Науковий керівник: д.т.н., проф. Кононенко Анатолій Петрович
1. Проблема та її зв'язок з науковими та практичними завданнями.
Зміна тиску газорідинного потоку по висоті підйомної труби ерліфта призводить до відповідної зміни гідродинамічних параметрів водоповітряної суміші, а, найчастіше, і її структури. Підвищення енергетичної ефективності газорідинних підйомників припускає можливість кількісної оцінки розподілу підведеної до апарата потужності, в тому числі, і по висоті підйомної труби. Такий аналіз необхідно виконувати для характерних режимів роботи ерліфта, одним з яких є режим максимальної подачі. Поряд зі снарядної і емульсійної, в ерліфта можлива реалізація кільцевої структури водоповітряної суміші, особливо при роботі на малих відносних зануреннях змішувача (α <0,2), що має місце, зокрема, при чистках зумпфів скіпових стволів вугільних шахт та ін Тому кількісний аналіз розподілу гідродинамічних параметрів кільцевого водоповітряного потоку по висоті підйомної труби ерліфта в режимі його максимальної подачі є актуальним науковим і практичним завданням.
2. Аналіз досліджень і публікацій.
Аналіз зміни гідродинамічних параметрів, переважно тисків і потужностей, в [1, 2, 3] виконаний в залежності від витрати стисненого повітря газорідинним підіймальником. Закономірності розподілу газосодержания, плотностей, швидкостей газорідинної суміші та її компонентів, а також тисків і потужностей водоповітряних потоків по висоті підіймальної труби ерліфта в зазначених роботах не розглядалися. Аналогічна задача вирішена в [4] стосовно снарядної структурі газорідинної суміші в підіймальної трубі ерліфта. Однак, враховуючи принципові відмінності як у фізичних основах снарядної і кільцевої структур водоповітряних потоків [5], так і принципах математичного моделювання робочих процесів ерліфтів з даними структурами [6, 7], слід очікувати відмінностей в закономірностях зміни гідродинамічних параметрів газорідинних потоків з кільцевою структурою від відомих встановлених закономірностей стосовно снарядному потоку двофазної суміші в ерліфта.
3. Постановка завдання.
Для режиму максимальної подачі, як одного з характерних режимів роботи ерліфта, встановити закономірності зміни гідродинамічних параметрів кільцевого водоповітряного потоку по висоті вертикальної підіймальної труби газорідинного підіймальника
4. Виклад матеріалу і результати.
При кільцевою структурою водоповітряного потоку у вертикальній підіймальної трубі ерліфта будемо розуміти таку, при якій плівка рідини товщиною δ (z) рухається по внутрішній стінці, а газ з крапельними та близькими до них включеннями рідини утворює ядро потоку. Між газорідинним ядром потоку і плівкою рідини має місце массообмен за рахунок віднесення і осадження крапель.
Анімований рисунок 1.1 - Пускові режими ерліфта (позиції: 1 - повітроподавальних труба; 2 - змішувач; 3 - труба, що підводить; 4 - підіймальна труба, 5 - воздухоотделітель)
(Кількість кадрів - 21, кількість повторень необмежена, розмір 109КВ, створений в Easy GIF Animator 2.0)
Рисунок 1.2 - Схема ерліфта з кыльцевою структурою водоповітряного потоку в підіймальнії трубі
Рисунок 1.3 - Епюри осереднених швидкостей компонентів кільцевого водоповітряного потоку в підіймальній трубі ерліфта
Рішення системи рівнянь з урахуванням масообміну між гомогенним ядром і пристенной плівкою кільцевої структури двофазного потоку для ерліфтів з підйомними трубами діаметрами D = 20 ÷ 400 мм і довжиною H + h = 5 ÷ 50 м при відносних геометричних зануреннях α = 0,05 ÷ 0,20 знайти не вдалося. Пояснити це можливо обмеженим діапазоном використання емпіричних залежностей для визначення інтенсивності крапельного масообміну між ядром газорідинного потоку і пристенной плівкою. До того ж ці залежності, як видно, були отримані для умов, відмінних від мають місце в водоповітряних потоках газорідинних підйомників. Тому емпіричні залежності по інтенсивності масообміну між ядром і плівкою кільцевого потоку в ерліфта вимагають експериментального уточнення. Для можливості кількісної оцінки робочого процесу ерліфта з кільцевою структурою водоповітряної суміші розрахунки виконані при допущенні відсутності масообміну між ядром потоку і пристенной плівкою і умови сталості товщини плівки по всій висоті підйомної труби. Кількісні розрахунки з використанням математичної моделі робочого процесу газорідинного підйомника з кільцевою структурою водоповітряного потоку проведені для ерліфтів з підйомними трубами діаметрами D = 100 ÷ 250 мм і довжиною H + h = 11,7 ÷ 31,2 м, геометричними зануреннями змішувачів h = 1,28 ÷ 4,32 м (відносними геометричними зануреннями α = 0,070 ÷ 0,205). Виконано порівняння розрахункових і експериментально визначених подач ерліфтів в оптимальному режимі і режимі максимальної подачі при кільцевої структурі суміші, а також порівняння розрахункової і експериментальної витратних характеристик підйомника з підйомною трубою D = 150 мм, H + h = 11,7 м. Розрахунки виконані як з використанням математичної моделі з постійним заданим тиском у змішувачі «р-const», так і з постійним геометричним зануренням змішувача «h-const» і обчисленням втрат напору в прямому трубі за методикою, застосовуваної для насадков.
Модель «р-const» використана також для розрахунків гідродинамічних параметрів кільцевого водоповітряного потоку в ерліфта з підйомною трубою D = 150 мм, H + h = 11,7 м, хоча геометрична характеристика труби, що подає підйомника відома (d = 30 мм, l = 460 мм).Застосування експериментально виміряного тиску в змішувачі, яке в даному діапазоні витрат стисненого повітря має досить стабільне значення РСМ = 14,9 кПа.
Відхилення розрахункових подач ерліфтів в оптимальних режимах і режимах максимальних подач від експериментально отриманих даних при кільцевої структурі не перевищує 30%.
Таким чином, навіть без урахування масообміну між газорідинним ядром потоку і пристенной плівкою розроблена математична модель задовільно описує робочий процес ерліфта з кільцевою структурою водоповітряного потоку.
Аналіз розподілу тисків і потужностей водоповітряного потоку з кільцевою структурою виконаний на прикладі ерліфта з підйомною трубою діаметром D = 150 мм, довжиною H + h = 11,7 м, що подає трубою діаметром d = 30 мм і довжиною l = 460 мм при геометричному зануренні змішувача h = 2,4 м (відносне геометричне занурення змішувача α = 0,205).
Прийнято допущення правомірності використання математичної моделі робочого процесу ерліфта з кільцевою структурою водоповітряного потоку у всьому розглянутому діапазоні зміни витрат повітря, кількісні розрахунки зроблені при постійному тиску в змішувачі «р-const», рівному експериментально виміряного РСМ = 0,152 кгс/см2 (14,9 кПа ).
При побудові безрозмірною видаткової характеристики газорідинного підйомника в якості базисних були прийняті значення витрат повітря і подачі ерліфта в режимі максимальної подачі Qв.макс = 19,2 м3/хв (0,32 м3 / с), Qе.макс = 7,20 м3 / ч (0,002 м3 / с)
Вперше для ерліфтів з підйомними трубами діаметрами D = 100 ÷ 250 мм при кільцевої структурі водоповітряного потоку показано, що для режиму максимальної подачі відносна потужність, що компенсує втрати на ковзання, знаходиться в межах 75 ÷ 95%. Частина поведений потужності витрачається на подолання сили тяжіння і компенсацію втрат на тертя і прискорення.
Для ерліфта з підйомною трубою діаметром D = 150 мм і довжиною H + h = 11,7 м при геометричному зануренні змішувача h = 2,4 м в режимі максимальної подачі та кільцевої структурі водоповітряної суміші в якості прикладу наведені значення гідродинамічних параметрів двофазного потоку по висотіпідйомної труби. Об'ємне витратне газосодержание знаходиться в межах β = 0,993 ÷ 0,994, істинне газосодержание - φ = 0,948 ÷ 0,956. Щільність ядра газорідинного потоку зменшується від ρ = 4,85 кг/м3 на рівні змішувача до 4,21 кг/м3 на виході з підйомної труби, а швидкість гомогенного ядра - збільшується (від wc = 18,0 м / с до wc = 20, 7 м / с) при постійній швидкості води в пристінній плівці 0,482 м / с через прийнятого допущення відсутності масообміну між гомогенним ядром і пристенной плівкою кільцевої структури потоку та сталості товщини плівки по висоті підйомної труби.Обчислено також зміни тисків і потужностей водоповітряної суміші по висоті підйомної труби, що компенсують сили тяжіння, тертя і прискорення, а також втрати на ковзання фаз.
Рисунок 2 - Безрозмірна видаткова характеристика ерліфта
Рисунок 3 - Зміна відносних тисків в ерліфті
Рисунок 4 - Зміна відносних підведених потужностей в ерліфті
Рисунок 5 - Зміна відносних потужностей в ерліфті
Рисунок 6 - Гідравлічна схема лабораторної ерліфтної установки
Гідравлічна схема лабораторної ерліфтного установки наведена на рис. 6. З метою отримання більшої інформації про процеси, що відбуваються в ерліфта при роботі з малими абсолютними і відносними зануреннями, всі основні його елементи (подає і підйомна труби труби, змішувач) були виконані прозорими (з оргскла). Діаметр підйомної труби 3 ерліфта дорівнює 0,14 м, довжина - 4,67 м.
Для створення занурення ерліфта використовувався металевий бак 6. Вода в бак подавалася по трубопроводу Ø 0,0105 м за допомогою насоса 7. Контроль занурення змішувача ерліфта здійснювався за допомогою водомірного скла 17, встановленого на баку.
Як джерело стисненого повітря була турбогазодувка (поз. 9) ТГ-50-1, 9 з максимальним надлишковим тиском 9х МПа.Регулювання витрати стисненого повітря, що надходить в ерліфт по повітропроводу (поз. 2) Ø 0,105 м, здійснювалося за допомогою засувки 15, встановленої на повітропроводі, і засувки 10 для скидання надлишку повітря в атмосферу.
Для вимірювання витрати стисненого повітря в ерліфта використовувалася нормальна діафрагма 12, Ø 67,2 мм з кільцевими камерами. Вимірювання перепаду тиску на діафрагмі і тиску перед діафрагмою проводилося за допомогою U-образних монометра 13, заповнених відповідно водою і ртуттю.
Гідравлічна схема лабораторної ерліфтного установки замкнута: вода, що піднімається ерліфтом, після повітроохолоджувача 4 направляється в трикутний водозлив 5, а потім скидається в бак.
Рисунок 7 - Видаткова характеристика ерліфта, отримана за традиційною методикою 1, (Qпmax1 = 22,7 м3/хв; D1 = 168 мм) за уточненою методикою 2 (Qпmax2 = 19,2 м3/хв; D2 = 150 мм) H + h = 11, 7 м, α = 0,205
5. Висновки та напрямок подальших досліджень.
Удосконалено модель робочого процесу ерліфта зі снарядної структурою водоповітряного потоку в підіймальної трубі, яка дозволяє визначати кількісні значення гідродинамічних параметрів двофазної суміші і отримувати видаткові та потужності характеристики підіймальника. Достовірне математичний опис робочого процесу ерліфта дозволить уточнити способи підвищення його енергетичної ефективності.
1. Пірвердян А.М. Теоретичні основи підйому рідини стисненим повітрям. Азербайджанське нафтове господарство, N1, 1951, с. 16-19.
2. Пірвердян А.М. Фізичні основи підйому рідини стисненим повітрям. Азербай-джанске нафтове господарство, N10, 1951, с. 4-7.
3. Кутателадзе С.С., Стиріковіч М.А. Гідродинаміка газорідинних систем. 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: Енергія, 1976, - 296 с.
4. Нігматулін Р.І. Динаміка многофаз-них середовищ. - М.: Наука, Гл. ред. фіз.мат. лит., 1987. - 360 с.
5. Уолліс Г. Одномірні двофазні течення. М.: Світ, 1972. - 440 с.
6. Арманд А.А. Дослідження механізму руху двофазної суміші у вертикальній трубі. У кн.: Гідродинаміка та теплообмін при кипінні в котлах високого тиску. М.: Изд-во АН СРСР, 1955, с. 21-34.
7. Дослідження турбулентних течій двофазних середовищ / Под ред. Кутателадзе С.С., Новосибірськ, 1973. - 315 с.
8. Маркович Е.Е. Освіта і довжина рідких пробок у газліфтних свердловинах. Нефтяне господарство, 1991, N12, с.22-23.
9. Айтеміров З.А. Деякі питання руху пробкової структури газонафтового потоку. Изв. ВНЗ, Нафта і газ, 1969, N8, с. 39-41.
10. Рух газорідинних сумішей в трубах / Мамаєв В.А., Одішарія Г.Е., Клапчук О.В., Точігін А.А., Семенов Є.І. М.: Недра, 1978. - 271 с.
11. Субботін В.І., похваливши Ю.Є., Міхайлов Л.Є., Кронін І.В., Леонов В.А. Часові та структурні характеристики газорідкустного потоку при снарядному течії. Тепло-енергетика, 1976, N1, с.67-70.
12. Субботін В.І., похваливши Ю.Є., Леонов В.А. Структура снарядного пароводяного потока. Теплоенергетика, 1977, N7, с.65-67.
13. Гриценко О.І., Клапчук О.В., харчоко Ю.А. Гідродинаміка газорідинних сумішей в свердловинах та трубопроводах. М.: Недра, 1994. - 238 с.
14. Кононенко А.П. Зміна гідродинамічних параметрів снарядного водоповітряного потоку по висоті підіймальної труби ерліфта. Доступ до ел. ресурсу: [http://visnyk.sumdu.
edu.ua/arhiv/2006/12(96)/2_Kononenko.pdf]
Повернутися в початок
1. Проблема та її зв'язок з наук.та практичн.завданнями
ДонНТУ © 2011-2012