Груколенко В.К., к.т.н., доцент, Груколенко А.Г., ст. преподаватель

Харьковский национальный технический университет

сельского хозяйства имени Петра Василенко

АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ПОТЕРЬ НАПОРА

В ТРУБАХ ПРИ ПОМОЩИ ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК

Первые экспериментальные исследования по выявлению влияния полимерных добавок на сопротивление движению жидкостей в трубопроводах, имеющих различный диаметр и различную шероховатость стенок, на Украине были проведены в Институте гидромеханики Академии Наук. Сделана попытка по возможности охватить более широкий диапазон скоростей движения жидкостей с полимерными добавками, диаметра труб, материала и шероховатости стенок, способа введения полимерных добавок в поток и влияния насоса.

Исследования проводились на разомкнутой безнасосной установке и циркуляционной установке с центробежным насосом.

Разомкнутая безнасосная установка состояла из бака постоянного напора, куда заливались приготовленные растворы полимера нужной концентрации; объем бака составлял 140 л, длина рабочего участка трубопровода – 3,0 м. В процессе исследования измерялся расход жидкости путем фиксирования понижения уровня в водомерной трубке напорного бака и перепада давления по длине трубопровода при помощи пьезометров, которые подключались к отверстиям в трубе, расположенным по длине трубы через 1 м.

Циркуляционная установка включала в себя насос типа 4НФ, привод которого осуществлялся при помощи электродвигателя постоянного тока типа ПН-145 и замкнутое кольцо труб общей длиной 25 м. Расход измерялся при помощи трубы Вентури, длина рабочего участка – 6,0 м, перепады давления фиксировались на диаграммах самопишущих дифманометров.

Исследовались круглые трубы диаметром: 21; 51; 106 и 202 мм и труба прямоугольного сечения 25,4×25,1 мм. Материал труб: обыкновенная и нержавеющая сталь , органическое стекло; по типу внутренней поверхности – гладкие и шероховатые: с естественной и искусственной шероховатостью. В исследованиях средние скорости движения составляли от 0,1 до 9,5 м/с.

В процессе исследования были опробованы следующие полимеры: отечественный полиакриламид (ПАА) промышленного производства (концентрация С сухого ПАА лежала в пределах от 0,0005 до 0,2%), два образца карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) (концентрациею С = 0,3%) и один образец полиэтиленоксида (ПЭО, молекулярным весом М = 4 ∙10⁶), величина С составляла: 0,008; 0,01; 0,024%.

Для определения эффекта снижения потерь напора также исследовалось движение чистого растворителя (воды).

Коэффициент гидравлического трения определялся из формулы Дарси- Вейсбаха:

, (1)

откуда , (2)

где - ускорение свободного падения, м/с²;

- потери напора, м;

- диаметр трубопровода, м;

- средняя скорость движения жидкости, м/с;

- длина рабочего участка трубопровода.

Эффект снижения сопротивления определялся из соотношения:

, (3)

где и - коэффициенты гидравлического трения соответственно чистой воды и с добавками полиакриламида.

Исследования показали, что недеградированные образцы отечественного промышленного ПАА при небольших концентрациях (0,01%) могут снизить потери напора до 77%. В то же время растворы КМЦ не выявили никакого эффекта снижения сопротивления, что объясняется низким молекулярным весом исследуемых образцов.

Было установлено, что в циркуляционных установках эффективность растворов ПАА значительно уменьшается, что вызвано механической деградацией молекул полимера под воздействием центробежного насоса. Интенсивность деградации молекул зависит от окружной скорости рабочего колеса насоса и концентрации С. Растворы ПАА и ПЭО в безнасосной установке имели минимальную деградацию молекул и показали одинаковую эффективность. А в циркуляционной установке эффективность растворов ПЭО была меньшей, чем у растворов ПАА, что указывает на быструю деградацию растворов ПЭО под действием центробежного насоса.

Экспериментами было подтверждено ранее установленную закономерность, что эффект снижения сопротивления в основном определяется средней скоростью движения жидкости и концентрациею раствора и в меньшей степени зависит от диаметра трубопровода.

Анализируя полученные результаты, была сделана попытка выявить закономерность изменения эффекта снижения сопротивления в зависимости от изменения средней скорости течения и концентрации раствора С. Для этого предложена следующая зависимость:

, (4)

где - верхняя предельная концентрация, равная 0,005%;

- пороговая скорость.

В зависимость (4) следует подставлять значения , отличные от , только в том случае, когда ‹ , а при отношение .

Исследование труб с различной шероховатости показали, что при течении в них растворов ПАА эффект снижения сопротивления уменьшается по мере возрастания шероховатости. Характер зависимости при течении растворов в зоне квадратичного сопротивления оставался таким же, как и для воды, т.е. коэффициент гидравлического трения не зависел от числа Рейнольдса. Было также замечено, что имеется область скоростей течения, где эффект снижения сопротивления не изменяется с возрастанием скорости течения .

Так называемый остаточный эффект, заключающийся в том, что после прекращения подачи растворов полимера по трубе пропускают воду и при этом некоторое время наблюдается хотя и меньший, но заметный эффект снижения сопротивления, в данном исследовании не наблюдался.

Из опробованных в процессе исследований полимеров, обладающих свойством снижать потери напора в трубопроводах при их малых добавках в поток воды, особое значение имеет полиакриламид, который можно использовать в качестве структурирующего вещества для почвы. ПАА оказал положительное влияние на водные свойства и водный режим в почве. Улучшение физических и биологических условий в почве, структурирование которой производилось полиакриламидом, повысило урожаи с.х. культур, причем увеличение урожая произошло без снижения его качества.

Таким образом, следует признать использование добавок полиакриламида перспективным для снижения гидравлических сопротивлений в трубопроводах дождевальных установок.

Литература:

1. Базилевич В.А., Шабрин А.Н. Снижение гидравлических сопротивлений в трубопроводах с помощью полимерных добавок. «Гидромеханика. Респ. межвед. научно-техн. сб.», 1971, вып. 17.

2. Базилевич В.А. Влияние полимеров, снижающих сопротивление, на струйные течения жидкости. «Гидравлика и гидротехн. Респ. межвед.сб.», 1972.