Реферат - Обгрунтування основних оптимальних параметрів ерліфтно земснарядного комплекса для очищення від мулу внутрішніх водойм - Мазнев Олександр Вікторович
Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Обгрунтування основних оптимальних параметрів ерліфтно-земснарядного комплекса для очищення від мулу внутрішніх водойм

Зміст

Вступ

Одним з найперспективніших напрямів технічного прогресу на транспорті є розвиток гідравлічного транспорту. Завдяки відомим перевагам цей вид транспорту знаходить застосування при переміщенні корисних копалин (піску, гравію, нафти і нафтопродуктів, розчинів солей і багато іншого) від місця видобутку до споживача; порожньої породи до місця складування; відходів збагачувальних фабрик; золи і шлаку теплових електростанцій у відвали та інше.

Гідромеханізований спосіб є основним у видобутку сипних будівельних матеріалів (піску, гальки, гравію тощо), за допомогою землесосних снарядів, обладнаних ґрунтовими насосами. Обмежуючими чинниками при гідромеханізованному видобутку сипних будівельних матеріалів з дна водойм та використання традиційних земснарядів з ґрунтовими насосами є низька концентрація гідросуміші (до 10%) і незначна глибина розробки ґрунту (до 10м).

Тому найбільш раціональним є використання ерліфтних установок.

Це підтвердили теоретичні і практичні дослідження Донецького політехнічного інституту (з 1993 року Донецький державний технічний університет) (Україна) і інших наукових центрів а також досвід експлуатації створених ними гідросистем. Ерліфтно земснарядні комплекси (ЕЗК) для видобутку будівельних матеріалів, розроблені вченими ДПІ, відмінно від земснарядів, мають більший діапазон з подачі пульпи з високою концентрацією (до 70%) твердого матеріалу і з глибини розробки грунту (від десятків до сотень метрів). Випробовувались ці ерліфтні снаряди на Азовському, Балтійському і Чорному морях, на водоймищах Західного Сибіру підчас видобутку піску та гравію, здобич пілоідів (Бердянська курортна зона), здобич сапропелів (Білорусія) та інше.

Ерліфт (повітряний підйомник) є гідравлічним апаратом для підйому або тільки краплинної рідини, або краплинної рідини і твердого матеріалу за допомогою використання заздалегідь стислого у нагнітачі і змішаного з цією краплинною рідиною повітря. Як робочий агент може використовуватися не тільки повітря, але і газ або пара.

Порівняно широке застосування ерліфти знаходять у різних галузях промисловості завдяки значним перевагам перед іншими видами гідропідйому:

  1. Простота конструкції;
  2. Відсутність деталей, що рухаються або обертаються;
  3. Висока надійність і довговічність;
  4. Простота і легкість експлуатації;
  5. Самонастроювання, що дозволяє працювати в автоматичному режимі;
  6. Висока концентрація і розмір твердого матеріалу в підйомній трубі;
  7. Можливість значного занурення всмоктувального пристрою ерліфта (десятки і сотні метрів), що робить його в цьому застосуванні поза конкуренцією як із звичайними так і заглибленими грунтонасосами
  8. Малоопераційність технологічного процесу;
  9. Плавне і просте регулювання подачі (продуктивності);
  10. Безперервність процесу;
  11. Порівняно невеликий знос проточної частини;
  12. Порівняно невеликі витрати на монтаж, експлуатацію і ремонт;
  13. Екологічно не шкідливий, знижує шкідливий вплив на довкілля зменшенням площини розробку.

Основними недоліками ерліфта є:

  1. Менший у порівнянні з іншими гідромашинами (насоси, вуглесоси, грунтонасоси) ККД;
  2. Малий тиск;
  3. Зниження подачі із зменшенням глибини занурення і з відхиленням підйомної труби від вертикального положення.

Використовування ЕЗК у ряді випадків суттєво підвищує економічну ефективність гідровидобутку. Враховуючи умови, при яких працюватиме ЕЗК, можливо досягти збільшення продуктивності у 2 – 2,5 рази порівняно з сучасними промисловими земснарядами, обладнаними грунтонасосами.

Таким чином, виходячи з наведених вище переваг ерліфтно-земснарядних комплексів (ЕЗК) для очищення від мулу дна внутрішніх водойм м. Донецька, можна зробити висновок о доцільності використання ЕЗК з метою очищення від мулу дна міських ставків м. Донецька, ріки Кальміус.

1. Актуальність теми

Тема магістерської роботи тим більш актуальна, що заплановано провести очищення міських ставків м. Донецька за допомогою земснаряда. А проведений в магістерській роботі розрахунок ЕЗК з метою відшукання оптимальних параметрів роботи комплексу в конкретних умовах Першого міського ставка м. Донецька може бути використаний підрядною організацією з метою більш раціонального використання енергетичних, матеріальних та людських ресурсів.

2. Мета і задачі дослідження

Мета роботи– підвищення ефективності гідроочищення від мулу Першого міського ставка м. Донецька за рахунок використання ЕЗК.

Задачі дослідження

  1. розглянути основи теорії ерліфтів;
  2. зробити експериментальні дослідження руху твердої фракції у водоповітряному потоці;
  3. зробити експериментальні дослідження зважування твердих часток потоком рідини у горизонтальному трубопроводі;
  4. виконати гідравлічний розрахунок та вибір компресора, грунтонасосів;
  5. зробити розрахунок електропостачання ЕЗК;
  6. виконати техніко – економічний розрахунок ЕЗК.

Об’єкт дослідження – робочий процес в ерліфті ерліфтно земснарядного комплексу для гідроочистки від мулу внутрішніх водойм.

Предмет дослідження – параметри робочого процесу ерліфта.

Методи дослідження – аналітичні розрахунки, аналіз теоретичних та експериментальних досліджень кафедри ЕМС та узагальнення даних із літературних джерел, що дозволяють обґрунтувати проблему, сформувати завдання досліджень.

3. Ерліфти. Загальні відомості, основи теорії

Велика кількість конструктивних і схемних рішень ерліфтів, обумовлена їх застосуванням у різних галузях виробництва, загальними елементами апарата, що реалізують процес підйому рідини, є (рис.3.1): підйомна труба 1, повітроподавальна труба 2, змішувач 3, повітро- або газовіддільник 4, джерело стислого повітря 5.

Принципова схема ерліфта

Рис. 3.1 – Принципова схема ерліфта

Принцип дії ерліфта (анімація)

Рис. 3.2 (анімація) - Пускові режими і принцип дії ерліфта (позиції: 1 - повітроподавальних труба; 2 - змішувач; 3 - труба, що підводить; 4 - підйомна труба; 5 - воздухоотделітель) (кількість кадрів - 21, кількість повторень необмежена, розмір 109КВ, створений в Easy GIF Animator 2.0)

У ерліфтах, призначених для підйому гідросуміші із твердим матеріалом, нижня частина підйомної труби, сполученої із змішувачем, стикується за допомогою підвідного трубопроводу 6 з всмоктувальним пристроєм 7. Для нормальної роботи ерліфта необхідне деяке геометричне занурення h змішувача (відстань від рівня води у водоймі до місця входу стислого повітря у змішувачі), розмір якого залежить від висоти підйому Н (відстань від рівня води у водоймі до місця зливу пульпи з повітровіддільника) гідросуміші і коливається від декількох метрів до десятків і сотень метрів. При цьому з економічної точки зору відносне занурення повинне бути більше 0,15.

3.1 Принцип дії

За принципом дії ерліфти відносяться до динамічних насосів тертя. У них гідросуміш підіймається під дією сил, що виникають при відносному русі повітря і гідросуміші. Переміщення суміші повітря і пульпи – аерогідросуміші – відбувається за рахунок різниці потужностей потоку повітря, що вводиться в ерліфт, і суміші, що виходить з нього.

Фази пуску ерліфта

Рис. 3.3 - Фази пуску ерліфта

На рис. 3.3 наведено чотири основні фази пуску ерліфта. Фаза а - подача повітря дорівнює нулю, статичний тиск у змішувачі визначається зануренням змішувача h.

3.1

(3.1)

де 3.1 - щільність рідини навколо підйомної труби.

При подачі повітря у повітроподавальну трубу 1 починається процес витіснення рідини з останньої через змішувач 2 в підйомну трубу 4 і далі через її нижню частину (підвідну трубу 3) у водойму, що визначає поступове підвищення тиску стислого повітря, максимальне значення якого досягається у момент підходу переднього фронту повітря до змішувача (фаза б)

3.2

(3.2)

де Δhп - перевищення стовпа повітря в підйомній трубі в період пуску, величина якого залежить від опору тракту витіснення рідини від змішувача до виходу її у водойму і швидкості руху рідини, що витісняється.

Після повного витіснення рідини з повітроподавальної труби повітря надходить у змішувач, де відбувається процес змішування повітря (газу) з рідиною й утворена гідросуміш починає заповнювати підйомну трубу. При безперервному надходженні повітря в змішувач підйомна труба заповнюється сумішшю рідини і повітря, щільність ρсм якої буде менше щільності рідини, тому рівень суміші в підйомній трубі установиться вище рівня рідини зовні труби. Подальший перебіг процесу руху гідросуміші в підйомній трубі залежить від витрати стислого повітря. У практиці експлуатації використовується поняття нульовий режим роботи, під яким звичайно розуміється випадок, коли при визначеній витраті газу (повітря Qво), рівень газорідинної суміші в підйомній трубі знаходиться на рівні зливу, але викид рідини не відбувається (рис. 3.3 в). Тиск в змішувачі Рсм при цьому буде приблизно дорівнювати тиску стовпа рідини на рівні змішувача.

Подальше збільшення витрати повітря призводить до витікання рідиноповітряної суміші з підйомної труби (рис.3.3 г) у повітровіддільник 5, де відбувається розділення повітря і рідини (Qв.р. і Qe.p ).Тиск в змішувачі Рcм.р при цьому буде нижчім за тиск навколишнього стовпа рідини на розмір втрати тиску від руху в підвідній трубі 3 ерліфта.

3.2 Характеристики ерліфтів

Функціональна залежність q =f(α)

Рис. 3.4 – Функціональна залежність q =f(α)

Основними параметрами ерліфта, окрім названих вище h ї H є: подача Qe,, обчислювальна від декількох м3/год, до декількох тисяч м3/год, витрата стислого повітря QВ, питома витрата повітря і діаметр підйомного трубопроводу D. Між розмірами q і α існує функціональна залежність q =f(α), (рис.3.4), експериментально отримана в Донецькому Політехнічному Інституті (ДПІ) і експериментально використовується для розрахунку ерліфтів.

Витратна (1) і енергетична (2) характеристики ерліфта

Рис. 3.5 - Витратна (1) і енергетична (2) характеристики ерліфта

Залежність Qэ =f1(Qв) називається витратною характеристикою ерліфта (рис. 3.5). Ця характеристика має декілька характерних крапок. Початок подачі гідросуміші, при досягненні певної витрати повітря Qв.о - оптимальна крапка К, що знаходиться в місці зіткнення дотичної, проведеної з початку координат і відповідає максимальному к.к.д. на енергетичній η=f2(Qв) характеристиці ерліфта. Точка М, відповідає максимальній подачі (горбу), після якої йде зниження подачі ерліфта при збільшенні витрати повітря. Робоча зона АВ, відповідна оптимальному к.к.д., тобто ηопт=0,85ηmax , де робота ерліфта економічно доцільна.

Завдяки численним дослідженням, проведенних Логвиновим Н.Г. (ДПІ), була знайдена чудова властивість, що дозволила будувати витратні характеристики ерліфтів [1]. Це відкриття полягає в наступному. Якщо всі отримані характеристики надати в безрозмірному вигляді, прийнявши за базисне значення витрати стислого повітря і подачу ерліфтів на оптимальних режимах, то отримані таким чином безрозмірні режимні крапки розташовуються на одній кривій. Вибір аналітичної побудови функції був зроблений на підставі аналізу експериментальних даних, із яких випливає, що підходящим для уявлення дослідних даних, виражених у безрозмірній формі, є при відповідному виборі масштабів безрозмірних координат рівняння дуги кола:

(3.3)

При побудові витратної характеристики для безрозмірних витрат стислого повітря:

(3.4)

і безрозмірних подач ерліфта:

(3.5)

необхідно вибирати однаковий лінійний масштаб, а саме і виражати далі всі експериментальні дані через ці нормалізовані масштаби. При цьому безрозмірні режимні крапки розташовуються на одній кривій, якою є дуга кола радіусом з центром, що має координати і

На рис. 3.6 подана безрозмірна витратна характеристика ерліфта.

Розмірні і безрозмірні характеристики ерліфта

Рис. 3.6. Розмірні і безрозмірні характеристики ерліфта

Знаючи розрахунковий оптимальний режим для даного ерліфта, що має параметри оптимальних подач і витрати стислого повітря - помножаючи нормалізовані координати безрозмірної витратної характеристики на відповідні оптимальні значення витрати і подачі ерліфта:

(3.6)

і

(3.7)

отримаємо розмірну витратну характеристику (рис. 3.6).

Крапка Р характеризує робочий режим роботи ерліфта з основними параметрами і при кінцевій кількості включених компресорів.

3.3 Класифікаційні ознаки

Різноманітність областей використовування ерліфтів, широкий діапазон їх технічних параметрів і конструктивних рішень визначили необхідність вибору класифікаційних ознак, за якими можливо було б дати конкретну характеристику проектованого ерліфта.

Накопичений досвід підготовки технічних завдань на створення ерліфтних установок і їх проектування визначив наступні класифікаційні ознаки:

  1. гідравлічний;
  2. тип нагнітача стислого повітря;
  3. конструктивний;
  4. схемний;
  5. вид середовища, що транспортується;
  6. виробниче призначення.

Залежно від способу введення газу (повітря) в підйомну трубу ерліфти діляться на компресорні і вакуумні. У компресорному ерліфті газ (повітря) стискується до певного ступеня і по повітропроводу нагнітача через змішувач подається в підйомну трубу. У вакуумному ерліфті за допомогою вакуумнасоса, підключеного до верхньої точки повітровіддільника, у підйомній трубі створюється розрідження і атмосферне повітря по повітропроводу всмоктується в змішувач. Відомі ерліфти і комбінованого, вакуум - компресорного введення повітря. Вакуумні ерліфти доцільно використовувати тоді, коли неможливо створити приймальну ємність з ефективним зануренням змішувача [2].

У конструктивному відношенні класифікація ерліфтів базується на конструктивному рішенні взаємного розташування підйомної і повітроподавальної труб. Типові схеми ерліфтів за цією ознакою приведені на рис. 3.7.

cхеми ерліфтів залежно від взаємного розташування повітроподовальної і підйомної труб

Рис. 3.7 - Схеми ерліфтів залежно від взаємного розташування повітроподовальної і підйомної труб: а - з кільцевою підйомною трубою і внутрішнім газопідведенням, б - з окремим газопідведенням, в - з кільцевим газопідведенням і внутрішнім розташуванням підйомної труби.

Первинною, найбільш універсальною, є схема (рис. 3.7 б) з окремим повітропроводом (система Ю-Поле), розташованим паралельно підйомному трубопроводу. В цій системі виключається вплив (абразивний, корозійний і ін.) транспортуємого середовища на повітропровід, але ускладнюється процес монтажу.

Схема з кільцевою підйомною трубою і внутрішнім повітропроводом (центральна система) (рис. 3.7 а) передбачає подачу повітря по внутрішньому трубопроводу, розташованому концентрично щодо підйомного трубопроводу. Суміш рідини і повітря рухається вгору по кільцевому простору. Схема з кільцевим повітропроводом і внутрішнім розташуванням підйомної труби (система Саундерса) представлена на (рис. 3.7 в). Повітря нагнітається в кільцевий простір, суміш рідини і повітря рухається вгору по внутрішній трубі.

Системи Саундерса і центральна застосовуються переважно для підйому рідини з свердловин, причому центральна система в порівнянні з системою Саундерса принципово забезпечує можливість підйому великої кількості рідини при меншому пусковому тиску. Основний недолік центральної системи - підвищений знос зовнішньої поверхні повітропроводу від абразивної дії твердого, що є у рідині.

3.4 Опис гідравлічних схем

У процесі аналізу проектованих і які знаходяться в експлуатації ерліфтних установок, в різних технологічних процесах в багатьох галузях промисловості виділені наступні типові гідравлічні схеми ерліфтів

  1. односекційна з приймальною ємністю і короткою підйомною трубою;
  2. односекційна з довгою підвідною трубою і одним або декількома змішувачами;
  3. односекційна із зумпфом, заповненим рідиною;
  4. односекційна з сухим зумпфом (з петляподібною подаючою трубою);
  5. насосно-ерліфтна;
  6. групова з гідравлічно розімкнутими приймальними ємностями і загальним колектором стислого повітря;
  7. батарейна;
  8. багатосекційна з проміжними приймальними ємностями.

Виходячи з характеристик середовища, що транспортується, розрізняють ерліфти для підйому однорідних рідин і для підйому гідросумішей рідини з твердими матеріалами.

За виробничим призначенням ерліфти класифікуються на транспортні, водовідливні, видобуткові і циркуляційно-барботажні.

Властивості середовища, що транспортується, і виробниче призначення визначають як гідравлічну схему, так і склад її елементів. Як найповнішим набором конструктивних елементів відрізняються ерліфти, призначені для видобутку і транспортування корисних копалин з дна річок, морів і океанів.

3.5 Принципи теорії подібності і моделювання

У гідравліці газорідинних сумішей, як і у ряді інших наук, широко застосовується метод моделювання, коли досліджується не саме явище або процес, наприклад, тіло, що рухається в газорідинній суміші, потік водоповітряної суміші і т. д., а його модель звичайно в зменшених розмірах. Для можливості перенесення результатів експерименту з моделі в натурний процес необхідно, щоб обидва процеси були повністю подібні.

Розрізняють три види подібності, що відрізняються ступенем її повноти: геометрична, кінематична і динамічна.

Для спрощення залежності і виявлення головних параметрів, що визначають рух газорідинної суміші, розглянемо умови руху її в трубі ерліфта. Для вірного моделювання ерліфта, а, отже, і розрахунку, вкрай необхідно мати критерії подібності [3].

Як відомо, повну визначеність фізичного процесу, що проходить у трубі ерліфта, треба вважати встановленою, коли відомі, наступні ознаки явища:

  1. геометричні характеристики системи;
  2. фізичні константи тіл, створюючих систему;
  3. початковий стан системи;
  4. умови на зовнішніх межах системи.

Передбачається протікання процесів у геометрично подібних системах. Прийняті наступні величини, що впливають на гідравлічний режим потоку водоповітряної суміші в трубі: середня швидкість водоповітряної суміші в трубі; щільність води, повітря і суміші; прискорення вільного падіння; кінематична в’язкість води, повітря, суміші; час протікання процесу; питомі гідравлічні втрати; подача ерліфта; витрата повітря; діаметр, довжина і шорсткість підйомної труби.

Для побудови моделі ерліфтної установки, на якій можуть бути проведені експериментальні дослідження, необхідно визначити критерії подібності, складові основи моделювання. Їх можна визначити різними шляхами: або з умов тотожності рівнянь, що описують процеси, або з аналізу розмірностей [3].

Знайти вказані критерії безпосередньо з рівнянь фізичного процесу не є можливим. Це пояснюється тим, що через складність процесу в ерліфті практично неможливо отримати диференціальне рівняння, яке відповідало б дійсним процесам в ерліфті.

Вважаючи відомими параметри, що впливають на досліджуваний процес, задачу з визначення необхідних критеріїв подібності вирішуватимемо на основі теорії розмірностей [4,5].

Якщо не розглядати перехідні процеси при русі водоповітряної суміші в ерліфті, то критерій Струхаля Sh немає необхідності виконувати.

Згідно другої П–теореми один з m-k знайдених критеріїв є залежним і при дотриманні решти критеріїв виконується автоматично. В нашому випадку таким критерієм буде критерій Ейлера εи.

Для даного випадку при моделюванні важко застосовувати П - теорему для встановлення кількості критеріїв, що забезпечують подібність. Але і у цьому випадку необхідно прагнути постановки задачі відповідно третьої теореми подібності. Встановлюємо умову однозначності і критерії подібності шляхом логічного аналізу і контрольних експериментів.

Домогтися повної подібності процесів у моделі і натурі не можливо, тому для з’ясування можливості розповсюдження результатів випробування моделі на натуру останнє надалі порівнюється з дослідженнями на натурних установках.

В роботі B.C. Костанди [6] підкреслюється, що дотримання навіть одного з вищезгаданих критеріїв вельми скрутно.

Практикою встановлено, що одним з найважливіших критеріїв подібності для ерліфтних установок є відносне занурення α.

Відносне занурення в роботі [7] розглядається як множення критеріїв Фруда і Ейлера. B.C. Костанда як лінійний розмір l приймає довжину труби по вертикалі від змішувача до гирла, а в якості щільності - щільність транспортуємої рідини, і перепад тиску на всій довжині труби від змішувача до гирла ΔР.

Та обставина, що α — критерій подібності, теоретично підтверджує отриманий раніше на підставі аналізу експериментальних даних професором В.Г. Гейером [8].

Як з’ясовано, повна автомодельність в ерліфті наступає в основному на низхідній гілці витратної характеристики, починаючи від режиму роботи, близького до максимальної подачі. Отже, при дослідженнях на модельній установці слід установити даний режим з тією метою, щоб ерліфт працював в автомодельній зоні. Величина повітровмісту для деяких модельних установок буде дещо вища, ніж для промислових, через прояв масштабного ефекту.

При роботі модельних установок бажано дотримуватися наступних критеріїв подібності: α, Frc, 2Δ/D, qn.

Якщо буде виконаний основний критерій α, то важко витримати такий критерій як Frc.

При дослідженні з визначення швидкостей, необхідних для транспорту твердого матеріалу, необхідно дотримувати наступні критерії -

4. Чоточний (снарядний) режим роботи ерліфта

Так як основним видом руху водоповітряної суміші у підйомній трубі ерліфта (див витратну характеристику) є чоточний, то і розглянемо цей вид руху більш детально

Чоточний (пробковий, поршневий, снарядний) режим роботи ерліфта - газова суміш утворює газові підйомні поршні, які піднімають пробки рідини, тобто по трубі рухаються чергуючи пробки рідини і газу. Це відповідає приблизно лінії АК на витратній характеристиці (рис 3.5). Коли підіймається газовий поршень, навколо нього спостерігається значне прослизання рідини. Підвищення швидкості газу приводить до наповнення рідкого блоку невеликими газовими міхурами, а також до збільшення довжини і швидкості проходження пробок. Додаткове підвищення швидкості газу приводить до руйнування поршнів і викликає перехід системи в наступну структуру. Цей режим відповідає лінії дещо вище крапки К.

У пробкової структурі газові бульбашки з поперечним перетином, близьким до поперечного перетину труби, піднімаються на деякій відстані один від одного, простір між якими заповнено пробками рідини. Рідинні пробки також переміщуються вгору вздовж осі каналу, а рідинна плівка між газовим снарядом і внутрішньою поверхнею труби стікає вниз.

Розрізняють розвинену снарядну структуру газорідинної течії і снарядну структуру, яка розвивається.[9] У розвиненому снарядному режимі відстань між газовими бульбашками досить велика, бульбашки мають округлу кулеподібну голівку і зазвичай плоску хвостову частину і піднімаються з однаковою швидкістю. У снарядній течії, яка розвивається внаслідок недостатньої відстані між міхурами (менше критичної величини) подальший міхур відчуває вплив супутного струменя, що йде попереду міхура. Швидкість руху подальшого міхура перевищує швидкість руху лідируючого, спостерігається тенденція до злиття бульбашок. Стабільний характер снарядного течії порушується: кулеподібна форма голівки снаряда руйнується і стає ексцентричною, рідинні пробки, як правило, насичуються дрібними бульбашками.

Розвинена снарядна структура більш наочно реалізується. високов'язких рідинах та в трубах малого діаметра (близьких до капілярів)[10]. Має місце снарядний режим течії водоповітряної суміші в ерліфтах істотно ближче до течії, яка розвивається.

Періодичність проходження через розглядуваний перетин вертикальної труби газових снарядів і пробок рідини достатньо постійна. Частота руху рідинних пробок оцінюється приблизною величиною 1 Гц. Газорідинний потік набуває пульсуючий характер зі сплесками тиску великої амплітуди при частоті, близькою до постійної. Причому, тиск уздовж газового міхура практично постійний, а в рідинній пробці зменшується по ходу руху потоку.

Підвищення тиску до P=3 МПа призведе до різкого зменшення довжини газових бульбашок, а при P=13 МПа снарядний режим взагалі не спостерігається. Це пояснюється зниженням поверхневого натягу через зближення густин фаз.

5. Рух твердої фракції у вертикальному трубопроводі

Вертикальне транспортування (підйом) рідиною часток, які мають щільність, більшу, ніж щільність рідини, можна розглядати як безупинне падіння часток у потоці, що рухається нагору, причому швидкість цього падіння (або відставання часток від рідини) дорівнює гідравлічній крупності часток. Якщо швидкість потоку рідини , швидкість руху частки складатиме

Тому можна стверджувати, що підйом твердих часток вертикальним потоком рідини можливий лише за умови, що швидкість потоку перевищує швидкість падіння часток у рідині.

Мінімальну швидкість потоку, при якій можливий гідротранспорт деякого твердого, називають критичним.

Наведений вище аналіз руху часток у рідині передбачав наявність необмеженого об'єму цієї рідини. У реальних умовах гідротранспорту об'єм рідини обмежений стінками трубопроводу. Крім того, у русі приймають участь не одна, а велика кількість часток, які також впливають на рух частки, що розглядається.

Рух (падіння) частки в обмеженому об'ємі рідини називають стиснутим. Розглянемо частку. що падає у трубі діаметром D, заповненій рідиною, рис. 5.1 а. Рухаючись з деякою швидкістю частка, яку можна розглядати як поршень, витісняє рідину. Рідина обтікає частку, рухаючись у просторі між часткою і стінками труби зі швидкістю у напрямку, протилежному напрямку руху частки. Це збільшує відносну швидкість обтікання частки рідиною:

(5.1)

Швидкість можна визначити з тієї умови, що витрати рідини, яку витісняє частка, має дорівнювати витраті самої частки, тобто добутку її швидкості та поперечного перетину. Якщо умовно вважати частку сферичною з діаметром d, для перетину 1-1 має виконуватися рівняння

, або

(5.2)

Стиснуте падіння твердих часток

Рисунок 5.1 – Стиснуте падіння твердих часток у рідині (а) та у гідросуміші (б)

Поставивши вираз (5.2) у рівняння (5.1) та виконавши перетворення, знайдемо швидкість стиснутого падіння частки у трубі:

(5.3)

тобто швидкість падіння частки, стиснутого стінками труби, менша, ніж швидкість вільного падіння. Однак різниця між цими швидкостями стає помітною при порівнянних діаметрах частки і труби. Так, при ,а при , тобто для досить дрібних часток стиснення стінками труби практично не виявляється.

Стиснення падіння часток у гідросуміші, зумовлене взаємовпливом самих часток, має аналогічну природу. У цьому випадку витіснення рідини здійснюється не тільки часткою, що розглядається, а й іншими частками, які знаходяться у тому ж перетині груби, рис. 5.1 б. До того ж, площа перетину, вільна від часток, зменшується. Тому швидкість буде більшою у порівнянні з рухом одиночної частки. що призведе до зменшення швидкості падіння частки v.

(5.4)

де Т і Р – кількість твердої та рідкої фракцій. Якщо мірою кількості є об'єм — концентрацію називають об'ємною, якщо маса — масовою.

Розрізняють витратну і дійсну концентрацію гідросуміші.

Витратна концентрація гідросуміші визначається за залежністю (5.4). причому підраховується кількість твердої та рідкої фаз, які проходять за одиницю часу через деякий перетин труби, тобто їхні витрати у гідравлічному розумінні цього терміну. Витратна концентрація легко визначається і тому отримала поширення у практичних розрахунках. Наприклад, якщо відомо, що гідротранспортна установка має продуктивність м3/год породи, при цьому витрата води складає м3/год, витратну концентрацію можна визначити як

(5.5)

Для гідротранспортної установки, що працює в усталеному режимі, витратна концентрація буде незмінною уздовж всієї траси гідротранспорту.

Однак, різні швидкості переміщення по трубопроводу твердої і рідкої фаз призводять до невідповідності витратної концентрації реальному співвідношенню об'ємів твердої і рідкої фаз. У вертикальному висхідному та горизонтальному трубопроводах має місце відставання твердих часток від рідини. У вертикальних спадних, трубо¬проводах, навпроти, тверді частки під дією гравітації обганяють рідину.

Якщо сфотографувати у деякий момент часу гідросуміш, що рухається, то дійсну концентрацію гідросуміші можна визначити як відношення сумарного об'єму часток твердої фракції між деякими двома перетинами трубопроводу (перетини 2-2 і 3-3. рис. 5.1 б), до об’єму труби між цими перетинами. Відставання твердої фракції від рідкої призведе до збільшення дійсної концентрації на величину, що залежить від розміру, щільності, концентрації і форми твердих часток, діаметра трубопроводу і кута його нахилу, а також від середньої швидкості гідросуміші. Крім того, для горизонтального або похилого трубопроводу під дією гравітації формується неоднорідність гідросуміші по перетині труби: концентрація буде більшою у нижній частині перетину.

Для вертикального трубопроводу при русі гідросуміші знизу нагору різниця між дійсною та витратною концентраціями залежить від співвідношення швидкості руху пульпи та швидкості стиснутого падіння часток. Приблизний вигляд цієї залежності показано на 5.2. Якщо швидкість гідросуміші значно вище швидкості падіння часток у рідині, значення дійсної та витратної концентрації майже співпадають. У випадку ж, коли ці швидкості порівнянні, дійсна концентрація помітно перевищує витратну. При зменшенні швидкості пульпи нижче швидкості падіння гідротранспорт стає неможливим.

Залежність дійсної концентрації гідросуміші від швидкості її руху у вертикальному трубопроводі

Рисунок 5.2 – Залежність дійсної концентрації гідросуміші від швидкості її руху у вертикальному трубопроводі

3 урахуванням взаємного впливу часток у гідросуміші, за даними [11] швидкість стиснутого падіння частки становить

(5.6)

де n – показник степеня, значення якого залежить від концентрації суміші: при S=0…0,05 – n=1; при S=0,05…0,20 – n=2 ; при S>0,20 – n>2.

6. Рух твердої фракції у горизонтальному трубопроводі

Існує два режими руху рідини: ламінарний і турбулентний. Для першого характерним є рух рідни паралельними шарами, без перемішування, рис. 6.1 а, другий же супроводжується завихреннями та пульсацією миттєвих швидкостей рідини, рис. 6.1 б. Ламінарний режим руху спостерігається у потоках, для яких значення числа Рейнольдса не перевищують 2320 — зазвичай при русі масел та інших в'язких рідин. У системах гідротранспорту турбулентний режим є основною формою руху гідросуміші.

Якщо розглянути деяку точку устояного потоку при ламінарному русі величина і напрям вектору миттєвої швидкості у цій точці будуть незмінними. При турбулентному ж русі вектор миттєвої швидкості буде постійно змінювати як величину, так і напрям. Тому в турбулентному потоці завжди існує рух рідини у напрямку, перпендикулярному вісі потоку. Цей рух призводить до постійного перемішування рідини і сприяє перенесенню твердих часток.

xарактер руху рідини та поля швидкостей

Рисунок 6.1 – Характер руху рідини та поля швидкостей при ламінарному (а) та турбулентному(б) режимах

xарактер обтікання кулі

Рисунок 6.2 – Характер обтікання кулі необмеженим потоком (а) та потоком, обмеженим стінкою труби (б)

Зважування твердих часток пояснюється гідродинамічною картиною обтікання їх потоком. Розглянемо обтікання горизонтальним потоком тіла сферичної форми. Якщо тіло обтікається необмеженим потоком з рівномірним розподілом швидкостей, рис. 6.2 а, зони високого та низького тисків розташовані на ньому симетрично відносно напрямку руху рідини, і вектор результуючої сили гідродинамічної взаємодії тіла з потоком також буде направлений горизонтально. Підйомна сила в цьому випадку буде відсутня і тіло під дією гравітації буде падати униз.

Зовсім інша картина спостерігається, якщо тіло лежить на поверхні, яка обмежує рух рідини, рис. 6.2 б. Це може бути стінка труби, дно лотка або шар гірської маси на дні. Поле швидкостей рідини у цьому випадку буде нерівномірним: з наближенням до твердої поверхні швидкість зменшується. Швидкість шарів рідини, що знаходяться безпосередньо біля поверхні, значно менша, ніж у середині потоку, див. епюри на рис. 6.2. Обтікання тіла стає несиметричним — верхня його частина обтікається з більшою швидкістю, ніж нижня, унаслідок чого на верхній частині тіла тиск буде меншим, ніж на нижній. Напрямок вектора результуючої сили зміниться і з'явиться вертикальна складова Рп — підйомна сила. Якщо швидкість руху рідини буде достатньою, величина підйомної сили перевищить вагу тіла і воно відірветься від дна.

У залежності від швидкості руху рідини можна виділити чотири стани тіла, що знаходиться в потоці:

  1. швидкість руху потоку недостатня, щоб зрушити тіло з місця: вертикальна складова Рп гідродинамічної сили менша, ніж вага тіла, а горизонтальна (лобова сила) Рл — менша, ніж сила тертя між тілом і поверхнею, на якій воно лежить;
  2. зі збільшенням швидкості потоку гідродинамічна сила зростає; вертикальна складова ще недостатня, щоб підняти тілю, але сумарна дія горизонтальної та вертикальної складових зрушує тіло з місця – залежно від форми воно пересувається ковзанням або перекочується;
  3. швидкість потоку є такою, що вертикальна складова гідродинамічної сили перевищує вагу тіла та підіймає його; але, коли тіло попадає у середину потоку, де нерівномірність швидкостей менша і обтікання тіла стає більш симетричним, до того ж саме тіло набуває деякої швидкості, підйомна сила зменшується і тіло знову падає на дно; виникає режим транспортування стрибками — тіло піднімається потоком, переноситься на деяку відстань та знову падає;
  4. на великій швидкості потоку інтенсивність турбулентного руху рідини стає такою, що тіло, будучи відірваним від дна, вже не повертається на нього, а транспортується у зваженому стані.

Для гідротранспортування корисних копалин та порід характерною є значна неоднорідність розмірів твердих часток. Зазвичай гідросуміш містить як дрібні пилуваті частки з гідравлічною крупністю кілька міліметрів за секунду, так і великі шматки породи розміром до 100 мм і и швидкістю падіння у воді більше 1 м/с. Тому при деякій швидкості потоку умови транспорту часток, що утворюють гідросуміші, дуже різні.

Рух пульпи у трубопроводі має три характерні стадії, рис. 6.3: рух при великих швидкостях; рух при швидкостях, близьких до критичної швидкості гідротранспортування, рух при швидкостях, менших за критичну.

Рух при великих швидкостях характерний тим, що тверде транспортується при повному зважуванні часток без відкладення їх по дну труби, рис. 6.3 а. У цьому випадку частки породи більш-менш рівномірно розподіляються по перетині труби. Для дрібних часток рівномірний розподіл їх у потоці наступає при відносно невеликих швидкостях. а при наявності крупношматкових фракцій потрібні швидкості 4...6 м/с і більше. Такі швидкості можуть бути економічно невигідними через великі втрати напору і, отже, високі питомі витрати енергії.

рух гідросуміші по трубах

Рисунок 6.3 – рух гідросуміші по трубах при великих швидкостях (а), при швидкостях, близьких до критичних (б) та при швидкостях замулення (в)

Критичною швидкістю гідротранспорту називають найменшу середню швидкість потоку, при якій все тверде рухається в зваженому стані по живому перетині пульповоду. Критична швидкість передує початку осадження часток породи даної крупності (тобто крупності, до якої віднесена критична швидкість). При критичній швидкості будуть найменші втрати напору при даній концентрації пульпи.

Рух при швидкостях, близьких до критичних, відбувається з концентрацією більш великих часток у дна труби, рис. 6.3 б. Особливо великі шматки пересуваються стрибками або котяться по стінці труби. Оскільки частки породи розподіляються по перетині труби нерівномірно, у цьому випадку гідросуміш не може розглядатися як однорідна.

При малих швидкостях руху частки породи починають випадати на дно труби и утворюються їхні відкладення, рис. 6.3 в. Однак, гідротранспорт за таких умов теж можливий, оскільки зменшення перетину труби за рахунок відкладень призводить до збільшення швидкості потоку, яка знов досягає значення критичної.

Величина критичної швидкості залежить від гідравлічної крупності часток породи, що транспортуються, гранулометричного складу матеріалу, його щільності, інших властивостей, концентрації пульпи і діаметра труби. Оскільки процес транспортування твердого горизонтальним потоком рідини є складним і зумовлений дією кількох чинників, знайти залежності, які б адекватно його описували. аналітично дуже складно. Тому отримали поширення методики розрахунку параметрів гідротранспорту (критичної швидкості втрат напору) на основі емпіричних або полу емпіричних формул. Звичайно такі методики основані на даних експериментів та мають певні обмеження у використанні. Існує багато таких методик (А. С. Смолдирєва, В. В. Трайніса. А. П. Юфіна, В. С. Кнороза й ін.), кожна з яких орієнтована на деяку область застосування: транспорт вугілля, скельних порід. гравію, теку, глини, мулу, цементу, залізорудного концентрату, золи та ін.

7. Ерліфтно-земснарядні комплекси

Ерліфтно-земснарядні комплекси е специфічним засобом гідравлічного видобування корисних копалин, в якому підйом ґрунту у проміжну ємність здійснюється ерліфтом, а ґрунтовий насос здійснює відкачку пульпи на карту намиву або до споживача. Ерліфтно-земснарядні комплекси (ЕЗК), у порівнянні з традиційними земснаря¬дами, мають більш високу продуктивність, меншу трудомісткість і вартість видобування, забезпечують можливість розробки копалин на глибині кількох сотень метрів, у тому числі и з-під шару порід, що покривають, та роботу фунтового насоса з постійною високою концентрацією пульпи.

Ерліфт, що використовується для підйому твердого з дна водойми (наприклад, ерліфт ЕЗК) може працювати з досить високим к.к.д., порівнянним з к.к.д. відцентрових насосів —до 60 ... 75 % [12]. При цьому ерліфт має низку безсумнівних переваг, головна з яких — простота і надійність у роботі, можливість транспортування гідросумішей з високою концентрацією твердої фракції — до 35 ... 40 %. (ґрунтові насоси и вуглесоси, відповідно до заводських інструкцій по експлуатації, мають працювати з концентрацією 10 %). Ерліфт не має частин, що рухаються або швидко зношуються, не потребує постійного спостереження и обслуговування, як того вимагає ґрунтовий відцентровий насос, простий і недорогий у виготовленні.

Ерліфт не боїться аварійних ситуацій, смертельних для насосних установок: може транспортувати гірську масу, що містить великі шматки, сміття, металеві предмети, працює, навіть якщо ґрунтозабірний пристрій завалений гірською масою. Ерліфт не створює високих тисків у піднімальній трубі, простий і безпечний в обслуговуванні.

Ерліфтно-земснарядний комплекс

Рисунок 7.1 - Ерліфтно-земснарядний комплекс: 1 - ґрунтозабірний пристрій зі змішувачем; 2 - підйомна труба; 3 - повітроподавальна труба; 4 - труба подачі води для розмиву; 5 - проміжна ємність; б- усмоктувальний трубопровід ґрунтового насоса; 7 - скидна колона; 8 - повітровіддільник; 9 - блок; 10- лебідка; 11 - ґрунтовий насос; 12 - допоміжний насос; 13 - компресор; 14 - напірний пульпопровід; 15 – корпус

Ерліфтно-земснарядний комплекс монтується на корпусі 15 серійного земснаряда (рис. 7.1), звичайний ґрунтозабірний пристрій якого замінюється на ерліфт. який складається з ґрунтозабірного пристрою-змішувача 1, п1дйомпої 2 и повітроподавальної 3 труб та повітровіддільника 8. Насосом 12 чиста забортна вода по трубопро¬воду 4 подається у насадки всмоктувального пристрою 1, що забезпечують розмив та розпушування ґрунту. Гідросуміш надходить до змішувача, який конструктивно суміщений з усмоктувальним пристроєм 1, де змішується зі стисненим повітрям, що подається в змішувач компресором 13 по повітроводу 3. Утворена трьохфазна аерогідросуміш по підйомній трубі 2 підіймається до повітровіддільника 8, де розділюється на дві фази: повітря спрямовується в атмо¬сферу, а пульпа зливається по скидній колоні 7 у проміжну ємність 5. В останній відбувається розведення пульпи забортною водою до концентрації, необхідної для перекачування її ґрунтонасосом. 3 проміжної ємності пульпа ґрунтонасосом 11 перекачується по пульпо¬проводу 14 па карту намиву.

Заглиблення ґрунтозабірного пристрою здійснюється шляхом опускання всього ставу ерліфта (підйомної 2, повітряної 3 і труби подачі робочої води 4) лебідкою 10. Став виконано у вигляді секцій довжиною 2.5 ... 3 м, які з'єднуються за допомогою фланців.

Ґрунтозабірний пристрій і змішувач, якими обладнуються ерліфтно-земснарядні комплекси, у більшості випадків виконуються конструктивно сполученими в одному вузлі, рис. 7.2. Розмив злежалого твердого матеріалу здійснюється насадками 7, що живляться водою, яка подається до колектора 6 під напором по трубі 5 від спеціального насоса. Стиснене повітря надходить по трубі 2 до камери змішувача 3, звідки через отвори потрапляє до підйомної труби 1, де змішується з пульпою, яка засмоктується у трубу 1.

Скидна колона 7 , рис. 7.1. забезпечує спуск пульпи до проміжної ємності та видалення залишків повітря. Повітровіддільник 8 рухається у вертикальному прорізі в обичайці колони. Проміжна ємність 5 призначена для регулювання концентрації твердого в пульпі, що перекачується ґрунтонасосом. Ємність з’єднана шарніром із плавзасобом 15 та за допомогою лебідки 1 троса підіймається над рівнем чи опускається під рівень забортної води з метою розрідження пульпи до концентрації, яка необхідна для перекачування пульпи ґрунтонасосом.

Ґрунтозабірний пристрій ерліфтно-земснарядного комплексу, суміщений зі змішувачем

Рисунок 7.2 - Ґрунтозабірний пристрій ерліфтно-земснарядного комплексу, суміщений зі змішувачем: 1 - підйомна труба; 2 - повітроподавальна труба; 3 - змішувач; 4 - фланець; 5 - труба подачі води для розмиву; 6 - кільцевий колектор; 7 - насадки гідравлічного розпушувача

Висновки

Ерліфтно-земснарядні комплекси (ЕЗК), у порівнянні з традиційними земснаря¬дами, мають більш високу продуктивність, меншу трудомісткість і вартість видобування, забезпечують можливість розробки копалин на глибині кількох сотень метрів, у тому числі и з-під шару порід, що покривають, та роботу фунтового насоса з постійною високою концентрацією пульпи.

Ерліфт не має частин, що рухаються або швидко зношуються, не потребує постійного спостереження и обслуговування, як того вимагає ґрунтовий відцентровий насос, простий і недорогий у виготовленні.

Досвід експлуатації ерліфтно-земснарядних комплексів по видобуванню піску з рік і водойм показав їхні виняткові переваги перед звичайними землесосними снарядами. Незважаючи на дещо (близько 20%) більшу витрату електроенергії або дизпалива, собівартість видобутого ними матеріалу нижче, ніж для земснаряда, за рахунок більш високої концентрації одержуваної гідросуміші, стабільної і безаварійної роботи комплексу. Крім цього, комплекс має у багато разів більшу глибину розробки — до 120 м, дозволяє вести розробку в таких умовах, у яких звичайний земснаряд непрацездатний. Є досвід експлуатації ерліфтно-земснарядного комплексу в зимових умовах, а також при розташуванні його в гранично малому по глибині і простору водоймі (у болотних умовах). У ерліфтно-земснарядному комплексі забезпечуються сприятливі умови роботи ґрунтового насоса, у який подається підготовлена гідросуміш з постійною високою концентрацією, яка не містить великих шматків; насос працює з невеликим розрідженням в усмоктувальному патрубок, що значно знижує імовірність роботи у кавітаційному режимі.

Враховуючи переваги ерліфтно-земснарядного комплексу, доцільно використовувати його для очищення від мулу дна внутрішніх водойм, замість земснаряда.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2014 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  1. Гейер В. Г.; Логвинов Н. Г. О свойствах безразмерных характеристик эрлифтов // В кн.: Разработка месторождений полезных ископаемых. - Киев: Техника. 1979, вып. 31
  2. Малеев В. Б. Исследование и разработка сифонно-вакуумного эрлифта для очистки шахтных водоотливных емкостей. Автореф. дисс. канд. техн. наук. — Донецк: ДПИ, 1980. -20с
  3. Усков Е. В. Исследование эрлифтов для средств водоотлива из глубоких шахт. Автореф. дисс. канд. техн. наук. - Донецк: ДПИ, 1972. -20с
  4. Венинов В. А. Теория подобия и моделирования применительно к задачам теплоэнергетики. Изд. «Высшая школа», М.,1966.
  5. Козыряцкий Л. Н. Моделирование и критерии подобия эрлифтов. Депонирована в ЦНИЭИуголь, № 407, 975.
  6. Костанда В. С. Экспериментальные исследования эрлифта с переменным альфа и С в условиях откачки ствола. Труды ДПИ, том 62, выл 12,1961
  7. Костанда В. С. О кинематической структуре водовоздушной смеси в эрлифте. Труды ДПИ, том 62, вып. 12, 1961.
  8. Гейер В. Г. Водоотлив в глубоких шахтах. - В кв.: Разработка угольных месторождений на больших глубинах (Труды совещания в Донецке), Углетехиздат, 1955.
  9. Мойсис, Гриффитс. Влияние входных условий на снарядный режим течения двухфазной смеси // труды американского общества инженеров механиков, серия С. Теплопередача. – Том 84. -1962. -№1
  10. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. – М.: Мир, 1972. -440с.
  11. Заря А. Н. Исследование образования закупорок в трубопроводе при выключении вуглесоса. Труды ДПИ, том 62, 1961.
  12. Козыряцкий Л. Н., Федоров О. В. Коэффициент полезного действия гидравлических подъемных установок // Наукові праці ДонНТУ. Випуск 123, серія гірничо-електромеханічна. – Донецьк: ДонНТУ, 2005.