Разработка установки для исследования истечения жидкостей из вертикальных щелевых отверстий Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК- 66.023

Л. А. Каримов, В. А. Булкин РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИСТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ ИЗ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЩЕЛЕВЫХ ОТВЕРСТИЙ

Ключевые слова: водосливы, емкость-реактор, истечение.

Рассмотрена лабораторная установка, представляющая собой емкость-реактор, из которого производится непосредственно истечение (процесс смешивания); щелевая насадка, с заданными размерами установлена на стенке реактора, для изучения определенного вида истечения или смешивания жидкостей.

Keywords: spillways, capacity-reactor outflow.

Considered laboratory facility, which is a capacity reactor, from which the outflow directly (mixing process) crevice tool, of a given size is installed on the wall of the reactor to study a particular type or expiration mixing liquids.

Истечение жидкостей из круглых отверстий и насадок в процессах и аппаратах химической технологии рассмотрено достаточно широко, но недостаточная изученность теории истечения жидкостей из отверстий прямоугольного сечения сдерживает расчет и развитие проектирования гидродинамических смесителей, для смешивания трудносмешиваемых и несмешивающихся жидкостей, в которых отверстия такого вида используются.

Водосливом принято называть безнапорное отверстие (водосливное отверстие)- вырез, сделанный в гребне стенки, через который протекает жидкость. Часть стенки в пределах водосливного отверстия, через которую переливается жидкость, называется водосливной стенкой. Речные водосливы являются прототипом щелевых отверстий.

Водосливы классифицируются по ряду признаков.

В зависимости от геометрической формы водосливного отверстия Различают: прямоугольные, треугольные, трапецеидальные, круговые, параболические, с наклонным гребнем.

В зависимости от формы и размеров поперечного сечения водосливной стенки различают:

- водосливы с тонкой стенкой; в случае этих водосливов, струя воды переливающаяся через водосливную стенку, формируется под действием только верховой ее грани; остальные поверхности водосливной стенки не влияют на картину истечения; при наличии вертикальной стенки, водослив с тонкой стенкой имеет место, когда 5 < (0.1-0.5)Н;

- водосливы с широким порогом, имеющие водосливную стенку любой высоты, гребень которой обычно представляет собой горизонтальную плоскость. В случае прямоугольных водосливов с широким порогом, толщина стенки лежит в пределах 2Н < 5 < 8Н.

- водосливы со стенкой практического

профиля.

В зависимости от очертания гребня водосливной стенки в плане. Различают водосливы с прямолинейным в плане гребнем: прямые (лобовые), косые, боковые.

В зависимости от влияния нижнего бьефа на истечение. Различают неподтопленные водосливы (Р и Н не зависят от глубины Ип в нижнем бьефе), и подтопленные водосливы (Р и Н зависят от глубины Ип в нижнем бьефе).

В зависимости от соотношения Ь и ВО (относится лишь к прямоугольным водосливам):

- водосливы без бокового сжатия, когда Ь =

В0

- водосливы с боковым сжатием, когда Ь<

В0

В зависимости от наклона водосливной

стенки:

- водосливы с вертикальной стенкой;

- водосливы с наклонной стенкой;

В зависимости от степени свободы доступа воздуха под струю жидкости, переливающуюся через водосливную стенку:

- водосливы со свободным истечением, со свободным доступом воздуха с боков в пространство под струю (или воды нижнего бьефа, в случае, если, уровень воды нижнего бьефа стоит выше гребня водослива)

- водослив с несвободным истечением, когда в подструйное пространство доступ воздуха (или воды нижнего бьефа) затруднен.

В данной работе предпринята попытка исследования вертикального водослива

подтопленного и неподтопленного типа, для которых ширина отверстия на порядок меньше высоты.

Для исследования разработана

лабораторная установка, представляющая собой емкость-реактор, из которого производится непосредственно истечение (процесс смешивания); щелевая насадка, с заданными размерами установлена на стенке реактора, для изучения определенного вида истечения или смешивания жидкостей; насосом осуществляется подача воды и создается требуемых расход. Кроме того, к установке подведена линия слива, для создания и поддержания необходимого уровня жидкости.

В процессе истечения жидкости в данной установке, отверстие предполагается малым, по сравнению с напором Н и размерами резервуара и свободная поверхность жидкости не влияют на приток струи жидкости к отверстию, т.е.

наблюдается совершенное сжатие струи.

Степень сжатия оценивается

коэффициентом сжатия 1_, равным отношению площади поперечного сечения струи в месте сжатия к площади отверстия:

(1.1)

После преобразований находим: т =

(1.2)

где ф- коэффициент скорости (для отверстия в тонкой стенке ф=0,97)

Обычно площадь реактора намного больше площади отверстия, поэтому скорость у0 практически незначительна и ею можно пренебречь, тогда формула примет простой вид:

. = - (1.3)

Распределение скоростей по сечению струи является равномерным лишь в средней части сечения (в ядре струи), наружный же слой жидкости несколько заторможен вследствие трения о стенку. Как показывают опыты, скорость в ядре струи практически равна теоретической, поэтому введенный коэффициент ф следует рассматривать как коэффициент средней скорости. Если истечение происходит в атмосферу, то давление по всему сечению цилиндрической струи равно атмосферному.

Расход жидкости в сжатом сечении можно определить из уравнения неразрывности:

0=МожЧ (1.4)

Практически удобнее пользоваться вместо мсж произведение ^е где е коэффициент сжатия для малых отверстий, равный 0,6-0,64), таким образом, можно записать:

:"=.'-■.,. (1.5)

Произведение е на ф принято обозначать буквой ц и называть коэффициентом расхода, подставив /1=еф получим формулу для расчета расхода жидкости при истечении ее в атмосферу через отверстия и насадки:

? = ¡¡к^2йН = рт/ОДУ (1.6)

где р - расчетное давление, под действием которого происходит истечение жидкости.

На основе опытов установлено, что для малого отверстия в тонкой стенке / колеблется от 0,59 до 0,63, или в среднем /=0,61. Это выражение применимо для всех случаев истечения, трудность заключается в достаточно точной оценке коэффициента расхода ц. Из уравнения следует, что:

г = з/и^даг (1.7)

Это значит, что коэффициент расхода также представляет собой отношение действительного расхода к теоретическому, который имел бы место при отсутствии сжатия струи и сопротивления, но теоретический расход не является расходом при истечении идеальной жидкости, так как, сжатие струи будет иметь место и при отсутствии гидравлических потерь.

Т.о. действительный расход всегда меньше теоретического, следовательно, коэффициент расхода всегда меньше 1 вследствие влияния двух факторов: сжатия струи и сопротивления. В одних

случаях больше влияет первый фактор, в других -второй.

При истечении жидкостей через затопленные отверстия, вся кинетическая энергия струи теряется на вихреобразование, как при внезапном расширении. Для затопленного отверстия формулы для определения скорости и расхода имеют тот же вид, что и для незатопленного отверстия. Разница заключается в том, что под величиной подразумевается в случае затопленного отверстия не глубина погружения, а разность уровней в резервуарах:

373>Т (1.8)

где /нес - коэффициент расхода затопленного отверстия, определяемый по формуле А.Д.Алынтуля:

_ (1.9)

где п=ы/0 отношение площади отверстия к площади сечения потока выше отверстия, ш=т/02 то же ниже отверстия. Для отверстий малых размеров по сравнению с резервуарами (п^0,

у3=а/,ТГгГ (2.0)

т.е. совпадает со значением коэффициента расхода при незатопленном истечении (истечении в атмосферу).

Коэффициент сжатия струи е и коэффициент сопротивления £при истечении при затопленном отверстии практически не отличается от соответствующих коэффициентов при истечении через незатопленное отверстие. Опыт показывает, что коэффициент расхода ц при истечении через затопленное отверстие можно принимать равным коэффициенту ц для незатопленного отверстия.

На изображенной схеме, рис. 1, истечение происходит следующим образом:вода, скопившись перед стенкой водослива, переливается через щель, сделанную в стенке водослива.

В Верти ¡ьеф д

I Г"

Нижний дьеф

Рис. 1 - Геометрические размеры: Ь - ширина водосливного отверстия; б - толщина водосливной стенки; Св, Сн - высоты водосливной стенки в верхнем и нижнем бьефах; В0 - ширина русла, в котором установлен водослив; Z - геометрический перепад на водосливе (разность горизонтов воды в верхнем и нижнем бьефах); V - скорость подхода, средняя скорость, измеряемая в указанном выше сечении В-В

Верхним бьефом называется область потока перед водосливной стенкой, нижним бьефом называется область потока за водосливной стенкой. Сечение В-В- сечение на расстоянии 1в, в котором начинается заметный спад свободной поверхности. Как правило, 1в = (3-5)Н.

Величина Н, измеряемая в сечении В-В, называется геометрическим напором на водосливе. Геометрический напор на водосливе представляет собой превышение над гребнем водосливной стенки горизонта воды в сечении В-В, где еще нет заметного спада свободной поверхности, обусловленного истечением воды через водослив.

В данной работе рассматривается прямоугольный водослив, с вертикальной тонкой стенкой. Рассматриваются подтопленные и неподтопленные водосливы с боковым сжатием.

Назначением данной лабораторной установки является изучение процессов истечения жидкостей из щелевых насадок, водосливов, а так же для изучения процессов смешивания не смешивающихся или трудносмешиваемых жидкостей.

Главным условием при проектировании установки для изучения истечения жидкостей из насадок, являлось создание и учет условий подтопления, влияния порога водослива,

необходимого вертикального и бокового сжатия, совершенного сжатия струи, т.е. исключения влияния боковых стенок и дна резервуара на процесс истечения жидкости из затопленного и незатопленного щелевого отверстия.

При исследовании истечения жидкостей, одним из исследуемых параметров является анализ и изучение вида насадки, ее геометрии и расположение, определение коэффициента расхода, зависящего напрямую от геометрического напора (расхода подаваемой жидкости, относительного перепада бьефов), параметров и типа насадки (коэффициентов сжатия).

Установка состоит из емкости-реактора, из которой производится непосредственно истечение (процесс смешивания), щелевой насадки, с заданными размерами, для изучения определенного вида истечения или смешивания жидкостей, емкостей из которых происходит подача жидкостей для смешивания, и насоса для подачи воды и осуществления процесса циркуляционного перемешивания. Кроме того, к установке подведены линия подачи воды и линия слива, для создания и поддержания необходимого уровня жидкости.

Так же на линиях установлены регулирующие вентили для осуществления общей функциональности лабораторной установки и регуляции расхода компонентов при изучении процессов смешивания.

Достижение условий подтопления и неподтопления при исследовании достигалось изменением вариантов компоновки подачи жидкости в емкость-реактор. Для определения коэффициента расхода производится исследование истечения при различных величинах

геометрического напора на водосливе и расходах воды. Кроме того, при данном исследовании производится анализ вида истекающей струи и величина ее вылета, как факторов способных оказывать влияние на процесс истечения жидкости.

через неподтопленный водослив. 1 - емкость-реактор, 2 - насадка щелевая, 3 - резервуар для хранения подачи жидкостей для смешивания, 4 -насос на линии нагнетания, 5 - регулирующие вентили, 6 - ротаметр. -1- Линия подачи воды, -2-линия подачи жидкостей смешивания, -3- линия слива

В реактор 1 производится подача воды, по линии -1- до определенного уровня, из которого через насадку 2 происходит истечение жидкости. Вода циркулирует в установке по замкнутому контуру при помощи насоса 4. Измерение расхода производится при помощи ротаметра 6, регулирование осуществляется вентилем,

находящимся на линии нагнетения.

Слив жидкости из установки осуществляется по линии слива -3-.

При использовании установки по рис.1 вентиль на линии нагнетения воды в реактор, при работе насоса всегда должен быть открыт

Достоинством установки является возможность имитации работы смесительных устройств в аппаратах типа «Смекон» [6, 7], применяющихся для получения эмульсий и суспензий из трудно смешивающихся компонентов.

Действительный расход, теоретический расход, коэффициент расхода и число Рейнольдса при свободном истечении жидкости определяются следующим образом:

Од=М, (2.1)

где Од- действительный расход(м3/сек); ^ время истечения(сек.); У-объем истечения(м3).

Ей, = % цМЦ/Эр (2.2)

где (5Т- теоретический расход(м3/сек.), -1- коэффициент расхода, Ь- ширина щели(м), Н- высота уровня жидкости(м)

ц =0д/0 (2.3)

\л/ср= Од/Ьа (2.4)

с1экв=Ь*а/2(Ь*а) (2.5)

Рв=Шср* dэкв*p/м (2.6)

где а - высота щели (м), средняя скорость(м/с),

[¿э^. -эквивалентный диаметр щели(м), р-плотность жидкости(кг/м3), ^-динамическии коэффициент вязкости(МПа*с).

На основе расчетов получены следующие графики:

Рис. 3 - График зависимости расхода от высоты уровня жидкости для щелей размерами:^-2х100^-2,7х100 ▲ -3,4х100(мм)

Рис. 4 - График зависимости коэффициента расхода от числа Рейнольдса для щелей размерами*-2х100^-2,7х100А-3,4х100(мм)

Из графиков видно что с увеличением высоты уровня жидкости расход практически линейно возрастает. А при Яе-2000 стабилизируется

коэффициент расхода, что вероятно является

признаком перехода истечения в турбулентный

режим.

Литература

1. Чугаев Р.Р. Гидравлика: Учебник для вузов. -4е изд., доп. и перераб.- Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. -672 с.

2. Касаткин Г.К. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М: «Химия», 1973.-754 с.

3. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М: «Химия», 1981.

4. Курганов А.М., Федоров Н.Ф. Гидравлические расчеты систем водоснабжения и водоотведения: Справочник / Под общ. Ред. А.М. Курганова. - 3-е изд., перераб. И доп. - Л.: Стройиздат. Ленингр. Отд-ние, 1986. - 440с.

5. Примеры расчета по гидравлике. Учеб. Пособие для вузов. Под ред. А.Д. Альштуля. - М.: Стройиздат, 1976. - 255 с.

6. Смирнов С.А., Реут В.И., Егоров А.Г., Булкин В.А. Коэффициент расхода при истечении идеальной жидкости из вертикального щелевого отверстия. Тепло-и массообменные процессы, энергетика // Вестник КГТУ. 1998. №2.

7. Смирнов С.А., Реут В.И., Яшин Ю.Н., Булкин В.А. Расчет и проектирование щелевого смесителя для гомогенизации ингибиторных растворов. Нефтяное хозяйство. 1999. № 1

8. Валеев С.И., Степанов Н.И., Иванов Н.В., Булкин В.А. Гидродинамика цилиндрических гидроциклонов с малым расходом через верхнии слив // Вестник КГТУ. 1998. № 2.

© Л. А. Каримов - магистрант каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, [email protected]; В. А. Булкин - д-р техн. наук, проф. той же кафедры.