Расчет потерь в эрлифтах 

Потери в эрлифте на трение 

Коэффициент полезного действия, как видно из табл. 14, изменяется при разной высоте подъема от 62 до 37%; при больших подъемах он падает еще ниже, т. е. в среднем только половина энергии сжатого воздуха расходуется на полезный подъем воды, другая же половина тратится на потери в эрлифте. Главные потери заключаются в трении воздушноводяной смеси в подъемной трубе или в прорывах пузырьков воздуха. Для определения высоты подъема смеси в статическом состоянии необходимо определить средний объем смеси. 

На рис. 91 изображена диаграмма расширения воздуха от давления р2 до атмосферного давления р1 Работа сжатия или расширения (площадь abc на рис. 91) равна . Если P2/P1 = r, то выражение работы для сжатия или расширения примет вид p1V1lnr. Обозначим начальный объем при впуске воздуха в подъемную трубу через V2, а объем при выходе из трубы — через V1. Средний объем, отвечающий ординате еf, может быть выражен площадью nabcm, делимой на основание пт: . Для определения среднего удельного веса  пренебрежем весом воздуха ввиду его незначительной величины по сравнению с весом воды: . 

Для равновесия столбов воды и смеси воды и воздуха давления на основание 00 как со стороны воды, так и со стороны смеси должны быть равны: . Потеря на трение зависит от вязкости жидкости, т. е. в данном случае от вязкости смеси воды и воздуха. Абсолютная вязкость воды при 15°, выраженная в абсолютных единицах сантиметр-грамм-секунда, равна 0,0114, а воздуха при той же температуре— 0,000178, или в 63,8 раза меньше. Считая, что средний объем воздуха по отношению к объему воды не превосходит 3, можно принять за вязкость смеси вязкость одной воды и кинематическую вязкость, равную отношению абсолютной вязкости  к плотности р, т. е. . Из уравнения движения жидкости  обозначив  через С, получим , откуда . Здесь i—единичная потеря напора; R — гидравлический радиус; g — ускорение силы тяжести v—кинематическая вязкость;  

— число Рейнольдса. Зависимость между числом Рейнольдса и левой частью уравнения, обозначенная в формуле буквой f, устанавливается по диаграмме Рейнольдса — Стантона; по ней же находится С. Средняя скорость v определяется по среднему объему смеси, найденному выше. При расчете берется не квадрат средней скорости, а средний квадрат скорости, который находится путем интегрирования. Когда i найдено, тогда вся высота потери определяется по уравнению . 

Потери на проскальзывание пузырьков 

Вдуваемый в трубу воздух поднимается в ней в виде пузырьков. Диаметр пузырьков воздуха в меньшей мере зависит от величины отверстий для воздуха, чем от скорости или количества вдуваемого воздуха. При малом поступлении воздуха вместо непрерывного потока пузырьков образуются большие пузыри воздуха, вырывающиеся через некоторые интервалы времени. При диаметре отверстий 3—6 мм диаметр пузырьков — около 6 мм. 

При подъеме вверх пузырьки несколько сплющиваются, поэтому относительная скорость их подъема меньше теоретической и может быть на основании опытов принята равной 0,3 м/сек. В более вязких жидкостях скорость подъема пузырьков воздуха меньше, поэтому и потери на прорывы пузырьков в них меньше. Относительная скорость движения пузырьков воздуха, скорость опережения пузырьками движения воды, как указывалось, равна 0,3 м/сек. 

Время, в течение которого пузырек будет прорываться, выражается длиной пути, деленной на среднюю скорость vт воздушно-водяной смеси: . Высота напора, соответствующая потере на проскальзывание, равна скорости проскальзывания, умноженной на время движения смеси в подъемной трубе: . 

Это выражение представляет собой длину пути, на которую воздух опережает воду. Потеря от прорыва пузырьков воздуха будет тем больше, чем дольше смесь воды и воздуха остается в подъемной трубе, т. е. потеря обратно пропорциональна скорости подъема воды. Чем больше скорость в подъемной трубе, тем меньше потеря на прорывы воздуха, но зато тем больше потеря на трение. 

При выборе надлежащей скорости сумма потерь должна быть наименьшей, а отдача эрлифта — наибольшей. Скорость подъема зависит от диаметра трубы; поэтому диаметр трубы следует принимать с таким расчетом, чтобы он обеспечивал наиболее выгодную скорость подъема. 

Второстепенные потери 

Кроме указанных выше главных потерь, в эрлифте имеются еще три рода потерь:

1) на сжатие струи при входе воды в подъемную трубу; эта потеря может быть сведена до минимума путем колоколообразного расширения конца подъемной трубы;

2) потери ввиду невозможности использования энергии выливающейся воды: величина этой энергии зависит от скорости истечения (при ).

3) потери вследствие быстрого увеличения скорости поднимающейся воды во время вдувания в нее воздуха (увеличение скорости объясняется тем, что объем смеси сразу увеличивается в несколько раз). 

Ускорение, необходимое для образования новой скорости тем больше, чем внезапнее происходит увеличение объема, т. е. вдувание воздуха. На эту потерю обратили внимание только в последние годы; для уменьшения ее впуск воздуха в подъемную трубу надо производить не сразу, а постепенно, т. е. не в одном месте трубы, как делали прежде, а на некоторой длине ее. 

В настоящее время в соответствии с этим требованием форсунки для вдувания воздуха делают так. что воздух поступает через мелкие отверстия в трубу на значительной длине — примерно в 1 м. Последние три вида потерь не зависят от длины подъемной трубы, тогда как два предыдущих находятся в прямой зависимости от нее. Относительное значение этих трех видов потерь будет тем меньше, чем больше подъем. 

Всасывающие эрлифты 

Если опустить трубку в воду и высасывать из нее воздух, вода, как известно, станет подниматься в трубке и при полном вакууме достигнет высоты 10,33 м. Если выше уровня воды сделать в трубке небольшое отверстие, то наружный воздух под влиянием атмосферного давления, большего, чем давление в трубке на некоторой высоте от уровня воды, проникнет в трубку и станет подниматься вверх. Таким образом, в трубке образуется смесь воды и разреженного воздуха. Если объем воздуха в трубке будет, положим, в 3 раза больше объема воды, то удельный вес смеси станет в 4 раза легче воды и столб смеси воды и воздуха поднимется высоко. 

Допустим, что вакуум в трубке доведен до 7 м вод. ст., тогда часть воды поднимется на 7 м, а в смеси с тройным объемом воздуха — до 28 м. Если ниже 28 м, например, на 25 м от основной трубки (рис. 92), сделаем ответвление и воздух будет отсасываться вакуумнасосом, то вода станет переливаться в ответвление, как в сифоне. На высоте 18 м от уровня воды установлен резервуар, куда опущен конец ответвления. При непрерывной работе вакуумнасоса вода будет непрерывно изливаться в резервуар. Таким образом, всасывающий эрлифт в нашем примере будет поднимать воду на 18 м. В опытах инж. А. И. Алексеева был установлен двухэтажный подъем из резервуара; вода снова поднималась вторым всасывающим эрлифтом, обслуживаемым тем же вакуумнасосом. 

При применении всасывающего эрлифта в буровых скважинах возникает затруднение, ввиду того что статический уровень в скважине значительно выше динамического. Отверстие для засасывания воздуха должно быть проделано в подъемной трубе эрлифта немного выше динамического уровня. Чтобы вода в скважине опустилась до динамического уровня, необходимо отбирать из скважины определенный расход. Путем пуска одного вакуумнасоса этого достигнуть нельзя; необходимо одновременно впускать в трубу и воздух, что можно сделать только при помощи компрессора. Таким образом возникла идея напорно-вакуумного эрлифта, в котором сжатый воздух подается непрерывно, а не только во время пуска эрлифта. Такой напорно-вакуумный эрлифт требует гораздо меньшего заглубления скважины, чем напорный эрлифт, в чем и заключается его крупное преимущество. 

Такое устройство эрлифта уже выполнено В. К. Ярцевым. В опытных установках инж. Ярцева иглофильтры погружались на 20 м в грунт гидравлическим способом. Сжатый воздух подавался в иглофильтры из общего напорного воздуховода. Смесь воздуха и воды в иглофильтре поднимается, как обычно, в напорном эрлифте, но этот подъем усиливается одновременным отсасыванием воздуха другим всасывающим воздуховодом. 

Смесь отводится в воздухоотделитель, из которого вода откачивается насосом, а воздух отсасывается компрессором, сжимается и снова подается в иглофильтры. Напорно-всасывающие воздухоподъемники могут быть использованы и для водоснабжения. Необходимо только произвести опытные работы по освоению их. 

Эжектор 

На (рис. 93) показан разрез водоструйного насоса (эжектора). Водоструйный насос работает следующим образом: напорная вода подается в насадку водоструйного насоса; выходя из него с большой скоростью, она образует струю; струя путем трения захватывает находящиеся в камере всасывания жидкость или воздух. 

Подсасываемая вода направляется сначала в камеру всасывания, а оттуда — в камеру смешивания, куда поступает из насадки и рабочая вода. В камере смешивания происходит смешивание двух потоков и постепенное выравнивание скоростей рабочей и подсасываемой воды. Далее вода переходит в диффузор, где происходит уменьшение скорости и преобразование ее в напор, и затем вода через водоподъемную трубу поступает наверх. 

График изменения скоростей в проточной части водоструйного насоса по замерам канд. техн. наук В. М. Папина показан на) рис. 94). На (рис. 95) предоставлены характеристики водоструйного насоса. На графике приведены два типа линий: линия Qвc — H4, дающая зависимость подсказываемого расхода QBC от высоты подъема H4 водоструйного насоса при данном постоянном Н1 у насадки водоструйного насоса; линия QBC — ть дающая зависимость подсасываемого расхода  водоструйного насоса. 

Линия, выражающая зависимость Q вс — H4, состоит из двух участков: вертикального и наклонного. Наличие вертикального участка свидетельствует о том, что до некоторого предела увеличение высоты подъема H4 от минимального значения до величины H4, соответствующей максимальному к. п. д. водоструйного насоса, не влияет на величину подсасываемого расхода QBC. 

При дальнейшем увеличении высоты подъема H4 вертикальная прямая переходит в наклонную и подсасываемый расход уменьшается. Чем больше рабочий напор H1, тем выше располагается наклонная прямая, т. е. тем больше значение максимальной высоты подъема H4, соответствующей максимальному к. п. д. водоструйного насоса. Линия, выражающая зависимость QBC — , представляет собой вертикальный участок прямой, переходящей в кривую, т. е. с уменьшением QBС И увеличением высоты подъема H4 при данном рабочем давлении Н к. п. д. водоструйного насоса уменьшается.

Выдавливание жидкости сжатым воздухом 

Сжатый воздух уже давно применяется для передвижения жидкостей путем выдавливания. Аппарат для выдавливания жидкости (рис. 96) устроен следующим образом: сосуд 1 погружается в жидкость и под давлением последней наполняется через нижний клапан 2 в это время кран 3 открыт и воздух из сосуда выходит в атмосферу. 

После наполнения сосуда 1 кран 3 закрывается, а кран 4 открывается и впускает в сосуд сжатый воздух, который и вытесняет жидкость по трубе 5, опущенной до дна сосуда 1. После вытеснения почти всей жидкости кран 4 закрывается, открывается кран 3, и процесс начинается сначала. 

На рис. 97 изображена диаграмма сжатия, или что то же, расширения воздуха. Впуск воздуха в сосуд и производимая им работа выдавливания выражается площадью прямоугольника ALCK, работа же расширения — площадью КСВ. Работа расширения в этом приборе не используется, так как сжатый воздух выпускается в атмосферу. 

На рис. 98 приведена схема подъемника усовершенствованной конструкции. Сжатый воздух не выпускается в атмосферу, как в описанном выше приборе, а направляется обратно в компрессор. Таким образом, сжатый воздух используется здесь повторно для работы на расширение. Двойная удлиненная камера помещается в колодце ниже самого низкого (рабочего) уровня воды. Каждое отделение камеры сообщается особой трубкой с распределительным аппаратом компрессора, который автоматически то вытягивает, то нагнетает воздух попеременно в каждое отделение камеры. 

Когда отделение находится под разрежением, оно наполняется водой, следующий впуск в камеру сжатого воздуха вытесняет воду в напорную трубу, из которой вода выливается непрерывно. Работает один и тот же воздух. Потери в неплотностях соединений пополняются автоматически.