2.2. Расчет моечных установок

2.2.1. Расчет гидрантов струйных установок

Природа удаления загрязнения с помощью струй заключается в механическом разрушении слоя загрязнений. Сила удара (гидродинамическое давление) на расстоянии (рис. 8) от насадок.

P_x = mV_xsinα = ρ_xw_xV_x²sinα, Н, (80)

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;

w_x - сечение струи, м².

m = (ρ_xw_x)/V_x, кг/с,

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.

Рис. 6. Сопла, создающие разные виды струй: а) кинжальную; б) плоскую; в) веерообразную; г) рассеянную; д) кинжальную с регулируемой интенсивностью; 1 – спираль; 2 – корпус; 3 – конус

Рис.7. Схема истечения струи вблизи смываемой поверхности

Рис. 8. Основные характеристики струи: 1 – насадок; 2 – струя; 3 - поверхность; 4 – зона действия касательных сил

Из уравнения (81) видно, что сила удара струи имеет линейную зависимость от секундной подачи жидкости и пропорциональна квадрату скорости потока.

Начальная скорость потока в струе

Vн = 9,8φ(2gHн)^½ ≈ (200gHн) ^½, м/с, (81)

где Hн - давление перед насадком, МПа;

g - ускорение силы тяжести, м/с²,

φ - коэффициент скорости, зависящий от формы отверстия и типа насадка (табл. 2).

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

Q = f·n·w_нµ(200gHн) ^½ = fnµ(πd²_н/4)(200gHн)^½, м³/с (82)

где f - коэффициент запаса (f ≈ 1,2);

w_н - площадь сечения насадка, м²;

d_н - диаметр насадка, м;

n - число насадков;

µ - коэффициент расхода.

Из анализа формул 80 и 81 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 насадок на практике выполняют в пределах 3,5 ... 8 мм, так как при меньшем диаметре насадки быстро засоряются.

Струя в воздушной среде постепенно теряет структуру и ударную силу. Выделяют 4 участка течения струи (рис. 9):

Рис. 9 Схема свободного истечения струи

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

II - участок перехода длиной около 8d_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…450d_н.

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

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

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 струи. 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.

2.2.2. Гидравлический расчет насосной установки

Потери напора на преодоление гидравлических сопротивлений

h_w = ∑h_f + ∑h_i, м, (83)

где ∑h_f - сумма потерь напора по длине, м;

∑h_i - сумма местных потерь напора, м.

Если трубопровод на всем протяжении имеет постоянный диаметр, то вместо ∑h_f можно записать просто h_f.

Потери напора по длине при наличии одного транзитного расхода на участке определяется по формуле

h_f = (Q²/k²)l, м, (84)

где Q - расход, м³/с;

l - длина трубопровода, м;

k - расходная характеристика, которая зависит от диаметра трубопровода d и коэффициента шероховатости n, м³/с.

Местные потери напора h_i определяется по формуле

h_i = ξ(Q²/2gw²), м, (85)

где ξ - коэффициент местного сопротивления, зависящий от конструкции сопротивления (ξ сетки = 9,7; ξ колена = 0,2; ξ задвижки = 0,3);

w = πd²/4 - площадь сечения потока, м².

Тогда общие потери напора при наличии одного транзитного расхода

h_w = Q² [(l/k²) + (∑ξ/2gw²)], м. (86)

Суммарное сопротивление получается сложением гидравлических сопротивлений отдельных участков. При этом необходимо обращать внимание на то, как работают участки - последовательно (Рис. 10.а) или параллельно (Рис. 10.б). Если участки работают последовательно, то при одном и той же расходе потери напора складываются. Если участки работают параллельно, то определяют расход в каждом из участков и на основании этого рассчитывают их сопротивления. Общее сопротивление разветвленного участка

h_w∑ = (h_w1 + h_w2 + … + h_wi)/i, (87)

где i - число параллельных участков.

Выбор насоса производится с учетом его совместной работы с трубопроводом.

Напор насоса проектируемой насосной установки

Н = Hr + h_w, м, (88)

где Hr - геометрический напор, м;

h_w- потери напора, м. Далее, руководствуясь капором Н и производительностью Q по каталогу выбирают марку насоса. Если насос подобрать не удается, необходимо изменить один из параметров (например, давление истечения струи) и выполнить повторный расчет.

Мощность на привод насоса определяют по формуле

N = γQH/102η, кВт, (89)

где γ - плотность жидкости, кг/м^З;

η - КПД насосной установки.

В расчетах можно применять η = 0,76 … 0,79.

Насос, во избежание появления кавитации, лучше устанавливать как можно ниже по отношению к уровню воды в заборном колодце. Если высота насоса над уровнем воды более 3 м, необходимо производить дополнительный расчет на возможность кавитации.

Рис. 10. Схемы соединения участков трубопроводов: а) последовательное соединение; б) параллельное соединение

2.2.3. Расчет привода щеток

Для мойки легковых автомобилей, как правило, используются щеточные или струйно-щеточные установки. Для мойки боковых сторон применяют две или четыре вертикальные ротационные цилиндрические щетки. При обмывании верха кузова используют одну, реже две горизонтальные щетки. Цилиндрические щетки приводятся во вращение от индивидуальных электродвигателей через редуктор или цепные передачи. Вода на обмываемые поверхности подается через сопла из трубчатых коллекторов, прикрепленных к рамам щеток. Для предварительного смачивания и окончательного ополаскивания перед щетками и после них устанавливаются П или Г-образные рамки с соплами.

Материалом для щеток служат капроновые нити. Диаметр щетки в рабочем состоянии 0,7-1,0 м, а частота ее вращения 150-200 об/мин. Высота щеток берется на 100-150 мм меньше высоты автомобиля. Нити щетки при ее вращении занимают веерообразное положение за счет действия центробежных сил. В процессе мойки щетка касается кузова примерно 1/6 частью окружности.

Мощность на привод щетки:

W = Р_цV_нf, Вт, (90)

где Р_ц - центробежная сила, действующая на нити, Н;

V_н - линейная скорость нитей, м/с;

f - коэффициент трения скольжения нитей по поверхности кузова, f = 0,1.

Определив мощность на привод 1 щетки, находят общую мощность электродвигателей

w_э = wn_щ/η, Вт, (91)

где n_щ - число щёток;

η - КПД привода. В расчетах можно принять η = 0.9.

Затем находят скорость конвейера

V_a = 2πrn/i, м/мин , (92)

где i = 110 … 130 - наиболее эффективное соотношение между скоростью вращения щеток и скоростью передвижения автомобиля.

2.2.4. Очистные сооружения моечных установок

Сточные воды после мойки грузовых автомобилей содержат взвешенных веществ до 3000 кг/я, после мойки автобусов - 1600 и легковых автомобилей - 700 мг/д. Содержание нефтепродуктов составляет, соответственно 900, 850 и 75 мг/л. В соответствии с требованиями СНиП П-39-74 такую воду в канализацию сливать нельзя. Очистка использованной воды происходит в очистных сооружениях. Если воду не предполагается использовать повторно, очистные сооружения проектируются по схеме, изображенной на рис .11.

В грязеотстойник-песколовку 1 загрязненная вода поступает из зоны мойки автомобилей. В песколовке имеется контейнер 2 для сбора и удаления осадка. Взвешенные твердые частицы теряют скорость и осаждаются на дно контейнера. Очищенная вода через водослив стекает в бензомаслоуловитель 4. Труба 3 предназначена для вентиляции. В бензомаслоуловителе вода поступает под колпак 6 и заполняет колодец 4 до уровня, определенного кромкой водослива. Масло и бензин, вследствие меньшей плотности скапливаются в верхней части колпака и далее стекают в емкость 5, которую периодически опорожняют.

Экономически целесообразно производить углубленную очистку воды с целью ее повторного использования в моечных установках.

Рис. 11. Схема очистных сооружений со сливом воды в канализацию: 1 - песколовка; 2 – контейнер; 3 – вентиляционная труба; 4 – бензомаслоуловитель; 5 - емкость для нефтепродуктов; 6 - колпак

2.2.5. Расчет очистных сооружений

Расчет ведется исходя из норм расхода на мойку одного автомобиля и количества автомобилей, подлежащих мойке в течение часа.

Часовой максимальный расход сточных вод

Qч = qN, м³/ч (92)

где q - средний расход воды на мойку 1 автомобиля, м^З;

N - число автомобилей, проходящих через мойку в течение 1 часа, шт.

Расчет песколовки с контейнерами для сбора осадка предусматривает скорость протекания сточных вод V_п = 0,15 м/с.

2.2.6. Последовательность расчета моечной установки

В процессе расчета моечной установки необходимо придерживаться следующего алгоритма:

1. Определить скорость истечения струи из насадки.

2. Рассчитать силу гидродинамического давления струи.

3. Определить размер зоны действия касательных сил и число распылителей.

4. Рассчитать расход воды через установку.

5. Выбрать гидравлическую схему установки я рассчитать потери напора.

6. Определить мощность электродвигателя привода насоса для подачи воды в установку.

7. При необходимости выполнить расчет привода щеток установки.

8. Произвести расчет основных параметров очистных сооружений.

В случае возникновения неясностей студентам следует обратиться к информационным ресурсам дисциплины изложенных в следующих источниках: [6], с.3...47; [7], с.7...12; [8], с.6...15; [10], с.31...33; [11], с.5...11.

После завершения работы с теоретическим материалом по каждой теме студенты отвечают на вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки

1. Что является рабочим органом струйной установки?

2. Что является рабочим органом щеточных установок?

3. Что относят к недостаткам струйных установок?

4. Что относят к недостаткам щеточных установок?

5. На какие участки делится струя моечной установки?