L. Koziriatsky (docteur ès science, professeur),
A. Yatsenko (docteur ès science, professeur),
V. Prishchenko (maitre),
Université nationale technique de Donetsk×
DETERMINATION DES PARAMETRES OPTIMAUX DU COMPLEXE DE DRAGEUSE-SUSEUSE D’AIRLIFT POUR L'EXTRACTION MINERAUX UTILES DU FOND DU BASSINS
On présente la méthode de calcule des paramètres optimaux du du complexe de drageuse-suseuse d’airlift (CDSA) pour l'extraction de minéraux, comme les matériaux pulvérulant de construction (sable, gravier, cailloux de sable - gravier) du fond des bassins. On présente schéma CDSA, graphiques de la distribution de pression et de la vitesse le long du tube de levage d’airlift, les caractéristiques sans dimension couteuses et l'énergie de transport d’airlift.
Mots-clès: airlift, schéma hydraulique, débit, air comprime, submersion, conduite, concentration, solides, boues, vitesse, pression, caractéristiques, calibre l'hydraulique.
Le probleme et sa relation avec les problemes scientifiques et pratiques. Installations d’airlift sont largement utilises dans diverses industries [1, 2, 3, 4] et pour destinations différentes. Par exemple, ce sont le nettoyage des albraques (puits, puisard, décanteurs préalables, dépôts) des solides, lifting hydraulique du masse rocheuse (charbon et de roche) sur les mines hydraulique, l’exhaure et l’épuisement, l’extraction hydraulique des matériaux de construction butin (sable, gravier, cailloux de sable - gravier) du fond des bassins, le nettoyage des lac, rivières, mers de boue et d'approfondir ces bassins, les travaux hydrotechniques, le pompage de liquides agressifs, gaz naturel, pétrole, extraction profonde des minéraux utiles du fond d'océan et d'autres.
Problème. Pour chacun d’airlift ci-dessus seront différents éléments (dispositif d’aspiration, le mélangeur, séparateur d’air, récipients intermédiaires, etc.), sera différents paramètres de calcul et la sélection de l'équipement [1, 3]. Airlift peut pas produite en série par les plantes que chacun est unique et nécessite des projets individuels [4]. Le but de ce travaille est le développement de méthodes de calcul des paramètres de base optimale du CDSA.
Déclaration de la matière et les résultats. Par les données de départ initiales pour le compte hydraulique d’airlift CDSA ce sont: la productivité nécessaire de matériaux solides Qт, m3/h; l'aspect du matériel, qui est obtenu, et ses propriétés physiques: la densité ρт, la forme et le taille des particules solides dк; la hauteur de l’élévation du mélange hydraulique H; minimal hp min et maximum hp max la profondeur de l'élaboration.
Le
schéma hydraulique du complexe de drageuse-suseuse d’airlift est
présenté sur fig.1.
Le complexe
insère: le dispositif d’aspiration 1, le raccord de tuyau
d'adduction (amenant) 2, le mélangeur 16, le tube
d’élévation 3, le tube porte d’air 4 et le
séparateur d’air
Le schéma
hydraulique pour le calcul d’airlift CDSA est présenté sur
fig. 1. А la profondeur maximale de l'élaboration hp max
moins que
Pour
la profondeur maximale de l'élaboration hp max plus haut que
70m il est nécessaire d'appliquer le schéma
séparé avec le dispositif d’aspiration et le
mélangeur, avec cela la profondeur maximale de l'immersion du
mélangeur hmax ne doit pas excéder 70m. Cela est
conditionné ce que les stations t de compresseur à grand
productivité, qui sont utilisés à les installations
d’ailift, créent la pression excédentaire pas plus que 0,8
... 0,9 МPа. Dans un tel cas l'hauteur de la conduite
d’amenée, égale à:
,
(1)
et
la profondeur minimale et maximale de l'immersion du mélangeur
; 
.
(2)
La hauteur
d’élevation du mélange d’air et du liquide H est
définie par la structure et les tailles de séparateur d’air
et colonne de vidange de pulpe, ainsi que la longueur de section du tube
d’élevation. Aux comptes on peut accepter H = 3,5...5,5 m.
D’airlift doit assurer du travail sûr permanent à tout
diapason des profondeurs du plongement de hmin
à hmax .
Le plongement relatif
minimale et maximale du mélangeur d’airlift
; 
.
(3)
Il faut calcule d’airlift faire pour amin, c‘est-à-dire pour les conditions pires du travail, car au amin serais les grandes débits de l‘air comprimé.
La productivité nécessaire d’airlift CDSA d’après le mélange se détermine en partant de la productivité donnée d’après matériaux solides
(4)
où S – la concentration volumique du matériau solide dans un liquide; pour le sable, l’argile et la roche S = 0,15…0,25; pour le charbon S = 0,20...0,30.
Le débit spécifique
de l‘air comprimé pour la montée
(5)
Le débit de l‘air dans un régime optimal amènent aux conditions normales
.
La productivité de la station de compresseur doit être sur 20... 25 % supérieur, pour assurer la possibilité du réglage de la productivité d’airlift.
La pression de mise en marche de l'air à le plongement maximal du mélangeur, Pа
.
(6)
En fonction de la grandeur des débit nécessaires de l'air et la pression maximale de mise en marche choisir le type et la quantité des compresseurs (un ou quelques), l‘annexe 3. Amener les caractéristiques principales techniques du compresseur: la productivité, la pression excédentaire etc.
L’abaissement de la pression à la montée du mélange d’air et du liquide dans le tube d’élévation amène vers l'élargissement de l'air et l'augmentation (à quelques fois) de la vitesse du courant dans la partie supérieure du tube. Pour la diminution de la irrégularité de la vitesse du courant du mélange d’air et du liquide le long du tube d’élévation, le dernier peut s’accompli de quelques section au diamètre différent. Le fractionnement pour les section se fait de la condition de l'égalité du degré l'élargissement l'air dans tous les sections: la relation de la pression de l'entrée au degré et de la sortie de lui pour tous les sections doivent être constant, fig. 2. La quantité des sections se détermine d’après la dépendance
,
(7)
où pa - la pression atmosphérique,
Pа; ρ - la densité du liquide, qui transporte, (d’eau),
kg/m3; g - l'accélération de la gravité, m/s2;
et s'arrondit jusqu’à plus proche plus grand. Si 
-
la fractionnement pour les sections ne se fait pas. Le degré de
l’abaissement de la pression dans une section
.
(8)
|
|
|
|
|
|
Le compte des longueurs des sections se fait par telle manière. Les
coordonnées verticales au début
des section se détermine d’après la dépendance
, i = 2 … ncт,
(9)
ici zi - la coordonnée verticale au début de i-ème degré, zi-1 - la coordonnée au début de la section précédant. Le compte conduit à partir de z2, avec cela z1 = (H+hmax). Les longueurs des sections se déterminent d’après la dépendance
.
(10)
Le diamètre équivalent du tube d’élévation d’airlift, m
,
(11)
où KQ - le coefficient sans dimension du débit, qui pour les airlifts courts se détermine d’après la dépendance
.
(12)
Pour le tube
d’élevation du diamètre constant (nc = 1)
d’après Normes d'Etat 8732-88 (annexe 2) il faut choisir le tube
avec le diamètre intérieur, plus proche vers équivalent,
et l'épaisseur de la paroi 7...
Pour le tube d’élévation sectionné le choix des diamètres des tubes des sections se réalise pour les conditions de la garantie des vitesses identiques montée du mélange d’air et du liquide au début de chaque section (qui s'égalent les vitesses au début du tube d’élévation, fig. 2) et les égalités de la résistance hydraulique du tube d’élévation sectionné et le tube d’élévation avec le diamètre DЕ. Le diamètre du premier section est défini d’après la dépendance
(13)
mais le reste
, i = 2 … nст,
(13)
où
, i = 2 … nст;
(14)
et 
- la
pression absolue au début des 1-ers et i- èmes section du
tube d’élévation.
Il faut choisir le tube avec diamètre intérieur plus proche vers de comptes, et l'épaisseur de la paroi 7...10 mm pour chaque section d’après Normes d'Etat 8732-88 (annexe 2).
Pour assurer le régime ferme de travail d’airlift de la montée du matériau solide, la vitesse du courant du mélange d’air et du liquide sur l'entrée au tube d’élévation doit être plus critique.
La vitesse critique du transport du matériau solide par le mélange d’air et du liquide d’après la conduite verticale, m/s
(15)
où 
- la vitesse de la chute serrée des
particules au liquide, m/s; K - la constante scientifique, qui
dépend de la dimension des particules solides dК
(à 
K = 2,5; au 
K = 2,5…3; au 
K = 3...3,5) [1, 3]; az
- la densité différentielle relative du courant à z
intersection du tube d’élévation; Sz - la
concentration volumétrique du matériau
solide du mélange d’air et du liquide dans z
intersection du tube d’élévation; Dвн
- le diamètre intérieur du tube d’élévation,
,
(16)
,
(17)
où ρТ - la densité du matériau solide que se transporte, kg/m3; qz - le débit spécifique de l'air amenées à la pression dans la z intersection du tube d’élévation
,
(18)
où pа
- la pression atmosphérique, Pа; pz - la
pression dans z intersection du tube d’élévation,
Pа; 
. Nous comptons la vitesse critique du
transport pour l'entrée au tube d’élévation
à la profondeur du plongement maximale
du mélangeur, c'est pourquoi 
.
La vitesse de la chute serrée des particules du matériau solide au liquide, m/s
,
(19)
où uР - la vitesse de la chute libre des particules au liquide, m/s
,
(20)
où C0 - le coefficient de la résistance du mouvement des particules solides dans le courant d'air d'eau; C0 = 0,86 [1].
La vitesse réelle du courant du mélange d’air et du liquide sur l'entrée au tube d’élevation sera, m/s
.
(21)
Si en résultat du
compte est reçu que 
,
cela signifie qu'au début du mouvement d’après le tube
d’élévation on atteint la vitesse, qui assure le
régime permanent du travail d’après la montée du matériau solide à d’airlift,
mais puisque avec le cheminement en haut la vitesse du mélange
d’air et du liquide augmente en conséquence de
l'élargissement de l'air comprimé, et en toute hauteur du tube
d’élévation la vitesse du courant mélange sera plus
haute que la critique. Si la condition 
n'est pas
accomplie, le diamètre du tube d’élévation
d’airlift est choisi incorrectement. Il faut choisir le tube avec un plus
petit diamètre intérieur et répéter le compte.
Le compte de la vitesse critique et réelle pour le tube d’élévation d’étage il faut accomplir pour chacun des étages. Les vitesses se comptent sur l'entrée au étage, où la valeur de la vitesse réelle est minimale.
Le compte de la conduite d’aménée s’accompli si on choisit le schéma d’airlift avec le dispositif séparé d’aspiration et avec le mélangeur. Il ne faut pas accomplir le compte amené plus bas, si pour l’installation d’airlift le schéma accepté avec le dispositif d’aspiration et le mélangeur qui constructivement cumulés dans un noeud.
Le tube d’améné se choisit d’après Normes d'Etat 8732-88 avec le diamètre intérieur, qui est égale 0,7...0,8Dвн, et avec l'épaisseur de la paroi 7...10 mm. Le tube choisi est contrôlé sur la garantie du régime permanent du transport du matériau solide.
La vitesse uП.кр , que nécessaire pour transport du matériau solide dans la conduite d’aménée, se compte d’après les dépendances (17), (21) et (22) à telles significations des valeurs: la densité différentielle relative du courant
;
(22)
La concentration volumétrique du matériau solide dans le mélange hydraulique S (au lieu de Sz); le diamètre intérieur du tube d’améné DП.вн - conformément à choisi la dimension type du tube; le coefficient de la résistance du mouvement des particules solides dans le courant à une phase C0 = 0,64.
La vitesse réelle du mouvement du mélange hydraulique dans le tube d’améné au diamètre choisi de la conduite, m/s
(23)
La condition
nécessaire pour le transport du matériau
solide dans le tube d’améné s’assurée
à 
. Si cette
condition n'est pas accomplie, il faut choisir le tube
d’améné avec un plus petit diamètre intérieur
et répéter le compte.
Pour la construction de la caractéristique de débit d’airlift il est nécessaire :
1. Construire la caractéristique sans dimension d’airlift.
2. À la base de la caractéristique sans dimension recevoir la caractéristique réelle de débit d’airlift.
La
caractéristique sans dimension d’airlift c’est une
dépendance de la productivité sans dimension d’airlift 
des
débits sans dimensions de l'air comprimé 
, 
,
(24)
où QЕ.опт et QП.опт - la productivité d’airlift et les débits de l'air comprimé au régime optimal du travail d’airlift.
La
caractéristique sans dimension d’airlift, fig. 3, est la
circonférence par le rayon 
avec le centre
dans le point A
. Le point B 
, que se trouve sur cette
circonférence, répond au régime optimal du travail de
l’installation d’airlift [3].
Pour la transformation
la caractéristique de débit sans dimensionnelle à la
caractéristique réelle il faut représenter les
échelles des débits dimensionnelles de la productivité et
du débit de l'air. Pour le recalcule des paramètres sans
dimensionnelle à dimensionnels on utilise les dépendances 
, 
,
(25)
Puisque le compte d’airlift s’été accompli de la condition de son travail en régime optimal, les débits QЕ.опт et QП.опт sont acceptés égal à la productivité d’airlift et les dépenses d'air comprimé définies après les dépendances (4) et (15).
Fig. 3. L’exemple de la construction de la caractéristique d’énergie et de débit d’airlift, ab – zone d’exploitation industrielle, K – point optimale
Il faut tracer sur les échelles du débit dimensionnel les divisions pour le décompte des significations du débit d’airlift (à m3/h) et les débits de l'air comprimé (aux m3/min).
Le rendement du CDSA est égal:
.
(26)
Pour la construction de la courbe du rendement d’airlift, fig. 3, il est nécessaire de définir pour quelques significations du débit de l'air pour la caractéristique de débit la signification du débit et compter le rendement. Il est recommandé de prendre les significations suivantes du débit de l'air : 0,586 QП.опт; 0,8 QП.опт; QП.опт; 1,25 QП.опт; 1,5 QП.опт et 2 QП.опт
Conclusions et l’orientations pour la recherche future.
Une methode permet de calculer le CDSA, de determiner ses parametres de base optimales, choisir l’equipement demandé, obtenir les dimensions des elements structuraux d'installation d’airlift. Sur la base cette methodes ont été concepté, fabriqué et mis en oeuvre avec succes les CDSA pour extraction hydraulique du sable et du gravier du fond des eaux interieures de la Siberie occidentale en Russie.
La recherche future doivent être consacré d’amelioration des constructions d’airlift, en particulier le dispositif d'aspiration avec affouillement des sols afin de reduire la consommation d'energie du CDSA.
Source de renseignements
1. Бойко М.Г. Землесосні і ерліфтно-землесосні снаряди / М.Г.Бойко, Л.М.Козиряцький, А.П.Кононенко. – Донецьк: ДонНТУ, 2007. – 436 с.
2. Гідромеханізація / [Бойко М.Г., Козиряцький Л.М. та ін.]. - Донецьк: ДонНТУ, 2011. – 554 с.
3. Энциклопедия эрлифтов / [Папаяни Ф.А., Козыряцкий Л.Н. и др.]. – Донецк, Москва: «Информсвязьиздат», 1995. – 592 с.
4. Гидроподъем полезных ископаемых / [Антонов Я.К., Козыряцкий Л.Н., Малашкина В.А. и др.]. – М.: Недра, 1995. - 173 с.
Стаття надійшла до редакції 25.09.2012
Л.М. Козиряцький, О.Ф. Яценко, В.А. Прищенко. Донецький національний технічний університет
Визначення оптимальних параметрів ерліфта ерліфтно-земснарядного комплексу для видобутку корисних копалин із дна водоймищ
Надана методика розрахунку основних оптимальних параметрів ерліфтно - земснарядного комплексу (ЕЗК) для видобутку корисних копалин, зокрема сипучих будівельних матеріалів (піску, гравію, гальки, пісчано-гравійної суміші) із дна водоймищ. Приведена гідросхема ЕЗК, графіки розподілу тиску та швидкості по довжині підйомної труби ерліфту, безрозмірна витратна і енергетична характеристика ерліфта.
Ключові слова: ерліфт, гідросхема, подача, стисле повітря, занурення, трубопровід, концентрація, тверда фракція, гідросуміш, швидкість, тиск, характеристики, гідравлічна крупність.
L. Kozirjatsky, A. Yatsenko, V. Prischenko. Donetsk National Technical University
Defining the Optimum Parameters of an Airlift of a Suction Dredge Complex for Water Reservoir Bottom Mining.
The paper presents a method of calculating the optimum parameters of an airlift-suction dredge complex for sand, gravel, pebbles and sand-gravel mixture recovery from the bottom of water reservoirs. We provide a hydraulic circuit as well as the graphs of pressure and speed distribution along the lifting pipe.
Keywords: airlift, hydraulic circuit, flow rate, compressed air, sinking, pipeline, concentration, solids, slurry, speed, pressure.