Введение. Основная задача агропромышленного комплекса – производство качественной сельскохозяйственной продукции, которое в современных условиях невозможно без механизации технологических процессов [1, 2, 3]. Исследования по поиску эффективных технических решений для их совершенствования ведутся постоянно [4, 5, 6].
Среди основных элементов технологических процессов в животноводстве можно назвать вакуум-откачные средства, предназначенные для дозирования, смешивания, транспортирования, сушки и раздачи кормов, доения коров, переработки молока и др. К недостаткам существующих вакуум-откачных средств можно отнести ограниченность выходных параметров техническими характеристиками насоса, из-за которой повышение производительности технологического процесса транспортировки материала достигается только посредством подбора более мощного оборудования. Это связано с дополнительными капиталовложениями, что отражается, в конечном счете, на себестоимости продукции [7, 8, 9].
Исследованиями установлено, что одним из способов повышения эффективности вакуум-откачных средств для осуществления смешивания и дозирования газообразных сред и сыпучих материалов, может быть прерывистое (пульсирующее) течение активного потока [10, 11]. Применение пульсирующих струйных вакуум-откачных устройств (эжекторов) позволяет, наряду с понижением остаточного давления, значительно снизить затраты энергии при одинаковых габаритах [12]. Использование нестационарных потоков способствует более эффективному обмену энергией между активной и пассивной средой [13].
Эффективность воздействия на среду, параметры которого зависят от времени, можно объяснить передачей движения от активной среды к пассивной под действием волн давления, а также организацией процесса с последовательным и параллельным присоединением дополнительной массы.
Результаты анализа эффективности эжекторов с активными нестационарными потоками, по сравнению с аналогами со стационарными потоками, свидетельствуют об увеличении коэффициента эжекции в 1,5…2,0 раза [13].
Цель исследования – повышение эффективных показателей работы водокольцевого вакуумного насоса с предвключённым пульсирующим струйным аппаратом.
Условия, материалы и методы. Пульсация подачи активной среды в камеру смешивания может быть достигнута периодическим открытием и закрытием проходного сечения сопла, которое осуществляется с помощью регулирующих элементов, совершающих возвратно-поступательное (эжекторы клапанного типа) или вращательное (устройства шторно-щелевого и барабанного типов) движение. В условиях сельскохозяйственного производства экономически более целесообразны эжекторы клапанного типа (рис. 1) [14].
Пульсирующий эжектор содержит высоконапорное сопло 1 подачи активной среды (см. рис. 1), выполненное в форме сужения (в зависимости от агрегатного состояния активной среды может быть выполнено в форме сужения-расширения). В линии подачи активной среды, перед центральным активным соплом установлен прерывающий механизм, который состоит из цилиндрической гильзы, в которой предусмотрены каналы для подвода высоконапорной среды (см. рис. 1, а, б). Для обеспечения прерывистости высоконапорного потока внутри гильзы установлены шарик и пружина. Открытие отверстия входного патрубка осуществляется воздействием высоконапорного потока на шарик, запирание выполняется тем же шариком под силовым воздействием цилиндрической пружины, упругость которой регулируется установкой гильзы путем наворачивания ее на входной патрубок струйного аппарата.
Для обоснования конструктивных параметров пульсатора необходимо определить закономерности влияния частоты пульсации на производительность технологического процесса. Это возможно путем преобразования закономерностей, характеризующих движение одномерных нестационарных уравнений газовой динамики, которые включают в себя уравнения расхода-неразрывности (1), сохранения импульса (2) и энергии (3) [12].
(1)
(2)
(3)
где t – время, с;
x – продольная координата;
r – плотность газа, кг/м³;
p – давление, Па;
V – скорость потока, м/с;
S – площадь поперечного сечения канала, м2;
е – основание натурального логарифма, е = 2,73;
ΔI – потери энергии газа на трение и местные потери.
Регулирование статического давления и расхода эжектора за некоторое время обычно осуществляется путем изменения площади поперечного сечения проходного канала прерывающего механизма. Предполагается, что давление и площадь проходного сечения изменяются по гармоническому закону (4). С учетом этого задаются амплитуда, частота, фазовый угол. Изменение давления на границе определяется как:
(4)
где рavg – среднее значение давления в камере смешения, Па;
рmax – амплитудное значение давления в пульсаторе, Па;
f – частота пульсации, с-1;
φ0 – начальная фаза.
Для увеличения коэффициента эжекции и сохранения высокой степени сжатия в эжекторе, камера смешивания выполнена в виде цилиндрической горловины. С учетом этого среднее давление в камере смешивания и амплитуда давления в пульсаторе определяют давление в откачиваемой среде. Тогда формула давления откачиваемой среде будет выглядеть следующим образом:
(5)
где p* – полное давление газа, Па;
u – коэффициент эжекции, m2/m1;
m2 – масса газа на выходе эжектор, кг;
m1 – масса газа на входе эжектор, кг;
q – отношение температур в эжекторе;
a – геометрический коэффициент α = F1/F2;
F1 – выходная площадь активного сопла, м2;
F2 – выходная площадь пассивного сопла; м2;
q(l) – газодинамическая функция расхода.
С учетом этого уравнение (4) примет следующий вид:
(6)
Эта формула дает возможность описать и рассмотреть все процессы при использовании вакуумных эжекторов с пульсатором.
Проведенные предварительные расчеты показали, что существует граница скоростей и давлений, на которой пульсация оказывает не значительное влияние. В то же время, в широком диапазоне изменения этих параметров, особенно в зоне сверхзвуковых течений, ее эффект очень значителен.
Следует отметить, что при обосновании конструктивных параметров, работа эжекторов рассмотрена в рамках одномерной теории движения потоков, поскольку сложность математических расчетов для двумерных потоков делают такие задачи неразрешимыми. Кроме того, результаты расчетов, проведенных с таким допущением, хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Объектами экспериментальных исследований были эжектора с пульсирующим движением активного потока. Величину вакуума рассчитывали с использованием разработанных в Казанском ГАУ методов оптимизации [15, 16]. Основной задачей экспериментов было определение зависимости подачи водокольцевого вакуумного насоса с пульсирующим струйным аппаратом от материалов клапана шарового типа (стальной, резиновый и текстолитовый), величины давления всасывания (1; 5; 10; 20; 30; 40; 50; 60 кПа), частоты пульсации клапана (85; 100; 115; 130 уд/мин) и давления на входе в эжектор (20; 30; 50; 60 кПа). Экспериментальные исследования проводили согласно разработанному алгоритму с использованием водокольцевого насоса. Каждый параметр измеряли по 3 раза, после чего определяли среднюю величину, которую использовали в дальнейшей работе.
Достоверность зависимостей определяли с использованием коэффициента корреляции (R) и его ошибки (mR) [17, 18]. Зависимость считали достоверной при выполнении условия R>3·mR.
Результаты и обсуждение. На работу пульсирующего эжектора, кроме отмеченных ранее параметров, большое влияние оказывает выбор материала клапана в форме шара и частота пульсации, обеспечивающие прерывистую подачу активного потока.
В результате математической обработки результатов экспериментальных исследовании (табл. 1), были получены зависимости подачи (Qср) водокольцевого вакуумного насоса с пульсирующим струйным аппаратом от давления всасывания (Pвсас) при различных материалах клапана шарового типа и их математические модели (рис. 2):
Qm = 6.8541+0.3659·P-0.0038·P2;
Qr = 4.6446+0.3874·P-0.0039·P2;
Qt = 3.0155+0.352·P-0.0037·P2,
где Qm зависимость для клапана из стали;
Qr – из резины;
Qt – из текстолита.
Анализ построенных зависимостей подачи (Qср) водокольцевого вакуумного насоса с пульсирующим струйным аппаратом от давления всасывания (Pвсас) указывает на то, что наилучшие результаты обеспечивает использование клапана шарового типа, изготовленного из стали. Это дает возможность повысить подачу до 14,5 м3/мин.
В результате математической обработки экспериментальных данных (табл. 2) были получены зависимости подачи водокольцевого вакуумного насоса с пульсирующим струйным аппаратом от частоты пульсации при различных величинах вакуума на входе в эжектор и их математические модели (рис. 3):
при P = 20 кПа
Q1 = 13.515 + 0.0363· W - 0.0003· W 2;
при P = 30 кПа
Q2 = 13.965 + 0.0363· W - 0.0003· W 2;
при P = 50 кПа
Q3 = 14.265 + 0.0363· W - 0.0003· W 2;
при P = 60 кПа
Q4 = 13.366 + 0.0609· W - 0.0004· W 2.
Анализ построенных зависимостей подачи (Qср) водокольцевого вакуумного насоса с пульсирующим струйным аппаратом от частоты пульсации (W) с использованием клапана шарового типа, изготовленного из стали, и давления на входе в эжектор показал, что максимальная подача обеспечивается при частоте пульсации 90…100 уд/мин.
Выводы. В результате исследовании были найдены зависимости подачи водокольцевого вакуумного насоса с пульсирующим струйным аппаратом от давления всасывания, материалов клапана шарового типа (стальной, резиновый и текстолитовый), частоты пульсации и давления на входе в эжектор. Наилучшие результаты обеспечило использование клапана в форме шара, изготовленного из стали. В этом случае подача водокольцевого вакуумного насоса с пульсирующим струйным аппаратом увеличивается до 14,5 м3/мин, а максимальная подача обеспечивается при частоте пульсации 90…100 уд/мин.
