Файл: Фонарев, А. Л. Гидромеханизация и гидротранспорт рыбы.pdf

Г. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЫБОПРОМЫСЛОВОГО ЭРЛИФТА

Гидравлическое сопротивление двухфазной жидкости

Известно, что при теоретическом изучении двухфаз­ ной жидкости (дисперсной среды, состоящей из жидко­ сти с пузырьками газа) газовый пузырек рассматривает­ ся как твердая частица [42], [161. Очевидно, что при таком предположении и сама двухфазная жидкость ста­ новится обычной гидросмесью, у которой вторая фаза транспортируется потоком жидкости. На этом основании для определения гидравлических характеристик двух­ фазной жидкости можно попользовать хорошо разрабо­ танные инженерные методы расчета гидротранспорта твердых тел.

Существующие инженерные методы расчета гидро­ транспорта [21], [27] в большинстве случаев базируются на разделении потерь, обусловленных движением компо­ нентов или фаз гидросмеси. В математической форме уравнение для определения гидравлического уклона гид­

В работе [9] теоретическим путем установлено, что гидравлическое сопротивление гидросмеси со взвешен­ ным твердым компонентом (или то же гидравлическое сопротивление ее жидкой фазы) для турбулентного ре­ жима движения жидкости больше гидравлического со ­ противления однофазной жидкости в число раз, равное

(1—k)s/a, т. е.

где to — гидравлический уклон однофазной жидкости с геометрическими (D), кинематическими (о) и физическими (уо, Vo) параметрами гидросмеси.

■Сопоставление теории и эксперимента в широком диа­ пазоне изменения расходной скорости (0 ^ ц ^ 8 ) м/сек, концентрации гидросмеси (0^ /г =£70,4), вязкости ее жид­ кой фазы (4,10_6^ т о ^ 10_6) м2/сек и диаметра трубо-

100

провода (2 0 ^ Д ^ 4 0 ) мм показали их полное качествен­ ное соответствие. Для количественного согласования тео­ рии и эксперимента в уравнение (IV.27) следует ввести эмпирический (коэффициент b [9]. Тогда

Коэффициент b в общем случае зависит от концентрации гидросмеси, но только в очень узком диапазоне ее изме­ нения (0 ^ & ^ 0 ,20 ). Причем при этих условиях (0,90^ ^ 6 ^ 1 ,0 ) . При дальнейшем увеличении k (&>0,20) ко­ эффициент b имеет постоянное значение, равное

6= 0,90.

Известно, что при больших скоростях транспортиров­ ки (о>г»кр) твердая фаза гидросмеси округлой формы отрывается от стенки и располагается внутри жидкости во взвешенном состоянии. Аналогичное явление имеет

.место и с тазовыми пузырьками у двухфазной жидкости. Благодаря этому при больших расходных скоростях ( о > > о кр) гидравлическое сопротивление жидкой составля­ ющей двухфазной жидкости может 'быть определено по уравнению (IV.28).

При малых расходных скоростях вторая фаза двух­ фазной жидкости скользит и перекатывается по станке трубопровода, в результате чего возникает сила трения пристенного слоя. Чтобы ее преодолеть, поток затрачи­ вает дополнительную энергию Ai. Так как Дi прямо про­ порционально коэффициенту трения поверхностей тел, который зависит от скорости и при малых ее величинах возрастает во много раз, естественно, что наибольшее значение Ai приобретает при этих значениях v. Для сель­ девых рыб величина Ai может быть определена по дан­ ным [24] и [9]; для -двухфазной жидкости определение Ai требует специальных исследований.

На рис. 28 приведены экспериментальные зависимо­ сти hw(v) водовоздушного потока с относительной плот­ ностью 0,41 и воды '(закон Блазиуса) для стеклянной трубки диаметром 12,04 мм [43]. Описание эксперимен­ тальной установки и методика проведения этого экспери­ мента изложены в работах Л. А. Эпштейна [16], [43]. Из рис. 28 мы видим, что у двухфазной жидкости закон из­ менения гидравлического сопротивления от скорости

101

bw. м.б.с.

т - рЗ ^'0,41

---------пи (уя ™)

Рис. 28. Экспериментальная зависимость hm(vx) для водовоздушного потока с q=0,41 и в о д ы в трубке £>= 12,04 мм

■иной, чем у воды. При увеличении скорости до критиче­ ской (скорость, 'соответствующая imin) гидравлическое сопротивление уменьшается (нисходящая ветвь кривой), а при Ид:>Икр, наоборот, увеличивается (восходящая

ветвь кривой).

Более наглядно взаимосвязь между гидравлическими сопротивлениями двухфазной и однофазной жидкости и видна из рис. 29.На ней изображена опытная зависимость

[43] относительного гидравлического сопротивления (t — ■ = i:i0) водовоздушного потока от v для относительной

102

Если сопоставить -.между собой теоретическое (IV.28)

и экспериментальное значения i для двухфазной жидко­

сти с q= 0,41 (концентрация воздуха в потоке 0,59), то окажется, что они отличаются друг от друга только на

2% (г=1,50). На этом основании для расчета гидравли­ ческого сопротивления горизонтального двухфазного по­ тока жидкости при скоростях, больше критических, мож­ но рекомендовать уравнение (IV.28). Это уравнение есте­ ственно распространить на вертикальный и наклонный двухфазные потоки.

Инженерный метод расчета рыбопромыслового эрлифта

Начиная с 1963 года на промысле каспийской кильки помимо рыбонасосов центробежного типа используются и эрлифты. В отличие от существующих эрлифтов рыбо­ промысловый эрлифт представляет собой подъемник большого диаметра (150—200) мм со сравнительно ма­ лой высотой подачи жидкости (до 5 м). Эксперименталь­ ное исследование его эксплуатационных параметров при­ ведено в работах [5], [44], [45].

Ниже приводится инженерный метод расчета основ­ ных характеристик рыбопромыслового эрлифта.

Известно, что с физической точки зрения происходя­ щие при работе эрлифта процессы, как и законы движе­ ния двухфазной жидкости, весьма и весьма сложны [46J, [47]. Например, в вертикальной трубе при давлении, близком по величине к атмосферному, различают эмуль­ сионный, снарядный и стержневой режимы движения га­ зо-водяной смеси [48], [49]. При эмульсионном и снаряд­ ном режимах газ движется в виде пузырей. Причем у эмульсионного потока они малы (от одного до несколь­ ких миллиметров) и почти равномерно распределены по сечению трубы, а у снарядного — большие пузыри (по ■форме напоминающие артиллерийский снаряд) в основ­ ном занимают только среднюю часть трубопровода. Если

.жидкость смачивает стенку трубы, то при стержневом режиме оплошной столб (стержень) газа движется внут­ ри водяного кольца. Естественно, что режим движения двухфазной жидкости зависит от расходной скорости,

. 104

объемного газосодержаияя и относительной плотности фаз.

Следует особо отметить, что основным режимом, охватывающим широкую область течений газо-водяной смеси низкого давления, является снарядный режим. Стержневой же режим движения двухфазной жидкости наблюдается лишь при очень большой приведенной окррости газа и относительно малом расходе воды [49].

Оба эти режима движения двухфазной жидкости (снарядный [50], [51] и стержневой [47]) имеют место' и при работе эрлифта. Причем каждому из них в основ­ ном соответствует определенная область его работы: устойчивая или неустойчивая. Внутри устойчивой обла­ сти работы подъемника (режим движения газонводяной смеси снарядный) расход воды е ростом подачи воздуха непрерывно растет (O ^ Q o^ Q omax )• При дальнейшем

увеличении подачи газа режим движения двухфазной жидкости становится стержневым, в результате чего рас­ ход воды не увеличивается а уменьшается (Qomax^ Q o ^

^ 0 ) . Таким образом, при наличии двух областей прак­ тический интерес представляет только устойчивая об­ ласть работы эрлифта.

Критическое значение расхода газа, при котором из­ меняется режим движения двухфазной жидкости, зави­ сит от ее физических свойств, геометрических размеров, эрлифта и его коэффициента погружения.

Рассмотрим устойчивый режим работы рыбопромыс­ лового эрлифта. (Предположим, что газовые пузыри об­ разуют в потоке двухфазной жидкости равномерно рас­ пределенные по сечению подъемника слои, ось которых параллельна оси трубопровода. Толщину каждого слоя примем равной среднему эквивалентному диаметру га­ зового пузыря (диаметр шара, объем которого эквива­ лентен объему газового .пузыря). Иначе говоря, по высо­ те подъемной трубы форма потока двухфазной жидкости будет в этом случае стабильной (подобное допущение сделано и в работе [51]). Деформация газового пузыря и объемные потери эрлифта в этом случае не учитыва­ ются. Схема такого идеализированного потока в рыбо­ промысловом подъемнике изображена на рис. 30.

На газовый слой во время его движения в жидкости действуют следующие силы: подъемная, гидродинамиче­ ского сопротивления и давления. Из условия равновесия

105

указанной системы сил определим скорость движения транспортируемой жидкости.

Если газовые пузыри плотно упакованы внутри каж­ дого слоя, их статическая подъемная сила между сече­ ниями 1 и 2 равна:

106

Уо — удельный вес воды.

-В общем случае сила гидродинамического сопротив­

пряжению трения на стенке эрлифта, которое имеет мес­ то при скорости движения жидкости, равной скольжениюфаз. И тогда

где То — напряжение трения на стенке эрлифта; D — его диаметр.

Так как газовый компонент стесняет и ламинаризирует жидкость, ее гидравлические потери на трение рав­

а число слоев можно определить так:

ЮГ