Расчет гидрантов струйных установок

Природа удаления загрязнений с помощью струй заклю­чается в механическом разрушении слоя загрязнений. Си­ла удара (гидродинамическое давление) на расстоянии (рис.1.4) от насадки

P_X = m V_Xsinα = ρ _Xω _X V² _X sinα, H, (1.1)

где m- секундная подача воды, кг /с; V_X - средняя ско­рость жидкости при встрече с поверхностью, м/с; α -угол встречи струи с поверхностью, град.; ρ _X - плотность жидкости, кг/м³; ω _X -сечение струи, м².

Загрязнения удаляются в том случае, если удельная сила удара превышает хотя бы одну из прочностных адгези­онных характеристик загрязнений, таких как прочность на сжатие, изгиб, сдвиг, сила адгезии и т.д. Для нефтегрязевых отложений сила адгезии редко бывает более 500 Н/м².

Из уравнения (1.1) видно, что сила удара струи име­ет линейную зависимость от секундной подачи жидкости и пропорциональна квадрату скорости потока.

Начальная скорость потока в струе

м/с (1.2)

где Н_Н - давление перед насадкой, МПа; g - ускорение силы тяжести, м/с²; φ - коэффициент скорости, зависящий от формы отверстия и типа насадки (табл.1.1).

В моечных установках используются насосы с давлени­ем 0, 45,..., 2, 5 МПа, а скорость на выходе из насадка может достигать 25,..., 50 м/с. Расход жидкости через, наса­дки (подача насосов).

м³ /с (1.3)

где f - коэффициент запаса (f ≈ 1, 2); ω _Н - площадь се­чения насадки, м²; d_Н - диаметр насадки, м; n - число насадок; μ - коэффициент расхода.

Из анализа формул 1.1 и 1.2 следует, что при неизменном значении подачи жидкости путем уменьшения диамет­ра насадка можно увеличить скорость истечения воды, и тем самым повысить силу удара. Поэтому теоретически выгоднее иметь насадок малого диаметра. Однако, диаметр насадки на практике выполняют в пределах 3, 5...8 мм, так как при меньшем диаметре насадки быстро засоряются. Кроме того, тонкая струя обладает малой устойчивостью при полете в воздухе и быстро распадается.

Таблица 1.1

Характеристика насадок

Цилиндричес- 0, 82 0, 82

кий

Конический 0, 940 0, 963

Коноидальный 0, 980 0, 980

Конический

расходящийся. 0, 450 0, 775

Лучшая форма насадки - коноидальная. Но из-за слож­ности изготовления чаще используют конические или цилин­дрические насадки.

Струя в воздушной среде постепенно теряет структуру и ударную силу. Выделяют 4 участка течения струи (рис.1.5)

Рис.1.5. Схема свободного истечения струи

Рис. 1.6. Расчетная схема насосной установи: 1 - заборный колодец; 2 - сетка;

3 - задвижка; 4 - насос; 5 - моющая рамка

I - компактный, длина его равна примерно. 5d_Н. Ско­рость жидкости примерно равна скорости в насадке.

II - участок перехода длиной около 8 d_Н. Здесь на­чинается торможение струи за счет трения воды о воздух. Скорость воды в центре струи примерно равна скорости в насадке.

III - участок установившегося потока. Здесь проис­ходит расширение струи и ее аэрация. Длина участка 100...450 d_Н.

IV - скорость струи падает до 0, 3...0, 5 м/с и она распадается.

Третий участок струя является рабочим в струйных и струйно-щеточных установках.

Средняя плотность жидкости на III участке на рас­стоянии X от насадки

(1.4)

где ρ _Ц - 1000 кг/м³ - плотность жидкости на выходе из насадки; k - коэффициент, зависящий от соотношения Х/ d_Н

Для насадoк с d_Н = 3... 10 мм и на расстоянии X = 100...450 d_Н.

(1.5)

где ν - кинематическая вязкость воды, м² /с (при t - 20° С ν = 0, 01·10-⁴ м² /с).

Пропорционально изменению плотности аэрированной струи изменяется и площадь ее сечения. Задавая расстоя­ние от насадки, его коэффициент расхода и геометрические размеры, можно рассчитать силу удара струи о поверхность.

В момент встречи струи с поверхностью образуется зона, в которой возникает нормальные и касательные силы. При угле α = 90° зона нормальных давлений

(1.6)

Затем жидкость растекается по поверхности, образуя зону разрушения загрязнений касательными силами.

Размер зоны действия касательных сил

(1.7)

где м - средняя глубина потока в зо­не растекания, определяется из условия неразрывности пото­ка в зоне радиусом Rσ.

Зоной действия касательных сил и ограничивается зо­на очистка гидравлическими струями. Далее жидкость произ­вольными потоками стекает с поверхности.

Следовательно, необходимо стремиться, чтобы очищае­мая поверхность одновременно или последовательно попала в зону, ограниченную радиусом Rσ.

Решение такой задачи на практике встречает значи­тельные трудности. Например, струя из насадка d_Н = 4 мм при напоре 0, 4 МПа, на удалении 600-800 мм создает зону с радиусом Rσ = 100 - 150 мм. Следовательно, чтобы охва­тить такими зонами одновременно всю поверхность автомобиля, потребовалось бы не менее 3000 насадок. Это условие трудновыполнимо. Поэтому насадки закрепляются на рамке, которая перемещается вдоль автомобиля. Иногда для умень­шения числа насадок за счет увеличения площади контакта струи гидранты делают качающимися или вращавшимися. Пере­крытие площадей соседних зон должно быть в пределах 0, 25-0, 30 Rσ.

Для расширения зоны воздействия струи иногда применяют щелевые насадки, дающие веерную струю. Однако веер­ная струя менее устойчива и имеет меньшую дальнобойность.

Одним из приемов увеличения ударной силы струи явля­ется использование пульсирующей струй. Она всегда ударя­ет по поверхности, свободной от жидкости, в отличие от постоянной, попадающей в ранее образованную зону растека­ния. Использование пульсирующих струй с частотой пульса­ции 1 Гц дает возможность повысить производительность процесса очистки в 1, 3.. 1, 5 раза.