Спосіб контролю кавітаційних процесів в гідротранспортному комплексі

Спосіб контролю кавітаційних процесів у гідротранспортному комплексі, який полягає у визначенні поточного значення тиску в потоці рідини ht  , що фіксується відповідним датчиком, та наступному порівнянні з тиском насичених парів, який відрізняється тим, що фіксують поточне значення температури Tt  рідини, що транспортується, за допомогою датчика температури, та визначають критичне значення напору, що відповідає початку розвитку кавітаційних процесів, використовуючи вираз виду 2 hk t   ht   , 3 W0 3 t g 4 чають поточне значення об'єму кавітаційної каверни, відповідно до виразу виду 1 Wkav t   W0   Q j t   Qi t  dt ; Tkav 20 - щільність рідини або газу при температурі 6Wkav t  - діаметр потоку в кавітацій ній області, м, розраховують фактичне значення втрат напору, обумовлених наявністю кавітаційних процесів у трубопроводі відповідно до виразу виду 1 - коефіцієнт температурного розширення (для води 1  0,000014 ); Tt  - поточне значення температури рідини, °С; де t - інтервал часу існування кавітації, с; Qi t  , Q j t  - значення витрат рідини на вході та виході кавітуючої ділянки трубопроводу, відповід3 но, м /с; W t  Tkav t   kav  - інерційна постійна часу кавітаG ційної каверни, с; G  Q - вагова витрата рідини, кг/с;  - питома вага рідини, кг/м3, обчислюють значення коефіцієнта місцевого опору, що відповідає кавітаційному звуженню потоку, використовуючи вираз виду t 2 , 2g W0 - обсяг нерозчиненої в потоці рідини бульбаш3 ки повітря, м ;  - коефіцієнт поверхневого натягу, Н/м; 2 g  9,8 м/с - прискорення вільного падіння, де t   рідини на кавітуючій ділянці трубопроводу, визна d2 - площа поперечного перерізу потоку рі4 2 дини, м за умови ht   hk t  , що відповідає початку генерації кавітаційних бульбашок, фіксують поточні значення вхідної Qi t  та вихідної Q j t  витрати hkav t   kav t  Qi t  - швидкість потоку рідини в кавітуюS чій ділянці гідромережі, м/с; S (13) 67284 (11) dp t   d  3 U 2   d2 kav t     1  t d t 2  p   0,043 де t   0,57  - коефіцієнт стиску   d t 2   1   p    d2      потоку; d - діаметр трубопроводу без кавітаційних каверн, м; UA T0  20 C ;  (19) де ht  - поточне значення напору на розглянутій ділянці трубопроводу, м; 20 3 t   - щільність рідини кг/м ; 1  1T t   T0   3 67284 4 та визначають поточне значення втрат гідравлічної потужності, що витрачається на подолання кавітаційних процесів у трубопроводі Nkav (t )  t ghkav t Qi t  . Корисна модель належить до електромеханіки і може бути використана в системах контролю та управління гідротранспортними комплексами комунального та промислового водопостачання для дослідження динамічних режимів гідротранспортних систем з урахуванням процесів кавітації в трубопроводі, які супроводжуються непродуктивними втратами енергії. Відомий спосіб контролю кавітаційних процесів в гідротранспортному комплексі, що базується на аналізі віброакустичних та енергетичних характеристик насоса у поєднанні з візуальними спостереженнями потоку рідини в міжлопатевих каналах робочого колеса [Карелин В.Я. Кавитационные явления в осевых и центробежных насосах. Изд. 2-е переработанное и дополненное. М.: «Машиностроение», 1975. - С. 305-313]. Виміряні параметри вібрації і шуму порівнюють з допустимими значеннями, що характеризують початок розвитку процесів кавітації, оцінюють ступінь розвитку кавітації в насосному агрегаті та визначають необхідне значення вакуумметричної висоти всмоктування. Ознаки, які співпадають із суттєвими ознаками способу, що заявляється: умови виникнення зон кавітації, ступінь розвитку кавітації. Недоліками цього способу є велика чутливість акустичних коливань до наявності в робочій рідині нерозчиненого газу або повітря та відсутність можливості локалізації зон кавітації. Відомий спосіб контролю кавітаційних процесів у гідротранспортній системі, який базується на умові статичної рівноваги нерозчиненої у потоці рідини бульбашки повітря [Рождественский В.В. Кавитация. Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности «Гидроаэромеханика». Л.: «Судостроение», 1977. - С. 13-18]. Ознаки, які співпадають із суттєвими ознаками способу, що заявляється: умови початку росту і розвитку кавітаційних каверн (порожнин, заповнених газом) у потоці рідини. Недоліками даного способу є відсутність впливу параметрів гідротранспортного комплексу (тиск, продуктивність), що змінюються в часі, на межі виникнення процесів кавітації та енергетичні характеристики гідротранспортної системи. Даний спосіб вибрано як найближчий аналог способу, що заявляється. В основу корисної моделі поставлено задачу розробки способу контролю кавітаційних процесів у гідротранспорт ній системі, що дозволяє здійснити оцінку технологічних та енергетичних параметрів гідротранспортного комплексу з урахуванням процесів кавітації в трубопроводі. Поставлена задача вирішується тим, що при зміні режиму роботи гідротранспортної системи та зниженні значення напору в трубопроводі h(t) нижче критичного напору hk(t), що визначає межу ви никнення кавітації, виникають передумови для розвитку кавітаційних процесів у гідросистемі. Явище кавітації в трубопроводі супроводжується порушенням цільності потоку та ростом об'єму кавітаційних каверн W kav(t), що призводить до звуження діаметру потоку dp(t), та відповідно, до росту коефіцієнта гідравлічного опору kav ( t ) . У результаті зростають втрати напору Δhkav(t) в трубопроводі, що супроводжуються додатковими витратами енергії на переміщення робочого середовища та зниженням ККД гідротранспортного комплексу. Згідно із способом контроль кавітаційних процесів в гідротранспортній системі здійснюється відповідно до алгоритму (фіг. 1), що дозволяє визначити зміну гідродинамічного опору трубопровідної мережі та втрат потужності в трубопроводі, зумовлених наявністю кавітаційних процесів. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображено алгоритм визначення кавітаційних процесів у гідротранспортному комплексі; на фіг. 2 наведено напірно-витратні характеристики гідротранспортної системи із урахуванням кавітаційних процесів у трубопроводі. Спосіб контролю кавітаційних процесів у гідротранспортній системі реалізовано наступним чином. Для досліджуваної ділянки трубопровідної мережі фіксують поточні значення напору h(t) та температури T(t) рідини, що транспортується, за допомогою відповідних датчиків. Визначають критичне значення напору, що відповідає початку розвитку кавітаційних процесів, використовуючи вираз вигляду: 2 , (1) hk t   ht   3 W0 t g3 4 де h(t) - значення напору на поточній ділянці трубопроводу, м; 20 - щільність рідини, що t   1  1T t   T0  3 транспортується, кг/м ; 20 - щільність рідини чи газу при температурі T0  20 °С; 1 - коефіцієнт температурного розширення (для води 1  0,000014 ); Tt  - поточне значення температури рідини, °С; W0 - об'єм нерозчиненої в потоці рідини бу3 льбашки повітря, м ;  - коефіцієнт поверхневого натягу, Н/м; 2 g  9,8 м/с - прискорення вільного падіння. Порівнюють поточне значення напору h(t) з критичним hk(t) та за умови h(t)≤hk(t), яка відпові 5 67284 дає початку генерації кавітаційних бульбашок, фіксують поточні значення витрат рідини на вході Qі(t) та виході Qj(t) кавітуючої ділянки трубопроводу. З урахуванням останнього, визначають поточне значення об'єму кавітаційної каверни, у відповідності з виразом виду: 1 Wkav t   W0   Q j t   Qi t  dt , (2) Tkav де t - інтервал часу існування кавітації, с; Qi(t), Qj(t) - значення витрат рідини на вході та виході кавітуючої ділянки трубопроводу, відповід3 но, м /с; W t  Tkav t   kav  - інерційна стала часу кавіG таційної каверни, с; G=Qρ - вагова витрата рідини, кг/с; 3  - питома вага рідини, Н/м . Збільшення об'єму кавітаційних каверн призводить до звуження робочого діаметру потоку рідини dp(t), що супроводжується зміною коефіцієнта місцевого опору та втрат напору, відповідно:   2   d2 kav t     1 ; (3)  t d t 2  p   hkav t   kav t  де t   0,57  t 2 , (4) 2g 0,043   d t 2   1   p    d2      - коефіцієнт стиснення потоку; d - діаметр трубопроводу без кавітаційних каверн, м; 6Wkav t  - діаметр потоку в кавіта ційній області, м, Q t  - швидкість потоку рідини в кавітуt   i S ючій ділянці гідромережі, м/с; dp t   d  3 6 d2 - площа поперечного перетину потоку 4 2 рідини, м . Поточне значення втрат гідравлічної потужності, що витрачається на подолання кавітаційних процесів у трубопроводі, визначається виразом виду: Nkav(t)=ρ(t)gΔhkav(t)Qi(t). (5) Пояснення меж виникнення та впливу кавітаційних процесів у трубопроводі на режим роботи гідротранспортного комплексу виконано з використанням напірно-витратних характеристик гідротранспортної системи з урахуванням кавітаційних процесів у трубопроводі та кривих (h-Q)к1, (h-Q)к2, (h-Q)к3, що відображають межі кавітаційного режиму роботи кожної ділянки гідродинамічної мережі з різним вмістом повітря (фіг. 2). З їхнього аналізу видно, що режим роботи насосної станції, що відповідає витраті рідини QА (точка А напірновитратної характеристики), призводить до розвитку кавітаційних процесів на третій ділянці гідродинамічної мережі, так як діючий на її вході напір h3 менше критичного значення напору, що визначається кривою (h-Q)к3. Враховуючи вираз (4), напірно-витратна характеристика третьої ділянки (h-Q)c3 та сумарна характеристика трубопроводу (h-Q)cΣ, переміщаються вгору по характеристиці (Н-Q)н, та будуть відповідати кривим (h-Q)c3' і (h-Q)cΣ', відповідно. У результаті робочий режим гідротранспортного комплексу буде визначатися точкою В перетинання нових напірно-витратних характеристик, що підтверджує збільшення втрат напору, обумовлених кавітацією. Запропонований спосіб контролю кавітаційних процесів у гідротранспортному комплексі дозволяє контролювати розвиток кавітаційних процесів у будь-якій ділянці трубопровідної системи, оцінити вплив кавітаційних процесів на технологічні та енергетичні параметри насосного комплексу, досліджувати динамічні режими роботи в гідротранспортній системі з параметрами, що змінюються в часі, та є базовим для побудови систем автоматичного керування кавітаційними процесами в гідротранспортному комплексі. S 7 67284 8 9 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 67284 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601