Перевод на русский язык: Лагода В.Е.
Повышение разрушающей способности импульсных струй путем применения гидродинамически-активных веществ
А.Б.Ступин, А.П.Симоненко
Донецкий государственный университет, Украина
Б.С.Любарский, А.Ф.Перцев
Государственная военизированная горноспасательная служба Министерства угольной промышленности Украины
В.С.Коломиец
Донецкий государственный технический университет, Украина
В статье показана возможность повышения производительности генератора импульсной струи без изменения его конструкции, путем использования в качестве рабочей жидкости водных растворов гидродинамически-активных полимеров вместо воды. Приготовление таких рабочих жидкостей обеспечивается за счет размыва специально разработанной твердой растворимой в воде полимерной композиции в проточной кассете. Результаты испытаний по разрушению гипсовых и углецементных блоков различной прочности показали, что струя водного раствора полимерной композиции обладает повышенным разрушающим действием, по сравнению с чистой водой, за счет увеличения глубины пробиваемого отверстия в 1,5 — 3,5 раза.
Многочисленными исследованиями (Тимошенко Г.М., Бугрик В.А., 1989; Бугрик В.А., Овсянников В.П., 1981) доказана возможность использования импульсных струй для разрушения различных твердых материалов. Для расширения области применения гидроимпульсной техники необходимо улучшить геометрические и динамические параметры струи. Традиционные пути улучшения этих параметров, такие как: увеличение диаметра формирующего струю насадка; повышение давления; выбор рациональной проточной части исполнительного органа - связаны с необходимостью внесения значительных изменений в конструкцию основных узлов и увеличением потребляемой генератором мощности.
В случае промышленного использования гидроимпульсных машин необходимо уменьшать гидравлические потери в трубопроводах подвода, так как в некоторых случаях они могут достигать 25%. Важнейшей проблемой при использовании гидроимпульсной техники является повышение разрушающего действия струи в глухих отверстиях глубиной 0,2 - 0,3 м и больше, т.к. в этом случае взаимодействие ее с массивом материала приобретает характер “разгруженной” струи, что резко снижает производительность гидроимпульсной машины.
Одним из методов повышения эффективности работы генератора импульсной струи (ГИС) без изменения его конструкции, может быть использование водных растворов гидродинамически-активных веществ в качестве рабочей жидкости (например, высокомолекулярных полимеров — полиэтиленоксида, полиакриламида и др.). В работах (Повх И.Л. и др., 1981; Ступин А.Б., Асланов П.В., 1981) показана возможность существенного снижения гидродинамического сопротивления и воздействия на турбулентность путем введения добавок в поток ньютоновских жидкостей. Эффективность применения гидродинамически-активных полимеров зависит от ряда факторов. Главный из них - это процесс приготовления растворов. В последние годы интенсивно ведутся работы по созданию различных быстрорастворимых полимерных композиций и специального оборудования для введения их в поток жидкости.
В данной работе на основе гидродинамически-активного полимера — полиэтиленоксида (ПЭО) разработаны твердые водорастворимые полимерные композиции (ТВПК), которые, обладая повышенным массовым выходом, позволяют изготовить брикеты требуемой геометрической формы с заданной поверхностью массового выхода ПЭО. В дальнейшем такие брикеты устанавливались в проточные кассеты и использовались для непрерывного экспресс-приготовления гидродинамически-активных рабочих жидкостей гидроимпульсных машин в ходе исследования разрушающего действия водных струй и струй из растворов ТВПК.
Рисунок 1
Принципиальная схема расположения оборудования на период сравнительных испытаний приведена на рис. 1, где мы использовали следующие обозначения: 1 - емкость для воды или водного раствора ТВПК; 2 - подпиточный насос; 3 - пульт управления; 4 - насосная установка; 5 – напорный трубопровод; 6 - проточные кассеты с брикетами из ТВПК; 7 - генератор импульсной струи; 8 - рабочий насадок; 9 - импульсная струя; 10 - испытываемый углецементный (или гипсовый) блок размером 1х1х1 м3.
Испытания проводились в три этапа. На первом этапе исследования были направлены на сравнительную оценку разрушающего действия струи из предварительно приготовленного однородного раствора и из другого раствора, полученного размывом брикетов ТВПК в кассетах при подаче рабочей жидкости к ГИС. На этом же этапе, с точки зрения сохранения качества раствора, выбиралось оптимальное место установки кассет.
На втором и третьем этапах эффективность использования струй с добавками и без них проверялась путем разрушения блоков из гипсовой и углецементной смеси. Результаты этих исследований показаны на рис. 2 - 3 и в таблице 1.
На рис. 2 изображена зависимость глубины пробиваемого в гипсовом блоке отверстия от времени воздействия струи. Кривая 1 получена для водяной струи; кривые 2 и 3 — для предварительно приготовленных однородных растворов ТВПК с содержанием ПЭО соответственно 0,002 и 0,004% по весу; кривые 4 и 5 соответствуют струям из растворов ТВПК, приготовленных в кассетах, когда после контакта материала ТВПК с водой прошло 25 минут и 4 часа. Начальное расстояние от выхода насадка до поверхности гипсового блока в процессе испытаний было постоянным и равно 0,14 м.
Как следует из рис.2 импульсные струи, сформированные из подобных заранее приготовленных однородных растворов ТВПК, обладают более высокой разрушающей способностью. Однако глубина пробиваемого отверстия по сравнению с водной струей увеличилась незначительно.
Рисунок 2
Это связано с механическим разрушением макромолекул ПЭО в подпиточном насосе и в насосной установке высокого давления. Следовательно, использование заранее приготовленного раствора ТВПК нецелесообразно, и кассеты с брикетами, с целью сохранения качества раствора, должны быть установлены в месте высокого давления между насосной установкой и ГИС. Увеличение времени контакта материала ТВПК с водой повышает эффективность разрушения гипсового блока (сравните кривые 4 и 5 рис. 2). Это связано с повышенным массовым выходом ПЭО из брикета, который приводит к увеличению содержания гидродинамически-активного вещества в растворе.
На рис.3 представлена зависимость глубины пробиваемого отверстия в углецементном блоке (коэффициент прочности по шкале М.М.Протодъяконова равен 1,6) от времени воздействия струи. Кривая 1 соответствует разрушению блока струей воды; кривые 2 и 3 — струями из растворов ТВПК, приготовленными в двух кассетах. Для кривых 3 и 2 центр пробиваемого отверстия находился на расстоянии 0,35 м и 0,5 м от бокового и верхнего ребер куба соответственно. Из данных приведенных выше видно, что если мы используем водные растворы ТВПК в качестве рабочей жидкости, то глубина пробиваемого отверстия в 1,5 - 3,5 раза (в зависимости от продолжительности работы ГИС) больше глубины отверстия, пробиваемого водной струей.
Особый интерес представляют результаты эксперимента по разрушению углецементного блока, коэффициент прочности которого равен 2,5. Этим экспериментом проверялась эффективность работы импульсных струй в условиях моделирования угольного пласта повышенной прочности. Установлено, что импульсные струи из воды и водных растворов ТВПК пробивали в блоке в течение 60 секунд работы отверстия глубиной 0,22 м и 0,71 м соответственно.
Рисунок 3
Таблица 1
Дальнейшие испытания были направлены на определение глубины H и диаметра d пробиваемых отверстий как функции от времени работы ГИС t. Результаты испытаний приведены в таблице, из которой видно, что импульсная струя воды к 20 секунде пробивает в блоке отверстие глубиной 0,22 м и дальнейшее воздействие струи не увеличивает глубину этого отверстия. В тоже время при разрушении блока импульсной струей раствора ТВПК глубина пробиваемого отверстия растет и к 40 секунде становится равной 0,56 м.
Результаты дополнительного эксперимента, моделирующего процесс гидродобычи угля (разрушение углецементного блока импульсными струями, перемещающимися с заданной скоростью вдоль грани), подтвердили повышенную эффективность струй из растворов ТВПК. Поэтому, например, глубина щели, образующейся в блоке после мгновенного прохода водяной струи, составляет 0,19 м, а после прохода струи раствора ТВПК — 0,34 м.
Проведенными экспериментами также показали, что при использовании в качестве рабочей жидкости растворов ТВПК диаметр пробиваемого отверстия уменьшается. Поэтому водяная струя образует в гипсовом блоке отверстие со средним диаметром 77 мм, а струя из раствора ТВПК — 52 мм. Подобные результаты для углецементного блока с коэффициентом прочности 2,5 равны 75 и 48 мм соответственно. Это связано с тем, что гидродинамически-активный полиэтиленоксид повышает не только эффективную дальность струй, но и их компактность.
Таким образом, использование водных растворов гидродинамически-активного полиэтиленоксида в качестве рабочей жидкости, приготавливаемой из ТВПК в проточных кассетах, улучшает эффективность работы ГИС без изменения его конструкции. Повышение эффективности достигается за счет увеличения глубины пробиваемого отверстия и расстояния от среза насадка до обрабатываемого блока, а также снижения гидравлических потерь в проточной части основных узлов генератора и подводящих трубопроводах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Бугрик В.А., Овсянников В.П. Ведение нарезных работ на шахтах с обычной технологией при использовании импульсных струй воды // Разработка месторождений полезных ископаемых, 1981, вып. 87. - С. 91 - 96.
Повх И.Л., Ступин А.Б., Симоненко А.П. Применение поверхностно-активных веществ для уменьшения турбулентного трения жидкостей в технологических аппаратах // Аэродинамика в технологических процессах. М.: Наука, 1981. - С. 230 - 240.
Ступин А.Б., Асланов П.В. Турбулентная структура течений со снижающими трение добавками // Инж.-физ. ж., 1981, т. 41, №5. С. 809 - 814.
Тимошенко Г.М., Бугрик В.А. Гидроимпульсная отбойка — перспективный способ выемки угля на шахтах с обычной технологией // Уголь Украины, 1989, №6. - С. 13 - 14.