Л.Н. Козыряцкий (канд. техн. наук, проф)

А.Ф. Яценко (канд. техн. наук, проф)

Донецкий национальный технический университет

Особенности элементов глубоководных эрлифтных систем подъема твердых фракций

Определены основные элементы глубоководной системы подъема. Показано, что длина секций транспортного трубопровода не должна превышать 12.5 м , а внутренний диаметр необходимо принимать из условий оптимизации транспортного режима и характера изменения критической скорости вдоль подъемной трубы. Исследуя зависимость транспортной скорости, начиная с которой необходимо увеличивать диаметр подъемной трубы, показано , что одним из основных элементов глубоководной эрлифтной системы является бункер -дозатор, который обеспечивает равномерную, управляемую по величине загрузки систему подъема твердых фракций при неравномерной их подачи от донного агрегата сбора. Этим достигается стабильность оптимального режима работы системы подъема и сохраняется постоянная нагрузка на компрессор. Установлены минимальный критерий оптимальности при выборе рациональных параметров глубоководных эрлифтов и фактор, ограничивающий максимальную глубину погружения смесителя эрлифта.

Ключевые слова: эрлифт, гидротранспорт, скорость гидротранспорта, транспортный трубопровод, бункер-дозатор, мощность потока, критерий оптимальности.

Проблема и ее связь с научными и практическими заданиями. Эрлифтный подъем как один из основных элементов гидравлического транспорта широко используется во многих отраслях промышленности из-за своей надежности, простоты конструкции и широкого диапазона регулировки рабочих параметров (напор, высота подъема, глубина погружения и т.д.). В то время как эрлифтный подъем известен давно, изучены устройства, предназначенные для транспортировки воды и твердых фракций с относительно небольших глубин. Поэтому разработка глубоководных эрлифтных систем является важной задачей.

Анализ научных публикаций и исследований. Технический прогресс невозможен без улучшения всех видов транспорта. Снижение расходов на транспорт, обеспечение непрерывности технологической цепочки, простому управлению и автоматизации, сокращения вредного воздействия на окружающую среду. Известные виды транспорта, таких как сухопутный, речной и морской не могут полностью удовлетворить растущие потребности технического прогресса. Таким образом, во всем мире большое внимание уделяется гидротранспорту. В таких страны, как США, Канада, Китай, Япония и других развит гидротранспорт. Примером может служить гидротранспорт угля на 435 км (BlackMesa) из шахт северо-востока на электростанции, расположенной на окраине южной Невады. BlackMesa успешно работает с 1970 года. Известны системы, транспортирующие на тысячи километров (Китай, США).

В настоящее время гидротранспорт используется при перемещении не только угля, но и песка, гравия, грязи, нефти и нефтепродуктов, и т.д. от места добычи к потребителям. Он используется на заводах по обогащению, утилизации отходов, электростанциях и т.д..

Теоретические и экспериментальные исследования в Донецком национальном техническом университете, показали, что использование воздушных подъемников повышает надежность и производительность гидроузла. Многолетний опыт эксплуатации подтвердил обоснованность результатов.

Постановка задачи. Исследовать зависимость скорости транспортировки трехфазной смеси от длины трубопровода. Определить координаты, где скорость достигает своего максимального значения и, как следствие, диаметр, изменение формы труб и изменение скорости, а не их расширение. Определить фактор, который ограничивает максимальную глубину погружения воздушного подъемника.

Основной материал. Несмотря на простоту конструкции и наличие общих элементов, эрлифты, в зависимости от назначения очень отличаются друг от друга. Таким образом, в целях повышения КПД они имеют значительные отличия по сравнению с хорошо изученными эрлифтами, используемыми для перекачки воды на относительно небольших глубинах. Но в настоящее время глубоководная добыча сырья является очень актуальной задачей. Это объясняется тем, что значительные залежи полезных ископаемых сосредоточены в нижней части мирового океана на глубине от 2000 м до 6000 м. Наиболее перспективные по технологическим возможностям гидравлические системы используют в эрлифтном подъеме. Таким образом, разработка эрлифтных систем подъема твердых веществ из недр, является важной задачей. В Донецком национальном техническом университете разработаны такие воздушные подъемники. Основным элементом системы глубоководной добычи является транспортный трубопровод, который включает в себя подводящий (перед смесителем) и подъемный трубопроводы (после смесителя). Учитывая большую глубину погружения, структурно труба разделена на части с фиксаторами [1,3]. Длина участка обычно берется из условия их транспортировки по железной дороге (l_s=12.5 м) и условий монтажа и демонтажа непосредственно на комплексе.

Внутренний диаметр питающей магистрали и основной части подъемного участка берется из условий оптимизации транспортного режима и установления характера изменения критической и транспортной скорости вдоль подъемной трубы [1. .. 5]. Принимая во внимание, большую степень сжатия воздуха, подаваемого в смеситель, увеличение скорости движения трехфазной смеси в подъемной трубе проявляется на верхнем участке (100-200 м) трубопроводы. Поэтому в целях ограничения скорости в верхней части, она выполнена из труб большого диаметра, значение которого берется из уравнения ограничения скорости трехфазной гидросмеси на выходе из подъемной трубы V_sor .Для этого рассмотрим зависимость транспортной скорости V_tr.z по длине подъемной трубы

(1)

Где q_z - удельный расход сжатого воздуха [1]

(2)

Графиком V_tr.z = f(z) определяется координата z (расстояние от смесителя), в которой V_tr.z = V_max. Начиная с этой координаты увеличивается диаметр подъемной трубы, значение которой определяется по формуле.

(3)

Новое значение скорости транспортировки гидросмеси в месте расположения расширения канала:

(4)

V_s^’_z - критическая скорость трехфазной гидросмеси

C_vol - объемная концентрация гидравлической смеси в подъемной трубе.

Рисунок – распределение скоростей и давления в трубе эрлифта

При выборе толщины стенок секций трубы, кроме сил гравитации трубопровода и навесных элементов, необходимо учитывать и силу сжатия трубопровода, возникающую в результате разницы между гидростатическим давлением окружающей среды и манометрическим давлением в трубе. Учитывая большую длину подводящего участка и влияние плотности гидросмеси на динамическое давление в смесителе, необходимым элементом в глубоководной эрлифтной системе является бункер-дозатор, расположенный в транспортном трубопроводе. Он выполняет функции буферного устройства и дозатора, тем самым, обеспечивая равномерную, управляемую по величине загрузку системы извлечения твердой фракции, при неравномерной подаче от донного агрегата сбора.

Таким образом, достигается стабильность оптимальной скорости подъема и поддерживается постоянная нагрузка на компрессор.

При выборе рациональных параметров глубоководных эрлифтов критерии качества оптимальности сводятся к минимуму, и принимается мощность потока сжатого воздуха в смесителе. Проанализировав расчетные данные, можно заметить, что давление поднимается по ходу движения воздуха в линии сжатого воздуха и температура воздуха на расстоянии 250 м от компрессора не отличается от температуры морской воды. Это является ограничивающим фактором максимальной глубины погружения смесителя в связи с тем, что при низкой температуре (ниже 5 C) и высоких давлениях (20 МПа) возможно образование гидратов воздуха. По расчетам, глубина погружения смесителя не должна превышать 2000 м.

Выводы и направление дальнейших исследований. В ДонНТУ и SLA "Haymek" был разработан сложный эрлифтно-земснарядный комплекс для удаления грязи со дна водоема "Ингури ГЭС" (Грузия), который является уникальным, без аналогов в мире. Глубина добычи более 200 метров, подача по твердому 100 м³ / час.

Расчеты прочности показали, что длина подающей воздух трубы при глубине погружения более 200 м, не может превышать 2/3 общей глубины погружения.

Будущие исследования должны привести к созданию систем сбора твердых фракций из нижней части водоемов.

Источники информации

1. Энциклопедия эрлифтов / Ф.А. Папаяни, Л.Н. Козыряцкий, В.С. Пащенко, А.П. Кононенко. – Донецк, 1995. – 592 с.

2. Бойко М.Г. Землесосні і ерліфтно-землесосні снаряди: навчальний посібник / М.Г. Бойко, Л.М. Козиряцький, А.П. Кононенко. – Донецьк, 2007. – 436 с.

3. Антонов Я.К. Гидроподъем полезных ископаемых / Я.К. Антонов, Л.Н. Козыряцкий. – М.: Недра, 1995. – 173 с.

4. Гейер В.Г. Исследование движения твердых тел в подъемной трубе эрлифта / В.Г. Гейер, Л.Н. Козыряцкий // Уголь. – 1976. – № 5. – С. 8-12.

5. Гідромеханізація: навчальний посібник / М.Г. Бойко, В.М. Моргунов, Л.М. Козиряцький , О.В. Федоров. – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2011. – 554 с.

Стаття надійшла до редакції 08.11.2012