Жангужинов Е.М., к.т.н., профессор, Жайлаубаев Ж.Ж., магистр

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

Исследование закономерностей перераспределения расхода между разгрузочными отверстиями гидроциклона

Производительность гидроциклона Q_общ складывается из расхода по сливу Q_cл и расхода через шламовое отверстие Q_шл. Перераспределение расхода между разгрузочными отверстиями является весьма важный фактором, в значительной степени определяющим эффективность работы аппарата. На величину соотношения расходов слива и шлама оказывают влияние конструктивные, технологические факторы, разгрузочное соотношение и давление питания [1]. При этом о закономерностях изменения Q _общ , а также Q_сл, возрастающим при повышении давления питания, существует единство взглядов, а в отношении расхода жидкости через шламовое отверстие существует несколько различных точек зрения. Так, исследованием низконапорных гидроциклонов (0,2…5 м в.ст.) [2] установлено, что характерной особенностью изменения Q_шл является то, что с повышением давления питания этот расход уменьшается.

Согласно [3], производительность гидроциклона по нижнему сходу изменяется прямопропорционально давлению питания, а в работе [4] отмечается, что выход разгрузочной жидкости в гидроциклонах малого диаметра подчиняется прямолинейному закону и изменяется прямопропорционально давлению питания, а в гидроциклонах Д=200 мм характер изменения разгрузочной жидкости иной. Сначала этот расход с увеличением входного давления уменьшается до определенного предела, а дальнейшее увеличение давления сопровождается ростом разгрузочного расхода.

Постановка эксперимента осуществлялась по двум вариантам: при вертикальном и горизонтальном расположении опытного гидроциклона. Изменяемыми параметрами являлись – давление питания и разгрузочное соотношение . Расходы определялись объемным способом и при помощи водослива Томсона.

Опыты по измерению Q_cл и Q_шл проводилась при затопленном истечении из сливного и свободном истечении из шламового патрубка.

Опытные данные при горизонтальном расположении гидроциклона показывают, что увеличение входного напора жидкости вызывает увеличение расхода как через сливной патрубок, так и через шламовое отверстие. Как видно из (рис. 1), при разгрузочном соотношении ( =0,2; ,04; 0,5), производительность по сливу возрастает с увеличением давления и изменяется по параболической зависимости. Выход жидкости из шламового отверстия также увеличивается с увеличением давления питания и изменяется по прямолинейной зависимости. При увеличении разгрузочного соотношения увеличивается и расход шламового отверстия.

При вертикальном расположении гидроциклона закономерность изменения Q_сл та же, что и при горизонтальном расположении, но закономерность изменения Q_шл ƒ(P_вх) значительно отличается от предыдущего случая. При этом, если увеличение давления питания показывает возрастание расхода слива, то расход шламового отверстии изменяется по более сложной закономерности (рис.2)

Здесь при увеличении Р_вх от 5 до 25 кПа, а иногда и до 30кПа расход беспрерывно падает (от 19,2 л/мин до 2,1 л/мин; от 38,3 л/мин до 4,32 л/мин и от 36 л/мин до 12 л/мин при разгрузочном соотношении соответственно =0,2; 0,4; и 0,5) затем возрастает прямопропорционально давлению питания или остается постоянной. Каждому разгрузочному соотношению соответствует свой минимум расхода.

Примечательно, что для разгрузочного соотношения =0,2 существует автомодельность расхода шламового отверстия.

Очевидно, при вертикальном расположении гидроциклона, снижение расхода разгрузочного отверстия, на низких напорах, обьясняется влиянием статического напора жидкости, равного высоте гидроциклона. При увеличении давления питания до величин, соответствующих минимальному расходу разгрузочного отверстия, влияние статического напора прекращается и аппарат переходит на нормальный режим работы, который является наиболее благоприятным для гидроциклонов данной конструкции.

С целью выявления закономерностей, связанных с различным характером истечения жидкости из нижнего разгрузочного отверстия при различном расположении гидроциклона к горизонту, в частности, повышении расхода шламового отверстия с увеличением входного напора при вертикальном расположении гидроциклона со шламовым отверстиям вниз, были поставлены специальные опыты на прозрачном геометрически подобном опытному гидроциклону аппарате из органического стекла.

Результаты этих исследований, при разгрузочном соотношении =0,5, показали, что различный характер истечения жидкости из разгрузочного отверстия связан с изменением размера воздушного столба внутри гидроциклона.

Рис. 1 Графики зависимостей

при вертикальном расположении гидроциклона с песковым

отверстием вниз.

○ – d_пес=25 мм; ●-d_пес=20мм; ∆- d_пес=10 мм

Рис. 2 Графики зависимостей

при горизонтальном расположении гидроциклона с песковым

отверстием вниз.

○ – d_пес=25 мм; ●-d_пес=20мм; ∆- d_пес=10 мм

Как видно из опытов (рис.3), при горизонтальном расположении гидроциклона, при минимальном давлении питания появляется воздушный столб, характеризующийся не стабильностью по рабочему объему аппарата, причем на плоскости среза шламового патрубка размер его устанавливается d_возд.=1,6 d_шл. Дальнейшее повышение давления питания ведет к постепенной стабилизации формы и размера воздушного столба, сопровождающееся повышением расхода через шламовый патрубок. При этом диаметр воздушного столба остается постоянным.

Р_вх=1,73 кПа Р_вх=14,79 кПа Р_вх=39,51 кПа

Рис.3. Характер изменения воздушного столба при увеличении давления питания (горизонтальное расположение гидроциклона)

При расположении гидроциклона вертикально (рис. 4), минимальному давлению питания соответствует минимальный диаметр воздушного столба, а затем, диаметр воздушного столба начинает увеличиваться. Увеличение диаметра воздушного столба наблюдается до определенного давления питания, в наших опытах до Р_вх=35 кПа, после чего увеличение Р_вх не оказывает заметного влияния на размер воздушного столба.

В общем случае, при вертикальном расположении аппарата, диаметр воздушного столба зависит от диаметров разгрузочных отверстий, а также от давления питания и изменяется от 0,25 d_сл в низконапорном режиме до 0,79 d_сл на средних напорах.

Анализ взаимосвязи истечения жидкости из шламового отверстия и изменения диаметра воздушного столба при вертикальном расположении аппарата показывает, что максимальный расход Q_шл.max наблюдается при минимальном диаметре воздушного столба d_возд.min, и максимальной эффективной площади живого сечения нисходящего потока в плоскости нижней кромки шламового отверстия ω_эфф.max .

При увеличении Р_вх до 35 кПа происходит уменьшение эффективной площади шламового отверстия за счет увеличение диаметра воздушного столба, причем уменьшение ω_эфф происходит быстрее, чем увеличение осевой составляющей скорости, уменьшается расход Q_шл.. При Р_вх≥ 25…35 кПа устанавливаются диаметр воздушного столба d_воз. и эффективная площадь шламового отверстия (ω_эфф.шл =const), расход шламового отверстия минимальный (Q_шл.min). При дальнейшем увеличении давления питания осевая составляющая по прежнему увеличивается, следовательно, растет и расход разгрузочного отверстия.

Р_вх=1,73 кПа Р_вх=4,132 кПа Р_вх=35,05 кПа

Рис.4. Характер изменения воздушного столба при увеличении давления питания (вертикальное расположение гидроциклона со шламовым отверстием вниз)

Струя жидкости при выходе из шламового отверстия разлетается по касательной к внутренней кромке, образуя веер различного угла θ. Угол веера струи зависит от давления питания Р_вх и эффективной площади шламового отверстия ω_эфф.шл. По нашим данным угол θ возрастает от 75^○ при ω_эфф.шл =const, а затем наблюдается постепенное уменьшение угла θ до 145^○ (таблица 1)

Влияние давления питания на угол веера

струи разгрузочной жидкости.

Таблица 1.

Угол θ веера струи разгрузочного отверстия при давлениях питания Рвх, кПа
Рвх	1,73	3,33	4,132	5,332	9,73	19,86	35,054	47,5
θ	75^○	85^○	101^○	118^○	141^○	144^○	155^○	145^○

Выводы.

1. Установлено, что при горизонтальном расположении гидроциклона выход жидкости из шламового отверстия увеличивается при увеличении давления питания и изменяется по прямолинейной зависимости. При вертикальном расположении аппарата расход через шламовое отверстие беспрерывно уменьшается при увеличении Р_вх от 5 до 25 кПа, а иногда и до 30 кПа, затем возрастает прямопропорционально давлению питания или остается постоянным. Каждому разгрузочному соотношению соответствует свой минимум расхода, а для разгрузочного соотношения =0,2 существует автомодельность расхода шламового отверстия.

2. Различный характер истечения жидкости из шламового отверстия связан с изменением размера воздушного столба. При горизонтальном расположении аппарата повышение давления питания приводит к постепенной стабилизации первоначальной формы воздушного столба, диаметр его остается неизменным. При вертикальном расположении аппарата минимальному давлению питания соответствует минимальный диаметр воздушного столба, затем с увеличением давления питания диаметр воздушного столба увеличивается (до Р_вх=35 кПа), после чего дальнейшее увеличение давления не оказывает заметного влияния на диаметр воздушного столба.

Литература

1. Найденко В.В., Соболев И.Н. Сравнительная оценка зависимостей для определения объемной производительности гидроциклонов.: Тез. Доклад. I Всесоюзного Симпозиума “Исследование и промышленное применение гидроциклонов”. – Горький, 1981.с. 199-202.

2. Жангарин А.И., Абдураманов А.А. Механизм движения жидкости в гидроциклонах.: Экспресс – информация. Мелиорация и водное хозяйство. Обводнение и сельскохозяйственное водоснабжение. Вып.I, серия 3. – М.: 1977. С. 3 – 24.

3. Шипунова Н.С. Методы расчета гидроциклонов. – М.: ЦНИИТЭН легпищепром (обзор), 1971. С. 3 – 40.

4. Мустафаев А.М., Гутман Б.М. Влияние входного давления на производительность гидроциклона и степень очистки. – Изв. Вузов. Нефть и газ. №1, 1968. С. 85 – 88.