Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления клапанного узла, выполненного по типу трубы Вентури

ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 532.54/55

А.В. Косов, Ю.Я. Печенегов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КЛАПАННОГО УЗЛА, ВЫПОЛНЕННОГО ПО ТИПУ ТРУБЫ ВЕНТУРИ

Приведены результаты опытного изучения гидравлического сопротивления клапанного узла, выполненного по типу трубы Вентури, являющегося элементом новых конденсатоотводчиков, предложенных авторами. Получены корреляционные зависимости для коэффициента гидравлического сопротивления и коэффициента расхода клапанного узла, которые могут использоваться для расчетов и математического моделирования конденсатоотводчиков.

Гидравлическое сопротивление, клапанный узел, конденсатоотводчик, труба Вентури

A.V. Kosov, Yu.Ya. Pechenegov

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF HYDRAULIC RESISTANCE ORIFICE, PERFORMED BY TYPE VENTURI TUBES

The results of the experimental study of hydraulic resistance orifice, made according to the type of the Venturi tube, as part of new traps, proposed by the authors. Correlation function for the coefficient of hydraulic resistance and coefficient of discharge orifice that can be used for calculations and mathematical modeling of steam traps.

Hydraulic resistance, orifice, Venturi tube, trap

Авторами предложены новые конденсатоотводчики [1] c инверсным клапанным узлом, в котором пропускаемый поток подается не на клапан, как в известных конструкциях [2], а под клапан. Шток клапана при этом размещается в клапанном отверстии (рис. 1) и имеет возможность вертикальных перемещений при работе конденсатоотводчика. Тем самым обеспечивается самоочистка и устраняется опасность засорения клапанного отверстия, повышается надежность функционирования кон-денсатоотводчика.

Одно из требований, предъявляемых к конденсатоотводчи-кам, состоит в обеспечении пропуска большого количества охлажденного конденсата в начальные периоды работы (при запуске) предвключенного теплообменного оборудования и при повышенных его тепловых нагрузках. При этом площадь минимального сечения проточного канала клапанного узла не должна быть большой. Известно [3], что среди суживающих устройств наибольшей пропускной способностью обладают конфузорно-диффузорные насадки и сопла, в частности трубы Вентури. Клапанный узел на рис. 1 по своей гидравлической сущности представляет собой кольцевую трубу Вентури. Горловиной здесь является проточный кольцевой участок клапанного отверстия диаметром d„ и длиной l, а диффузор образован поверхностями шарового клапана и конусного седла клапана.

Для возможности расчета пропускной способности клапанного узла необходимо располагать данными о его гидравлическом сопротивлении. С этой целью были проведены опытные исследова-

022

Рис. 1. Схема клапанного узла: стрелками показано направление движения потока конденсата

ния. Объектом исследований был клапанный узел с размерами элементов, указанными на рис. 1. Варьировались размеры клапанного отверстия. Первый вариант имел диаметр отверстия йо = 4 м и длину I = 2 мм, отношение Шг = 2/1 = 2, где йг = йо-йшт - гидравлический диаметр канала. Последующие варианты получали рассверловкой: второй - йо = 5 мм, Шг = 3,2/2 = 1,6; третий - йо = 6 мм, I = 4,4 мм, Шг = 4,4/3 = 1,466. Для каждого варианта шаровой клапан в вертикальном направлении устанавливался так, чтобы обеспечить равные площади для прохода потока в клапанном отверстии /=

0,785(^о2-^шт2) и в начальном сечении кольцевого диффузора (боковая поверхность усеченного конуса с основанием диаметром ёо).

Рабочей жидкостью служила вода с температурой в интервале 34^108°С. Измерялись давления и температуры потока воды до и после клапанного узла. Для этого использовались технические пружинные манометры класса точности 1 и ртутные термометры с ценой деления шкалы 1°С. Расход воды определялся с помощью мерного сосуда, время заполнения которого фиксировалось секундомером. Избыточное давление воды на входе в клапанный узел р1 создавалось путем подпора паром из промышленной котельной и варьировалось в интервале от 0,12 до 0,425 МПа, а на выходе - р2 находилось в интервале от 0,01 до 0,15МПа. Измерения выполнялись при стационарном режиме течения воды. Выполненные расчетные оценки показывали, что течение было бескавитационным.

По результатам измерений вычислялся коэффициент гидравлического сопротивления клапанного узла

4 = 2р

где р - плотность воды при входе в клапанный узел; О - расход воды.

Для первого варианта проточного канала среднее значение 4 получено равным 0,64 при разбросе опытных величин в интервале от 0,6 до 0,65, для второго варианта - среднее 4 = 0,74 в интервале от 0,72 до 0,8, для третьего варианта - среднее 4 = 0,78 в интервале от 0,76 до 0,84.

Расчет по рекомендациям [4] дает для исследованного клапанного узла значения коэффициента сопротивления конфузора 4* = 0,09 и диффузора (при обособленном его рассмотрении, без учета влияния элементов расположенных до диффузора) 4д = 0,13. Сумма 4к + 4й = 0,22 существенно меньше опытных значений 4 и это указывает на определяющую роль прямого кольцевого участка в гидравлическом сопротивлении клапанного узла. Известно [5], что коэффициент сопротивления коротких прямых труб (насадок) или диафрагм с утолщенными краями при отношении их длины I к гидравлическому диаметру йг в области 1/йг < 3^4 увеличивается с уменьшением Шг и не зависит от числа Рейнольдса при турбулентном режиме течения. При 1/йг = 0,1 для диафрагм, например, следуя расчетным рекомендациям [4], получим 4 = 2,81.

Используя 4 = 2,81 как некоторое предельное значение для рассматриваемого клапанного узла дополнительно к опытным данным, получим следующую аппроксимирующую зависимость

4 = 0,9

представленную на рис. 2 (кривая 1). Там же для сравнения приведены кривые 2, 3 и 4 для диафрагм с утолщенными краями, полученные расчетом по данным [4]. Меньшие по величине значения 4 для клапанного узла по отношению к диафрагмам можно объяснить наличием в нем конфузора, штока клапана и диффузора. Первые два элемента способствуют тому, что сужение потока и соответственно отрывная зона пониженного давления в прямом кольцевом участке по отношению к диафрагмам с утолщенными краями и резким изменением сечения на входе выражены в значительно меньшей степени. Диффузор же при безотрывном характере движения в жидкости в его проточной части является элементом, увеличивающим расход потока [3].

В расчетной практике при определении расхода потока или необходимой площади проходного сечения сужающих устройств широко используется интегральная характеристика - коэффициент расхода ц, который входит в формулу для расхода жидкости

О = ц/ д/2р

Из совместного рассмотрения (3), (1) и (2) следует, что

ц = 1,054

Для исследованного клапанного узла значение ц оказывается больше единицы, что соответствует представлениям о физическом смысле коэффициента расхода, приведенным в [3]. Там же показано, что предельное значение коэффициента расхода трубы Вентури может быть больше двух. Заметим, что для простых насадок и диафрагм ц обычно всегда меньше единицы. При расчетах тонких диафрагм, например, рекомендуется принимать ц ~ 0,62 [5].

На рис. 3 полученные опытные данные сравниваются с результатами исследований других авторов. Видно, что исследованный клапанный узел, выполненный по типу трубы Вентури, имеет значительно большую пропускную способность, чем простые насадки и отверстия в стенке.

Рис. 2. Зависимость ^ от //ОТ клапанного узла: 1 - по зависимости (2); 2, 3, 4 - расчет по [4] для диафрагмы с утолщенными краями при а/Г =1 мм,

2 и 3 мм соответственно; кружки - опытные точки

Рис. 3. Зависимость удельного расхода воды G/f от разности давлений Др = Р1-Р2: 1 ^3 -наши опыты; 1 - //dr=2; 2 - 1,6; 3 - 1,466;

4, 5 и 6 - расчет по формуле (3) соответственно при р = 1,227, 1,163 и 1,146; 7 - экспериментальная кривая [6] для цилиндрического насадка, d = 4 мм, / = 6,5 мм, резкое сужение на входе, конусный выход; 8 - экспериментальная кривая [7] для трубки, d = 4 мм,

//d = 1,5 мм, резкие сужение на входе и расширение на выходе;

9 - расчет для отверстия в тонкой стенке при р = 0,62

На практике для клапанных узлов конденсатоотводчиков область изменения параметра Шг редко выходит за пределы 0,75^2,25. В этой области полученные корреляции для 4 - формула (2) и ц - формула (4) могут использоваться при выполнении расчетов и математическом моделировании конденсатоотводчиков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пат. № 2387918 (ЯИ). МПК Б16Т 1/30. Конденсатоотводчик Печенегова / Ю.Я. Печенегов // Открытия. Изобретения. 2010. № 25; Пат. № 2362944(Яи). МПК Б16Т 1/28. Конденсатоотводчик / Ю.Я. Печенегов и др. // Открытия. Изобретения. 2009. № 21. Заявка № 2010127601 от 02.07.2010 на изобретение «Конденсатоотводчик» / Ю.Я. Печенегов, А.В. Косов.

2. Якадин А.И. Конденсатное хозяйство промышленных предприятий / А.И. Якадин. М.: Энергия, 1973. 232 с.

3. Благов Э.И. Предельный максимальный коэффициент расхода сужающих устройств гидросистем / Э.И. Благов // Арматуростроение. 2007. № 2. С. 57-63.

4. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик. М.: Машиностроение, 1975. 559 с.

5. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления / А.Д. Альтшуль. М.: Недра, 1970. 216 с.

6. Дейч М.Е. Газодинамика двухфазных сред / М.Е. Дейч, Г. А. Филиппов. М.: Энергоиздат, 1981. 472 с.

7. Мальцев Б.К. Экспериментальное исследование истечения насыщенной и недогретой воды при высоких давлениях / Б.К. Мальцев, Д. А. Хлесткин, В. Д. Келлер // Теплоэнергетика. 1972. № 6. С. 61-63.

Косов Андрей Викторович -

аспирант кафедры

«Машины и аппараты химических производств» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного

Andrei V. Kosov -

Postgraduate

Department of Machinery and Devices of Chemical Technologies,

Engels Institute of Technology - Branch of

технического университета имени Гагарина Ю.А. Yu. Gagarin Saratov State Technical University

Печенегов Юрий Яковлевич -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Машины и аппараты

Yuri Ya. Pechenegov -

Dr.Sc., Professor

Head: Department of Machinery and Devices

16З

химических производств» of Chemical Technologies,

Энгельсского технологического института Engels Institute of Technology - Branch of

(филиала) Саратовского государственного Yu. Gagarin Saratov State Technical University

технического университета имени Гагарина Ю.А.

Статья поступила в редакцию 18.10.11, принята к опубликованию 15.11.11