Жангужинов Е

Жангужинов Е.М., Жайлаубаев Ж.Ж., Кудиярбеков А.

Таразский государственный университет им. М.Х. Дулати, Казхахстан

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ НУЛЕВЫХ ОСЕВЫХ СКОРОСТЕЙ В ГИДРОЦИКЛОНЕ

Одним из важнейших критериев, характеризующих очистную способность гидроциклона, является диаметр граничного зерна. При этом исследование поверхности, на которой определяется равновесное состояние граничного зерна – основной, внутренней поверхности нулевых осевых скоростей, имеет важное значение для решения задачи о разделении твердого материала в гидроциклоне, так как поток и частицы загрязнений, содержащиеся внутри этой поверхности, в основном попадают в сливной патрубок и выносятся из гидроциклона.

Разработка этих вопросов предполагает наличие установившейся методики определения местоположения нулевой осевой скорости в гидроциклоне, знание формы и размеров поверхности нулевых осевых скоростей (НОСк).

Параметрами основной поверхности (НОСк) являются: радиус поверхности, на плоскости сливного отверстия, равный радиусу поверхности на плоскости ґ_сл, максимальный радиус поверхности НОС-ґ_wmax. Расстояние поперечного сечения поверхности НОС с максимальным радиусом от плоскости сливного отверстия –L ґ_max, минимальный радиус поверхности, соответствующий радиусу воздушного столба в начале внутреннего осевого потока- ґ_воз., угол конусности поверхности НОСк.

Анализ работ [1,2,3 и др], посвященных исследованию параметров поверхности НОСк, проведенных при помощи флажков на прозрачной модели гидроциклона, путем впрыскивания красителя и киносъемки, исследования вертикальной составляющей полной скорости шаровым насадкам, исследования радиальных турбулентных пульсаций электродиффузионным методом, использования метода определения промежутка времени движения «волны» электролита между двумя точками, а также применения для исследования структуры потока в гидроциклоне метода лазерного светового ножа, а для визуализации потоков - люминофора с нулевой плавучестью, позволяет отметить:

1. Различную трактовку вопроса о форме поверхности НОСк

- слабо коническая поверхность;

- поверхность в форме усеченного конуса;

- поверхность состоящая из двух частей цилиндрической и конической.

2. Различие во взглядах на расположение нижней границы разделения потоков (разная высота внутреннего восходящего потока).

3. Различие в угле конусности поверхности НОСк

- геометрическая вершина поверхности НОСк имеет общую вершину с вершиной конической части гидроциклона;

- геометрическая вершина поверхности НОСк не имеет общей вершины с вершиной конической части гидроциклона.

Для проведения исследований в лабораторных условиях, были спроектированы, разработаны рабочие чертежи и изготовлены: гидроциклоны металлические и из органического стекла; экспериментальная гидроциклоная установка[4].

Напорная гидроциклонная установка (рис1), собрана на базе центробежного насоса 2, марки 2к-20/30. Гидроциклон установлен горизонтально. Входной патрубок гидроциклона, соединен с напорным патрубком насоса. На напорном патрубке насоса установлена задвижка, для изменения количества подаваемой жидкости. Для измерения давления на выходе насоса, а также на входе в гидроциклон установлены манометры. Для контроля показаний манометра измеряющего давление в гидроциклоне параллельно с манометром установлен U-образный ртутный манометр. Всасывающий патрубок насоса снабжен обратным клапаном с сеткой. Сливной патрубок гидроциклона, для гашения энергии перед водосливом, имеет глушитель. Песковое отверстие гидроциклона снабжено специальным приспособлением для обеспечения свободного (веерообразного) истечения жидкости. Центробежный насос установлен на полке, прикрепленной к направляющим рамы, в которой для изменения высоты всасывания имеются отверстия для крепления полки к направляющим рамы стяжными болтами. Рама крепится к стенке болтами.

Бак разделен на отделения исходной и осветленной жидкости. В перегородке бака имеется треугольный водослив для измерения расхода.

Тарировка водослива произведена объемным способом и построена кривая зависимости.

$C:\Documents and Settings\115\Рабочий стол\10 002.jpg$

Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки.

Общий расход установки определяется по формуле:

где: Q_В – расход водослива.

Q_П – расход пульповода (измеряется объемным способом).

Уравнение равновесия жидкостей в манометре для первоначального положения будет (рис. 2).

где: h_в h_ж – высота столба воды и тяжелой жидкости

,_ж- удельные веса воды и тяжелой жидкости

Для точки А при установившейся работе гидроциклона уравнение имеет вид:

где: Ра- давление в точке А входного па трубка.

Учитывая формулу (4) можно написать:

откуда

так как

при

где:

получим ,(м.в. ст.) 5)

$C:\Documents and Settings\115\Рабочий стол\10 001.jpg$

Рис.2. Схема присоединения U- образного манометра

Опыты проводились на напорном гидроциклоне с диаметром цилиндрической части Дц = 130 мм, длиной цилиндрической части tц = 100 мм, углом конусности 2 α - 30º. Диаметры входного и сливного отверстия, соответственно равны = 40 мм.

Форма и размеры НОСк определялись в восьми сечениях при расходе слива Qсл равном расходу водослива Q в и изменявшемся в пределах Qсл=4,35;4,90;5,55 и 6,3 л/с.

Расход пескового отверстия измерялся объёмным способом и изменялся в зависимости от диаметров пескового отверстия.

Для определения нулевой поверхности осевых скоростей разработан специальный «Датчик нулевых осевых скоростей».

«Датчик» (рис. 3) состоит из 2х не сообщающихся между собой трубок, вставленных соосно одна в другую. Входные отверстия 1 и 3 обеих трубок расположены перпендикулярно к продольной оси датчика и противоположно направлены. Наружная трубка имеет измерительную шкалу 5. Выходные отверстия 2 и 4 обеих трубок подсоединены ко вторичному регистрирующему прибору.

В качестве вторичного регистрирующего прибора принят U-образный жидкостный манометр.

$C:\Documents and Settings\115\Рабочий стол\10 002.jpg$

Рис. 3. Датчик нулевых осевых скоростей

1,2- входные и выходные отверстия внутренней трубки, 3,4- входные и выходные отверстия наружной трубки, 5 измерительная шкала,6- заглушка

Для определения нулевой поверхности осевых скоростей, датчик вводится в гидроциклонную полость через отверстия, расположенные в корпусе, перпендикулярно геометрической оси гидроциклона (рис. 4)

Герметичность подсоединения датчика к гидроциклону обеспечивается при помощи сальниковой набивки внутри заглушки.

Повышение давления на входе осуществлялось при помощи задвижки за счет увеличения расхода подаваемой жидкости.

Изменения диаметра пескового отверстия осуществлялись при помощи сменных насадок с диаметрами (25мм;20мм;10мм)

$C:\Documents and Settings\115\Рабочий стол\10 003.jpg$

Рис. 4. Схема присоединения датчика к гидроциклону

1-отверстия в стенке гидроциклона,2- штуцер, 3-заглушка,

4- датчик,5- внутренняя трубка, 6-наружная трубка

Как видно из рис 5 а,б, в первом и втором сечениях нулевые осевые скорости по радиусу фиксировались дважды. Уже с третьего сечения таких точек по радиусу имеется только по одной. Очевидно, центры циркуляционных потоков находятся под плоскостью среза сливного патрубка.

Незначительное влияние изменения входного давления жидкости на месторасположение точек нулевых осевых скорости наблюдается в пределах сечений I-I и II-II только со стороны входного отверстия.

В сечениях III-III и VII-VII соблюдается симметричность линий нулевых осевых скоростей относительно оси гидроциклона.

Результаты опытов, проведенные при одинаковых входных давлениях и при соотношении равным 0.4; 0,3; 0,2 показывают, что во всех случаях, максимальный радиус основной поверхности нулевых осевых скоростей равен (2,0-2,1) ґ_сл и находится от основания конической части на расстоянии (2,0 -2,5) ґ_сл.

$C:\Documents and Settings\115\Рабочий стол\10 014.jpg$

Рис.5. Схемы линий нулевых осевых скоростей в гидроциклоне

1-воздушный столб,2-основные линии,3-линии нулевых осевых скоростей

циркуляционных потоков

а) ґ_пес=10мм б) ґ_пес =12.5мм в) ґ_пес=5мм

ґ_вх= 20мм ґ_вх= 20мм ґ_вх= 20мм

ґ_сл= 25мм ґ_сл= 25мм ґ_сл= 25мм

В сечениях 3-4 соблюдается осиметричность линии нулевых осевых скоростей относительно оси гидроциклона.

Длина внутреннего осевого потока жидкости (от основания конуса) соответственно равна 5/6, 2/3,15/16 Нк., т.е. с увеличением радиуса пескового отверстия угол конусности поверхности нулевых осевых скоростей увеличивается в пределах.

β=(0.6-1.0) α

где: α - угол конусности образующей конической части гидроциклона.

Опыты проведенные при принятых конструктивных параметрах и в тех же сечениях, что и в первом случае, но с изменением длины затопленной части сливного патрубка t=58мм,100мм,125мм, и dпес=20мм, показывают, что месторасположение и форма поверхности нулевых осевых скоростей не зависит от величины входного давления. Максимальный радиус основной поверхности НОСк равен (2.0-2.1) ґ_сл, причем расстояние поперечного сечения поверхности с максимальным радиусом от плоскости сливного отверстия равно.

ґ_wmax= (2,0-2,5) ґ_c_л

где: ґ_ц- радиус конуса в данном сечении

С увеличением длины затопленной части сливного патрубка сечение поверхности НОСк с максимальным радиусом перемещается в сторону пескового отверстия, от плоскости сливного патрубка на расстояние 2.3 ґ_сл,а расстояние от плоскости пескового отверстия до начала внутреннего осевого потока или длина внутреннего осевого потока остается при этом неизменной. Угол конусности поверхности нулевых осевых скоростей увеличивается соответственно

2β = 26⁰; 28⁰; 29⁰.

Максимальный радиус поверхности НОСк сохраняется приблизительно равным 2 ͬґ_сл.

Число и размеры циркуляционных потоков, непосредственно зависят от длины затопленной части сливного патрубка.

При d_в_x≤ L_c_л < Т_ц ,

где: Т_ц – длина цилиндрической части гидроциклона

в области сопряжения цилиндрической и конической частей образуется один циркуляционный поток, а при L_сл≥ Т_ц – два циркуляционных потока. Поперечные размеры циркуляционных потоков тем больше, чем значительнее длина затопленной части сливного патрубка.

Таким образом выявлено, что форма и размеры нулевой поверхности осевых скоростей не зависят от величины входного давления, а зависят от конструктивных параметров отдельных частей гидроциклона.

Максимальный радиус основной поверхности нулевых осевых скоростей равен

ґ_wmax=0.7ґ_ц

где: ґ_ц – радиус конуса в данном сечении;

Выводы

Проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы;

1. Разработан специальный “Датчик нулевых осевых скоростей” для определения место расположения нулевой осевой скорости в гидроциклоне.

2. Получены опытные данные о место расположении нулевой осевой скорости в полости гидроциклона, совокупность которых образует линии основной поверхности нулевых осевых скоростей (НОСк), а также линии нулевых осевых скоростей циркуляционных потоков.

3. Выявлено, что форма и размеры основной поверхности НОСк не зависят от величины входного давления, а зависят от конструктивных параметров отдельных частей гидроциклона.

Литература

1. Роменский А.А. Исследование гидродинамики и сепарации в гидроциклонах. Дис. к.т.н. – Л., 1971, 20с.

2. Кутепов А.М., Терновский И.Г., Кузнецков А.А. Гидродинамика гидроциклонов. – ЖПХ, т.53 вып.12., 1980. с 2676-2681.

3. Найденко В.В. Хусаиков И.Я., Толкачев А.В. Исследование гидродинамики напорных гидроциклонов. – Водоснабжение и санитарная техника, №6., 1983. с. 3-6.

4. Жангужинов Е.М., Жайлаубаев Ж.Ж. Исследование закономерностей перераспределения расхода между разгрузочными отверстиями гидроциклона. Материалы за X международна научна практична конференция БЪДЩИТЕ ИЗСЛЕДВАНИЯ, 2014, ТОМ 46 София «БялГРАД-БГ» ООД 2014.