Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Определение рациональной области применения поверхностных центробежных насосов с внешними погружными эжекторами

ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Кравченко, Алексей Евгеньевич

Введение, цель и задачи работы

Глава 1. Применение гидроэлеваторов, достоинства и недостатки, условия рационального использования

1.1. Принципы работы гидроэлеваторов, различные 15 технологии их применения

1.2. Использование гидроструйных насосов в 27 водоснабжении; совместное применение гидроструйных эжекторов и центробежных насосов

Глава 2. Обзор методов расчета гидроструйных насосов

2.1. Принципиальные схемы и конструкции струйных 42 насосов

2.2. Методики расчета гидроструйных насосов, 46 основанные на теории смешения двух потоков однородных жидкостей

2.3. Методы расчета гидроструйных эжекторов с 60 использованием нормальных безразмерных характеристик

Глава 3. Построение математической модели и расчеты на ее основе параметров работы циркуляционной насосноэжекторной установки

3.1. Анализ совместной работы центробежного насоса и 82 гидроструйного эжектора при последовательном (традиционном) их включении

3.2. Построение математической модели циркуляционной 94 установки

3.3. Расчет зависимостей КПД циркуляционной установки 102 от глубины динамического уровня воды в скважине

3.4. Зависимость полезной подачи циркуляционной 116 насосно-эжекторной установки в зависимости от глубины динамического уровня воды в скважине

3.5. Теоретически возможные границы применения 126 циркуляционных насосно-эжекторных установок для подъема воды из скважин

Глава 4. Экспериментальные исследования, анализ экономически целесообразных условий применения циркуляционных насосно-эжекторных систем в водозаборных скважинах

4.1. Экспериментальное изучение полезной подачи в 132 зависимости от глубины откачиваемой воды

4.2. Сравнительный анализ затрат на эксплуатацию 156 погружных насосов и насосно-эжекторных установок

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Определение рациональной области применения поверхностных центробежных насосов с внешними погружными эжекторами"

Важной научной и общетехнической задачей является расширение области применения серийного насосного оборудования — рассмотрению одного из аспектов этого вопроса посвящена настоящая работа. Содержание работы заключается в изучении условий рационального применения для откачки воды из скважин с пониженным динамическим уровнем воды специальной циркуляционной схемы, состоящей из гидроструйного погружного эжектора и поверхностного центробежного насоса.

Автор, безусловно, далек от мысли, что он является «первопроходцем» в данной области. Но дело в том, что в работе анализируется не только общая идея применения для откачки воды из скважин гидроструйных насосов, но и рассматриваются преимущества и недостатки применения гидроструйных насосов для откачки воды из скважин в современных условиях. Современные условия характеризуются тем, что в бурении существует четкая тенденция - использовать малые диаметры бурения. Не только геологоразведочные, но и водозаборные скважины стремятся бурить малыми диаметрами. Соответственно этому, ведущие мировые производители водоподъемного оборудования также начинают изготавливать его малых размеров. В качестве примера можно сравнивать погружные насосы одинаковой производительности: давно выпускаемые -типа ЭЦВ, из чугуна, с их большими размерами и массой, и современные - датские насосы Grundfos, диаметр которых может быть до 2-х дюймов, изготовленные из легких сплавов и пластмасс. Соответственно, вместо гидроструйных насосов больших диаметров из стали и чугуна появились металлопластиковые гидроструйные эжекторы малых диаметров (рис. 1.1 а, б). а) б)

Гидроэлеватор О'Брайена (США, 50-х гг.) с цилиндрической камерой смешения для подъема воды на высоту более 30 м

1 - всасывание воды;

2 - подача рабочей воды;

3 - нагнетание воды

Современный металлопластиковый струйный эжектор Pedrollo (Италия) для водозаборных скважин

Рис. 1.1.

Струйные насосы разных лет для подъема воды из скважин

В связи с вышесказанным требуется уточнить, какие преимущества и недостатки имеют место в результате применения оборудования новых образцов в скважинах малого диаметра, в сравнении с прежним оборудованием в скважинах большого диаметра. Применительно к водозаборным скважинам ответ не является достаточно очевидным и однозначным.

Производительность водозаборных скважин, определяется многими факторами, в том числе, зависит ее диаметра - чем меньше диаметр скважины, тем больше фильтрационное сопротивление. Если диаметр скважины мал, то трудно рассчитывать на ее большой дебит. Скважины для крупных водозаборов бурятся большими диаметрами.

За 10. 15 последних лет в России, наряду с корпоративными водопотребителями, появилось большое количество индивидуальных владельцев скважин, в первую очередь в дачном секторе. Это объясняется изменениями в экономике страны и тем, что подземные воды по-прежнему остаются самым экологически чистым, защищенным и надежным источником водоснабжения. Многие буровые организации полностью переквалифицировались на бурение водозаборных скважин для индивидуального водоснабжения. С учетом того, что каждый кран индивидуального водопотребителя отбирает не более 1 м /час, а водоотбор нерегулярен, дебит таких скважины требуется существенно меньше, чем для скважин производственного и корпоративного назначения. Соответственно бурение и водоподъемное оборудования могут применяться меньших диаметров.

В тех случаях, когда владелец индивидуальной скважины не в состоянии или не желает осуществлять большие капиталовложения в водоподъемное оборудование, в качестве альтернативы применения погружного насоса, с учетом факторов, подробно рассмотренных в настоящей работе (вовсе не для любых случаев) можно рекомендовать к применению для откачки воды из скважин с пониженным динамическим уровнем циркуляционную установку, состоящую из центробежного насоса, располагаемого на поверхности, и струйного насоса, размещаемого в скважине.

Целесообразность анализа применимости циркуляционных насосно-эжекторных установок можно аргументировать и более общими суждениями, ведь дело не только в том, что появилось водоподъемное оборудование малых размеров. Обращает на себя внимание то, что в США, особенно в 50-60-е годы в сельском водоснабжении очень широко применялись водоподъемные установки с использованием гидроэлеваторов. В те годы США еще не обладали тем уровнем энергообеспеченности, каким они обладают сейчас, поэтому широко применялись технологические процессы, обладающие высокой надежностью и малой энергоемкостью. Если предположить, что насосно-эжекторные водоподъемные средства обладают подобными качествами, то возникает закономерный вопрос, почему они не применяются в России - в современных экономических условиях.

Если согласиться с тем, что декларируется в рекламных прайсах иностранных фирм, а также, например, с текстом на с. 173 [23]: «водоструйная установка представляющая из себя сочетание струйных и центробежных насосов может поднимать воду из скважин глубиной до 100 м, развивая напор над осью центробежного насоса до 50 м. Подача ее зависит от высоты поднятия воды и в среднем составляет 15.20 м3/час.», то возникает закономерный вопрос, а почему это не используется. Тем более что при небольших глубинах скважин - до 60-80 м, что характерно для индивидуального водоснабжения дачных участков Московского региона, водоструйные установки могли бы составить неплохую конкуренцию погружным насосам - громоздким отечественным типа АТП, ЭЦВ и легким и компактным, но достаточно дорогим западным Grunfos, Nochhi и др.

Кроме того, совместное применение центробежных и гидроструйных насосов позволяет значительно расширить функциональные возможности серийного насосного оборудования. Оно позволяет существенно увеличить напор или подачу, допустимую вакуумметрическую высоту всасывания центробежных насосов, перекачивать этими насосами гидросмеси и газы, создавать вакуум и получать сжатый воздух, осуществлять смешивание жидких, твердых и газообразных сред и выполнять многие другие технологические процессы. Применение насосно-эжекторных установок позволяет получать большие КПД в сравнении с КПД отдельно применяемого струйного насоса. Повышение КПД осуществляется за счет того, что струйный эжектор выполняет технологические процессы, которые не в состоянии выполнить центробежный насос. С его помощью осуществляется самовсасывание, подавление кавитации, перекачивание газов и жидкостей нагретых более 30°С.

Исследованиям и расчетам струйных аппаратов в нашей стране посвящен ряд основополагающих теоретических работ, выполненных в Московском государственном техническом университете (МГТУ) им. Н.Э. Баумана Ю.К. Кирилловским и Л.Г. Подвизом, во Всесоюзном теплотехническом институте (ВТИ) им. Ф.Э. Дзержинского Е.Я. Соколовым и Н.М. Зингером, в Московском государственном инженерно-строительном университете (МГСУ) им. В.В. Куйбышева П. Н. Каменевым.

Фундаментальные работы по исследованию работы гидроструйных насосов выполнили: Б.Э. Фридман, Г.А. Ароне, Г.А. Абрамович, Н.А. Ржаницын, П.С. Ярин, Л.Д. Берман, Б.В. Канторович, С.Ю. Келлер, П.А. Свидерский, Д.Л. Лобанов, А.Е. Смолдырев.

Отмечаем, что, несмотря на то, что работы вышеперечисленных авторов опубликованы около 30 лет назад, интерес к разработкам и практическому применению струйных аппаратов не ослабевает и в настоящее время. В нашей стране и во всем мире публикуется множество статей и изобретений по вопросам проектирования, расчета и эксплуатации струйных насосов и аппаратов.

Вопросам практического применения струйных насосов в геологоразведочном и горном деле посвящены работы: Д.Н. Башкатова, B.C. Алексеева, В.В. Алексеева,

C.J1. Драхлиса, В.М. Попова, О.С. Брюховецкого, В.П. Дробаденко, Н.Г. Малухина, Г.П. Квашнина, В.Я. Карелина, А.П. Юфина, а также разработки Промбурвод, Востокбурвод, ПГО Центргеология, ВИЭСХ.

Анализ современных технических водоподъемных средств позволяет сделать вывод, о том, что за последние годы на Российском рынке резко расширилось предложение центробежных насосов, обладающих способностями самовсасывания, от ведущих западных производителей: Grundfos, Pedrolla, Nocchi и др. Дорогие насосы находят своего потребителя, это подтверждается увеличением объемов продаж и присутствия западных компаний.

Вполне определенно можно сказать о том, что в научно-технической литературе, изданной в нашей стране и поступающей к нам из-за рубежа вместе с импортными насосами и оборудованием для них, методики расчета и выбора рациональных условий применения оборудования не имеют достаточного освещения. Они завуалированы, часто вообще не приводятся, а материалы, касающиеся результатов практического применения, носят ярко выраженный рекламный характер, т.к. иностранные фирмы применяют для продвижения своей продукции на Российский рынок самые изощренные способы маркетинга - стремятся максимально заинтриговать покупателя.

Если оценивать известные методики расчета рациональных условий применения и режимов работы гидроструйных установок, то с точки зрения специалистов, занимающихся внедрением этих установок на конкретных объектах, существующие методики не являются простыми и доступным. То, что возможности для достоверного прогнозирования рациональных режимов ограничены, субъективно ограничивает применение самих гидроструйных установок. Автор настоящей работы считает, что при условии надежного прогнозирования работы циркуляционных насосно-эжекторных установок, они могут найти более широкое применение для подъема воды из неглубоких скважин, наряду с применением более дорогих погружных насосов.

В большинстве дачных и коттеджных поселков отсутствует централизованный водовод. При этом основным источником воды по традиции остаются шахтные колодцы и трубчатые забивные и буровые скважины с погружными или установленными наверху ручными поршневыми насосами. Скважины, вскрывающие пласты, содержащие подземные воды, имеют большие преимущества перед другими видами водозаборных сооружений, в первую очередь с точки зрения безопасного и надежного обеспечения населения водой. Бурение неглубоких скважин в последние годы носит массовый характер. При определенных условиях неглубокие скважины, с технической и экономической точек зрения, целесообразно оборудовать относительно дешевыми гидроструйными установками, состоящими из расположенного на поверхности центробежного насоса и погружного эжектора, размещаемого в скважине. При этом теоретически обеспечивается возможность забора воды при глубине ее уровня в скважине 40-50 м.

Гидроструйные установки, технически более простые, неприхотливые при работе с водой содержащей взвеси, более дешевые в сравнении с погружными, рационально применять в геологоразведочной и горной промышленности для осушения шахтных полей и карьеров, подачи воды из скважин, шурфов, забора сильно загрязненной нефтепродуктами воды из глубоких ям и откачных колодцев, а также, при добыче редких металлов способом подземного выщелачивания (ПВ). Они незаменимы при проведении экологических работ, в случаях, когда они применяются скважинах или шурфах предназначенных для сбора нефтепродуктов фильтрующихся через четвертичные отложения - в случаях, когда применение погружных электрических насосов может спровоцировать возгорание.

На режим работы гидроэлеваторной установки, работающей в системе пласт -гидрогеологическая скважина - водоподъемная установка - водовод, оказывают влияние внешние и внутренние характеристики данной системы, что в частности, оправдывает существование большого количества типоразмеров центробежных насосов. Изменение параметров одного из звеньев системы, например понижение динамического уровня воды в скважине, изменяет показатели работы других ее звеньев. Производительность и КПД гидроструйной установки особенно чувствительны к изменениям динамического уровня воды в скважине и напора, подаваемого потребителю. Влияние этих факторов серьезно ограничивает возможности рационального применения насосно-эжекторных установок. Характеристики скважины, центробежного насоса и гидроструйного эжектора, водоразбора потребителя должны быть согласованы.

В этой связи актуальны теоретические исследования работы струйного эжектора во взаимодействии с центробежным насосом, водозаборной скважиной и водоразбором потребителя, осуществляемые в направлении совершенствования методов расчета и прогнозирования показателей производительности циркуляционных насосно-эжекторных установок, предназначенных для эксплуатации в водозаборных скважинах.

Этим определяется тема диссертационной работы и ее цель: повышение эффективности использования поверхностных центробежных насосов с выносным погружным эжектором за счет определения оптимальной области их применения.

Объектом исследований при этом является: техническое средство -циркуляционная насосно-эжекторная установка, предназначенная для подъема воды из скважин малого диаметра с глубоким динамическим уровнем.

Основные задачи исследований:

Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

• обзором и анализом схем обеспечивающих самовсасывание и увеличение высоты всасывания центробежных насосов, изучением взаимодействия поверхностных центробежных и скважинных гидроструйных эжекторов в процессе их совместной работы при откачке жидкости с большой глубины;

• анализом методов расчета струйных эжекторов, основанных на разных теориях и методах;

• составлением математической модели-уравнения работы системы: «скважина с пониженным переменным динамическим уровнем воды - насосно-эжекторная установка - сеть потребителя»;

• проведением расчетов гидравлических характеристик циркуляционных насосно-эжекторных установок с использованием созданной в этих целях программы расчета в системе MATHCAD (на ПЭВМ) и применением составленной математической модели;

• построением таблиц и графиков зависимостей, позволяющих определить, условия рационального применения циркуляционной насосно-эжекторной установки с учетом характеристик водозаборных скважин и гидравлических сопротивлений на входе в сеть потребителя;

• экспериментальной проверкой, в условиях имитирующих реальные производственные, теоретических зависимостей, выражающих связи; динамического уровня подземных вод, напора к потребителю и производительности насосно-эжекторной установки.

• обобщением полученных результатов и выработкой на этой основе алгоритма подбора комплектации циркуляционных насосно-эжекторных установок для откачки воды из скважин;

• оценкой экономических результатов применения циркуляционных насосно-эжекторных установок для откачки воды - в сравнении с современными погружными центробежными насосами.

Настоящая работа условно делится на две части.

В первой части, к которой относятся главы 1 и 2, выполнены обзор и обобщение имеющихся в литературе сведений по применению, исследованиям и методикам расчета гидравлических характеристик и конструктивных элементов гидроструйных насосов для однородных жидкостей. Эта часть основывается на результатах фундаментальных исследований авторов, наименования работ которых приведены в списке использованной литературы.

Вторая часть, к которой относятся главы 3 и 4, содержат авторские предложения по способа инженерного расчета циркуляционной насосно-эжекторной установки, предназначенной для подъема однородной жидкости из скважин в условиях пониженного динамического уровня жидкости в ней. Математической модели циркуляционной насосно-эжекторной установки явилась основой для проведения расчетов - позволила рассчитать и построить все зависимости, которые использовались при формулировке обобщений.

В работе приведены значения КПД и расхода при совместной работе центробежного насоса и гидроструйного эжектора, полученные теоретически и экспериментально. Построены графики, характеризующие влияние на КПД и расход глубины до динамического уровня воды в скважине и напора подаваемого к потребителю

Для решения поставленных задач применялись общие принципы методологии научных исследований, основанные на методах анализа и синтеза. Использовались методики научных исследований и математические методы, применяемые в буровой гидравлике и гидромеханике. При выполнении расчетов применены алгоритмы численных методов, интегрированные в систему MA THCAD и EXEL. Результаты расчетов проверены экспериментально.

Практическое значение работы заключается в технологическом и экономическом рассмотрении одного их способов решения важной общетехнической задачи - расширении области применимости серийного насосного оборудования.

Осуществлен анализ возможности увеличения глубин откачки при использовании стандартного насосного оборудования путем оснащения центробежных насосов внешними погружными гидроструйными эжекторами. В связи с этим, проведено научное исследование по установлению применимости металлопластиковых эжекторов небольших размеров (до 2-х дюймов) для откачки жидкостей из скважин малого диаметра (менее 4 ) с пониженным динамическим уровнем.

Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены составляющие алгоритма, позволяющего рассчитывать производительность и оценивать целесообразность применения циркуляционных насосно-гидроструйных установок для откачки воды из скважин с глубоким динамическим уровнем в каждой конкретной ситуации. Представленные в работе графические зависимости рекомендуются к практическому применению в производственных условиях.

Автор глубоко признателен научному руководителю доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ Дмитрию Николаевичу Башкатову за методическую, практическую и организационную помощь при выполнении диссертационной работы.

Автор выражает благодарность научному консультанту кандидату технических наук Николаю Ивановичу Сердюку за многие полезные советы и конструктивную критику, в первую очередь, касающуюся практики современного индивидуального водоснабжения.

Автор благодарит коллектив кафедры разведочного бурения МГГРУ за помощь, поддержку и содействие.

Автор благодарит сотрудников НПО «Комплексное водоснабжение объектов» за техническую и практическую помощь в процессе проведения экспериментальных исследований и написания диссертационной работы.

Заключение Диссертация по теме "Технология и техника геологоразведочных работ", Кравченко, Алексей Евгеньевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Представляемая диссертационная работа направлена на решение актуальной научно-практической задачи - расширение областей применения серийного насосного оборудования. Изучались границы вероятного рационального применения серийных центробежных насосов для откачки воды из скважин малых диаметров с глубин, превышающих теоретическую высоту всасывания. Первоначально предполагалось, что осуществить это возможно совмещением их работы с гидроструйными металлопластиковыми погружными эжекторами.

Традиционно применяемые способы регулирования позволяют изменять напор (давление) и расход (подачу) насоса только в пределах его характеристики Н - Q (р - Q). Применением специальных способов и средств позволяет расширить рамки обычного регулирования: увеличить напор насоса выше значений его по характеристике за счет уменьшения подачи (рассматривается в настоящей работе) и наоборот, увеличить подачу за счет снижения полезного напора (давления), что применяется в геологоразведке и горном деле при традиционном употреблении гидроэлеваторов.

Из материалов изложенных в работе следует:

1. В случаях, когда возникает необходимость подъема жидкости с глубины, превышающей допустимую вакуумметрическую высоту всасывания центробежных насосов, наряду с погружными центробежными насосами, в границах обозначенных в настоящей работе, возможно применять циркуляционные насосно-эжекторные установки. Для подъема жидкости с глубины более всего подходит циркуляционная установка с отбором полезного расхода после центробежного насоса (а не после струйного, как в традиционной «разомкнутой» схеме). Схема характеризуется тем, что в ней развиваемый полезный напор складывается как сумма напоров струйного и центробежного насосов.

2. Увеличение высоты подъема жидкости связано с существенным снижением полезной подачи, поэтому указанную установку целесообразнее применять исходя из чисто технологических соображений, когда экономические показатели менее важны, и объемы откачки невелики.

Границы применения циркуляционной насосно-эжекторной установки по подъему воды с глубины определяются ее техническими возможностями и исходя из экономических сравнений ее с современными погружными насосами. Технические возможности циркуляционной насосно-эжекторной установки анализировались проведением расчетов и построением графиков. Разработана математическая модель работы установки в процессе откачки воды из скважины с переменным динамическим уровнем.

Теоретические исследования и расчеты на ЭВМ, позволили сформулировать следующие выводы:

1. Расчеты подтверждают, а графики иллюстрируют, что применение циркуляционной насосно-эжекторной схемы с отбором полезного расхода после центробежного насоса, с линией обратной связи связывающей струйный эжектор с центробежным, обеспечивает увеличение глубины откачки. Глубина откачки при уменьшении отношения — в струйном насосе до 1,6 соизмерима с напором, поддерживаемым на dc выходе центробежного насоса.

2. Расчеты производительности и КПД циркуляционной насосно-эжекторной установки указывают, что с целесообразностью совместного применения центробежного и струйного насосов для откачки жидкости с большой глубины не является достаточно эффективной. Ее рационально применять, если изначально не преследуется цель получения результирующей подачи в объемах, превышающих текущую производительность центробежного насоса.

3. Расчетно-графические данные указывают, что при больших глубинах динамического d, уровня Н п целесообразнее применять гидравлические эжекторы со значениями —:- в dc диапазоне менее 2-х (до 1.2), т.к. при любом действующем перепаде напоров на входе

АНр это позволяет получать большие перепады напоров на выходе струйного насоса АНс.

4. Расчеты показывают, что КПД циркуляционной насосно-элеваторной установки при откачке жидкости начиная с глубин превышающей теоретическую высоту всасывания (10 м.вод.ст), в условиях поддержания напоров на выходе центробежных насосов в диапазоне 30—100 м.вод.ст, составляет не более 50-60% от величины действующих КПД центробежного насоса.

5. Следует учитывать, что с приближением отношения — к единице, зазор между dc соплом и горловиной уменьшается, что увеличивает сопротивления непосредственно в струйном насосе и ограничивает потенциал его работы с большими расходами. В связи с этим, для увеличения полезной суммарной подачи (при использовании традиционной схемы) гидроструйные насосы с подобными конструктивными параметрами применять нецелесообразно. Они могут иметь только специальное применение - для подъема жидкости с глубины.

6. Расчетно-теоретические глубины откачки Hd, выраженные в долях от действующего напора центробежного насоса

Нл

Я. ограничивает зависимость:

На

Я,. -0,0012 d V dcj 0,0474 rd.V

-0,6401 dc j 3,0619 d, соотношение диаметров сопла и горловины применяемого гидроэлеватора). d. предполагается, что определено конструкцией

Экспериментальные исследования позволили установить:

1. Применение металлопластиковых струйных эжекторов диаметром 2-3 дюйма позволяет использовать их для откачки подземных вод, но только из неглубоких скважин малых диаметров. Металлопластиковые эжекторы в составе циркуляционной насосно-эжекторной установки с отбором полезного расхода после центробежного насоса, при конструктивном параметре — = 1,6, обеспечивают техническую возможность подъема d. воды из колодцев и скважин с глубины 20-25 м при относительно небольшом напоре центробежного насоса нчнас~30 м.вод.ст. Полезная производительность, и КПД установки, при этом невелики, что отвечает более целям опробования, небольшим и нерегулярным откачкам, т.к. полезная производительность откачки с глубины 20 - 25 м составляет не более 50% от номинальной производительности центробежного насоса при его напоре 30 м.вод.ст.

Целесообразность применения циркуляционной установки с гидроструйным эжектором в конкретных случаях следует основывать на учете противоположных факторов. С одной стороны - повышение напора (сопротивления) на выходе центробежного насоса обеспечивает теоретическую возможность подъема жидкости с большей глубины; с другой - повышение напора уменьшает полезную подачу центробежного насоса (согласно его характеристике), и поэтому величина с

Фц.нас. приближением к предельно-расчетным глубинам становится незначительной - близкой к нулю. Поэтому при глубинах близких к предельно-расчетным, использовать циркуляционную схему нерационально. Искусственные создавать сопротивления на выходе центробежного насоса - в целях увеличения глубины откачки нерационально, особенно, когда насос обладает «мягкой» характеристикой, при которой подача существенно уменьшается с повышением сопротивления. КПД при этом уменьшается пропорционально напору, погашенному на задвижке. Применение для создания рабочих напоров буровых поршневых и плунжерных насосов с «жесткими» характеристиками возможно, но они дороже и с точки зрения их цены относятся к другой сфере применения - поэтому такие варианты не рассматриваются.

3. Если преследовать практическую задачу - осуществить водоподъем с глубин 30.40 м, то экспериментальная циркуляционная гидроэлеваторная установка в испытанной комплектации (с диаметрами сопла dc = 5 мм и горловины dp = 8 мм струйного насоса) позволяет откачивать воду с данных глубин, но в ограниченных объемах - до о

0,5 м /час. На выходе центробежного насоса для этого следует поддерживать напор -40.50 м.вод.ст. В системе при этом будет циркулировать рабочий (непроизводительный) расход порядка - 1,5м3/час. Откачки с большей о производительностью —1м /час с использованием экспериментальной установки целесообразно было бы производить с глубин - 20.25 м, предполагая при этом наличие сопротивления в сети потребителя на уровне 3-х бар (30 м.вод.ст), Для обеспечения данной производительности центробежный насос должен дополнительно о перекачивать по циркуляционной системе порядка 1,1 м /час, т.е. суммарная л производительность центробежного насоса должна составлять порядка 2,1 м /час. Дальнейшее уменьшение глубин откачки — до 10 м, увеличивает производительность до 1,5 м /час, при том же напоре на выходе - 30 м.вод.ст. Однако, если для откачки с глубины 30 м пытаться применить установку с напором центробежного насоса Н=30 м.вод.ст, то попытка окажется неудачной. Полезная подача в этом случае будет близка к нулю, а расход центробежного насоса станет непроизводительно циркулировать в системе.

Экономический анализ применения циркуляционной насосно-эжекторной установки позволил сделать следующие обобщения:

1. Наиболее оправданно применение циркуляционных гидроструйных эжекторных установок в диапазоне глубин 10.20м - когда глубина откачки незначительно превышает теоретическую высоту всасывания, т.е. когда непосредственное применение поверхностных центробежных насосов уже невозможно. Сооружение же при этом скважины с погружным насосом, в сравнении с предлагаемым способом водоотбора, обеспечивает лишь незначительные преимущества и только при суммарных объемах водоотбора более 2000 м3 за срок эксплуатации.

2. С увеличением объемов откачиваемой воды первоначальное экономическое преимущество от использования недорогих составляющих гидроэлеваторной установки уменьшается, т.к. циркуляционная насосно-эжекторная установка в сравнении с современными центробежными насосами в процессе эксплуатации оказывается более энергоемким (на единицу объема откаченной воды) водоподъемным техническим средством.

3. Экономически оправданными можно считать и глубины откачки от 10 м и до 2030 м если напор в сети потребителя требуется поддерживать на уровне 30 м.вод.ст (что используется достаточно часто). Так при глубине откачки 20 м и объемах откачиваемой воды до 2000 м3 экономическое преимущество остается за циркуляционной насосно-элеваторной установкой. Именно для диапазона глубин Дэ=10.20м можно рекомендовать ее применение для проведения пробных откачек, а также для индивидуального применения в случаях небольших и нерегулярных водоотборов.

4. В случае, если глубина откачки Нд начинает превышать 80% величины действующего напора на выходе циркуляционной установки Нцмас, то применять циркуляционные насосно-элеваторной установки становится экономически невыгодно в любом случае, и их применение может быть оправданно исключительно технологическими соображениями.

Приведенные выше выводы касающиеся применения внешних гидроструйных эжекторов в сочетании с центробежными насосами в первую очередь касаются эжекторов d, , „ с отношением диаметров — в пределах от 2-х до 1,4-х, которые следует отнести к dc напорным - предназначенным главным образом для подъема жидкости с глубины. Несмотря на малые размеры (диаметры горловины и сопла у них менее 10 мм) эти струйные эжекторы вполне работоспособны. Их можно изготовлять из пластика, соответственно, они могут имеют малый вес. Дешевыми подобные струйные насосы могут стать только в условиях массового производстве (из-за высокой стоимости изготовления форм для литья под давлением).

Эти и другие (содержащиеся в главах работы), общие рекомендации конкретизированы в виде основных выводов и рекомендаций диссертационной работы:

1. Изучены предельные границы применения серийного насосного оборудования -поверхностных центробежных насосов, применительно к откачкам из гидрогеологических и др. скважин с низким расположением динамического уровня подземных вод, путем совместной работы центробежных насосов и струйных эжекторов. Установлено, что превышение теоретической высоты всасывания центробежного насоса достигается установкой гидроструйного эжектора в начале всасывающей линии.

2. Применение поверхностных центробежных насосов с погружными эжекторами диаметром 2-3 дюйма позволяет использовать их для откачки подземных вод из неглубоких скважин малых диаметров.

3. Для достоверного прогнозирования полезной подачи Qnojl и КПД проектируемых к применению насосно-эжекторных установок следует использовать разработанные в настоящей работе зависимости. Полученная математическая модель, устанавливает связи между показателями работы установки, диаметрами гидроструйных эжекторов и параметрами определяющими условия откачки из скважин. Программа расчетов на ЭВМ по математической модели (с применением численных методов) автоматически представляет результаты расчетов в виде графических зависимостей.

4. Представляемые в работе графические зависимости КПД rjs от глубины Нд динамического уровня подземных вод в скважине и напора Нц иас подаваемого к потребителю, позволяют оценить эффективность работы насосно-эжекторных установок как низкую. В работе показано, что при откачке воды из скважин с глубин более 10 м, в любом случае, КПД циркуляционной насосно-гидроструйной установки не превышает КПД современного центробежного насоса с погружным электродвигателем, и заметно уменьшается с глубиной.

5. Исследована связь полезной подачи установки с расположением уровня откачиваемых вод в скважине. Полезная подача QnoM циркуляционной насосно-эжекторной установки, составляет не более 50% от общей подачи центробежного насоса QM.Hac и доля ее уменьшается с понижением динамического уровня воды в скважине - увеличением Нд. В работе представлены графики Н() - характеризующие уменьшения

Qtf.nac. относительной подачи с увеличением Нд.

6. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что Qnojl падает с глубиной интенсивнее при применении струйных насосов с большим d. отношением диаметров —. dc

7. Зависимость (11), рекомендуется к использованию для экспресс-анализа применимости насосно-гидроструйной установки в конкретных условиях откачки. На графике (6) нанесены границы области, в которой содержаться сочетания гидравлических диаметров сопла dc и горловины dz гидроструйных насосов, глубин динамического уровня Нд и напоров центробежного насоса Нц.нас, при которых гидроструйный насос работоспособен. Следует учитывать, что при приближении к границам «разрешенной области» КПД и полезная подача установки очень низкие.

8. Технически и экономически обоснован вывод о целесообразности применения насосно-гидроструйных установок только при глубинах откачки из скважин от 10 до 20 м, с небольшой производительностью (1-2 м3/час) и суммарным объемом менее 2000 м3.

9. Алгоритм инженерного расчета установки предусматривает следующую последовательность действий. Используя представленные в работе графические зависимости, интерполируя их значения, с учетом величин гидравлических диаметров гидроструйного насоса, расстояния до динамического уровня, напора к потребителю, определяют соотношение полезной подачи установки и подачи центробежного насоса. Задаваясь значением полезной подачи, требуемой потребителем, определяют необходимый расход центробежного насоса и по характеристикам Q-H выбирают поверхностный центробежный насос, обеспечивающий требуемые характеристики с максимально возможным КПД.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие защищаемые положения:

Первое защищаемое положение

Полезную подачу (Q„aJ поверхностных центробежных насосов с погружными выносными эжекторами для различных уровней воды в скважине (Щ) целесообразно определять по расчетным графикам:

Глубина расположения динамического уровня, м

-1-dr/dc=1,6 Нц.нас=30 м.вод.ст © - dr/dc=2,0 Нц.нас.=30 м.вод.ст

- - — --dr/dc=2,4 Нц.нас.=30 м.вод.ст -1-dr/dc=1,6 Нц.нас=60 м.вод.ст I о dr/dc=2,0 Нц.нас.=60 м.вод.ст - - — --dr/dc=2,4 Нц.нас. =60 м.вод.ст

-1-dr/dc=1,6 Нц.нас=100 м.вод.ст о dr/dc=2,0 Нц.нас.=100 м.вод.ст

-----dr/dc=2,4 Нц.нас.=100 м.вод.ст ]

Рис. 4.11. Зависимость относительной подачи насосно-эжекторных установок от глубины динамического уровня Нд и геометрических размеров струйного эжектора {<ЛСОпла и dгорловины)

Второе защищаемое положение

Решение о применении циркуляционной насосно-эжекторной установки для откачки воды из скважин целесообразно осуществлять с учетом того, что, несмотря на меньшую стоимость и продолжительный срок службы, поверхностные насосы оснащенные выносными погружными эжекторами по показателям производительности и энергозатратам существенно уступают современным центробежным насосам с погружным электродвигателем:

1) гидравл ический КПД циркуляционной насосно-эжекторной установки составляет не более 70% от КПД центробежного насоса, даже если глубина откачки лишь минимально превышает теоретическую высоту всасывания 10 м.

2) Полез ная производительность циркуляционной насосноэжекторной установки, при той же минимальной глубине откачки (Юм), составляет не более 50% от текущей номинальной производительности центробежного насоса. а) Изменения объемного коэффициента подсоса и с увеличением глубины динамического уровня воды в скважине

Глубина расположения динамического уровня, м б) Изменения "гидравлического КПД схемы" циркуляционной насосно-гидроструйной установки с увеличением глубины динамического уровня воды в скважине

I 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 10 11

Глубина расположения динамического уровня, м

-dr/dc=1,6 Нц.нас=30 м.вод.ст О dr/dc=2,0 Нц.нас.=30 м.вод.ст — --dr/dc=2,4 Нц.нас. =30 м.вод.ст i-dr/dc=1,6 Нц.нас=60 м.вод.ст о dr/dc=2,0 Нц.нас. =60 м.вод.ст

---dr/dc=2,4 Нц.нас. =60 м.вод.ст

I-dr/dc=1,6 Нц.нас=100 м.вод.ст о dr/dc=2,0 Нц.нас.=100 м.вод.ст ---dr/dc=2,4 Нц.нас.=100 м.вод.ст

Рис.4.12. Зависимости коэффициентов г/г и и от расстояния до динамического уровня воды в скважине Нд при различных напорах центробежного насоса,

Нч.нас, м.вод.ст. и соотношениях диаметров — гидроструйного эжектора (dc d„

- сопла и da- горловины)

Третье защищаемое положение

Для подъема жидкости из скважин с глубоким динамическим уровнем с помощью насосно-эжекторной установки рекомендуется применять внешние погружные эжектора с соотношением конструктивных диаметров в диапазоне dP /dc = 1,6 1,8.

Четвертое защищаемое положение

Для циркуляционной схемы насосно-эжекторной установки область рабочих соотношений ---'- (глубины откачки и действующего напора центробежного зависимостью:

Нцн насоса)

Г , Л3 ограничена

Я, -0,0012 fL

Jcj 0,0474 d, , На также соотношениями: — > 1, -> 0 Я1(И dc;

-0,6401 аппроксимирующей 3,0619, d,: j

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Кравченко, Алексей Евгеньевич, Москва

1. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. Учебник для вузов// 2-е изд. М.: Машиностроение, 1982.

2. Баулин К.К. Исследование работы эжектора. Сборник статей по промышленной аэродинамике и вентиляторостроению, Изд. ЦАГИ, 1935, (труды ЦАГИ. вып. 211).

3. Берман Л.Д., Ефимочкин Г.И. Расчетные зависимости для водоструйных эжекторов //Теплоэнергетика. 1964. № 7. с. 44—48.

4. Берман Л.Д., Ефимочкин Г.И. Методика расчета водоструйного эжектора //Теплоэнергетика. 1964. № 8. с. 92-94.

5. Берман Л.Д. К расчету струйных аппаратов (эжекторов и гидроэлеваторов). «Вестник инженеров и техников» № 2, 1938.

6. Берман Л.Д. Еще о расчете струйных аппаратов (эжекторов и гидроэлеваторов), «Вестник инженеров и техников» № 1. 1939.

7. Болотских Н.С. Водопонижение. Харьков: Вища шк., 1981.

8. Болотских Н.С. Строительное водопонижение в сложных гидрогеологических условиях. Киев: Буд1вельник, 1976.

9. Ганджумян Р.А. Математическая статистика в разведочном бурении: Справочное пособие. М.: Недра, 1990.

10. Гибсон А.И. Гидравлика и ее приложения (перевод с 4-ого переработанного издания, 1930, Лондон). Государственное энергетическое издательство, 1934.

11. Григорьев В.М. Вакуумное водопонижение. М.: Стройиздат, 1973.

12. Губин М.Ф., Горностаев Ю.Н., Любицкий К.А. Применение эжекторов на гидроэлектростанциях. М.: Энергия, 1971.

13. Джваршейшвили А.Г. Гидротранспортные системы горнообогатительных комбинатов. М.: Недра, 1973.

14. Дьяконов B.C. Mathcad 2000: учебный курс. СПб.: Питер, 2001.

15. Ефимочкин Г.И. Влияние конструкции сопла на работу струйного эжектора //Электр, станции. 1964. № 5. с. 7-11.

16. Зангер H.J1. Экспериментальное исследование различных водоструйных насосов с малым отношением площадей поперечных сечений сопла и камеры смешения //Теорет. основы инж. расчетов. 1970. № 1. с. 12-25.

17. Игнатов В.И. Организация и проведение эксперимента в бурении. М., Недра, 1978.

18. Исаев В.И., Васильева JI.K. Обеспечение постоянного залива насосов //Водоснабжение и сан. техника. 1971. № 12. с. 31.

19. Каменев П.Н. Гидроэлеваторы в строительстве. М.: Стройиздат, 1964.

20. Каменев П.Н. Гидроэлеваторы и другие струйные аппараты. Машстройиздат, 1950.

21. Каннингэм, Хэнсен, На. Кавитация в струйном насосе //Теорет. основы инж. расчетов. 1970. № 3. с. 79-91.

22. Карамбиров С.Н. К выбору оптимальных безразмерных параметров струйного насоса //Науч. тр. Моск. гидромелиор. ин-та. 1981. Т. 71. с. 105-111.

23. Карасев Б.В. Насосы и насосные станции: (Учебн. Пособие для вузов) Минск.: Выш.школа, 1979.

24. Кирилловский Ю.Л. Баланс энергии и расчет водоструйных аппаратов: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: МВТУ, 1957.

25. Коржаев С.А. Теоретические основы расчета гидроэлеваторов. Известия отделения технических наук № 6 Академии наук СССР, 1939.

26. Кэрнс, На. Оптимизация водоструйных насосов //Энерг. машины и установки. 1969. № I.e. 92-102.

27. Лобанов Д.П., Смолдырев А.Е. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд. М.: Недра, 1982.

28. Ложков Е.Ф. Исследование гидротранспортных установок с гидроэлеваторами: Автореф. дис. канд. техн. наук. Челябинск: Челябинск, политехи, ин-т, 1974.

29. Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988.

30. Лямаев Б.Ф. Обобщенные характеристики водоструйных насосов //Судостроение. 1971. № 10. с. 29-31.

31. Лямаев Б.Ф. Применение водо-воздушных эжекторов для откачки воздуха из центробежных насосов.// Водоснабжение и сан. техника. 1966.№ 10, с. 11-13.

32. Лямаев Б.Ф. Расчет и анализ технико-экономических показателей водоотливных установок с водоструйными насосами //Изв. вузов: Стр-во и архитектура. 1973. № 11. с. 74-79.

33. MATHCAD 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95/ Перевод с англ. М.: Информационно-издательский дом "Филинъ", 1996.

34. Михеев О.П. Повышение производительности автоматических насосных установок с пневматическими баками //Водоснабжение и сан. техника. 1966. № 9. С. 13-15.

35. Мускевич Г.Е. Гидравлические исследования и расчет водоструйных аппаратов гидроэлеваторов: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М.: Моск. гидромелиорат. ин-т, 1971.20 с.

36. Надысев B.C. Двухструйная канализационная насосная станция.// Водоснабжение и сан. Техника. 1964.№2. с. 11-13

37. Неминский М.Л. Применение эжекторов в гидротехнических сооружениях. М.: Энергоатомиздат, 1985. 95 с. (Б-ка гидротехника и гидроэнергетика. Вып. 80).

38. Нис Р.Е. Всасывающий трубопровод как водоструйный насос //Теорет. основы инж. расчетов. 1968. № 3. с. 206-207.

39. Певзнер Б.М. Насосы судовых установок и систем. Л.: Судостроение, 1971.

40. Подвидз Л.Г., Кирилловский Ю.Л. Расчет оптимального струйного насоса для работы на разнородных и однородных жидкостях //Тр. ВИГМ. 1963. Вып. 32. с. 114-128.

41. Подвидз Л.Г., Кирилловский Ю.Л. Расчет струйных насосов и установок //Тр. ВИГМ. 1968. Вып. 38. с. 44-97.

42. Роер Г.И, Землесос и элеватор на золотых гидроустановках. //Золотая промышленность, № 4, 1940.

43. Рудник В.П. Преобразователь характеристики центробежного насоса. Киев: Буд1вельник, 1970.

44. Рычагов В.В., Флоринский М.М. Насосы и насосные станции. Учебник для вузов. 4-е изд. М.: Колос, 1975.

45. Семеновский Ю.В., Акулыпин В.А., Пыжиков B.C. Эжекционная система аэрации в установках очистки малых количеств сточных вод //Водоснабжение и сан. техника. 1980. № 7. с. 4-6.

46. Сизов Г.Н. Гидравлические расчеты специальных систем речных танкеров. Л. Судостроение. 1976.

47. Сизов Г.Н., Аристов Ю.К., Лукин Н.В. Судовые насосы и вспомогательные механизмы. М.: Транспорт, 1982.

48. Скобельцин Ю.А. Гнедковский А.Н., Жигулин В.В. Исследование работы эжектора хлоратора ЛОНИИ-ЮО// Водоснабжение и сан.техника. 1975. №2. с.35.

49. Смородинов М.И. Водопонизительные установки. М.: Стройиздат, 1984.

50. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. 2-е изд. М.: Энергия, 1970.

51. Стахов Е. А. Очистка нефтесодержащих сточных вод предприятий хранения и транспорта нефтепродуктов. Л.: Недра, 1983.

52. Степанов А.И. Центробежные и осевые наосы. Теория, конструирование и применение. М. Машгиз, 1960.

53. Суслов М.П. Автоматический подсос и его влияние на работу насосной станции //Водоснабжение и сан. техника. 1964. № 2. С. 29-32.

54. Темнов В.К. Основы теории жидкостных эжекторов. Челябинск: Изд. политехи, инта, 1971.

55. Тиме И.А. Исследование водоструйных приборов, «Горный журнал», т. III, № 9. 1891.

56. Тиме И.А. Второе исследование водоструйных приборов, «Горный журнал», т. I, № 2, 1892.

57. Тиме И.А. Курс гидравлики, т.1, Общая гидравлика. Изд. Горного института, СПБ. 1894.

58. Тольцман В.Ф. Увеличение допустимой высоты всасывания насосов //Водоснабжение и сан. техника. 1961. № 1. с.11-14.

59. Турк В.И., Минаев А.В., Карелин В.Я. Насосы и насосные станции. М., Стройиздат, 1976.

60. Фридман Б.Э. Гидроэлеваторы. М.: Машгиз, 1960.

61. Фридман Б.Э. Разработка россыпных месторождений гидромеханизацией, Металлургиздат, 1957.

62. Фридман Б.Э., Исследование насадок для гидроаппаратов, «Колыма» № 4. Магадан. 1957.

63. Хлебников И.А. Исследование водоструйного насоса и его применение в железнодорожном водоснабжении: Автореф. дис. канд. техн. наук. JI. ЛИИЖТ, 1951.

64. Шевченко Н.П. Установка воздушного бака на всасывающей линии для обеспечения постоянного залива насосов //Водоснабжение и сан. техника. 1970. №8.

65. Щербина Г.С. Исследование и совершенствование гидроэлеваторов для гидротранспорта сыпучих материалов: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: Ин-т горного дела, 1979. 24 с.

66. Юфин А. П., Напорный гидротранспорт, Госэнергоиздат, 1956.

67. Юфин А.П. Гидромеханизация: Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1965.

68. Яресько О.В. Испытания насосов: Справ, пособ. М.: Машиностроение, 1976.

69. Ячевский JL, Об опытах горного инженера Шостака над применением гидравлического способа к разработке золотосодержащих россыпей.//Горный журнал», СПб., 1889.

70. Bergeron L. Handbuch fur Speciele Eisenbahn-Technick. Bd. 3, Leipzig. 1882.

71. Gibson A. H. Hydraulics and its applications. Fifth edition. London, Constable and Co, Ltd, 1952.

72. Zeuner G. Das Lokomotivblasrohr, Zurich. 1863.

73. Zeuner G. Voriesungen fiber Theorie der Turbinen. Leipzig. 1899.