Актуальність проблеми. Для реалізації технологічних процесів на вуглезбагачувальних фабриках широко використовуються гідротранспортні установки. Режими роботи технологічного устаткування залежать від відповідних режимів гідротранспортних установок, що забезпечують подачу вугільної пульпи, води, відведення промпродуктів і відходів збагачення. При цьому транспортування вугільних пульп погоджується з виконанням ряду технологічних операцій, що багато в чому визначає ефективність збагачення вугілля.

Погоджена робота збагачувального устаткування і транспортної установки можлива у визначеному діапазоні швидкостей і концентрацій гідросуміші, а номінальний режим роботи визначається за середніми показниками. У результаті зміни властивостей вихідної сировини, накопичення шламів у системі оборотного водопостачання та інших нестаціонарних процесів виникають відхилення режимів роботи гідротранспортних установок від номінальних, що призводить до експлуатації збагачувального устаткування за межами розрахункових режимів, погіршенню показників поділу і підвищенню собівартості переробки. Отже, одночасно з узгодженням режимів роботи збагачувального устаткування з гідротранспортною установкою, необхідне регулювання режиму роботи внутрішньофабричного гідротранспорту. Тому обґрунтування параметрів і режимів процесів транспортування пульпи в системах внутрішньофабричного гідротранспорту, спрямоване на підвищення стабільності й ефективності технологій збагачення за рахунок регулювання режиму роботи внутрішньофабричних гідротранспортних комплексів, є актуальною задачею, яка має важливе народногосподарське значення для вуглепереробної галузі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до державної науково-технічної програми "Створити й освоїти технології та технічні засоби, що забезпечують екологічно чисті процеси видобутку й переробки корисних копалин за рахунок використання безвідхідних технологій і утилізації відходів промислових виробництв" і пов'язана з планами робіт Мінвуглепрому України в 1996-2000 рр., які спрямовані на підвищення ефективності збагачення вугілля.

Основна ідея роботи полягає у використанні байпасування гідросуміші з ежектуванням в усмоктувальному трубопроводі насосу для забезпечення стійких режимів плину у внутрішньофабричних гідротранспортних установках (ВГУ).

Мета роботи полягає в підвищенні стабільності й ефективності технологій переробки вугілля за рахунок цілеспрямованої зміни гідродинамічних параметрів процесу перерозподілу потоків гідросуміші у ВГУ.

Для її реалізації були поставлені та розвўязані такі задачи:
1. Обґрунтувати діапазони зміни параметрів процесів стійкого гідротранспортування пульпи різного гранулометричного складу з урахуванням технологічних обмежень і параметрів збагачувального устаткування.
2. Експериментально дослідити способи реалізації спрямованої зміни гідродинамічних параметрів плину у ВГУ шляхом перерозподілу потоків.
3. Обґрунтувати параметри процесів гідротранспортування пульп у технологіях переробки вугілля і визначити їхній вплив на ефективність ВГУ.
4. Розробити методику розрахунку параметрів пристрою для регулювання режиму течії у ВГУ шляхом перерозподілу потоків гідросуміші, що забезпечує її усталену роботу.

Об'єкт дослідження – внутрішньофабричний гідротранспорт технологій вуглезбагачення.
Предмет дослідження – процеси перерозподілу потоків і стійкість плину гідросуміші з різним гранулометричним складом.
Наукове значення роботи полягає в розробці моделей стійкого гідротранспортування вугільних пульп різного гранулометричного складу з урахуванням процесів перерозподілу потоків; у встановленні залежності ефективності експлуатації внутрішньофабричної гідротранспортної установки від режиму плину й обраного методу забезпечення його стійкості.

Наукові положення що виносяться автором на захист.
1. Відношення швидкостей пульпи в трубопроводі ВГУ до та під час байпасування обернено пропорційно квадрату відноненню діаметрів байпасу та усмоктувального трубопроводу.
2. При перерозподілі витрат гідросуміші у ВГУ стійкий режим плину забезпечується, якщо відношення діаметрів байпаса й усмоктувального трубопроводу більше 0,24.
3. Критична швидкість плину пульпи у внутрішньофабричних гідротранспортних установках зумовлюється значенням критичної концентрації гідросуміші, яка прямо пропорційна фіктивному напору насосу при нульовій подачі і обернено пропорційна погонному модулю трубопроводу.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:
-- обґрунтовано умови стійких режимів плину вугільних пульп з різним гранулометричним складом у ВГУ з насосами відцентрового типу, що враховують характеристики зовнішньої мережі, збагачувального і насосного устаткування;
-- розроблено моделі плину вугільних пульп з урахуванням процесів перерозподілу потоків, основу яких складає байпасування з ежектуванням в усмоктувальному трубопроводі ВГУ;
-- вперше встановлені залежності, що визначають вплив властивостей різнофракційних вугільних пульп, режиму їхнього плину й обраного методу забезпечення його стійкості, а також параметрів зовнішньої мережі на ефективність роботи ВГУ.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:
-- розроблена і впроваджена методика розрахунку параметрів пристрою, що забезпечує стійкі режими плину вугільних пульп у ВГУ шляхом байпасування з ежектуванням в усмоктувальному трубопроводі;
-- розроблені й впроваджені рекомендації з вибору та обґрунтування параметрів процесів гідротранспортування пульп у технологіях переробки вугілля;
-- розроблено засіб управління та запропоновано спосіб діагностування режиму плину пульпи у ВГУ вуглезбагачувальних фабрик, що дозволяє контролювати і коригувати її параметри, у тому числі безпосередньо перед пуском.

Реалізація результатів роботи. Методика розрахунку параметрів пристрою, що забезпечує стійкі режими плину гідросуміші у ВГУ шляхом її байпасування з ежектуванням в усмоктувальному трубопроводі та рекомендації щодо обґрунтування параметрів процесів гідротранспортування передані в ІГТМ НАН України, інститути УкрНІІВуглезбагачення і Гіпромашвуглезбагачення, Донецький національний технічний університет, де використовуються для удосконалення існуючих і проектування нових схем збагачення вугілля. Спосіб регулювання режиму роботи відцентрового насоса і пристрій для його реалізації впроваджені в умовах Моспинського РМЗ, ЦЗФ "Моспинська", ЦЗФ "Чумаковська" і ТОВ "Східвуглепереробка". Очікуваний економічний ефект складає 367 тис. грн./рік.

Апробація роботи. Результати дисертаційної роботи доповідалися на науково-практичних семінарах у Донецькому державному технічному університеті, Інституті геотехнічної механіки НАН України, на III науковій школі “Импульсные процессы в механике сплошных сред” у м.Миколаєві (вересень 1999 г), 15-й щорічній Міжнародній науково-технічній конференції "Прогрессивные технологии в машиностроении. Технология 2000" у м.Одесі (квітень 2000 р.).

Публикації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 13 наукових роботах, в тому числі 7 у наукових фахових виданнях.
Структура й об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновку і 7 додатків, які викладені на 211 сторінках друкованого тексту, включаючи 49 малюнків і таблиць, та список використаних джерел із 168 найменувань.
Особистий внесок автора. Автором дисертації визначена ціль, ідея роботи, поставлені задачі досліджень, сформульовані наукові положення, висновки, рекомендації, проаналізовані й узагальнені результати теоретичних та експериментальних досліджень. Експериментальні дослідження, розробка методики й рекомендацій, а також упровадження результатів роботи виконані при безпосередній участі автора. Текст дисертації написаний автором особисто.

Методи дослідження. У роботі використано комплексний метод, що включає експериментальні дослідження в промислових умовах і теоретичні дослідження процесів гідротранспортування вугільних пульп різного гранулометричного складу та режимів роботи гідравлічних систем під час цілеспрямованого перерозподілу потоків. Використано апробовані методи гідродинаміки гетерогенних середовищ і гідравліки, моніторинг відцентрових насосів, що експлуатуються в умовах вуглезбагачувальних фабрик, а також стандартні методи й устаткування.

Основний зміст роботи

Основними видами транспортування на вуглезбагачувальних фабриках є напірний і самопливний гідротранспорт. Отже, внутрішньофабричні гідротранспортні установки (ВГУ) є обов'язковими елементами технологічних схем вуглезбагачення. При цьому в ряді випадків апарати і машини є елементами мережі насосних установок, тому режими роботи ВГУ безпосередньо впливають на якісні показники процесу збагачення. У цьому разі відхилення режимів роботи ВГУ від номінальних призводять не тільки до зниження експлуатаційної надійності насосів, але й до погіршення показників збагачення та підвищення енерговитрат.

З метою аналізу процесів і обґрунтування параметрів ВГУ в цій роботі запропоновані гідродинамічні моделі плину гідросуміші різного гранулометричного складу, які враховують лінійну апроксимацію характеристики насоса і використовують формули О.Є. Смолдирьова для обчислення гідравлічних ухилів. З огляду на різний характер руху під час гідротранспортування твердих часток різних розмірів розглянути: тонкі класи (0-0,25 мм); дрібні класи (0,25-3 мм); кускові класи (+3 мм). Для кожного з цих випадків запропоновані рівняння для розрахунку подачі ВГУ й умови стійкого плину гідросуміші в усмоктувальному трубопроводі, у вигляді нерівностей.

Запропоновані умови стійкого плину для кожного варіанта гранулометричного складу гідросуміші справедливі за умов відсутності кавітації в усмоктувальному трубопроводі й у проточній частині насоса при надкритичному плині. Аналіз отриманих рівнянь показує, що їх аналітичне рішення існує тільки для тонких і кускових фракцій. При цьому управляти режимом плину гідросуміші під час експлуатації ВГУ можна або цілеспрямованою зміною потоків, або зміною величини погонного модуля трубопроводу m.

На основі отриманих результатів були розроблені "Методика расчета параметров устройства, обеспечивающего устойчивые режимы течения во внутрифабричной гидротранспортной установке путем байпассирования с эжектированием во всасывающем трубопроводе" і "Рекомендации по выбору и обоснованию параметров процессов гидротранспортирования пульп в технологиях переработки угля", які впроваджені в ІГТМ НАН України, інститутах УкрНІІвуглезбагачення, Гіпромашвуглезбагачення та Донецькому національному технічному університеті, де використовуються для удосконалення існуючих і проектування нових схем збагачення вугілля.

Розроблений засіб діагностування і запропонований метод управління режимом плину гідросуміші у ВГУ шляхом цілеспрямованого перерозподілу потоків і спосіб його реалізації були впроваджені на ЦЗФ “Моспинська”, ЦЗФ “Чумаківська”, ТОВ "Східвуглепереробка" і Моспинському РМЗ. Очікуваний економічний ефект від упровадження склав 367 тис. грн./рік.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій визначаються коректністю постановок задач, що розв'язувались, відповідністю розроблених моделей реальним умовам, використанням апробованих методів гідродинаміки гетерогенних середовищ і відомих експериментально-аналітичних залежностей параметрів гідротранспортування вугільних пульп, а також підтверджуеться позитивними результатами промислових випробувань.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій розвўязана актуальна науково-практична задача підвищення стабільності й ефективності технологій збагачення вугілля на основі обґрунтування параметрів процесів гідротранспортування пульпи при цілеспрямованому перерозподілі потоків у внутрішньофабричних гідротранспортних установках, що має важливе народногосподарське значення для вуглепереробної галузі.

У процесі виконання роботи отримані такі підсумкові наукові висновки і практичні результати:

1. Досліджено вплив параметрів ВГУ і збагачувального устаткування на режим плину вугільних пульп різного гранулометричного складу і сформульовано умови стійкого режиму плину гідросуміші у ВГУ.

2. Експериментально оцінені способи і засоби реалізації цілеспрямованої зміни гідродинамічних параметрів плину у ВГУ шляхом перерозподілу потоків, що дозволило розробити рекомендації з вибору й обґрунтування параметрів процесів гідротранспортування пульп у технологіях переробки вугілля.

3. Визначено вплив режимів плину гідросуміші різного гранулометричного складу на ефективність ВГУ, що дозволило сформулювати умови регулювання гідротранспортної установки шляхом перерозподілу потоків гідросуміші.

4. Розроблено математичну модель процесів плину гідросуміші у ВГУ у вигляді нелінійної системи рівнянь, що визначають зміну подачі і напору установки під час байпасування; на основі отриманих результатів були аппроксимовані залежності основних параметрів плину в процесі регулювання.

5. Експериментально визначено, що при перерозподілі витрат гідросуміші у ВГУ стійкий режим плину забезпечується при величині відношення діаметрів байпаса й усмоктувального трубопроводу більше 0,24, що дозволяє регулювати режим течії гідросуміші в ВГУ у широкому діапазоні умов, в тому числі з запобіганням кавітації.

6. Розроблено і науково обґрунтовано спосіб діагностування режиму плину пульпи у ВГУ вуглезбагачувальних фабрик, що дозволяє контролювати і коригувати її параметри безпосередньо перед запуском.

7. Розроблено, теоретично обґрунтовано й експериментально випробувано регулюючий пристрій для відцентрового насоса НШ-250-34, який дозволяє здійснювати байпасування з ежектуванням в усмоктувальному трубопроводі.

8. В результаті проведених досліджень розроблена методика розрахунку параметрів пристрою регулювання гідротранспортної установки, яка передана в інститути УкрНІІВуглеозбагачення, Гіпромашвуглезбагачення та ІГТМ НАН України, Донецькому нацыональному технічному університеті, а також на ЦЗФ “Моспинська”, ЦЗФ “Чумаківська”, ТОВ "Східвуглепереробка" і Моспинському РМЗ, де використовуеться для удосконалення існуючих і проектування нових схем збагачення вугілля. Очікуваний економічний ефект від упровадження результатів дисертаційної роботи складає 367 тис. грн./рік.