Научный руководитель: доцент кафедри "Енергомеханические системы", к. т. н. Кононенко Анатолий Петрович
Эрлифтные установки имеют большое конструктивное разнообразие, как в плане отдельных узлов, так и установок в целом. Работа эрлифта начинается с запуска в работу компрессора 1 (рис. 1). Сжатый воздух по воздухоподающей трубе 2 подается в смеситель 3, где происходит процесс перемешивания (взаимодействия) сжатого воздуха и жидкости, в результате чего жидкость движется по подающей трубе 4 из резервуара (зумпфа) 8 и перемешивается с воздухом в смесителе, образуя газожидкостную смесь, которая движется по подъемной трубе 5 в воздухоотделитель 6. В воздухоотделителе происходит сепарация потока на воздух, который выходит в атмосферу и воду, идущую по линии 7 к пункту назначения.
Рисунок 1. Принципиальная гидравлическая схема эрлифтной установки
Подающая труба эрлифта является его неизбежным конструктивным элементом. Необходимость подающей трубы вызвана предотвращением выбросов сжатого воздуха в зумпф [5, 6], обеспечением транспортных скоростей при лифтировании гидросмесей [3, 4, 7]. Поэтому при длине подающей трубы l ее диаметр d выполняется меньше диаметра D подъемной трубы d < D. Из опыта проектирования и эксплуатации общепромышленных эрлифтов известно, что в большинстве случаев геометрические характеристики подающих труб находятся в пределах l/d = 3 – 15 [4, 7]. Подающая труба имеет существенный недостаток, которым является наличие в ней потерь напора потока жидкости, с увеличением которых происходит уменьшение давления в смесителе (рис. 3), что говорит о снижении энергии потока. Увеличение потерь в подающей трубе приводит и к снижению динамического относительного погружения смесителя [4]
где dhп.т – потери напора потока жидкости в подающей трубе [1]
где м – коэффициент сопротивления подающей трубы (0,74-0,78); d – диаметр подающей трубы, м.
Как видно из зависимости (2) при увеличении расхода через подающую трубу, потери в ней возрастают.
С уменьшением aд происходит увеличение удельного расхода воздуха q (Qв/ Qэ), что свидетельствует об увеличение энергозатрат (рис. 3).
Рисунок 3. Характеристики изменения давления в смесителе при изменении подачи эрлифта.
Рисунок 4. Зависимость удельного расхода воздуха от относительного динамического погружения смесителя
При работе эрлифта на приток, с увеличением его подачи (притока), расход жидкости через подающую трубу возрастает, что приводит к увеличению потерь напора потока в подающей трубе. Увеличение потерь, в свою очередь, приводит к снижению энергетической эффективности эрлифта.
Для обеспечения большей энергетической эффективности необходимо, чтобы потери напора в подающей трубе с увеличением подачи (притока) были как можно меньше. Данная задача может быть разрешена, если при увеличении притока (подачи) расход в подающей трубе остается неизменным, а дополнительный приток (его приращение) подводится в промежуточное сечение подъемной трубы. Таким образом, при росте подачи обеспечивается постоянство потерь напора в подающей трубе. Гидравлическая схема установки с подводом дополнительного притока в промежуточное сечение подъемной трубы представлена на рисунке 5.
Рисунок 5. Гидравлическая схема эрлифта с подводом дополнительного притока в промежуточное сечение подъемной трубы.
Значение притока в зумпф Qпр1 остается постоянным, за счет соответствующего изменения сопротивления линии при повышении уровня hп, а дополнительный Qпр2 подводится в промежуточное сечение подъемной трубы. Такое распределение притоков обеспечивается за счет применения специальной конструкции притоковой емкости. Данная емкость устроена так, чтобы дополнительный приток, повышая уровень - hп в ней, вытекал в линию подвода притока в подъемную трубу эрлифта. Для выбора места подвода дополнительного притока необходимо рассмотрение эпюр давления смеси в трубе эрлифта и жидкости за ее пределами (рис. 5). Анализируя данные эпюры, делаем вывод, что на некотором участке z1 подъемной трубы давление в ней больше, чем давление жидкости снаружи (в зумпфе). Таким образом, для обеспечения дополнительного притока необходимо создавать такой располагаемый напор Hр, под действием которого дополнительный приток был бы способен входить в подъемную трубу эрлифта. Т. е. для ввода дополнительного притока в трубу эрлифта необходимо, чтобы он обладал энергией, способной преодолеть давление в подъемной трубе. Таким образом, данная схема позволяет обеспечить постоянство потерь напора потока жидкости в подающей трубе (Qпр1=const) при работе эрлифта в условиях переменного притока, что обеспечивает энергетически более эффективную его работу.
Рисунок 6*. Анимация гидравлической схемы эрлифта с подводом дополнительного притока в промежуточное сечение подъемной трубы.
Зависимость для удельного расхода воздуха определяется типом эрлифтов [4]:
Удельный расход воздуха, приведенный к среднему манометрическому давлению по длине подъемной трубы, определяется
Для длинных эрлифтов, подставляя (1) и (4) в (2) и выражая h, получаем
здесь H + h = const.
Для коротких эрлифтов подставляя (1) и q = Qв/Qэ в (4) и выражая h, получаем
При рассмотрении способа регулирования эрлифта изменением подачи воздуха расходная характеристика строится по зависимостям (3) и (5). КПД эрлифта [1]
Для сравнения энергетических параметров «обычной» схемы (рис. 1) и предлагаемой (рис. 5), производим расчет для этих схем.
В качестве примера был взят короткий эрлифт, с произвольно взятыми значениями его параметров.
Сравнительный расчет двух схем эрлифтов, работающих в условиях переменных притоков, ведется для двух способов регулирования их подачи:
1) Регулирование эрлифта изменением расхода воздуха Исходные принятые условия: Высота подъема жидкости H = 6,21 м. Геометрическое погружение смесителя h = 1,5 м. Коэффициент расхода подающей трубы принят м = 0,74. Диаметр подающей трубы d = 0,07 м.
Для принятых условий подсчитаны параметры эрлифта «обычной» схемы, которые занесены в таблицу 1. При этом понимается, что подача эрлифта равна притоку в зумпф Qэ=Qпр.
Таблица 1. Расчетные параметры эрлифта «обычной» схемы
Расчетные параметры эрлифта, полученные по приведенному выше математическому описанию, предлагаемой схемы сведены в таблицу 2 и 3. При этом при расчете параметров таблицы 2 было принято, что приток в зумпф Qпр1 = 0,002 м^3/с и постоянен, а дополнительный подводится в промежуточное сечение подъемной трубы. Таким образом, подача эрлифта складывается из постоянного притока в зумпф Qпр1 и переменного притока, подводимого в промежуточную сечение Qпр2. При расчете же параметров таблицы 3 полагалось, что постоянный приток в зумпф Qпр1 = 0,001 м^3/с. Принимались два разных значения постоянного притока в зумпф при расчетах, с целью определения их влияния на КПД эрлифта.
Таблица 2. Параметры эрлифта предлагаемой схемы при Qпр1 = 0,002 м^3/с.
Таблица 3. Параметры эрлифта предлагаемой схемы при Qпр1 = 0,001 м^3/с
По данным вышеприведенных таблиц построены графические зависимости (рис. 6-9).
Рисунок 7. Расходная характеристика эрлифта «обычной» схемы (табл. 1)
Рисунок. 8. Расходная характеристика эрлифта предлагаемой схемы при Qпр1 = 0,002 м^3/с (табл. 2)
Расходная характеристика предлагаемой схемы имеет линейную зависимость, в отличие от «обычной» (рис. 6, 7). Это объясняется тем, что при данном способе регулирования h = const и т. к. предлагаемая схема обеспечивает постоянство потерь напора потока в подающей трубе dhп.т = const, то и aд = const, при этом Qв/ Qэ = const [зависимость (5)].
Рисунок 9. Расходная характеристика эрлифта предлагаемой схемы при Qпр1 = 0,001 м^3/с (табл. 3)
Рисунок 10. Зависимость КПД эрлифта от его подачи
КПД эрлифта предлагаемой схемы больше чем у «обычной» (рис. 9). Что объясняется постоянством потерь в подающей трубе при увеличении подачи предлагаемой схемы в отличие от «обычной», где потери растут. Также видно, что чем меньше расход в подающей трубе (потери напора) тем выше КПД.
2) саморегулирование эрлифта, работающего в условиях переменных притоков.
Принятые параметры эрлифта: Расход воздуха Qв = 5 м^3/мин (0,083 м^3/с). При подаче эрлифта Qэ = 0,002 м^3/с высота подъема жидкости H = 6,21 м и геометрическая глубина погружения h = 1,5 м,. Коэффициент расхода подающей трубы принят м=0,74. Диаметр подающей трубы d = 0.07 м.
Приток в зумпф предлагаемой схемы составляет Qпр1 =0,002 м^3/с (рис. 5).
Результаты расчета «обычной» схемы и предлагаемой сведены в таблицу 4.
Таблица 4. Расчетные параметры «обычной» и предлагаемой схемы при саморегулировании эрлифта, работающего в условиях переменного притока.
По результатам данных таблицы 4 построены графические зависимости (рис. 10, 11).
Рисунок 11. Зависимость геометрического погружения смесителя от подачи (притока) эрлифта.
Эрлифт предлагаемой схемы энергетически более выгоден «обычного» в условиях переменных притоков (рис. 11). Данный факт объясняется тем, что при одинаковом значении удельного расхода воздуха для сравниваемых схем, как свидетельствует графическая зависимость, изображенная на рис. 10, геометрическое погружение смесителя эрлифта предлагаемой схемы меньше, чем у «обычной». Как видно из зависимости (8), чем меньше h, тем больше КПД, при равных q.
Рисунок 12. Зависимость КПД эрлифта от его подачи для «обычной» и предлагаемых схем.
Разработана принципиальная гидравлическая схема эрлифта с подающей трубой для работы в условиях переменных притоков, которая обладает большей энергетической эффективностью, в сравнении с применяемой. Что подтверждает проведенный расчет для принятых условий.
Полученные расчетные параметры необходимо верифицировать (проверить) экспериментально и, если возникнет необходимость, уточнить математическое описание параметров рабочего процесса.
В будущем планируется более детальная разработка узлов предлагаемого эрлифта, исследование его рабочего процесса и разработка математической модели потока.
1. Кононенко А. П. Теория и рабочий процесс эрлифтов: Дисс. … док. техн. наук: 05. 05. 17. – Донецк: ДонНТУ, 2007 – 664 с.
2. Бойко М. Г., Козиряцький Л. Н., Кононенко А. П. Землесосні і ерліфтно-землесосні снаряди: Навчальний посібник. – Донецьк: ДонНТУ, 2007. – 296 с.
3. Гейер В. Г. Новые технологические схемы и средства шахтного водоотлива. – Донецк: ДПИ, 1972. – 35 с.
4. Эрлифтные установки: Учебное пособие/ В. Г. Гейер, Л. Н. Козыряцкий, В. С. Пащенко, Я. К. Антонов. – Донецк: ДПИ, 1982. – 64 с.
5. Усков Е. В., Миргородский В. Г., Стегниенко А. П. Первые результаты эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Выпуск 31. – Киев: Техника. – 1973. – с. 111-115.
6. Стегниенко А. П. Исследование и разработка методов управления режимами работы шахтных эрлифтов: Дисс. … канд. техн. наук: 05.05.06. – Донецк: ДПИ, 1978. – 242 с.
7. Энциклопедия эрлифтов / Ф. А. Папаяни, Л. Н. Козыряцкий, В. С. Пащенко, А. П. Кононенко – М.: Информсвязьиздат, 1995. – 592 с.