Характеристики водо-водяных струйных насосов и гидроэлеваторов. Принцип работы гидроэлеватора с функцией вакуумного насоса.
После публикации статьи про лабораторный «водоструйный вакуумный насос» возникла теоретическая основа для рассмотрения принципа работы и более широкой группы водо-водяных «струйных эжектирующих насосов».
Про вакуумные гидроструйные насосы (см. ссылку).
К этой группе водо-водяных струйных насосов относятся также и «элеваторы» для систем отопления.
При всей простоте конструкции водоструйных насосов есть некоторые отличия от вакуумных водоструйных насосов, затрудняющие анализ их работы.
Начнём с простейших водоструйных насосов.
Струйными насосами могут быть как водо-водяные, так и водо-газовые или газо-газовые насосы.(см.рис.1.)
Рис.1. Насос общего профиля с углом раструба 3 градуса в начале и 20 градусов в конце. Элеватор с углом раструба диффузора 15 градусов. Угол раструба диффузора у парового инжектора 8 градусов.
Струйными насосами со сжатым воздухом могут перекачивать даже сыпучие материалы: цемент, муку, песок и мелкую щебёнку.
Водо-водяными струйными насосами ведут размыв грунтов на дне водоёмов, откачивают нечистоты из колодцев и трюмов, и даже перекачивают рыбу на рыболовецких судах. (см.рис.2-9.)
Рис.2. Страница из учебника по водоструйным насосам. Интересно упоминание «рыбонасосов» в перечислении сфер применения. Струйный насос такой конфигурации имеет способность к вакуумированию (всасыванию воздуха) и самоподсосу воды по шлангу с больших глубин до 8м, но только если на выходном конце эжектора имеется водонапорный шланг достаточной длины, который полностью заполнен водой. Без шланга на выходе эжектирующая струя ничего не эжектирует, а просто свободно вылетает на улицу. Такой водоструйный эжектор со шлангом имеет сходство с лабораторным вакуумным насосом. Угол раструба диффузора 8 градусов.
Рис.3. Схема работы эжекционного насоса.
Рис.4. Чертёж инжектирующей насадки для колодезной части инжекционного насоса. Примечательно, что конусный диффузор на выходе из горла эжектора отсутствует, а есть простой по форме переход с узкой трубы горла на более широкий штуцер под шланг с простой фаской под 45 градусов.
Рис. 5. Донный эжекционный насос для откачки ила и песка со дна водоёма.
Рис. 6. Донный эжекционный насос для откачки ила и песка со дна водоёма или нечистот из колодца.
Рис. 7. Водоструйный насос с дополнительной фронтальной струёй для размыва грунта на дне водоёма или даже на берегу с возможностью отсоса размытой пульпы.
Рис. 8. Самодельный водоструйный насос для откачки донных отложений (старательская золотодобыча) с отдельным соплом для размыва грунта на дне .
Рис. 9. Самодельный водоструйный насос для откачки донных отложений (старательская золотодобыча).
Образование вихревого потока в эжектирующей струе
Следующий чертёж примечателен тем, что я смотрел видео, где демонстрировался пуск эжектирующей струи на реальном образце ВВЭН,изготовленным по этому чертежу .
При пуске с сухим водозаборным раструбом внутри ВВЭН видно струю из эжектирующего сопла.
Так вот при этом пробном пуске я ожидал увидеть плотную цилиндрическую струю из узкого сопла, но в реальности получился широкий веер мелих брызг , как от вихревой форсунки.
Такое разбрызгивание быстрой струи возможно только при сильном закручивание потока, что и происходит с водой при прохождении поворота трубы на 180 градусов перед соплом. (см.рис.10)
Рис. 10. Чертёж на самодельный водоструйный насос для откачки донных отложений (старательская золотодобыча).
Получается, что проход воды через обычный круто загнутый отвод под сварку вызывает закручивание потока, которое в заужение сопла приобретает очень высокую угловую скорость вращения при сохранении приобретённого в повороте импульса вращения.
Именно вращение струи делает из плотной цилиндрической струи веер мелких брызг.
О проходе поворота с закручиванием потока в спираль я говорил в одной из предыдущих статей.
Разрываемая центростремительным ускорением сильно закрученная струя внутри горла ВВЭН обретает свойство некого миксера, который даёт эффект принудительного смешивания эжектирующей струи с подсасываем в горло объёмом транспортируемой воды.
То есть потоки воды в горловине ВВЭН перемешиваются не просто из-за вязкого трения в соседних струях на разных скоростях, но и прямым вбиванием отдельных капель осевого потока на высокой скорости в соседние слои в радиальном направлении.
При этом резкий поворот трубы эжектирующего потока перед ВВЭН обычно делается из компоновочных соображений, а не из-за глубокого гидравлического расчёта. Но при этом такой разворот трубы на 180 градусов чисто случайно оказывает сильное положительное влияние на интенсивность эжекции и в целом на характеристики работы всего ВВЭН.
Водоструйный грязесос с прямым шлангом
К данной категории относятся простейшие устройства для отсасывания грязных вод из колодцев и водоёмов (см.рис.11-12.)
Рис.11. Простейший водоструйный инжекционный насос без отводящего шланга.
Рис.12. Тот же простейший водоструйный эжекционный насос с присоединённым пластиковым шлангом для откачки нечистот из колодца.
Приведённый на фото «водо-водоструйный эжекционный насос» (далее ВВЭН) имеет только прямой участок после всасывающей воронки, переходящий в шланг без каких либо диффузоров.
Глубина откачки такого колодезного пульпососа более 2м.
Расход воды и скорость струи при работе такого ВВЭН достаточно велики, так что и потери напора на разгон струи при входе в воронку тоже будут весьма существенны.
Потребуется учесть ещё потери по длине трубы постоянного диаметра, так как при достаточно высокой скорости потока сопротивление может быть достаточно большим даже у пластиковой трубы Ф40мм.
Для данной модели нет никаких точных данных по геометрии и расходно-напорным характеристикам, чтобы можно было хоть что-то для него посчитать.
Так что перейдём к другим моделям ВВЭН.
Водоструйный насос для золотодобычи: промывочная драга
Другим прикладным вариантом применения простейшего ВВЭН является водоструйный насос для отсоса песко-водяной пульпы со дна водоёма.
Малые ВВЭН такого типа применяют при кустарной добыче золотого песка на небольших ручьях. (см.рис.13-14)
Рис.13. Плавучая промывочная драга для золотодобычи на речных россыпях (фото комплекта).
Рис.14. Промывочная драга для золотодобычи на речных россыпях ( схема работы).
Труба донного шланга от драги идёт без резких изгибов.
Также без резких поворотов обходятся и на узле эжектирующего подмеса струи в ВВЭН.
Сам ВВЭН выполнен на дальнем от места всасывания конце шланга. Так весь шланг стоит под разряжением, а эжектирующая струя от мотопомпы подводится под малым углом входа почти перед самым выбросом потока воды наружу в лоток. (см.рис.15.)
Рис. 15. Крупный план на узел подключения эжектирующей струи от мотопомпы к ВВЭН драги. Вход эжектирующей струи производится в общую металлическую трубу постоянного диаметра под очень острым углом.
Донный отсос работает при малых коэффициентах подмеса (возможно 1:1) с малым давлением (предположительно 0,5 бар=10м/с в струе) и большим расходом воды от мотопомпы.
При этом основная длина всасывающего шланга работает на транспортировку только полезной пульпы, а эжектирующая струя от насоса подмешивается уже только перед самым выбросом пульпы в промывочный лоток.
Такое применение пассивного подводного рукава сильно повышает общую эффективность системы, резко снижая потери на сопротивление движению половинного объёма воды по шлангу.
Уровень гидростатического давления в ВВЭН драги невелик, так как нужно преодолеть подъём выше уровня воды всего на 0,5=0,7м до выхода в лоток.
Кроме плавающих драг встречаются и наземные варианты для работы на совсем мелких ручьях, где плавать просто негде, а сам лоток можно установить прямо на дно ручья рядом с зоной промывки. (см.рис.16.)
Рис.16. Береговая промывочная драга для золотодобычи на речных россыпях с комплектом водяного оборудования.
Часто помпа может быть установлена достаточно далеко от зоны промывки, что делает нерациональным совместное размещение на одной раме промывочного лотка и мотопомпы.
Если мотопомпа установлена достаточно далеко от промывочного лотка на водозаборной яме, а сам ручей очень мелкий, то бывает удобно использовать вариант с установкой ВВЭН на нижнем всасывающем конце трубы. (см.рис.17.)
Рис. 17.Промывочная драга малой производительности для работы на мелких ручьях. Такой лоток устанавливается непосредственно на дно ручья рядом с разрабатываемым участком дна, а мотопомпа устанавливается в отдаление, там где возможен забор воды (водозаборная яма на дне ручья или омут на перекате).
В такой компоновке резко снижается производительность драги из-за способа подключения ВВЭН к системе, так как толстый и уже напорный шланг должен на большей длине прокачивать удвоенный объём смеси: пульпа со дна + эжектирующая струя.
Но в такой конфигурации есть и явные преимущества на мелких ручьях, так как короткий всасывающий конец позволяет лучше работать на мелководьях с частым осушением всасывающего конца шланга при его перестановке с места на место. (см.рис.18-19.)
Рис.18. Крупный план на концевой ВВЭН драги с подключенными напорным рукавом от мотопомпы и спиральный отводящий шланг для отсасываемой пульпы.
Рис.19. Менее эффективная схема плавающей промывочной драги, где ВВЭН установлен на нижнем конце всасывающего шланга. Работать отсасывающим концом драги с двумя прицепленными жёсткими шлангами (один из шлангов жёсткий от сильного избыточного давления внутри другой жёсткий из-за большого диаметра при небольшом давление) значительно сложнее, чем с одним широким шлангом без давления внутри.
Каких-то подробных характеристик для этих драг я не нашёл, так что анализ механизма работы ВВЭН придётся делать по другим, более распространённым в практике устройствам.
Важно то, что данные ВВЭН для пульпососов разных версий вообще не имеют сужений (горла) в своих конструкциях.
Гидроэлеватор Г-600 для пожарных машин
Кроме полукустарных грязесосов и промысловых драг ВВЭН широко применяются и в куда более прагматичных и регламентированных ситуациях, а именно в пожарных машинах для забора воды из открытых водоёмов.
Для пожарных машин характеристики ВВЭН по производительности и напору жёстко нормированы и регулярно проверяются на специальных испытательных стендах, на учениях и при реальных пожарах, а потому именно эти характеристики пожарных ВВЭН мы и будем рассматривать подробно.
Ниже представлены несколько картинок, которые весьма подробно рассказывают и показывают внешний вид, устройство и способы применения пожарных ВВЭН типа Г-600 (см.рис.20-25.)
Рис. 20. Гидроэлеватор Г-600А с круглым узлом подключения всасывающего рукава большого диаметра.
Рис. 21. Гидроэлеватор Г-600А с прямоугольной решёткой на участке всасывания, для забора воды из мелких водоёмов, включая большие лужи на полу от пролитой при тушении пожаров воды.
Рис. 22. Плакат с ТТХ и схемами применения пожарного Гидроэлеватора Г-600А.
Рис. 23. Картинка с детальной схемой применения пожарного Гидроэлеватора Г-600А от пожарного пруда.
Рис. 24. Картинка со схемой применения пожарного Гидроэлеватора Г-600А от пожарного пруда.
Рис. 25. Фото применения пожарного Гидроэлеватора Г-600А от пожарного пруда. Видно два Г-600 на дне пруда. Шланги к Г-600 уже покдлючены, но вода по ним ещё не пущена.
Из заявленных характеристик сразу можно сказать, что Г-600 – это не просто ВВЭН, а ещё и «Вакуумный струйный насос»!
Про вакуумные струйные насосы и принципы их работы была предыдущая статья.
Так в режиме пуска ВВЭН при водозаборе из водоёма через толстый рукав (без затопления Г-600 в водоёме) первоначально Г-600 способен самостоятельно высосать воздушную пробку до разрежения с абсолютным давлением ниже 0,1 бар (10кПа), тем самым подсосав воду из пруда на высоту до 8м от среза воды до входа в ВВЭН.
Рабочие характеристики пожарного ВВЭН типа Г-600
Для анализа работы Г-600 необходимы более вразумительные расходно-напорные характеристики, чем указано в паспортных данных на приведённых картинках.
Такие более подробные данные о ВВЭН типа Г-600 я нашёл в виде графиков напора ВВЭН в зависимости от давления насоса пожарной машины и расхода подмеса в сам ВВЭН (см.рис.26.
Рис.26. Графики рабочих характеристик гидроэлеватора Г-600А.
Гидродинамика работы пожарного гидроэлеватора Г-600А
Движущей силой в любом ВВЭН является импульс высокоскоростной водяной струи, подаваемой из сопла малого диаметра в широкое горло ВВЭН и далее в ещё более толстую отводящую трубу. (см.рис.27.)
Рис.27. Чертёж ВВЭН типа Г-600 с коротким цилиндрическим горлом и длинным диффузором с малым углом конуса (оценочно около 8 градусов).
Откачиваема из водоёма вода заходит в горло ВВЭН по всасывающей воронке, что возможно только при наличии в горле ВВЭН отрицательного давления по отношению к гидростатическому давлению атмосферы вне воронки.
Это отрицательное давление (разрежение) создаётся за счёт торможения высокоскоростного потока воды из сопла при проходе по горлу ВВЭН.
По мере торможения эжектирующей струи в горловине ВВЭН происходит расширение её сечения, а это влечёт уменьшение доли площади подсасываемого потока и увеличение его скорости.
Если считать, что вторичный поток G2 получил разгон уже на входе в горло, то обмен импульсом между струёй G1 и подсасываемым потоком G2 в горле происходить уже не будет.
То есть внутри горловины меняется распределение площадей по сечению ВВЭН между эжектирующей струёй и подсасываемой водой без их взаимного перемешивания.
Получается, что цилиндрическая горловина- это не зона обмена импульсом между эжектирующим и подсасываемым потоками воды, а зона торможения струи G1 от противодавления на выходе и разрежения на входе. Хотя при этом в итоге на выходе из горловины S2 должен идти единая смешенная струя с одинаковой усреднённой скоростью V2.
Именно эта усреднённая скорость смешенного потока на выходном срезе горла ВВЭН определяет как разрежение до входа в горло ВВЭН, так и статический напор при выходе потока из горла в широкую отводящую трубу.
Способность создавать статический напор на срезе горла ВВЭН не зависит от диаметра отводящего трубопровода. Так что ВВЭН может нагнетать давление в сосуды неограниченного сечения, то есть даже непосредственно в большие ёмкости и баки.
Распределение скоростей потоков по длине горла ВВЭН
В начальный момент эжектирующая струя имеет минимальное сечение S1 при максимальной скорости самой струи на срезе узкого сечения раструбного горла ВВЭН.
Скорость струи в сечении сопла S1 определяется только избыточным давлением в напорной трубе от насоса пожарной машины.
Далее по ходу горла рассматриваем отдельно потоки воды G1 от сопла и поток G2 из подсасывающей воронки.
Разгон воды на входе в горло по воронке осуществляется за счёт разрежения в горле ВВЭН при подпоре внешним атмосферным давлением 100кПа (1 бар).
дРп=(1+Кп)*Vп^2*q/2
Где Кп=0,09…0,06 – это коэффициент потерь из таблицы сопротивлений для строки III- конического сужения , который мы будем учитывать далее в расчётах. (см.рис.28.)
Для понимания сути различных коэффициентов имеется пояснительная картинка (рис.29)
Для местных сопротивлений в закрытых трубопроводах имеется отдельная таблица сопротивлений (см.рис.30.)
Рис.28. Таблица параметров истечения из различных насадков по материалам учебника для ВУЗов по специальности «Основы гидравлики и гидропривода».
Рис. 29. Картинка с наглядным объяснением смысла коэффициентов для струи из насадков.
Рис. 30. Таблица местных сопротивлений в гидравлике. Для расширения дано только внезапное расширение (п.2), тогда как для сужения есть вариант с коническим заходом (п.3) и дросселирование с плоской диафрагмой (п.1)
Когда подсасываемый поток уже разогнался по воронке, то в начальной части горла ВВЭН он занимает площадь
Sп=Sп2-S1
Где Sп- это площадь входного сечения горла ВВЭН, которое занимает посасываемый поток G2.
Скорость подсасываемого потока до смешивания будет:
Vп=G2/Sп= G2/ (Sп2-S1 )
Эжектирующая струя определяет импульс общего потока в горле ВВЭН, тогда как объём подмеса отсасываемой воды определяет кратность снижения общей скорости V2 потока Gc=G1+G2 на выходе из горла в сечение S2 от скорости V1 эжектирующей струи в сечение S1.
Тогда по закону сохранения импульса можно записать:
V1*G1=V2*(G1+G2)
Где V1- скорость эжектирующей струи на сопле, V2-скорость смеси на выходе из горла ВВЭН, G1-массовый секундный расход эжектирующей струи, G2- массовый секундный расход подсасываемой струи.
Получилась, что Vп- это третья скорость, с ролью которой необходимо разобраться.
Изначально предполагалось, что при движении от входа ВВЭН будет происходить постепенное смешивание быстрого потока G1 и медленного потока G2, при этом будет создаваться коническая структура смешенной воды со скоростью Vпром, где-то между V1 и Vп.
Сечения Sп2 и S2 должны отличаться на величину изменения сечения потока G1 от начальной скорости V1 до скорости V2.
Тогда можно записать отношения диаметров горла:
Sп2=G2/V2+G1/V1= (G2*V1+G1*V2)/(V1*V2)
S2=(G2+G1)/V2
Откуда отношений сечений горла будет:
S2/Sп2=((G2+G1)/V2)/(G2*V1+G1*V2)/(V1*V2)= V1*V2*((G2+G1)/V2)/(G2*V1+G1*V2)
Сократив одноименные множители в числителе и знаменателе получим:
S2/Sп2 =V1*(G2+G1)/ (G2*V1+G1*V2)
Для ВВЭН типа Г-600 где номинал G2=600л/мин, G1=550л/ммин , а скорость V1=38м/с при давлении 8 бар и V2=11м/с при максимальном расчётном напоре, откуда отношение сечений составит:
S2/Sп2=38*(600+550)/ (600*38+550*11)=1,51
Или отношение диаметров :
D2/Dп=(S2/Sп)^0,5=1,23
Данный показатель весьма близок с размерами конусного горла пожарного ВВЭН версии Г-600 под шланг на всасывание (см.рис.).
Таким образом получается, что весь подмес G2 разогнался до скорости V2 уже на входе из раструба в горло за счёт разрежения в самом горле.
При этом торможение струи G1 в горле должно создаваться вовсе не перемешиванием медленной струи с быстрой (как это предполагалось ранее), а за счёт тормозящего статического противодавления в отводящем рукаве.
Выходит, что высокий напор эжектирующая струя способна создавать в горле ВВЭН только при наличии уже созданного ранее противодавления снаружи.
Это удивительный результат!
И опять всё можно объяснить без привлечения выдуманного «Закона Бернулли».
Статическое давление на выходном срезе горла ВВЭН
Перемещение подсасываемого потока происходит за счёт импульса струи из сопла, при этом струя создаёт постоянно действующую эжектирующую силу Fэ2 на выходе из горла по закону Ньютон:
Fэ2=dm*V/dt=G1*(V1-V2)
Также можно выразить и противодействующую силу для разгона подсасываемой в горло воды :
Fп2=G2*(0-V2*(1+Кп))= -G2*V2*(1+Кп)
Так как нам известна площадь сечения горла S2, то можем перейти от силы к статическому напору:
Рэ2=Fэ2/S2= G1*(V1-V2)/S2
Сила от разгоняемого подмеса G2 имеет знак минус, что говорит о её характере - сопротивления, тогда и давление Рп2 тоже будет имет отрицательный вид от базового уровня атмосферы, хотя сама сила Fпа также отнесена к выходному сечению горла S2:
Рп2= Fп2/S2= -G2*V2*(1+Кп)/S2
Общее статическое давление за ВВЭН на срезе горла S2 будет суммой Рэ2 и Рп2:
Р2=Рэ2+Рп2= (G1*(V1-V2)/S2) –(G2*V2*(1+Кп)/S2)= (G1*(V1-V2) – G2*V2*(1+Кп))/S2
Для пожарного ВВЭН типа Г-600 нам известны номинальные расход G1=550л/мин и G2=600л/мин, а также известно номинальное давление от мотопомпы Р1=0,8 МПа (8 бар), что позволяет найти скорости V1.
Р1= q*V1^2/2
Откуда получим V1:
V1=(P1*2/q)^0,5
Геометрический размер приблизительно оценим по чертежу, зная что выходное сечение имеет внутренний размер Ф77 мм для напорного рукава Ду80 мм.
При табличном расчёте будем плавно менять показатель S3/S2 от единицы (ВВЭН без заужения горла) до конечной величины с максимально узким горлом, где S2 уже не пропустит поток G2 по превышению скорости V2>V1/(1+U).
Расчёт сведём в таблицу и график ( см.рис.31-32)
Рис. 31.График характеристик ВВЭН типа Г-600 с подсосом G2=600л/мин по параметрам: Р3 (м.вод.ст) –Синий, КПД (%)- Оранжевый, Отношение площадей S3/S2- Серый. По оси Х выставлены номера строк по расчётной таблице.
Рис. 32. Расчётная таблица работы ВВЭН типа Г-600 для пожарной машины с подсосом G2=600л/мин.
Красным отмечены ячейки, где достигнут предел заужения S3/S2, когда параметр Р2 становится отрицательным, то есть импульса струи G1*V1 не хватает для разгона подсасываемого расхода G2 до скорости V2.
Жёлтая строка (№9)- режим с максимальным напором от ВВЭН в рукав и максимальным КПД перекачки подмеса G2, что достигается при соотношении S3/S2=2,6.
Коричневые ячейки- зона с риском кавитации в горле.
В коричневой зоне расчётный скоростной напор подмеса G2 в горле превышает атмосферное давление, то есть нужен либо подпор от затопления ВВЭН в водоём на большую глубину до 6-7м, либо реальный подмес сократится сам, а в горле будет вакуум с кипением холодной воды (кавитация).
Об этой рекомендации по заглублению элеватора Г-600 в водоём на глубину 5м есть даже сообщение на странице госорганизации «Противопожарной службы» на сайте «Вконтакте» (см.рис.33.)
Рис.33. Рекомендации по работе с Г-600 от компании «Пожарная техника»
Неустойчивость работы ВВЭН без подпора сверху и пульсации давления
Неустойчивые режимы весьма характерны для работы Г-600 не только при кавитации, но и при недостаточном сопротивление в отводящем рукаве, когда пожарная машина находится близко к водоёму и с малым перепадом по высоте.
При недостатке противодавления в рукаве мощная струя G1 пробивает горло ВВЭН без торможения, а смешивание потоков G1 и G2 происходит уже в отводящей трубе с сильно меньшим создаваемым напором Р-3 (столбик 26 в таб.).
Так согласно расчёту величина давления Р-3 составляет всего около 25% от общего суммарного развиваемого ВВЭН статического напора Р3 (столбики 27-28).
При таком режиме с низким противодавлением возникает резкое падение подсоса G2, а Г-600 начинает гонять воду из бочки по кругу почти холостую. (видел такую ситуацию на учениях по заполнению бочки пожарной машины из пожарного пруда с помощью Г-600)
Так при недостатке подпора возникает пробой горла струёй G1 без торможения, после чего ВВЭН теряет напор ниже необходимо для прокачки с заданным расходом, в результате чего подсос замедляется.
Для восстановления расхода на до сделать весьма странное действие: Придушить вентиль на входе в бочку, тем самым создав нужное противодавление в шланге после Г-600.
При торможение вентилем общего потока Gс давление в отводящем рукаве перед ВВЭН начинает расти, торможение струи G1 в горле восстанавливается, после чего давление Р-2 также возрастает и поток разгоняется снова до нужного расхода G2.
То есть для работы ВВЭН типа Г-600 в устойчивом режиме необходимо на отводящем рукаве ставить дросселирующее устройство, с помощью которого можно регулировать противодавление за ВВЭН для его устойчивой работы.
На практике выгоднее снижают обороты мотопомпы, чем душить расход по рукаву вентилем, хотя это не всегда возможно при одновременной работе той же помпы на струю брандспойтов.
Так что в реальной жизни запуск пожарной цистерны на заполнение через гидроэлеватор Г-600 начинается путём медленного подъёма оборотов мотопомпы до достижения максимального режима устойчивой работы Г-600 на заполнение авто цистерны.
Режим работы Г-600 с малым подмесом и высоким напором
Исходя из сделанного анализа о возникновение пробоя струёй G1 горловины ВВЭН при недостатке подпора получается, что пуск в работу ВВЭН типа Г-600 нужно производить с плавным подъёмом напора и расхода G1 от мотопомпы через сопло в Г-600.
Тогда сначала ВВЭН с нулевым расходом G2 заполнит отводящий рукав водой и выйдет на максимальный уровень давления в отводящем рукаве с нулевым расходом G3.
Потом по мере подъёма давления от мотопомпы ВВЭН начнёт сначала частично пропускать наверх долю от G1, сбрасывая избыток воды в водоём.
И только после полного прохода всего потока G1 наверх ВВЭН начнёт осуществлять подсос потока G2 из водоёма.
Расчётные характеристики работы Г-600 с малым подмесом приведены в таблице и графиках (см.рис.34-35.)
Рис. 34. График характеристик ВВЭН типа Г-600 по параметрам: Р3 (м.вод.ст) –Синий, КПД (%)- Оранжевый, Отношение площадей S3/S2- Серый. По оси Х выставлены номера строк по расчётной таблице.
Рис. 35. Расчётная таблица работы ВВЭН типа Г-600 для пожарной машины с подсосом G2=240л/мин.
Зелёная строка- режим с максимальным напором от ВВЭН в рукав и максимальным КПД перекачки уменьшенного подмеса G2=240л/мин. Максимальный напор и максимальный КПД достигаются при другом более узком соотношении S3/S2=5 (строка №21).
Коричневые ячейки- зона с риском кавитации в горле с большим соотношением S3/S2, то есть при сильно зауженном горле ( в реальных Г-600 таких заужений не встречается).
В коричневой зоне расчётный скоростной напор подмеса G2 в узком горле превышает атмосферное давление, то есть нужен либо подпор от затопления в водоём на большую глубину до 20м, либо реальный подмес сократится сам, а в горле будет вакуум с кипением холодной воды (кавитация).
Изменение диаметров горла в режиме S3/S2=2,6 (жёлтая строка) при G2=600л/мин и S3/S2=4 (зелёная строка) при G2=240л/мин на действующих экземплярах ВВЭН типа Г-600 осуществляется на конусном расширении сечения горла приблизительно в 4/2,6=1,6 раза (или в 1,6 ^0,5=1,23 раза по диаметру).
Именно такую малую конусность с отношением диаметров 1:1,2 для длинного узкого горла можно обнаружить на разрезе ВВЭН типа Г-600 в одной из его версий. (см.рис.36.)
Рис.36. Чертёж ВВЭН типа Г-600 с длинным горлом ультра малой конусности и коротким диффузором с большим углом конуса. Конусность горла «на глаз» почти незаметна, но при измерении получается отношение диаметров узкого «конуса» горла по чертежу 18/15=1,2.
При малом подмесе и высоком напоре струя G1 выходит на режим торможения уже в узком начале конуса горла, а при номинальном подмесе и нормальном напоре струя G1 оттормаживается в более широком дальнем конце горловины.
Наш расчет в двух предельных режимах дал очень близкие результаты к данным с графиков расходно-напорных характеристик ВВЭН типа Г-600.
Это говорит о том, что выбранная расчётная модель вполне реалистична.
В качестве проверочного расчёта можно произвести расчёт для Элеватора систем отопления, для которых имеются некоторые проверочные формулы в учебнике «Отопление» для ВУЗов.
Расчёт напора элеватора отопления
Элеватор отопления отличается от ВВЭН типа Г-600 тем, что у него в 2-3 раза выше уровень подмеса G2 к G1, а также система циркулирует под избыточным давлением в замкнутом контуре.
Так при подаче из тепловой сети по графику 130/70С при дТ=130-70=60С и внутреннем графике 90/70С (дТ=20С) подмес идёт в соотношение G2/G1=2/1, то есть подмес U=2.
А при подаче из тепловой сети по графику 150/70С при дТ=150-70=80С и внутреннем графике 90/70С подмес идёт в соотношение G2/G1=3/1, то есть подмес U=3.
Произведём расчёт исходя из первичного расхода G1=50л/с и подсоса G2=100л/с , что соответствует мощности около 280 кВт при графике 130/70. (см.рис.38-39.)
Для справок: 280 кВт соответствует теплопотерям двухподъездной советской 5-тиэтажки.
По результатам теоретического расчёта ВВЭН сделаем подбор стандартного элеватора из представленного модельного ряда (см.рис.37.)
Рис.37. Чертёж и стандартные размеры для типовых элеваторов заводского изготовления.
Рис.38. Расчёт характеристик элеватора исходя из первичного расхода G1=50л/с и подсоса G2=100л/с. При расчёте подбирали давление под стандартное сопло Ф7мм и получили нужный расход при Р1= 2,7 бар. В итоге под расчётные параметры (зелёная строка №7) подходит элеватор модели ВТИ №4 с горловиной Ф30мм. Красным отмечен предел заужения, когда не хватает импульса струи для разгона подмеса до равной скорости в горле (отрицательная величина Р-2 в столбике №26).
Рис.39. График характеристик элеватора исходя из первичного расхода G1=50л/с и подсоса G2=100л/с при различных S3/S2 ( выходной трубы Ф80мм с сечением S3 к сечению горла S2). Максимальный насосный напор элеватора Рн=15кПа при КПД=10,8%.
Отдельно сделаем расчёт элеватора на давление Р1=1бар исходя из того же первичного расхода G1=50л/с и подсоса G2=100л/с , что соответствует мощности около 280 кВт при графике 130/70. (см.рис.40-41)
Подбирая сопло под невысокое давление около 1 бар получили стандартное сопло Ф9мм под которое подходит элеватор модели ВТИ №5 с горловиной Ф35мм (зелёная строка №5).
Красным отмечен предел заужения горловины, когда не хватает импульса струи для разгона подмеса до равной скорости в горле (отрицательная величина Р-2 в столбике №26).
Жёлтая ячейка с красной цифрой- это скоростной напор Рv2 на выходе из горла в сечение S2=Sкрит для расчёта от уровня «нулевого остатка импульса струи G1 после торможения до равной скорости с подмесом G2».
То есть при Sкрит верно соотношение: V3=V1/(1+U)=Gc/ Sкрит
Этот «красный» скоростной напор Рv2 при S2=Sкрит ещё создаёт небольшую циркуляционную тягу Р-3, оттормаживаясь на внезапном расширении к диаметру S3 на входе в главный стояк системы отопления , который уходит на крышу к верхней раздаче вертикальной однотрубной системы отопления.
Рис. 40. График характеристик элеватора исходя из первичного расхода G1=50л/с и подсоса G2=100л/с при различных S3/S2 ( выходной трубы с сечением S3=Ф80мм к переменному сечению горла S2). Максимальный насосный напор элеватора Рн=5,7кПа при КПД=11,4%.
Рис.41. Расчёт характеристик элеватора при начальном даволение Р1=1бар, исходя из первичного расхода G1=50л/с и подсоса G2=100л/с.
Подведём итоги по водоструйным насосам
Оказалось, что система работы ВВЭН и подбора его геометрических параметров предельно проста и прозрачна.
У обычных ВВЭН всего один ГЛАВНЫЙ входной параметр- это транспортная задача по перемещению жидкости массой G2 из точки А в точку Б с перепадом по высоте Нр с минимальными издержками по энергозатратам от насоса (с расходом G1 и напором Р1)
Для систем отопления задача чуть иная, а именно: прокачка по кругу жидкости массой Gс=G1+G2 с сопротивлением Нр использовав для это фиксированную струю G1 c напором Р1. По итогу это является той же транспортной задачей по кольцевому маршруту, но с ограничением на выбор параметров G1 и Р1.
Побудительная сила к движению в обоих вариантах создаётся высокоскоростной струёй воды с параметрами G1 и Р1.
Таким образом, транспортная и отопительная задачи решаются с разных сторон, так как у них зафиксированы разные параметры.
Транспортная задача: Золотодобыча
Нам надо перемещать пульпу на дальность 20м высоту Нр=5м с расходом 36м3/ч (10л/с=600л/мин).
И тут оказывается, что эту задачу с таким же расходами мы уже посчитали для пожарного ВВЭН типа Г -600.
Так получилось, что с полным горлом напор у водоструя типа Г-600 оказался невелик.
И его надо пересчитывать на больший расход G1 с меньшим напором струи для снижения мощности мотопомпы.
С узким горлом Г-600 работает прекрасно, но уже не подходит для транспортировки пульпы из-за засорения узкого горла.
Отопительный элеватор
Для отопительного элеватора фиксированы параметры G1 и Р1, при этом нужно прокачать также фиксированное количество теплоноситель Gс=G1+G2 с неким сопротивлением Нр.
Именно это сопротивление Нр нам и надо найти, под которое инженер-проектировщик будет проектировать систему отопления с сопротивлением Нс не выше Нр.
В этой задаче мы должны выбрать такой размер горла элеватора и его отводящей трубы, чтобы выжать из параметров G1 и Р1 максимально возможное значение Нр.
Далее в расчёте здесь всё просто:
1. Струя G1 в горле смешивается с потоком подмеса G2=G1*U, где U‑ это коэффициент подмеса.
2. Скорость струи в горле однозначно определяется по общей скорости в сечение Sг из уравнения неразрывности V3 =(G1+G2)/Sг= G1(1+U)/Sг
3. Сила тяги эжектирующей струи с параметрами G1 и Р1 однозначно определяется по закону сохранения импульса и закону Ньютона: F=dm*V/dt, что для воды в элеваторе будет иметь вид:
Fт= G1*(V1-V2)
4. Сопротивление от подмешиваемой струи G2 также рассчитывается по закону Ньютона:
Fп= G2*(V0-V2),
где V0- это скорость в смесительной камере элеватора, которую можно смело брать равной нулю. Таким образом Fп= G2*V2
5. Статический напор от потока G из горла равен отношению силы к площади:
Рг=(Fт‑Fп)/Sг= (G1*(V1-V2)‑ G2*V2)/ Sг
При этом если подставит соотношение V3=V1/(1+U), то давление будет равно строго нулю. То есть разгон подмеса G2 от нуля до V2 полностью скомпенсирует импульс струи G1*V1.
Следовательно нам нужно расширять горло и понижать скорость V2 ниже V2крит, чтобы импульс разгона подмеса не полностью вычерпывал импульс струи G1.
6. Расчёт ведём простым перебором в таблице Ексель, меняя в расчёте всего один параметр Sг от значения Sг=Sг-крит до значения Sг=Sтруб
7. При Sг=Sг-крит система отопления с элеватором работает как самотёчная система на «естественной гравитационной тяге».
КОНЕЦ
Р.S. После написания статьи я прочитал монографию по теме ВВЭН:
Соколов Е. Я. Зингер Н. М. «Струйные аппараты». — 3-е изд., перераб. — Москва: Энергоатомиздат, 1989. — 352 с, ил.
Краткие впечатления о монографии:
1. В целом эту монографию я прочитал с большим интересом. В ней описывались не только водо‑водяные струйные насосы (как в этой статье), но и водоструйно‑вакуумные насосы, которые я разбирал в прошлой статье.
2. Оказалось, что действительно нет устоявшегося объяснения работы струйных насосов, а все рекомендации и формулы имеют эмпирический характер.
3. Особенно порадовало описание экспериментов с водоструйными вакуумными насосами на ТЭЦ, где применяли прозрачные плексигласовые диффузоры. Через прозрачные диффузоры следили за давлением по всей длине диффузора, а таже визуально наблюдали потоки и трансформацию параметров среды по давлению: пена на низком давлении в узкой части диффузора и прозрачная вода с мелкими пузырьками под атмосферным давлении в широкой заторможенной части потока в отводящей от диффузора трубе.
4. По результатам эксперимента они в точности описали ту картину, которую я давал в предыдущей статье исключительно из модельно‑теоретических предположений, а именно: резкий скачёк давления в зоне торможения струи и его перемещение в сторону узкой части диффузора при понижении скорости струи (при понижение давления в сопле).
5. Теоретическая основа всех исходных предположений в монографии точно такая же, как и в моей статье: торможение струи в вязких слоях на вихревое‑турбулентное перемешивание и вязкий удар при сохранении импульса.
6. Кстати, наиболее эффективной конфигурацией для горла ВВЭН (камеры смешения) там признаётся цилиндрическая форма.
Выводы и заключения
1. Итогом прочтения стал интересный вывод, что под нагромождением многоэтажных формул люди пытаются скрыть от себя полное непонимание физики процесса. Тогда как при наличие работоспособной «физичной» модели легко выстроить функционально‑логические и расчётные взаимосвязи, которые никак не следуют из самих формул.
2. Раньше наукообразие создавалось нагромождением многоэтажных формул, за которыми пряталось непонимание физики процесса. Жонглируя матанализом этих многофакторных формул авторы монографий пытались выжать из этого какую‑то теорию. А сейчас непонимание прячут под огромными массивами странных расчётных данных из ЭВМ, которые без вменяемой теории никакого значения и смысла не имеют.
3. Я в своих статьях придерживаюсь средней позиции, когда из простой расчётно‑ "физичной" модели стараюсь получить визуализацию математического анализа, что получается из простых расчётных таблиц с прозрачным смыслом отдельных расчётных параметров.
