Gidravlika_i_ghidromiekhanizatsiia_s.kh_._protsiessov__Praktikum

7 ГИДРОТРАНСПОРТ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

7.1 Практическое занятие «Расчет гидротранспортной установки»

Общие сведения

Гидравлическим транспортом называется процесс перемещения разнообразных материалов потоком жидкости в естественных и искусственных руслах (в реках, каналах, лотках и трубах). Гидравлический транспорт материалов открытым потоком называется безнапорным, а по заполненным трубам — напорным гидротранспортом.

Гидравлический транспорт находит применение в сельскохозяйственном производстве, в строительной, горной, металлургической, химической промышленности и в других отраслях народного хозяйства. Он имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами транспорта:

а) снижает потребности в рабочей силе; б) уменьшает эксплуатационные расходы;

в) незаменим в условиях, связанных с трудностью прокладки железнодорожных путей и автомобильных дорог;

г) практически исключает потери транспортируемых материалов; д) отсутствуют перевалочно-перегрузочные операции и возврат порожней

тары; е) мала потребность в хранилищах материалов.

В сельскохозяйственном производстве гидравлический транспорт используется при перемещении кормовых смесей, навозных масс, удобрений и других материалов. Гидротранспорт отличается высокой экономической эффективностью. Так, например, затраты труда на одну тонну кормов при подаче их по трубопроводу составляют около 0,04 ч, в то время как при раздаче другими средствами механизации они равны 0,1–2 ч на одну тонну.

231

Классификация и основные параметры гидросмесей

Гидросмесью называется материал, получаемый перемешиванием достаточно мелких твердо-зернистых или высокопластичных частиц с жидкостью. В производственной практике для обозначения различных гидросмесей применяют специальные термины. Например, в строительном деле смесь песка, цемента и воды называют раствором; смесь воды и песка при транспортировании ее по трубам и лоткам называют пульпой; смесь торфа с водой — гидромассой и т. п.

Классификация частиц, входящих в состав гидросмеси, в зависимости от их величины, приведена в таблице 7.1.

Таблица 7.1

В покоящейся жидкости частицы не оседают на дно сосуда, находятся в броуновском движении Образуют коллоидные растворы Образуют тонко- и грубодисперсные суспензии

Несвязные твердые частицы входят в состав гидросмеси, которая образуется только при движении. В покоящейся жидкости частицы оседают на дно

Гидросмеси, частицы которых при покое не выпадают в осадок, называются структурными. Структурные гидросмеси представляют собой коллоидные растворы, в которых твердые частицы связаны друг с другом молекулярными (структурными) связями. Для разрушения этих связей в начальный момент движения необходимо создать некоторое усилие (напряжение сдвига).

Физические свойства гидросмесей характеризуются плотностью, объемным весом, размером частиц, концентрацией и реологическими параметрами.

Плотностью (объемной массой) ρ называется масса, содержащаяся в единице объема гидросмеси, т. е.

где М — масса гидросмеси, кг;

V — объем, занимаемый данной массой, м3.

232

Плотность в системе СИ имеет размерность кг/м3.

Объемным (удельным) весом γ называется вес единицы объема гидросмеси:

где G — вес гидросмеси, Н;

V — объем гидросмеси, имеющий данный вес, м3. Удельный вес в системе СИ имеет размерность Н/м3.

Плотность и объемный вес связаны зависимостью, вытекающей из второго закона Ньютона:

где g — ускорение свободного падения, м/с2.

Размеры частиц гидросмеси характеризуются средним эквивалентным диаметром, коэффициентом неоднородности материала и другими показателями. Размеры частиц, входящих в состав сельскохозяйственных гидросмесей, представлены в таблицах 7.2, 7.3, 7.4.

Таблица 7.2 — Кормовые смеси

Средний диаметр частиц в зимних рационах изменяется от 2,2 до 2,7 мм, в летних —– 3,2–3,6 мм. Плотность кормовых смесей равна 1050–1100 кг/м3 соответственно при влажности 75 и 95 %.

233

Таблица 7.3 — Жидкий бесподстилочный навоз при кормлении крупного рогатого скота сочными кормами (силос, корнеклубнеплоды,

барда, жом, зеленая масса)

Плотность навоза этого состава равна 1020–1060 кг/м3 и соответствует влажности 88–91 %.

Кроме того, частицы твердой фазы гидросмеси характеризуются гидравлической крупностью, т. е. скоростью равномерного падания твердых частиц в спокойной воде при ее температуре 15 °С. Гидравлическая крупность зависит от диаметра, формы, объемного веса твердых частиц и определяется по таблицам или по эмпирическим формулам.

Влажность — доля воды, содержащаяся в массе смеси, выраженная в процентах:

где М — масса влажной смеси, кг; Мс — масса сухой смеси, кг.

Концентрацией (консистенцией) гидросмеси называется степень насыщения твердыми частицами занимаемого гидросмесью объема. Концентрация может быть объемная (отношение объема твердых частиц к объему воды или всей смеси) и массовая (отношение массы твердых частиц к массе воды или всей смеси).

234

Влажность W и концентрация К смеси выражаются в % и связаны между собой зависимостью:

Основные реологические параметры высоковязких сельскохозяйственных материалов и их специфические вязкостные особенности необходимо знать при инженерных расчетах гидротранспортных систем. К ним относятся напряжение при начальном сдвиге — τ0 (предельное напряжение сдвига) и динамический коэффициент вязкости гидросмеси — µ. Для их определения используется трубчатые, воронкообразные, ротационные, капиллярные вискозиметры и другие приборы.

Как известно из общего курса гидравлики, в обычных (ньютоновских) жидкостях касательные усилия τ вызываются вязкостью и возникают только при движении. В ламинарном потоке жидкости они с ростом градиента скорости увеличиваются по линейному закону (рисунок 7.1, а).

При движении структурных гидросмесей касательные усилия оказывают сопротивление, вызывают взаимодействие не только молекул жидкости, но и твердой фазы.

Поэтому график зависимости касательных напряжений от градиента скорости для структурных смесей (рисунок 7.1, б) существенно отличается от аналогичной зависимости для ньютоновских жидкостей.

Главной особенностью этой зависимости является наличие у структурных гидросмесей напряжения начального сдвига τ0, т. е. структурная гидросмесь приходит в движение только в случае, если внешние усилия превысят некоторую величину.

В инженерных расчетах реальную зависимость часто заменяют приближенной (рисунок 7.1, в), которая представляет собой асимптотическую прямую. Ординату пересечения асимптоты с осью называют динамическим напряжением сдвига, причем θ = 4/3τ0.

Тангенс угла наклона асимптоты и оси абсцисс называют динамическим (структурным) коэффициентом вязкости гидросмеси µ. По смыслу он

235

напоминает динамический коэффициент вязкости ньютоновской жидкости и имеет такую же размерность, например, в системе СИ — Н · с/м2.

При перемещении по трубам структурных гидросмесей наблюдаются четыре режима течения:

а) режим с неразрушенной структурой (режим Шведова, или шведовский),

Рисунок 7.1 — Зависимость касательных напряжений от градиента скорости: а — ньютоновские жидкости при ламинарном режиме; б — структурные гидросмеси; в — асимптотическая прямая, аппроксимирующая реальную зависимость

Рисунок 7.2 — Эпюры скоростей при различных режимах течения концентрированных гидросмесей в трубах: а — неразрушенная структура (шведовский); б — структурный (бингамовский); в — переходный; г — турбулентный

характеризующийся наличием предельного напряжения сдвига, при этом в центрепотока имеетсяядро, котороедвигается как твердоетело (рисунок7.2, а); б) структурный режим (бингамовский) с непрерывно разрушающейся структурой, характеризуетсяналичиемдинамическогонапряжениясдвига(рисунок7.2, б);

236

в) переходный режим, при котором эпюра скоростей приближается к форме, соответствующей ламинарному режиму движения ньютоновской жидкости, но отношение наибольшей скорости потока к средней всегда меньше двух (рисунок 7.2, в). При перемещении некоторых высококонцентрированных вязко–пластичных гидросмесей переходный режим не наблюдается; г) турбулентный режим, когда происходит перемешивание потока и вязкость со-

ответствует предельно разрушенной структуре (рисунок 7.2, г). Для большинства концентрированных вязко-пластичных гидросмесей турбулентный режим применять экономически невыгодно из-за больших затрат энергии, необходимых дляпреодолениярезковозрастающих гидравлических сопротивлений.

При перемещении кормовых смесей и навозных масс в трубопроводах применяются скорости движения 0,3–2 м/с, при этом режим течения наблюдается обычно структурный, реже шведовский.

Опытные данные об основных реологических характеристиках некоторых структурных гидросмесей сельскохозяйственного назначения приведены в таблице 7.5.

Таблица 7.5

237

Окончание таблицы 7.5

Расчет гидротранспорта высоковязких сельскохозяйственных материалов

Расчет гидротранспортной установки включает следующие разделы: а) технологический расчет системы гидротранспорта; б) гидравлический расчет установки; в) выбор напорного и вспомогательного оборудования.

Технологический расчет системы гидротранспорта

Технологический расчет системы гидротранспорта заключается в определении пропускной способности (производительности) гидротранспортной установки, которая зависит от производственного процесса и вида сельскохозяйственного материала.

При раздаче кормов на животноводческих фермах должно выполняться основное условие — подача корма животным в соответствии с зоотехническими требованиям. Исходя из этого условия, расчетная пропускная способность (расчетный расход) Q гидротранспортной установки вычисляется по формуле:

где q — необходимое количество корма (норма кормления) на одну голову (определяется зоотехническими условиями в зависимости от рациона, вида и возрастной группы тавотных);

238

k — количество животных на ферме; n — кратность кормления животных;

t — продолжительность разовой дачи корма; ρ — плотность кормосмеси.

При уборке навоза основным условием является удаление из помещения фермы суточного выхода навоза от животных в установленные нормативные сроки.

В этом случае расчетная пропускная способность гидротранспортной установки определяется также по формуле (7.6), в которой обозначено:

q — суточная норма жидкого (с учетом разбавления водой) навоза но одну голову (зависит от вида животных, типа рациона и подстилки);

n — кратность удаления навоза в сутки;

t — продолжительность разового удаления навоза; ρ — плотность жидкого навоза.

Гидравлический расчет установок гидротранспорта

Задачей гидравлического расчета гидротранспортной установки является определение диаметра трубопроводов и напора, или давления, обеспечивающего заданный расход гидросмеси.

Диаметр трубопровода для транспортирования гидросмеси находится из общеизвестного уравнения неразрывности потока:

где υ — средняя скорость транспортирования; S — площадь поперечного сечения потока.

Средняя скорость транспортирования определяется техникоэкономическими расчетами. В первом приближении можно назначать среднюю скорость в пределах υк < υ < 2 м/с, υК = 0,6–0,8 м/с — скорость самоочищения труб для условий гидротранспортирования высоковязких сельскохозяйственных материалов.

239

По найденному значению площади выбирается ближайший стандартный диаметр трубопровода, уточняется скорость движения гидросмеси и делается проверка выполнения условия υ > υк.

Вычисляется обобщенный критерий Рейнольдса Re и определяется режим движения гидросмеси:

d — диаметр трубопровода;

ν = µ/ρ — кинематический коэффициент вязкости гидросмеси.

Режим движения структурных гидросмесей зависит не только от критерия Рейнольдса Re, но и от реологических параметров гидросмеси, что и учитывается обобщенным критерием Re*.

Если Rе* < 1 500–5 000, то диаметр трубопровода и средняя скорость движения гидросмеси выбрана правильно, так как в этом случае имеет место шведовской, бингамовский или переходной режимы движения.

Если Rе >1 500–5 000, то режим движения гидросмеси турбулентный и в трубопроводе будут иметь место чрезмерно большие потери давления. Поэтому необходимо увеличить диаметр трубопровода и уменьшить скорость гидросмеси в трубопроводе.

Турбулентный режим допускается применять только для гидротранспорта навоза, имеющего повышенную влажность (свыше 95 %). При такой высокой влажности движение гидросмеси определяется теми же закономерностями, как и для чистой воды.

Динамический коэффициент вязкости µ и предельное напряжение сдвига τ0 выбирается из таблицы 7.5 в зависимости от типа гидросмеси и ее влажности.

Вычисляются потери давления от гидравлических сопротивлений

240