Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Совершенствование технологии очистки трудопроводных систем сельскохояйственного водоснабжения и обводнения

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование технологии очистки трудопроводных систем сельскохояйственного водоснабжения и обводнения"

Р^Ьдшсгенство сельского хозяйства и продовольствии "Д Российской Федерации юоч(;рьпа|:«кий ордена «Знак почёта» инженерно-мелиоративный ^институт им. А. К. Кортунова

На правах рукописи КРЯЖЕВСКИХ ФЁДОР НИКОЛАЕВИЧ

овершенствование технологии очистки

трубопроводных систем ельскохозяйственного водоснабжения и обводнения

(

Специальность: 06.01.02 — «Мелиорация и орошаемое земледелие»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новочеркасск, 1994

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации овочеркасскин ордена «Знак почёта» инженерно-мелиоративный институт им. А. К. Кортунова

На правах рукописи КРЯЖЕВСКИХ ФЁДОР НИКОЛАЕВИЧ

зовершенствование технологии очистки трубопроводных систем

:ельскохозяйственного водоснабжения и обводнения

Специальность: 06.01.02 — «Мелиорация и орошаемое земледелие»

Автореферат^ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новочеркасск, 1994

Работа выполнена в Кубанском государственном аграр! университете.

Научные руководители — кандидат технических наук,

профессор Сербинов А. В.; кандидат технических наук, профессор-Степанов П. М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Поляков Ю. П. кандидат технических наук Пёршин Н. И.

i

Ведущее предприятие — «Кубаньгипроводхоз». ^

Защита диссертации состоится « / » _199^

в 10 часов на заседании диссертационного совета К 120.76.01 Новочеркасском инженерно-мелиоративном институте по адре 346409, г. Новочеркасск, Ростовской обл.. ул. Пушкинская, 111, HHN зал заседаний учёного совета (а. 236).

Автореферат разослан « Л & » 1994 i

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печач предприятия, просим направлять учёному секретарю диссертаци' ного совета по вышеуказанному адресу.

Учёный -секретарь диссертационного

совета, кандидат сельскохозяйственных Г. Н. Мартыне»

наук, профессор

*

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В Российской Федерации находится в сплуатации большое число систем водоснабжения сельскохозяй-венного назначения, причём -значительную долю составляют |упгтовыё водопроводы, уложенные из стальных труб. В процессе сплуатации выявилась их высокая повреждаемость, вызванная »ррозией внутренней поверхности труб и отложениями ¡органических веществ. Последние сильно снижают пропускную юсобность трубопроводов.

Применяемые очистные гидромеханические и гидродинами-ские устройства в силу различного характера коррозионных ложений не во всех случаях обеспечивают возможность их (аления. Кроме того, по существующей технологии очистки труб |Дьшое количество шлама с водой через водогрязевыпуски расывается на прилегающую территорию, нанося экологический церб окружающей среде.

Актуальность темы исследований заключается в решении задач, язанных с повышением уровня надёжности водообеспечения и [ижением, тем самым, ущербов от недоподачи воды потребителям.

Цель работы — усовершенствование методов восстановления юпускной способности тру бопро водоводов с утилизацией эрозионного шлама на принципе гидроциклонирования двух-»зной жидкости, а также разработка научно-обоснованных рекомен-ций по повышению уровня их эксплуатационной надёжности.

Для этого решались следующие задачи:

- определение нормы аварийного запаса стальных труб на основе количественной оценки параметра отказов линейной части трубопроводов;

- усовершенствование конструкции пневмоударного очистного устройства;

- разработка устройства для определения местонахождения дефекта покрытия внутренней поверхности трубопровода;

- вывод расчётных зависимостей для определения напряжений в стенках трубопроводов после их очистки;

- изучение закономерностей изменения концентрации шлама и давления (вакуума) в гидроциклонном аппарате;

- обоснование конструктивных решений и параметров элементов гидроциклонного аппарата.

Методы исследований:

- применение теории вероятности и надёжности для количественной оценки эксплуатационных показателей (параметр потока отказов);

- экспериментальные исследования работы гидроциклона на стенде с целью изучения закономерностей изменения концентрации шлама и вакуума;

- использование теории «размерности для вывода формул производительности гидроциклона;

- аналитический метод решения дифференциальных уравнени для вывода расчётных зависимостей по определению нормальных напряжений в стенках трубопроводов.

Научная новизна работы. В результате проведённых исследовг ний усовершенствована конструкция пневмоударного очистног снаряда, дана оценка повреждаемости линейной части групповы водопроводов, и на этой основе выполнен расчёт аварийного запас стальных труб; разработано устройство для определения местопс ложения дефекта покрытия внутренней поверхности трубопроводов.

Впервые получены расчётные зависимости по определенш нормальных напряжений в стенках разветвлённых напорны водоводов после их очистки с учётом влияния краевых эффектов. Эп зависимости служат для оценки прочностной надёжности напорны водоводов при импульсных нагрузках. Исследованы закономерност] изменения давления (вакуума) и концентрации пульпы гидроциклонной камере, обоснованы конструктивные параметр! элементов гидроциклонного аппарата. Практически и теоретическ] обоснована возможность применения принципа гидроциклонировани: двухфазной жидкости для очистки и утилизации трубно коррозионного шлама.

Предметом защиты являются следующие основные положения:

- усовершенствованная конструкция пневмоударного очистного устройства;

- результаты статистической обработки повреждаемости линейной части групповых водопроводов и нормы аварийноп запаса труб;

- устройство для определения местоположения дефекта покрытия внутренней поверхности трубопровода;

- аналитические зависимости для гидравлических и прочностных расчётов напорных водоводов после их очистки;

- результаты исследовании закономерностей изменения • концентрации шлама и вакуума к гидроциклонном аппарате; . - гндроциклонный способ улавливания и последующей утилизации шлама в отвал.

Практическая ценность. Результаты исследований позволяют елать очистку трубопроводов законченным технологическим юцессом, который исключает загрязнение окружающей среды, а оме того экономит значительное количество промывной воды, эименение пневмоударного метода очистки трубопроводов позволяет юизводить удаление отложений практически любой твёрдости. На зе гидравлических и прочностных исследований появляется зможность оценить степень прочностной надёжности напорных стем при гидроударных нагрузках. Разработанное устройство для [ределения местоположения дефекта покрытия внутренней •верхности позволяет быстро и своевременно устранять повреждения I сети и предупреждать, тем самым, возможный ущерб от :доподачи воды.

Таким образом, рекомендуемая технология ремонтно-сс тановительных работ на водопроводах упорядочивает расход сериалов, исключает сброс промывных вод, что является важным эиродоохранным мероприятием и повышает уровень эксплуатацион->й надёжности систем сельскохозяйственного водоснабжения.

Реализация работы. Результаты проведённых опытно-конструк->рскнх и научно-исследовательских работ нашли применение при 1зработке нормативного документа «Нормы аварийного запаса сериалов для групповых во допро подов», переданного в ССО Гельхозводоснабжение» а также ведомственных «Рекомендаций по дтенсификации водоотбора и регенерации водозаборных скважин». :хнология гидроциклонного способа очистки и утилизации )ррозионного шлама передана тресту «Южводопровод». От юдрения результатов исследований ожидаемый экономический [>фект только на Ики-Бурульском групповом водопроводе за счёт :ономии промывных вод составляет около 140 млн. руб., а также эстигается существенный природоохранный эффект вследствие :ключения сброса шлама (около 350 т продуктов коррозии) на рилегающую к водопроводу местность.

Апробация работы. По теме диссертации опубликована 1 моно-эафия, 3 статьи, получены 2 авторских свидетельства. Основные оложения диссертации докладывались на научно-техничес;сом совете СО «Кубаньводстрой» (1992 г.), на научно-технических конференци-

ях ГПИ «Кубаньгипроводхоз» (1992 г.), инженерного центра по сел скохозяйственному водоснабжению и трубопроводам (1993 г.), 1 расширенном заседании кафедр гидравлики, теоретической механик сопротивления материалов, сельскохозяйственного водоснабжеш НИМИ (г. Новочеркасск, 1993 г.) и на объединённом заседании кафе; сельскохозяйственных мелиораций, гидравлики, сельскохозяйственн го водоснабжения, стороительства и эксплуатации водохозяйствент объектов КГАУ (г. Краснодар, 1994 г.)

Объём работы. Диссертация состоит из введения, шести гла выводов и приложений. Объём работы 146 страниц, в том числе : рисунков, 15 таблиц, 14 приложений. Библиография включает ' наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе работы дана общая характеристика действующ: групповых водопроводов и уровень их эксплуатационной надсжност

Эксплуатация систем сельхозяйственного водоснабжения пок зала, что вследствие зарастания внутренней поверхности тр различными отложениями происходит снижение пропускной спосо ности стальных водоводов (до 60% расчётной). Образующие отложения, коррозионные язвы, каверны и другие неровное приводят к ухудшению гидродинамических характеристик трубопр водов, увеличению энергетических затрат на перекачку воды, потер) воды.

Высока степень повреждаемости водопроводных сете!). Так, Булаевском водопроводе она составляет около семи повреждений 100 км водопроводных сетей в год, на Ишнмском — около 6, Таманском — около 5,5, и интенсивность отказов растёт. Наибольш число отказов (67%) происходит из-за внутренней коррозии стальш труб. ,

Средний срок службы водопроводных сетей 12—15 лет, что в раза ниже нормативного.

Отсутствие в настоящее время научно-обоснованных нормат* ных требований к надёжности водообеспечения потребител затрудняет оценочные и оптимизационные расчёты надёжное различных систем водоснабжения.

Практически отсутствуют нормативы расхода материалов ремонтно-эксплуатационные нужды и нормативы и ноуенклат) аварийного запаса материалов.

Для восстановления пропускной способности групповых одопроводов, предотвращения химической коррозии и доведения рока их эксплуатации до нормативного необходимо производить нутритрубную очистку отложений с последующим контролируемым далением шламосодержащих вод.

Анализ существующих способов восстановления пропускной пособности групповых водопроводов и методов гидроочистки риводится во второй главе работы.

Основными способами очистки трубопроводов в настоящее ремя являются гидромеханический и гидродинамический способы, [спытания показали, что каждый из этих способов гидроочистки бладает как определёнными достоинствами, так и недостатками. Так, трубоочистном гидромеханическом устройстве конструкции Союзцелинвод» отличительной особенностью является наличие ощной движительной секции, которая позволяет развивать еобходимые осевые усилия для срезки и удаления наростов и гложений. Однако, на трубопроводах небольших диаметров из-за езначнтельного промывного расхода (через трубоочистной снаряд), роисходит быстрое скопление шлама, что приводит к необходимости роизводства дополнительных объёмов земляных и газоэлектросвароч-ых работ.

В дальнейшем конструкция снаряда была усовершенствована в реете «Южводопровод». В новой конструкции отсутствуют режущие ожи, снаряд представляет собой эластичный цилиндр из двух анжетных секций, диаметр которого на 3—4 мм меньше диаметра рубы. Сущность этого способа очистки заключается в комплексном спользовании гидродинамических и кавитирующих свойств ысокоскоростной струи. Основным недостатком такого устройства вляется невысокая проходимость трубопроводов со зачительным фастанием их внутренней поверхности.

Для очистки водоводов небольшого диаметра используют ядродинамические установки, сущность работы которых заключается удалении наростов и отложений струями воды, подаваемой по ысокопрочному шлангу под давлением от 25 до 15 МПа. Такая 1истка рациональна только для коротких участков труб с большим эличеством арматуры й углов поворотов.

Сравнение механического и гидродинамического способов оказало, что их необходимо рассматривать не как конкурирующие/а »к взаимодополняющие друг друга варианты. Однако, применяемые зистные гидромеханические и гидродинамические устройства в силу

различного характера коррозионных отложений не во всех случая обеспечивают возможность удаления отложений с внутренне; поверхности стальных труб.

По существующей технологии очистки труб шламосодержащи воды через водогрязевыпуски сбрасываются на прилегающую терри торию, нанося тем самым ущерб окружающей среде. Так, при очистк Ики-Бурульского группового водовода в Калмыкии 0600 и 700 М1 протяжённостью 100,7 км было удалено около 350 т продукто коррозии с загрязнённой водой (в количестве 80 тыс. м3).

Динамика изменения концентрации шлама после появления ег на выпуске при очистке Юстинского водопровода показана на рис 1.

Рис. 1. Кривые изменения концентрации шлама при очистке Юстинского водопровода на 5, 6, 7, 8 шламовыпусках.

Из рисунка видно, что концентрация шлама через 4—5 ми стабилизируется на уровне 45 г/л, а затем через 8—10 мин идёт I уменьшение. Аналогичная картина имеет место и на друп трубопроводных системах, подвергшихся очистке.

Сложнее обстоят дела при очистке коммунальных и хнологических трубопроводов предприятий, где сброс промывных д (в пределах города) практически невозможен. По этой причине ществующие способы очистки трубопроводов, имеющие торитетное значение, не нашли применения в зарубежных странах.

С учётом имеющегося опыта и литературных данных для [авливания и очистки пульпы из трубопроводов был изучен >инцип гидроциклонирования двухфазной жидкости на всасыва-цей линии насоса, впервые предложенный А. И. Жангариным

В работе рассмотрены гидроциклонные установки, применяемые различных отраслях промышленности. Несмотря на преимущества ред другими аппаратами и их широкое распространение, динамика юцессов в гидроциклонах недостаточно изучена. Имеющиеся едения о характере движения двухфазной жидкости и накопленный спериментальный материал о влиянии различных переменных 1КТоров на процесс разделения позволяют сделать лишь иближённый расчёт показателей работы гидроциклона. Следует есть и тот факт, что большинство расчётных формул получено лирическим путём, где, как правило, имеется один или несколько эффициентов, значения которых находят экспериментально, отому эти формулы, отвечая условиям эксперимента или близким к му, дают значительные отклонения в других случаях.

В третьей главе даны предложения по усовершенствованию особов очистки трубопроводов от отложений любой твёрдости • и вышению их эксплуатационной надёжности.

На основании изучения и обработки исходного материала об *" фиях на водопроводных линиях Ишимского и Булаевского ^пповых водопроводов за рабочий период их эксплуатации, горый составил более 19 лет, была проведена систематизация и ализ повреждений по диаметрам трубопроводов. Большое коли-зтво повреждений обусловлено наличием внутренней коррозии. В (ультате статистической обработки полевых материалов дана гсичественная оценка показателей эксплуатационной надёжности нейной части групповых водопроводов, в частности, получены 1чения параметра отказов и параметра потока восстановлений, казано, что в пределах точности, необходимой для инженерных •.чётов, поток отказов подчиняется закону распределения редко ■речающихся событий — закону Пуассона, а данные о эдолжительности восстановления трубопроводов удовлетворительно троксимируются законом экспоненциального распределения.

Оценка соответствия эмпирических распределений теоретически законам была подтверждена по критерию согласия х2 (К. Пирсона Эти данные согласуются с результатами исследований, проведённых МИСИ (г. Москва), КазНИИВХ (г. Алма-Ата). Одним из способ« повышения эксплуатационной надёжности водопровода являет« элементное резервирование, которое заключается в нахождени необходимого резервного количества труб или, так называемог аварийного запаса для ликвидации повреждений на сетях. Использ) полученные данные о показателях надёжности были расчитан нормы аварийного запаса стальных труб.

Таблш

Оценка параметра отказов X и нормативов аварийного запаса для групповых водопроводов

Диаметр мы Ишимский водопровод Булаевский водопровод Среднее значение норматив, ' %

1 Норматив аварийного запаса 1 Норматив аварийного запаса

год*км год» км

м % м %

1 2 3 4 5 6 7 8

100 0,78 3,9 0,39 0,93 4,7 0,47 0,43

150 0,52 2,6 0,26 0,68 3,4 . 0,34 0,30

200 0,38 1,9 0,19 0,46 2,3 0,23 ' 0,21

250 0,32 1,6 0,16 0,33 0,65 0,16 0,16

300 0,31 1,55 0,15 0,27 U5 0,13 0,14

400 0,19 0,95 0,10 0,24 .1,20 0,12 . 0,11

500 0,17 0,85 0,08 0,13 0,65 0,06 0,07 ,

600 0,12 0,60 0,06 0,092 0.046 0,05 0,06

700 0,09 0,45 0,04 0,092 0,46 0,05 0,05

Так, среднее значение норматива для групповых водопроводе! 0300 мм равно 1,45 м на 1 км длины участка за один ч>д ег эксплуатации.

Одним из важных условий обеспечения эксплуат юнно надёжности трубопроводов является своевременный 'контрол1 ^ачсстг антикоррозионных покрытий их внутренней поверхности. Существу ющие способы и устройства по дефектоскопии трубопроводов имек сложную конструкцию и не решают задачи контрол' , "эчестг покрытия на эксплуатируемых трубопроводах. В связи эти

лполнсна разработка устройства для контроля качества ннутреннего экрытия, уложенного в грунт трубопровода (Рис. 2).

Рис.2. Устройство для определения местоположения дефекта внутреннего покрытия трубопровода.

1 - источник сжатого газа; 2 - источник тока; .1 - гибка-я кольцевая Кимера;

4,5- датчик оборотов барабана, 6 - электропровод; 7 - трубопровод; 8 перемычка; 9, 10 - токопроводящиЛ ролик; 11, 12 - гибкие токопроводшцие . енты;

13 ■ заглушка; 14 - отверстие.

Преимущества и возможности предлагаемого дефектоскопа тедующие — простота конструкции, высокая точность измерения, алые затраты энергии и трудовых ресурсов, возможность дефектовки окрытий на уложенных в грунт трубопроводах различных диаметров большой протяжённости.

Разработан способ восстановлення пропускной способности эубопроводов путём воздействия на отложения пульсирующими царными волнами, генерируемыми независимым источником эзмущения. Сущность данного способа — пневмоударной регенера-ии трубопроводных систем — заключается в том, что определённое эличество сжатого воздуха подаётся по пнсвмомагистрали в совершенствованную конструкцию пневмоснаряда, где он акаплизаетгя порциями, затем резко «схлопывается» с эффектом икровзрывг

После . ыхлопа воздуха в трубопроводе образуется воздушный голб, в котором давление сначала значительно возрастает, а затем в омент прекращения расширения столба давление начинает падать.

Таким образом, после каждого выхлопа на стенку трубы действу! несколько импульсов сжатия и разрежения^

Пневмокамера вводится в трубопровод через камеру запуска под * действием реактивных сил, создаваемых струями воздух перемещается вдоль очищаемой поверхности трубы.

Давление, воздействующее на отложения в трубе пр использовании энергии пневмоудара, превышает 4000 кПа, что ь порядок выше, чем при использовании гидродинамических очистны устройств, это даёт возможность разрушать значительно более твёрдь; внутритрубные отложения.

Усовершенствованная конструкция пневмоударного очистног снаряда предназначена для восстановления пропускной способност трубопроводов с внутренним диаметром 120-350 мм.

В четвёртой главе приведены' результаты гидродинамических прочностных исследований трубопроводов разветвлённых напорны систем после их. очистки от коррозионных и других отложений Впервые выведены дифферециальные уравнения радиальны перемещений стенок оболочки трубопроводов с учётом разветвлени при гидродинамических (ударных) нагрузках. Учёт влияни переменного внутреннего ■ давления осуществляется с помощы коэффициентов трансформации . ударных волн (коэффициент! прохождения ударной волной узла разветвлений и отражения от них] Коэффициенты преломления . и отражения записаны в форме предложенной Егером, Гловером, Кнаппом, Френелем и имеют общем случае (применительно к любому узлу разветвлений) вид:

• 2Ж ■ '

. ^ = , (2

где A¡ — площадь живого сечения рассматриваемого ^ трубопровода (м2);

а,- — скорость распространения волн гидравлического удара в трубах при неустановившихся режимах эксплуатации (м/с);

* Б,-, Я,- — соответственно коэффициенты трансформации и отражения волн гидравлического удара в узлах разветвлений трубопроводов.

Осуществлено интегрирование предложенного дифференциального уравнения четвертого порядка (неоднородного). Причём, неоднородность уравнений вызвана не меридианальными продольными усилиями (Тх = 0), а компонентами гидродинамических давлений, учитывающими величину ударных давлений как максимальных, так и текущих в произвольный" момент времени.

Отмечается, что гидравлический режим течения нестационарных процессов широко освещен в работах В. М. Алышева, В. И. Блохи на, Д. М. Смирнова, Л. Ф. Мошнина, Н. А. Картвелишвили, М. А. Мост-кова и др. исследователей.

За основу нами принят метод оценки величины ударных волн в узлах неоднородностей, основанный на супперпозиции их в различные интервалы времени. Достоинство этого метода в том, что полученные расчётные уравнения могут быть достаточно легко запрограммиро-ваны на ЭВМ специалистом средней квалификации.

Учёт краевых эффектов (влияние фланцевых соединений, рёбер жёсткости и других неоднородностей) осуществляется при определении изгибающих моментов в этих зонах и составлении на их основе условий прочности по нормальным напряжениям. Этому предшествует общее решение по оценке радиальных перемещений стенок напорных трубопроводов с учётом неустановившегося течения жидкости (гидроудар) в форме:

Що~ ЕЧ» I- *

(3)

где кроме общепринятых в теории оболочек обозначений введены:

дР — начальный импульс давления. (Па, гидравлический, _ пневматический, механический и др.); Р(- — величина единичного относительного импульса давлений в /-ый момент времени.

Определены величины наибольших радиальных перемещений эболочки трубопроводов^™)", окружных нормальных напряжений с учётом краевых эффектов и гидродинамического режима течений 8, или 5""", а также нормальных меридианальных напряжений по

эезмоментным теориям.

ГУ00 » (4)

п -

- —I. „ .. ' —

А Узг 1-д>) •

(5)

(6)

В уравнении (5) ц. — коэффициент Пуассона.

Проведено сопоставление величин нормальных напряжений с учётом краевых эффектов и без них.

Рассматривается динамика гидравлического или пневматического (лР) начального импульса, давлений с учётом влияния узлов разветвления в виде

Исследована динамика нормальных напряжений в стенках тупиковых напорных трубопроводов переменного диаметра после их очистки. По этим параметрам может быть осуществлена оценка их с точки зрения прочностной надёжности.

В пятой главе излагаются результаты теоретических и экспериментальных исследований гидроциклонного способа извлечения и последующей утилизации коррозионного шлама, образующегося при очистку трубопроводов.

Действие разработанной гидроциклонно-насосной установки основано на использовании принципа гидроциклонирования двухфазной жидкости — пульпы. Идея заключается в следующем. Чтобы избежать загрязнения местности, а также бесполезного сброса промывной воды, рекомендуется гидросмесь пропускать через гидроциклонный аппарат, монтируемый на всасывающей линии насоса, которая, в свою ОчередЬ, присоединяется к трубе шламовыпуска.- Общая схема работы агрегата следующая. При включении насоса гидросмесь попадает в гидроциклонную камеру, в которой происходит разделение двухфазной жидкости. Осветлённая 'вода нагнетается обратно в трубопровод для повторного использования на последующем этаце процесса очистки. Сгущённую в гидроциклоне пульпу сбрасывают в специально отведённое место или ёмкость. В этом случае процесс очистки трубопроводов приобретает полную завершённость технологического цикла, т. к. при

п

(7)

такой схеме исключается загрязнение территории и экономится значительное количество промывной поды. Агрегат устанавливается яа передвижной платформе, которую можно перемещать от одного зыпуска к другому (Рис. 3).

Рис. 3. Технология очистки трубопроводных систем с утилизацией шлама.

1 - шламосборник; 2 - гидроциклон; 3 - насос; 4 - трубоочистной снаряд; 5 - трубопровод; 6 - шламовыпуск

Рдсчёт гидроциклона сводится в основном к определению его гонструктивных размеров и технологических параметров.

Сложность гидродинамических условий в гидроциклоне, ^достаточная изученность явлений, происходящих в нём, и »тсутствие установленных зависимостей между факторами, влияющими на условия его работы, весьма затрудняют технологический расчёт идроциклона.

Имеющиеся сведения о характере движения среды и «копленный экспериментальный материал о влиянии различных геременных факторов на процесс разделения позволяют сделать лишь триближённый расчёт показателей работы гидроциклона.

Для построения формул расхода жидкости через гидроциклон использован метод анализа размерностей. Общая производительность гидроциклона может быть определена из выражения

П . 1 го,

-угу •

где ёвх — диаметр питающего {входного) отверстия;

Нвх — давление на входе

Выражение (8) не учитывает влияние диаметра гидроциклона и угла конусности, поэтому его применение ограничено.

Расход жидкости через сливное отверстие:

Qet * h > (9)

где Ht = Н„ - Нсл

Расход жидкости через песковое отверстие определяется

(Ъеск. " V (10)

Значения коэффициентовопределяются для каждого режима работы гидроциклона экспериментально.

Исследованы закономерности изменения давления (вакуума) в гидроциклонной камере. Уточнённая формула Жангарина-Абдурама-нова для наших условий имеет вид

и1 * Нц * c,0i4yVli'-( £ - о ,

v

где Нг = Ра - Рг — величина вакуума на радиусе г.

(И)

Нц = Ра - Рц — вакуум на стенке гидроциклона в рассма--триваемом сечении

Знание отмеченных закономерностей позволяет более обоснован-№ определить основные параметры гидроциклонно-насосной установки.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований работы гидроциклонного аппарата. Опыты проводились tía полу производственной экспериментальной циркуляционной установке, включающей гидроциклон, насос и измерительные приборы. Гранулометрический состав и процентное содержание жидкой и твёрдой фазы определялись по известным методикам.

Пробы пульпы из гидроциклонной камеры отбирались при помощи медной трубки с внутренним диаметром 6-8 мм, конец которой изогнут навстречу потоку жидкости.

Измерение поля статического давления (вакуума), а также концентрации шлама производилось в пяти горизонтальных сечениях конической части гидроциклонной камеры. Для этого был применён специальный зонд с цилиндрическим наконечником и сквозным (боковым) отверстием на конце, который перемещался по радиусу камеры через каждые 10-25 мм. При замере наконечник устанавливался против направления потока. Разрежение в гидроциклонной камере определялось с помощью вакуумметра, а его показания контролировались с помощью пьезометров.

В результате аналитической и графической обработки ,ных определялись: объёмная производительность аппарата, соответственно, общая, по сливу и песковому отверстиям; содержание твёрдых частиц в песках Тп, сливе Тс и в исходном продукте Т, а также эффективность разделения Е.

Эффективность очистки исходной жидкое™ оценивалась коэффициентом их захвата, представляющим отношение весового количества механических примесей, попавших в сливное отверстие (всасывающий патрубок), к весовому количеству частиц, поступивших в гидроциклонную камеру.

Анализ изменения концентрации пульпы вдоль радиуса гидроциклона и по его высоте показал, что основная масса механических примесей сосредоточена на периферии гидроциклона и, в основном, в устьевой части конуса перед Песковым отверстием. При этом в зависимости от режима работы гидроциклона в устьевой части конуса, может образоваться песчаный завал.

Концентрация жидкости на входе в аппарат изменялась от 13,8 до 36,3 г/л, на выходе из пескового отверстия концентрация составила 75-564 г/л и, наконец, на сливе — менялась в пределах 0,004 ... 0,18

г/л. Полученные данные свидетельствуют о высоком эффект очистки.

Исследование полей давлений в гидроциклонной камер показало, что вакуум возрастает от периферии к центру и в сторон устья гидроциклона и максимального значения достигает в песково1 отверстии.

Величина вакуума и характер его распределения по радиус гидроциклона в исследованном диапазоне мало зависит от размер сливного патрубка; отмечается увеличение воздушного столба пр] увеличении диаметра сливного отверстия. Незначительное влияни основных конструктивных размеров гидроциклона на зако] изменения вакуума по радиусу вращения отражается одинаковы; характером изменения относительного вакуума по радиус; гидроциклона. Таким образом, прямыми замерами давления гидроциклоне выявлены закономерности его распределения п< радиусу и высоте гидроциклона при различных геометрических 1 режимных параметрах.

Установлено, что с увеличением разгрузочного отношени) (1песь/(1сл эффективность очистки возрастает, однако возрастаю' одновременно и потери жидкой фазы. Также отмечалось, что расхо; пульпы через песковую насадку не зависит от расхода пульпы ] питании гидроЦиклона, а определяется только величиной диаметр; насадКи. Следовательно, изменение диаметра песковой насадк! приводит к перераспределению расходов по разгрузочным отверстия!» и его можно использовать в качестве управляющего параметра длз изменения величины циркулирующей нагрузки и регулированш качественных и количественных показателей работы гидроциклона По нашим данным оптимальная величина <1песк/с1сл = 0,19-0,27.

Параметры гидроциклонного аппарата взаимосвязаны и поэтому установление их соотношений имеет большое практическое значение.

Исходя из литературных данных и наших исследований ниже даны рекомендации по конструктивным решениям и параметра* элементов гидроциклонного аппарата.

Размеры входного прямоугольного отверстия

£ Д«*

вЕ Ж ™/ЛЩгГ"

Оптимальная длина затопленной части сливного патрубка

Диаметр цилиндрической части

1П11П _

с1Г = (3. . .4) (1в,

с1ч = ¿гт1 + 2с1„„ пли

Длина цилиндрической части Тц = (1. . .2,5) ии'

Угол конусности

Цр = ^ ^ или р « 20. . .30°

Размер пескового отверстия

¿песк = (0.1- • -0,2) (1,х

Общая длина гндроцнклона Нц = (2. . .2,5) с1ц

Результаты эксперимента показалп, что рабочие параметры гидроциклона при разделении шлама, образующегося при очистке трубопроводов диаметром 100-400 мм (крупность трубного шлама 0. . .3 мм), а именно Оц = = 440 мм, Н = 890 мм, с!вх = 90 мм, с1песк = 21 мм, Нг - 720 мм явились достаточно оптимальными. При таких конструктивных параметрах получены высокие показатели разделения: эффективность очистки 94%, а крупность разделения 50 мкм или улавливаются все частицы крупнее 50 мкм (0,05 мм), что подтверждает перспективность использования гидроциклонов в качестве шламоулавливающего устройства.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Одной из важнейших составляющих инфраструктуры народного хозяйства являются трубопроводные системы и, в частности, сельскохозяйственное водоснабжение. Одной из нерешённых проблем систем водоснабжения является интенсивное коррозионное обрастание и разрушение внутренней поверхности труб, что приводит к снижению и недоподаче воды потребителям. В настоящее время разработаны различные способы очистки и защиты трубопроводов с различной степенью их эффективности, но с общим для всех методов

недостатком — незавершённостью технологического цикла очистки Отсутствие цикла сбора и утилизации коррозионного шламе приводит к загрязнению окружающей среды и, следовательно ухудшению экологической обстановки вдоль трасе трубопроводов, г также к значительным потерям питьевой воды.

2. В результате статистической обработки данных о повреждениях на групповых водопроводах дана количественная оценкг показателей надёжности их линейной части и на этой основс разработаны рекомендации по нормам аварийного запаса стальные труб. Показатели надёжности и вероятностные модели потока повреждений и функции распределения времени их восстановления могут быть использованы при решении задач оптимальногс планирования ремонтно-восстановительных работ на линейной части групповых водопроводов.

3. Усовершенствован пневмоударный способ восстановления пропускной способности трубопроводов заключающийся в воздействии на внутритрубные коррозионные отложения энергии сжатогс (до 8 мПа) воздуха. Такой способ позволяет разрушать отложения любой твёрдости и применим как для напорных, так и для самотечных трубопроводов.

4. Получены расчётные зависимости для определения величии нормальных напряжений в стенках разветвлённых напорных систем после очистки .с учётом влияния краевых эффектов при неустановившихся режимах их эксплуатации. Эти зависимости могут применяться для оценки прочностной надёжности таких систем при их диагностике.

5. Разработано устройство для контроля качества покрытия позволяющего определить дефекты на эксплуатируемом трубопроводе и которое отличается высокой точностью измерения и малой трудоёмкостью.

6. Разработана технология очистки и утилизации жидкости с механическими примесями с использованием гидроциклона, которая отличается компактностью и простотой. Проведённые исследования позволили считать, что при принятых соотношениях конструктивны? параметров исследуемого гидроциклона устанавливается оптимальный гидродинамический режим, соответствующий высокой эффек тивности разделения.

7. Исследованы гидродинамические процессы в гидроциклон ном аппарате, в частности, изучены закономерности измененш вакуума и концентрации взвешенных частиц, а также уточнена

ависимости для определения производительности гидроциклона, {аны рекомендации по конструктивным решениям п параметрам идроциклонного аппарата.

8. Экономический эффект складывается за счёт увеличения гропускной способности трубопроводной системы и снижения дельного расхода электроэнергии, исключения загрязнения кружающей среды (а значит, расширения области применения рубоочистных устройств) и, наконец, экономии промывной воды, оторая не сбрасывается вместе со шламом (как это делается сейчас), а [осле доочистки в гидроциклонной установке повторно используется ;ля очистки последующих участков.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих >аботах.

1. Блохин В. И., Кряжевскнх Ф. Н. и др. Технико-экономические [ прочностные расчёты напорных систем повышенной надёжности, монография), Новочеркасск, 1993 г. - 90 с.

2. А. с. 1721170 (СССР). Устройство для гашения энергии пото-а./ КСХИ; авт. изобр. - Заяпл. 29. 07. 88, № 4467912/15; опубл. 23. 03. 2 Бюл. №11. Гринь В. Г., Давыдов В. Д., Кряжевскнх Ф. Н„ 1991 г.

3. А. с. 1564491 (СССР). Устройство для определения местополо-сения дефекта покрытия внутренней поверхности трубопровода./ [СХИ; авт. изобр. - Заяпл. 06. 06. 88, №4436924/25-28; опубл. 15. 05. 0. Бюл. № 18, Гринь В. Г., Кряжевскнх Ф. Н. и др. 1990 г.

4. Блохин В. И., Кряжевскнх Ф. Н., Нспрокина Н. А. )пределение коэффициента трансформации ударных волн нор-[альных напряжений в стержнях переменного сечения. «Известия :КНЦ ВШ», 1994, №1.

5. Блохин В. И., Кряжевскнх Ф. Н., Непрокина Н. А. Определе-ше нормальных напряжений в стенках тупиковых трубопроводов временного диаметра. «Известия СКНЦ ВШ», 1994, №2.

6. Кряжевскнх Ф. Н. К вопросу утилизации коррозионного шла-[а на групповых водопроводах при их очистке подвижными нутритрубными снарядами, (в печати).

Формат 60^:841/16. Усл. печ. л. 1,4

Тираж ^20 экз. Заказ № 63 *

МП «Пакома» г. Краснодар, ул. Красная, 180.