1. Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.
Изменение давления газожидкостного потока по высоте подъемной трубы
эрлифта приводит к соответствующему изменению гидродинамических
параметров водовоздушной смеси, а, зачастую, и ее структуры.
Повышение энергетической эффективности газожидкостных
подъемников предполагает возможность количественной оценки
распределения подведенной к аппарату мощности, в том числе, и по высоте
подъемной трубы. Такой анализ необходимо выполнять для характерных
режимов работы эрлифта, одним из которых является режим максимальной
подачи.
Наряду со снарядной и эмульсионной, в эрлифте возможна реализация
кольцевой структуры водовоздушной смеси, особенно при работе на малых
относительных погружениях смесителя (α < 0,2), что имеет место, в
частности, при чистках зумпфов скиповых стволов угольных шахт и др.
Поэтому количественный анализ распределения гидродинамических
параметров кольцевого водовоздушного потока по высоте подъемной трубы
эрлифта в режиме его максимальной подачи является актуальной научной и
практической задачей.
2. Анализ исследований и публикаций.
Анализ изменения гидродинамических параметров, преимущественно давлений и мощностей, в
[1, 2, 3] выполнен в зависимости от расхода сжатого воздуха газожидкостным
подъемником. Закономерности распределения газосодержаний, плотностей,
скоростей газожидкостной смеси и ее компонентов, а также давлений и
мощностей водовоздушных потоков по высоте подъемной трубы эрлифта в
указанных работах не рассматривались.
Аналогичная задача решена в [4] применительно к снарядной структуре
газожидкостной смеси в подъемной трубе эрлифта. Однако, учитывая
принципиальные отличия как в физических основах снарядной и кольцевой
структур водовоздушних потоков [5], так и принципах математического моделирования рабочих процессов эрлифтов с данными структурами [6, 7],
следует ожидать отличий в закономерностях изменения гидродинамических
параметров газожидкостных потоков с кольцевой структурой от известных
установленных закономерностей применительно к снарядному потоку
двухфазной смеси в эрлифте.
3. Постановка задачи.
Для режима максимальной
подачи, как одного из
характерных режимов работы
эрлифта, установить
закономерности изменения
гидродинамических параметров
кольцевого водовоздушного
потока по высоте вертикальной
подъемной трубы
газожидкостного подъемника.
4. Изложение материала и результаты.
При кольцевой структурой водовоздушного потока в вертикальной подъемной трубе эрлифта будем понимать таковую, при которой пленка жидкости толщиной δ(z) движется по внутренней стенке, а газ с капельными и близкими к ним включениями жидкости образует ядро потока. Между газожидкостным ядром потока и пленкой жидкости имеет место массообмен за счет уноса и осаждения капель.
Анимированный рисунок 1.1 - Пусковые режимы эрлифта (позиции: 1 - воздухоподающая труба; 2- смеситель; 3 - подводящая труба; 4 - подъёмная труба; 5 - воздухоотделитель)
(количество кадров - 21, количество повторений неограничено, размер 109КВ, создан в Easy GIF Animator 2.0)
Рисунок 1.2 - Схема эрлифта с кольцевой структурой водовоздушного потока в подъёмной трубе эрлифта
Рисунок 1.3 - Эпюры осредненных скоростей компонентов кольцевого водовоздушного потока в подъемной трубе эрлифта
Решения системы уравнений с учетом массообмена между гомогенным ядром и пристенной пленкой кольцевой структуры двухфазного потока для эрлифтов с подъемными трубами диаметрами D = 20÷400 мм и длинами H+h = 5÷50 м при относительных геометрических погружениях α = 0,05÷0,20 найти не удалось. Объяснить это возможно ограниченным диапазоном использования эмпирических зависимостей для определения интенсивности капельного массообмена между ядром газожидкостного потока и пристенной пленкой. К тому же эти зависимости, по всей видимости, были получены для условий, отличных от имеющих место в водовоздушных потоках газожидкостных подъемников. Поэтому эмпирические зависимости по интенсивности массообмена между ядром и пленкой кольцевого потока в эрлифтах требуют экспериментального уточнения.
Для возможности количественной оценки рабочего процесса эрлифта с кольцевой структурой водовоздушной смеси расчеты выполнены при допущении отсутствия массообмена между ядром потока и пристенной пленкой и условии постоянства толщины пленки по всей высоте подъемной трубы. Количественные расчеты с использованием математической модели рабочего процесса газожидкостного подъемника с кольцевой структурой водовоздушного потока проведены для эрлифтов с подъемными трубами диаметрами D = 100÷250 мм и длинами H+h = 11,7÷31,2 м, геометрическими погружениями смесителей h = 1,28÷4,32м (относительными геометрическими погружениями α = 0,070÷0,205). Выполнено сравнение расчетных и экспериментально определенных подач эрлифтов в оптимальном режиме и режиме максимальной подачи при кольцевой структуре смеси, а также сравнение расчетной и экспериментальной расходных характеристик подъемника с подъемной трубой D = 150 мм, H+h = 11,7 м.
Расчеты выполнены как с использованием математической модели с постоянным задаваемым давлением в смесителе «р–const», так и с постоянным геометрическим погружением смесителя «h–const» и вычислением потерь напора в подающей трубе по методике, применяемой для насадков.
Модель «р–const» использована также для расчетов гидродинамических параметров кольцевого водовоздушного потока в эрлифте с подъемной трубой D = 150 мм, H+h = 11,7 м, хотя геометрическая характеристика подающей трубы подъемника известна (d = 30 мм, l = 460 мм). Применение для данного случая модели «р–const» обусловлено известным значением экспериментально измеренного давления в смесителе, которое в рассматриваемом диапазоне расходов сжатого воздуха имеет достаточно стабильное значение рсм = 14,9 кПа.
Отклонение расчетных подач эрлифтов в оптимальных режимах и режимах максимальных подач от экспериментально полученных данных при кольцевой структуре не превышает 30%.
Таким образом, даже без учета массообмена между газожидкостным ядром потока и пристенной пленкой разработанная математическая модель удовлетворительно описывает рабочий процесс эрлифта с кольцевой структурой водовоздушного потока.
Анализ распределения давлений и мощностей водовоздушного потока с кольцевой структурой выполнен на примере эрлифта с подъемной трубой диаметром D = 150 мм, длиной H+h = 11,7 м, подающей трубой диаметром d = 30 мм и длиной l = 460 мм при геометрическом погружении смесителя h = 2,4 м (относительное геометрическое погружение смесителя α = 0,205).
Принято допущение правомерности использования математической модели рабочего процесса эрлифта с кольцевой структурой водовоздушного потока во всем рассматриваемом диапазоне изменения расходов воздуха, количественные расчеты произведены при постоянном давлении в смесителе «р-const», равном экспериментально измеренному рсм = 0,152 кгс/см2 (14,9 кПа).
При построении безразмерной расходной характеристики газожидкостного подъемника в качестве базисных были приняты значения расходов воздуха и подачи эрлифта в режиме максимальной подачи
Qв.макс = 19,2 м3/мин (0,32 м3/с),
Qэ.макс = 7,20 м3/ч (0,002 м3/с)
Впервые для эрлифтов с подъемными трубами диаметрами D = 100÷250 мм при кольцевой структуре водовоздушного потока показано, что для режима максимальной подачи относительная мощность, компенсирующая потери на скольжение, находится в пределах 75÷95%. Оставшаяся часть поведенной мощности затрачивается на преодоление силы тяжести и компенсацию потерь на трение и ускорение.
Для эрлифта с подъемной трубой диаметром D = 150 мм и длиной H+h = 11,7 м при геометрическом погружении смесителя h = 2,4 м в режиме максимальной подачи и кольцевой структуре водовоздушной смеси в качестве примера приведены значения гидродинамических параметров двухфазного потока по высоте подъемной трубы. Объемное расходное газосодержание находится в пределах β = 0,993÷0,994, истинное газосодержание – φ = 0,948÷0,956. Плотность ядра газожидкостного потока уменьшается от ρ = 4,85 кг/м3 на уровне смесителя до 4,21 кг/м3 на выходе из подъемной трубы, а скорость гомогенного ядра – увеличивается (от wc = 18,0 м/с до wc = 20,7 м/с) при постоянной скорости воды в пристенной пленке 0,482 м/с из-за принятого допущения отсутствия массообмена между гомогенным ядром и пристенной пленкой кольцевой структуры потока и постоянства толщины пленки по высоте подъемной трубы. Вычислены также изменения давлений и мощностей водовоздушной смеси по высоте подъемной трубы, компенсирующие силы тяжести, трения и ускорения, а также потери на скольжение фаз.
Рисунок 2 - Безразмерная расходная характеристика эрлифта
Рисунок 3 - Изменение относительных давлений в эрлифте
Рисунок 4 - Изменение относительных
подведенных мощностей в эрлифте
Рисунок 5 - Изменение относительных мощностей
в эрлифте
Рисунок 6 - Гидравлическая схема лабораторной эрлифтной установки
Гидравлическая схема лабораторной эрлифтной установки приведена на рис. 6. С целью получения большей информации о процессах, происходящих в эрлифте при работе с малыми абсолютными и относительными погружениями, все основные его элементы (подающая и подъёмная трубы трубы, смеситель) были выполнены прозрачными (из оргстекла). Диаметр подъёмной трубы 3 эрлифта равен 0,14 м, длина – 4,67 м.
Для создания погружения эрлифта использовался металлический бак 6. Вода в бак подавалась по трубопроводу Ø 0,0105 м с помощью насоса 7. Контроль погружения смесителя эрлифта осуществлялся с помощью водомерного стекла 17, установленного на баке.
В качестве источника сжатого воздуха являлась турбогазодувка (поз. 9) ТГ-50-1,9 с максимальным избыточным давлением 9х МПа. Регулирование расхода сжатого воздуха, поступающего в эрлифт по воздухопроводу (поз. 2) Ø 0,105 м, осуществлялось с помощью задвижки 15, установленной на воздухопроводе, и задвижки 10 для сброса избытка воздуха в атмосферу.
Для измерения расхода сжатого воздуха в эрлифте использовалась нормальная диафрагма 12, Ø 67,2 мм с кольцевыми камерами. Измерение перепада давления на диафрагме и давления перед диафрагмой производилось при помощи U-образных монометров 13, заполненных соответственно водой и ртутью.
Гидравлическая схема лабораторной эрлифтной установки замкнутая: вода, поднимаемая эрлифтом, после воздухоохладителя 4 направляется в треугольный водослив 5, а затем сбрасывается в бак.
Рисунок 7 - Расходная характеристика эрлифта, полученная
по традиционной методике 1, (QВmax1 =22,7 м3/мин; D1 = 168 мм)
по уточнённой методике 2 (QВmax2 =19,2 м3/мин; D2 = 150 мм)
H+h = 11,7 м, α = 0,205
5. Выводы и направление дальнейших исследований.
Работа связана с решением актуальной научной технической задачи, которая состоит в повышении энергетической эффективности гидромеханических установок для чистки шахтных подземных емкостей за счёт обоснования рациональных параметров рабочего процесса малопогружного эрлифта с учётом сил трения между гомогенным водовоздушным ядром и пристенной жидкостной плёнкой при кольцевой структуре водовоздушного потока в вертикальной подъёмной трубе, что обеспечивает снижение энергоёмкости эрлифтной установки на 12-15%
1. Пирвердян А.М. Теоретические основы подъема жидкости сжатым воздухом. Азербайджанское нефтяное хозяйство, N1, 1951, с. 16-19.
2. Пирвердян А.М. Физические основы подъема жидкости сжатым воздухом. Азербай-джанское нефтяное хозяйство, N10, 1951, с. 4-7.
3. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1976, - 296 с.
4. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. ч. ??. – М.: Наука, Гл. ред. физ.мат. лит., 1987. – 360 с.
5. Уоллис Г. Одномерные двухфазные те-чения. М.: Мир, 1972. – 440 с.
6. Арманд А.А. Исследование механизма движения двухфазной смеси в вертикальной трубе. В кн.: Гидродинамика и теплообмен при кипении в котлах высокого давления. М.: Изд-во АН СССР, 1955, с. 21-34.
7. Исследование турбулентных течений двухфазных сред/ Под ред. Кутателадзе С.С., Новосибирск, 1973. – 315 с.
8. Маркович Э.Э. Образование и длина жидких пробок в газлифтных скважинах. Неф-тяное хозяйство, 1991, N12, с.22-23.
9. Айтемиров З.А. Некоторые вопросы движения пробковой структуры газонефтяного потока. Изв. ВУЗов, Нефть и газ, 1969, N8, с. 39-41.
10. Движение газожидкостных смесей в трубах / Мамаев В.А., Одишария Г.Э., Клапчук О.В., Точигин А.А., Семенов Е.И. М.: Недра, 1978. – 271 с.
11. Субботин В.И., Похвалов Ю.Е., Михайлов Л.Е., Кронин И.В., Леонов В.А. Времен-ные и структурные характеристики газожидко-стного потока при снарядном течении. Тепло-энергетика, 1976, N1, с.67-70.
12. Субботин В.И., Похвалов Ю.Е., Леонов В.А. Структура снарядного пароводяного пото-ка. Теплоэнергетика, 1977, N7, с.65-67.
13. Гриценко А.И., Клапчук О.В., Харчен-ко Ю.А. Гидродинамика газожидкостных смесей в скважинах и трубопроводах. М.: Недра, 1994. – 238 с.
14. Кононенко А.П. Изменение гидродинамических параметров снарядного водовоздушного потока по высоте подъёмной трубы эрлифта. Доступ к эл. ресурсу:
[http://visnyk.sumdu.edu.ua/arhiv/2006/12(96)/2_Kononenko.pdf]
Вернуться в начало
1.Проблема и ее связь с научн. и практич. задачами
ДонНТУ © 2011-2012