містить місцевий опір:

а) для раптового звуження труби

; | (1)

б) для раптового розширення труби

. | (2)

Коефіцієнт гідравлічного тертя обчислювали з формули Дарсі-Вайсбаха:

. | (3)

У цих формулах (h1 – h2), ... , (h5 – h6) – втрати напору на ділянках з довжинами l1–2, ... , l5–6; VD1, Vd, VD2 – середні швидкості течії потоку відповідно в перерізах труб з діаметрами D1, d, D2; D1, d, D2 – коефіцієнти кінетичної енергії потоку; у розрахунках приймали D1dD21.

При визначенні числа Рейнольдса Re, за яким характеризували турбулентність потоку, кінематичну в’язкість розчинів брали такою ж, як для води залежно від температури рідини. Цим встановлювалося значення дійсного (технічного) ефекту впливу додатків.

Відносну зміну значень коефіцієнтів і від дії ГДАД обчислювали як

; | (4) | , | (5)

Індекси “w” та “s” відповідають течії води та водного розчину полімера за однакових чисел Re. Співвідношення та характеризують ефективність ГДАД з впливу на втрати напору.

При використаній методиці проведення вимірювань та їх математичній обробці відносна похибка визначення коефіцієнта гідравлічного тертя та коефіцієнтів раптових звужень і розширень труб не перевищувала 5–10%.

Розділ 3. Вплив додатків поліакриламіду на втрати напору в раптових звуженнях і розширеннях труб. Проведено аналіз результатів експериментальних досліджень течій водних розчинів полімерів крізь прямі труби, раптові звуження та раптові розширення на них. З метою охоплення великого діапазону ступенів деформації потоку (для раптового розширення труб n=(D2/d)2 та для раптового звуження труб m=(d/D1)2 ) досліджувалися такі схеми експериментального трубопроводу: 1) D = 20,95 мм = const, d = var; 2) D = var, d = 8,70 мм = const; 3) D = var, d = 5,81 мм = const. Будувалися залежності , ; , ; , ; для раптових звужень і розширень труб. Деякі з цих залежностей зображено на рис. 2 – рис. 5.

Вплив додатків ПАА на гідравлічний опір раптових звужень і розширень труб залежить від ступеня деформації потоку в них, концентрації додатків і числа Рейнольдса. Якщо в місцевих втратах напору переважають втрати на зміну форми, що має місце при m<0,7 для раптового звуження і при n>(4,1…6,4) – для раптового розширення, то при Re>104 додатки ПАА викликають збільшення опору.

При m>0,7 і n<(4,1…6,4), коли перевищують втрати на тертя, загальні затрати енергії понижуються. При настає незалежність значення коефіцієнта від числа Рейнольдса для розчинів ПАА усіх концентрацій.

Опір раптового розширення труби понижується додатками в ділянці, що розташована, за числом Рейнольдса, після стрибка турбулентного переходу. Ця ділянка розширюється зі зменшенням n в бік великих чисел Re і менших концентрацій розчину, починаючи з С = 10–3 кг/кг.

Виявлено для n<20 при Re=8·103 поділ кривих на дві гілки, що розбігаються зі зменшенням Re. При зменшенні n розширюється діапазон концентрацій, при яких спостерігається роздвоєння кривих. Нижнє основне положення кривих відповідає, мабуть, відхиленню обмеженого затопленого струменя до стінки труби діаметром D2 при її розширенні, верхнє – осьовій течії.

При ступені звуження потоку , Re>2·104 та кг/кг, де Сopt – оптимальна концентрація, вплив додатків ПАА на опір раптового звуження труби не змінюється зі зменшенням m. При збільшенні ступеня розширення потоку n, понад 12,6 (див. нижче), спостерігається тенденція до ослаблення аж до повного зникнення ефекту впливу додатків ПАА на гідравлічний опір раптового розширення труби.

Пояснено механізм дії полімерних додатків на втрати енергії потоків рідин у раптових звуженнях і розширеннях труб. Процеси, які відбуваються у раптовому розширенні труби при наявності полімерних додатків, можна розділити на дві групи: 1) відповідальні за зменшення опору, що проявляється у видовженні і стабілізації затопленого обмеженого струменя; 2) ті, які викликають збільшення втрат напору, що спричинені збільшенням поздовжніх пульсацій швидкості та периферійних вихорів, а також втратами енергії на ежекцію цих вихорів і відновлення орієнтаційного ефекту полімерних молекул вздовж стінки.

На втрати напору в раптовому звуженні труби порівняно з раптовим розширенням додатково впливають такі процеси: 1) збільшення та інтенсифікація вихорів перед звуженим перерізом труби; 2) розтягнення полімерних молекул при вході в канал меншого діаметра, що супроводжується збільшенням поздовжньої в’язкості; 3) комплекс явищ, які мають місце в межах обмеженого затопленого струменя, що розширюється, послаблених попереднім його звуженням; 4) відновлення орієнтаційного ефекту полімерних молекул, порушеного на ділянці розширення струменя після стисненого перерізу, і посилення його в трубі меншого діаметру. Виявлено схожість явищ впливу ПАА на турбулентність у випадку наявності твердих стінок і без них. Підтверджений механізм, запропонований Б.Ліпатовим.

Коефіцієнти та з урахуванням впливу додатків ПАА на основі експериментальних даних можна обчислити як

. | (6)

Тут значення для раптових звужень і розширень труб визначали за відомими залежностями, наведеними у довідковій літературі.

При цьому розрахункові залежності для обчислення для раптових розширень труб при будь-якій фіксованій концентрації додатків у потоці описуються такою функцією

, | (7)

а для раптових звужень і раптових розширень труб при кг/кг – функцією виду (з надійністю 0,95 за критерієм Фішера)

, | (8)

де a1, b1, c1, d1 та a2, b2 – емпіричні коефіцієнти; a1, b1, c1, d1 залежать від n; a2, b2 залежать від m або n.

За формулою (7) знайдено, що при (за критерієм Стьюдента) та використання полімерних додатків є доцільним для даної геометрії трубопроводу.

Розділ 4. Застосування результатів досліджень. Розроблено алгоритм обчислення втрат енергії в раптовому розширенні труби за питомою потужності, що витрачається на подолання опору потоку33 Повх И.Л. Техническая гидромеханика. – Л.: Машиностроение, 1976. – 504 с. при транспортуванні рідини з витратою Q та перепадом тиску на робочій ділянці довжиною L та площею поперечного перерізу :

. | (9)

Величина – це середня енергія, що підводиться на робочій ділянці в одиницю об’єму рідини за одиницю часу за рахунок роботи сил тиску.

Для обчислення площі використовувалася модель44 Иньков А.П., Ярхо С.А. К расчету местных коэффициентов гидравлического сопротивления // Науч. тр. Всес. заочн. машиностроит. ин-та. – 1973. – Вып.9. – С.167-176., в якій канал змінного перерізу замінювався каналом постійного перерізу з діаметром

, | (10)

де k – коефіцієнт, який нами при D/d = 1…2 пропонується визначати як

. | (11)

Перепад тиску обчислювали як

; | (12)

а довжину L приймали рівною довжині ділянки повторного приєднання потоку після його раптового розширення.

Використання формули (9) дає можливість точного розрахунку необхідної потужності двигуна при переміщенні рідин у трубопровідних системах, насичених місцевими опорами.

Описано розроблений і запатентований спосіб перерозподілу витрат плинного середовища введенням у потік ГДАД, принцип дії якого показано на рис.6. При використанні цього способу досягається безперервне формування потрібного співвідношення витрат в окремих трубопроводах без залучення сторонніх джерел енергії. Зміна витрат рідини здійснюється за допомогою блоків трубок постійного або змінного перерізу.

Регулювальна характеристика витрати рідини Q в трубопроводі гідравлічної системи від концентрації С уведених у потік ГДАД записується

, | (13)

де – коефіцієнт регулювання, що характеризує глибину регулювання,

; | (14)

, – коефіцієнт опору, відповідно, регульованої та нерегульованої ділянки трубопроводу при течії в ньому води.

Оскільки економічна вигода від дії додатків ПАА на місцевих опорах одержується тільки при використанні полімерних розчинів з концентраціями, що знаходяться на ділянці росту залежності від С, то при функція f(C) описується формулою (8), взятою зі знаком мінус.

Показано можливі області застосування результатів досліджень, а саме енергоощадні способи управління параметрами потоків: регулювання витрати рідини в спринклерних і дренчерних системах пожежогасіння; перерозподіл витрат рідини між декількома трубопроводами; зниження абразивного спрацювання поверхні труб при транспортуванні рідин у трубопроводах.

Проаналізовано технічну ефективність використання досліджуваного ПАА при транспортуванні рідин за кількістю витраченої електроенергії:

, | (15)

де – ККД нагнітачів, приймався однаковим при течії води і полімерного розчину. При цьому є три випадки: 1), E>0 – економія електроенергії; 2), E = 0; 3), E<0 – перевитрата електроенергії.

Встановлено, що в місцевих опорах при їх застосуванні як регуляторів тиску чи витрати ефект зростає зі збільшенням глибини регулювання тиску, яка залежить від геометричних характеристик опору і значень діаметрів трубопроводу, витрати рідини та гідродинамічної ефективності додатків.

Намічено напрямки подальших досліджень проблеми, серед яких дослідження структури потоку на місцевому опорі та на ділянках безпосередньо до і після нього за допомогою оптичних методів і методів візуалізації.

ВИСНОВКИ

1. На підставі огляду існуючих досліджень з впливу ГДАД на втрати напору в місцевих опорах встановлено, що рух рідин з додатками полімерів крізь раптові звуження і раптові розширення труб досліджено менше, ніж у конфузорах, дифузорах і діафрагмах. Звуження та розширення є складовими елементами потоків в будь-якому каналі змінного перерізу, що свідчить про актуальність їхнього вивчення. Систематичні дослідження раптових звужень і розширень труб дозволить повною мірою пояснити механізм дії полімерних додатків на втрати тиску в місцевих опорах трубопроводів.

2. Одержано зменшення та збільшення втрат напору в раптових звуженнях і розширеннях труб уведенням у потік додатків ПАА. Отримано значно більший вплив додатків полімерів на опір раптового звуження труби (до 290%) порівняно з раптовим розширенням (до 35%), до того ж, на раптовому звуженні труби переважає збільшення втрат напору. Зменшення опору як для раптового звуження, так і для раптового розширення труб мало місце при ступенях звуження потоку m=(d/D1)2<0,7 та розширення потоку n=(D2/d)2>(4,1…6,4) відповідно, коли потік деформується незначно, і також незначно порушується орієнтаційний ефект полімерних молекул.

3. Для води та водних полімерних розчинів усіх концентрацій незалежність коефіцієнтів місцевих опорів раптових звужень і розширень труб настає при числах Рейнольдса, рівних 10000…20000.

4. Встановлено, що відносна зміна коефіцієнтів місцевих опорів при введенні в потік розчинів ПАА при концентраціях до 10–4 кг/кг включно описуються залежностями однакової структури як для раптового розширення труби, так і для її раптового звуження – формула (3.20). Відносна зміна опору на раптовому розширенні труби в усьому досліджуваному діапазоні зміни ступеню n для кожної концентрації описується формулою (3.15). Запропоновані емпіричні формули відповідають експериментальним результатам, згідно з критерієм Фішера, з надійністю 0.95.

5. Максимальне збільшення опору раптового розширення труби додатками ПАА з концентраціями, які не перевищують оптимальної кг/кг, досягається при ступені розширенні потоку n=12,6±0,9. Тому використання додатків ПАА є доцільним в діапазоні .

6. При концентраціях до 10–4 кг/кг включно та значення відносної зміни коефіцієнтів опору раптових звужень труб не залежать від ступеня звуження потоку m.

7. Уточнено механізм дії полімерних додатків на втрати енергії потоків рідин у раптових звуженнях і розширеннях труб, який базується на тому, що в тих місцевих опорах, де переважають втрати на тертя, додатки понижують гідродинамічний опір, а при домінуванні опору форми – збільшують його. Підтверджений механізм, запропонований Б.Ліпатовим.

8. Розроблено алгоритм визначення втрат енергії в раптовому розширенні труби, який полягає в тому, що раптове розширення труби замінюється, за відомою моделлю, фіктивною циліндричною трубою і використовується відома формула обчислення втрат енергії в прямій циліндричній трубі за питомою потужністю, що витрачається на подолання опору потоку. Це дає можливість точного розрахунку необхідної потужності двигуна при переміщенні рідин у трубопровідних системах, насичених місцевими опорами.

9. У загальному вигляді розв’язано задачу регулювання витрати рідини в гідравлічній системі введенням у потік ГДАД. Розроблено та запатентовано спосіб перерозподілу витрат плинного середовища між декількома трубопроводами. При його використанні досягається безперервне формування потрібного співвідношення витрат в окремих трубопроводах без залучення сторонніх джерел енергії.

10. Оцінено економічний ефект від використання ПАА при течії рідин, виходячи з кількості витраченої електроенергії. Встановлено, що в місцевих опорах при їх застосуванні як регуляторів тиску чи витрати ефект зростає зі збільшенням глибини регулювання тиску (витрати), яка залежить від геометричних характеристик опору і значень діаметрів трубопроводу, витрати рідини та гідродинамічної ефективності додатків.

11. Результати матеріалів дисертаційної роботи впроваджено на ВАТ “Прикарпатпромарматура” з очікуваним річним економічним ефектом 19,3 тис. грн. та на ТзОВ Науково-виробничій фірмі “Техногал” з очікуваним річним економічним ефектом 21,6 тис. грн.

Основні положення дисертації опубліковано в таких роботах:

1. Чернюк В.В., Жук В.М., Піцишин Б.С., Орел В.І. Управління параметрами потоків введенням гідродинамічно активних додатків // Захист довкілля від техногенного впливу: Зб. наук. праць. – 1997. – № 1. – С.69-74.

2. Чернюк В.В., Піцишин Б.С., Орел В.І., Жук В.М. Вплив додатків поліакриламіду на опір раптових звужень труб // Вісн. Держ. ун-ту “Львів. політехн.”. Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматика. – 1999. – №378. – С.3-8.

3. Орел Вадим. Аналіз впливу полімерних додатків на втрати тиску в місцевих опорах трубопроводів // Вісн. Нац. ун-ту "Львів. політехн.". Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. – 2000. – № 404. – С.23-30.

4. Орел В. Застосування формули зміни діаметра струменя рідини стосовно раптового розширення трубопроводу // Вісн. Нац. ун-ту "Львів. політехн.". Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. – 2001. – №432. – С.11-14.

5. Орел В.І. Розрахунок втрат енергії при транспортуванні рідин у трубопроводах з раптовим розширенням потоку // Вісн. Рівненського Держ. техн. ун-ту. Збірник наук. праць. – 2001. – Вип.1(8). – С.99-104.

6. Чернюк В.В., Орел В.І., Гнатів Р.М. Змінювання гідравлічного опору раптових розширень труб додатками поліакриламіду // Вісн. Укр. держ. ун-ту водн. госп-ва та природокорист. Збірник наук. праць. – 2002. – Вип.5(18), ч.5. Гідротехнічні споруди, гідравліка, гідрологія та гідроенергетика. – С.202-209.

7. Орел В. Регулювання витрати рідини у гідравлічній системі введенням у потік додатків // Вісн. Нац. ун-ту "Львів. політехн.". Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. – 2002. – № 460. – С.172-175.

8. Чернюк В.В., Пицишин Б.С., Орел В.И., Жук В.М. Влияние добавок полиакриламида на потери напора во внезапных сужениях и расширениях труб // Инж.-физ. ж. – 2002. – Т.75, №4. – С.115-122. (Див. також: Chernyuk V.V., Pitsishin B.S., Orel V.I., Zhuk V.M. Influence of Polyacrylamide Additions on the Head Loss in Abrupt Contractions and Expansions of Pipes // J. Eng. Phys. and Thermophys. – July - August, 2002. – Vol. 75, Issue 4. – P. 910-919.)

9. Декларац. пат. 47167 А Україна, МПК G 05 D 7/00, F 17 D 1/00. Спосіб перерозподілу витрат плинного середовища / В.В. Чернюк, В.М. Жук, В.І. Орел (Україна); Нац. ун-т “Львівська політехніка”. – №2001085746; Заявлено 14.08.2001; Опубл. 17.06.2002, Бюл. № 6. – 2с. (Див. також: Спосіб перерозподілу витрат плинного середовища / Технічні новини // Ринок інсталяцій. – 2003. – № 1. – С.20).

10. Жук Володимир, Орел Вадим. Проблеми використання гідродинамічно активних добавок для збільшення пропускної здатності каналізаційних колекторів // Problemy Budownictwa i Inzynierii Srodowiska: IV Naukowa Konferencja Rzeszowsko-Lwowska. Cz.II. Inzynieria Srodowiska. Rzeszow, 15-16 wrzesien 1995. – Rzeszow, 1995. – C.241-246.

11. Орел Вадим. Втрати енергії на ділянках раптового розширення потоку у трубопровідних системах // Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля: VI міжнародна наук. конференція. Львів–Кошице–Жешув. Ч.ІІ. Інженерія довкілля. Львів, 12-15 вересня 2001. – Львів, 2001. – С.105-110.

12. Oriel Wadim, Zuk Wlodzimierz. Zwiekszenie wydajnosci kolektorow kanalizacyjnych poprzez wprowadzanie polimerow // Miedzynarodowa Konferencja Studenckich Kol Naukowych. 13 sejmik SKN. Akademia Rolnicza we Wrocіawiu. 15-16.05.1996. – Wroclaw, 1996. – S.25.

13. Піцишин Богдан, Чернюк Володимир, Орел Вадим. Вплив полімерних домішок на втрати напору в системах протипожежного водопостачання // Сучасні проблеми водопостачання і знешкодження стічних вод – Львів 1996: Укр.-пол. наук.-техн. конф. Тези доп. – Львів, жовтень 1996. – С.316-317.

14. Чернюк В.В., Жук В.М., Піцишин Б.С., Орел В.І. Вплив додатків поліакриламіду на опір раптових звужень і розширень труб // Гидроаэромеханика в инженерной практике: Юбилейная н.-т. конф. Программа и тезисы докладов. – 28–30 мая 1998 г. – Киев, 1998. – С.60-61.

АНОТАЦІЯ

Орел В.І. Вплив додатків поліакриламіду на втрати напору в раптових звуженнях і розширеннях труб. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 – Гідравліка та інженерна гідрологія. – Український державний університет водного господарства та природокористування. – Рівне, 2003.

У дисертації експериментально досліджено закономірність впливу додатків поліакриламіда (ПАА) на втрати напору в раптових звуженнях і розширеннях труб діаметрами до 50 мм. Показано, що при Re>104, коли в місцевих втратах напору перевищують втрати на тертя: при m>0,7 для раптового звуження труб і при n<(4,1…6,4), для раптового розширення, загальні затрати енергії понижуються; якщо ж перевищують втрати на зміну форми, відповідно при m<0,7 та n>(4,1…6,4), додатки ПАА викликають збільшення опору. Одержано максимальне збільшення опору раптового розширення труби додатками ПАА при n=12,6±0,9 та кг/кг, де Сopt – оптимальна концентрація. При концентраціях до 10–4 кг/кг та значення відносної зміни коефіцієнтів опору раптових звужень труб не залежать від ступеня звуження потоку m. Запропоновано алгоритм обчислення втрат енергії в раптовому розширенні труби за питомою потужністю, що витрачається на подолання опору потоку. Розроблено та запатентовано спосіб перерозподілу витрат плинного середовища введенням у потік гідродинамічно активних додатків (ГДАД). Показано, що економічний ефект від використання ПАА при течії рідин в місцевих опорах, виходячи з кількості витраченої електроенергії, зростає зі збільшенням глибини регулювання витрати (тиску). Результати роботи впроваджено на підприємствах з розгалуженими трубопровідними системами.

Ключові слова: втрати напору, раптове звуження труб, раптове розширення труб, поліакриламід (ПАА), ефект Томса, гідродинамічно активні додатки (ГДАД).

АННОТАЦИЯ

Орел В.И. Влияние добавок полиакриламида на потери напора во внезапных сужениях и расширениях труб. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология. – Украинский государственный университет водного хозяйства и природопользования. – Ровно, 2003.

В диссертации экспериментально исследована закономерность влияния добавок полиакриламида (ПАА) на потери напора во внезапных сужениях и расширениях труб диаметрами до 50 мм. Приведён обзор гипотез, объясняющих эффект Томса, и анализ факторов, влияющих на потери напора в местных сопротивлениях при введении в поток гидродинамически активных добавок (ГДАД).

Проведены эксперименты по влиянию водных растворов ПАА на значения коэффициентов сопротивления внезапных сужения и расширения труб. Выявлено, что если в местных потерях напора преобладают потери на трение, что имеет место при m>0,7 для внезапного сужения труб и при n<(4,1…6,4), для внезапного расширения, то при Re>104 общие затраты энергии снижаются. Если же потери на изменение формы определяющие, соответственно при m<0,7 и n>(4,1…6,4), добавки ПАА вызывают увеличение сопротивления. Установлено, что относительное изменение коэффициентов местных сопротивлений при введении в поток растворов ПАА при концентрациях до 10–4 кг/кг включительно описывается зависимостью одинаковой структуры как для внезапных расширений трубы, так и для её внезапных сужений. Получено максимальное увеличение сопротивление внезапного расширения трубы добавками ПАА при степени расширения n=12,6±0,9 и кг/кг, где Сopt – оптимальная концентрация. При концентрациях, не привышающих 10–4 кг/кг, и значения относительного изменения коэффициентов сопротивления внезапных сужений труб не зависят от степени сужения потока m.

Уточнён механизм действия полимерных добавок на потери энергии потоков жидкостей во внезапных сужениях и расширениях труб, базирующейся на том, что в тех местных сопротивлениях, где преобладают потери на трение, добавки уменьшают гидродинамическое сопротивление, а при доминировании сопротивления формы – увеличивают его. Выявлена похожесть явлений влияния ПАА на турбулентность в случае наличия твёрдых стенок и без них. Подтверждён механизм, предложенный Б.Липатовым.

Предложен алгоритм расчёта потерь энергии во внезапном расширении труб как удельной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления потока при течении жидкости в трубопроводе. Его суть состоит в замене по известной модели местного сопротивления фиктивной цилиндрической трубой и использовании известной формулы расчёта потерь энергии в прямой цилиндрической трубе по удельной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления потока. Использование данного алгоритма даёт возможность рассчитать необходимую мощность двигателя при перемищении жидкостей в трубопроводных системах, насыщенных местными сопротивлениями.

В общем случае решена задача регулирования расходов жидкости в гидравлической системе введением в поток ГДАД. При этом изменение расходов осуществляется с помощью блоков трубок постоянного и переменного сечений, установленных на отдельных трубопроводах. Разработан и запатентован способ перераспределения расходов текучей среды введением в поток ГДАД. При его использовании достигается непрерывное формирование необходимых соотношений расходов в отдельных трубопроводах без привлечения посторонних источников энергии.

Показано, что исходя из количества затраченной электроэнергии экономический эффект от использования ПАА при течении жидкостей в местных сопротивлениях как регуляторах давления или расхода увеличивается с увеличинием глубины регулирования расхода (давления). Последняя величина зависит от геометрических характеристик сопротивления и значений даметров, расхода жидкости и гидродинамической эффективности добавок.

Результаты работы внедрены на предприятиях с разветвлёнными трубопроводными системами. Получен экономический эффект в размере 40,9 тыс. грн.

Ключевые слова: потери напора, внезапное сужение труб, внезапное расширение труб, полиакриламид (ПАА), эффект Томса, гидродинамически активные добавки (ГДАД).

THE SUMMARY

Orel V.I. Influence of the polyacrylamide additives on the pressure losses of sudden narrowings and expansions in pipes. – Мanuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.23.16 – hydraulics and engineering hydrology. – Ukrainian State University of Water Management and Natural Resources Application. – Rivne, 2003.

In the thesis the legitimacy of influence of the polyacrylamide (PАА) additives on pressure losses of sudden narrowings and expansions in pipes by diameters up to 50 mm is experimentally explored. The experiments on influence of PАА water solutions on values of resistance factors of sudden narrowing and expansions in pipes are carried out. The mechanism of influence of the polymeric additives on power losses of fluids flows of sudden narrowings and expansions in pipes is improved. The mechanism offered by Lipatov B.V. is confirmed. The algorithm of calculation of power losses of sudden expansion in pipes as specific powers spent on overcoming of resistance at transportation of a fluid is offered. The method of redistribution of the flow rates of fluid medium by introduction in a flow hydrodynamic active additives (HDAA) is elaborated and patented. Thus the change of the flow rates is carried out with the help of blocks of tubes of constant or variable sections. It is shown, that the economic benefit of use PАА at transportation of fluids, being based on an incremental value of the wasted electric power, is determined depending on change of pressure losses by the additives. The results of thesis are introduced at the plants with the bifurcated pipeline systems.

Key words: pressure losses, sudden narrowing of pipes, sudden expansion of pipes, polyacrylamide (PАА), Toms’ phenomenon, hydrodynamic active additives (HDAA).