Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Транспортирование капельных жидкостей и гидросмесей обеспечивается объемными и гидродинамическими насосами, к последним из которых относится и эрлифт.

Уникальные гидроподъемы на угледобывающих шахтах, многие перекачные и вспомогательные шахтные водоотливные установки и установки для чистки подземных емкостей угольных предприятий, золошлакоудаление тепловых электростанций, усовершенствованные земснаряды для добычи песка и гравия, опытные установки для глубоководной добычи полезных ископаемых со дна морей и океанов и другие гидроподъемные и водоотливные установки были реализованы на основе газожидкостных подъемников.

Эрлифты относятся к гидравлическим аппаратам с достаточно сложными, далеко не до конца изученными, протекающими преимущественно в подъемной трубе гидродинамическими процессами движения газожидкостных смесей (зачастую с включениями твердых частиц) и, следовательно, с далеко не совершенными существующими аналитическими моделями.

1. Актуальность темы

Над исследованием эрлифтных установок работает большое количество ученых и организаций. Незаменимый вклад в исследование внесли ученые: Гейер В. Г., Крылов А. П., Кононенко А. П., Козыряцкий Л. Н., Игнатов А. В., Антонов Я. К., Малеев В. Б., Груба В. И., Заря А. Н. и др. Вопросами разработки и эксплуатации эрлифтных установок занимаются организации: Донецкий национальный технический университет, ВНИИГМИ им. Н. Н. Федорова и др.

Востребованное применение эрлифтов в горнодобывающей, энергетической, металлургической и других отраслях промышленности обусловлено, в основном, высокой надежностью и простотой, а, следовательно, дешевизной изготовления, монтажа, обслуживания и эксплуатации, особенно при транспортировании абразивных гидросмесей.

Так, в частности, применение эрлифтов в системах гидрозолошлакоудаления тепловых электростанций, работающих на твердом топливе, сопровождается снижением капитальных затрат в 1,5–2,0 раза, эксплуатационных расходов (включая расходы на электроэнергию) в 2,0–2,5 раза, сокращением количества обслуживающего и ремонтного персонала в 1,5–2,0 раза в сравнении с базовым вариантом с грунтовыми (багерными) насосами.

Основными недостатками, сдерживающими более широкое использование газожидкостных подъемников, является высокая энергоемкость рабочего процесса и, преимущественно, эмпирическая основа его моделирования.

Вышеизложенное свидетельствует об актуальности и важности научной проблемы, заключающейся в дальнейшем развитии теории рабочего процесса эрлифтов, что позволит повысить уровень эффективности газожидкостных подъемников.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Выполненные исследования позволят определять рациональную область эксплуатации эрлифтов и оптимальный режим их работы, установленные на основе закономерностей рабочего процесса газожидкостного подъемника, что даст возможность снизить затраты на транспортирование жидкостей (гидросмесей) за счет уменьшения энергопотребления.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

  1. Анализ литературы по данному вопросу.
  2. Разработка математической модели эрлифтной установки.
  3. Численное моделирование процессов в эрлифте.
  4. Обозначить рекомендации по определению рациональных параметров эрлифтных установок.

Объект исследования: процесс транспортирования гидросмеси сжатым воздухом в вертикальной трубе эрлифта.

Предмет исследования: параметры рабочего процесса эрлифта – подача, расход воздуха, скорость, давление и мощность водовоздушного потока и его компонентов.

3. Обзор исследований и разработок

В источнике [1] изложены основы теории и расчета эрлифтов, результаты многочисленных экспериментальных исследований эрлифтов различного назначения, а также, описаны параметры и характеристики действующих эрлифтных установок и вопросы перспективного использования эрлифтов. В работах [2, 3, 4] даются основы теории, расчета и порядок эксплуатации эрлифтов, приводятся основы автоматизации. В источниках показаны основные схемы эрлифтных установок, их анализ, приведены основные зависимости, предоставлены основные параметры для расчета эрлифта, показана область применения эрлифтных установок [9, 10].

Приведена методика проектирования эрлифтных установок: определена последовательность проектирования, выбор параметров для проектирования, предложены описания, характеристики оборудования эрлифтных установок, метод расчета эрлифта в работе [2]. В источнике [6] изложены общие понятия и терминология гидромеханизированных работ на примере горной, строительной и других отраслей промышленности. В работе [7] представлены общие сведения об эрлифтах и ЭЗК, основы теории эрлифтов, гидравлический расчет, исследования движения твердой фракции в подъемной трубе эрлифта. В источниках [1, 11] приведен анализ существующих математических моделей рабочего процесса эрлифта.

4. Устройство и принцип действия эрлифта

Эрлифт (воздушный подъемник) является гидравлическим аппаратом для подъема капельной жидкости, или капельной жидкости и твердого материала посредством использования сжатого в нагнетателе и смешанного с этой капельной жидкостью воздуха (газа, пара). Подъемная труба эрлифта может быть расположена в пространстве как вертикально, так и иметь определенный наклон. Эрлифтные установки характеризуются разнообразием конструктивного исполнения, исходящего из различных задач, условий и области применения. Однако, все эрлифты состоят из основных конструктивных элементов, которые показаны на рисунке 1.

Работа эрлифта начинается с запуска в работу компрессора. Сжатый воздух по воздухоподающей трубе 1 подается в смеситель 2, где происходит процесс перемешивания (взаимодействия) сжатого воздуха и жидкости, в результате чего жидкость движется по подающей трубе 3 из резервуара (зумпфа) и перемешивается с воздухом в смесителе, образуя газожидкостную смесь, которая движется по подъемной трубе 4 в воздухоотделитель 5. В воздухоотделителе происходит сепарация потока на воздух, который выходит в атмосферу и воду.

Пусковые режимы работы эрлифта

(Qn – расход воздуха, Qе – подача эрлифта, Δhn – превышение столба жидкости в период пуска, h – погружение смесителя, H – высота подъема гидросмеси)
Рисунок 1 – Пусковые режимы эрлифта (позиции: 1 – воздухоподающая труба; 2 – смеситель; 3 – подводящая труба; 4 – подъёмная труба; 5 – воздухоотделитель)
(анимация: количество кадров – 21, количество повторений неограничено, размер 109КВ)

Основное уравнение эрлифта

или

где:  aэ – коэффициент сопротивления подъемной трубы эрлифта;

   h – геометрическое погружение смесителя;

   pа – атмосферное давление;

   ρ – плотность транспортируемой среды;

   g – ускорение свободного падения.

Приведенные выше зависимости свидетельствуют, что подача эрлифта при постоянном относительном погружении в большой мере зависит от подачи воздуха. Зависимость подачи эрлифта от расхода воздуха определяет расходную характеристику эрлифта. Наиболее надежно ее можно получить экспериментальным путем. Графически расходная характеристика для определенного эрлифта, глубины и относительного погружения, представляет кривую, вид которой показан на рисунке 2.

Рисунок 2 – Расходная Qэ = ƒ(Qв) и энергетическая ηэ = ƒ(Qв) характеристики эрлифта

Энергетическая характеристика определяется коэффициентом полезного действия эрлифта, что является отношением полезной мощности по подъему гидросмеси к мощности подводимого потока воздуха:

На рисунке 2 показаны расходная и энергетическая характеристики эрлифта. Режим работы, при котором коэффициент полезного действия имеет наибольшее значение, является оптимальным и определяется точкой А касательной, проведенной с начала координат до расходной характеристики эрлифта. Рабочей зоной эрлифта является совокупность его режимов, при которых значения коэффициента полезного действия не менее 85% от его максимального значения – зона ВС (рис. 2.).

Для эрлифта с неизменными высотой, диаметром и сопротивлением подъемной трубы при изменении геометрического погружения (например при изменении объема жидкости в емкости) будет изменятся относительное погружение и, соответственно, при одинаковом расходе сжатого воздуха будет разная подача эрлифта. С ростом геометрического, а значит, и относительного погружения подача эрлифта будет расти и, наоборот, с уменьшением погружения – снижаться.

5. Анализ существующих математических моделей рабочего процесса эрлифта

Для характеристики движения двухфазных потоков в вертикальных трубах используют осредненные во времени и пространстве параметры. Используемые осредненные параметры обычно разделяют на расходные и истинные.

Основными расходными параметрами двухфазного потока являются: Мж и Мг – массовые расходы жидкости и газа; Qж и Qг – объемные расходы жидкости и газа; υж и υг – средние скорости жидкости и газа; x – массовое расходное газосодержание потока; β – объемное расходное газосодержание потока; ρβ – средняя расходная плотность потока.

Истинные параметры двухфазного потока: φ – истинное объемное газосодержание; wг – истинная скорость газа; wж – истинная скорость жидкости; wотн – относительная скорость фаз; ρс – истинная плотность смеси.

Математическое моделирование и количественный анализ рабочего процесса эрлифта базируется на использовании фундаментальных уравнений сохранения – массы и количества движения.

В настоящее время создание единой теоретической модели для нескольких структур газожидкостной смеси не представляется возможным из-за сложности процессов.

Простейшей моделью газожидкостного потока в трубе является гомогенная, введенная Г. Лоренцом. В данной модели относительная скорость газа и жидкости принимается равной нулю, смесь рассматривается как однофазная жидкость, обладающая соответствующими реальному потоку средними свойствами, и движение смеси описывается уравнениями однофазной среды. В соответствии с гомогенной моделью:

К сожалению, лишь в редких случаях гомогенная модель дает результаты, достаточно близкие к реальным. Поэтому для практических расчетов эту модель используют лишь в качестве грубого приближения.

Модель раздельного течения основана на использовании уравнений неразрывности движения и энергии отдельно для каждой фазы. Получение такого решения не представляется возможным и реализация модели раздельного течения сводится к эмпирическому (или полуэмпирическому) получению критериального уравнения для определения истинного газосодержания:

где:  Frc – критерий Фруда;

   Rec – критерий Рейнольдса;

   We – критерий Вебера;

   ρ – относительная плотность;

   μ – относительная динамическая вязкость.

При этом далеко не все критерии, входящие в вышеприведенное уравнение оказывают существенное влияние на величину φ.

Более универсальной является модель, аналитически учитывающая взаимное скольжение газа и жидкости, названная Г. Уоллисом моделью дрейфа. Данная модель представляет собой модель раздельного течения, в которой исследуется не движение отдельных частиц, а их относительное движение. Теория потока дрейфа широко используется при исследовании пузырьковых, снарядных и дисперсных течений газожидкостных систем. В общем виде уравнение потока дрейфа имеет вид:

где:  C1 – коэффициент, как правило, принимают C1 = 1,2;

   υ* – скорость потока дрейфа;

здесь: υn – скорость подъема одиночного пузырька газа в жидкости;

   C2 – коэффициент, характеризующий взаимодействие пузырьков между собой или стенками трубопровода.

Преимуществом модели потока дрейфа является то, что результаты расчета достаточно хорошо согласуются не только с данными для движения газожидкостоного потока, но и для непроточного барботажного слоя (υж = 0).

Наряду с вышеизложенными общими моделями процесса движения двухфазных потоков для конкретных условий разработан ряд частных теоретических и эмпирических моделей, основывающихся на отдельных сторонах взаимодействия газа и жидкости в подъемной трубе эрлифта: модель, основанная на учете «подъемной силы газа» А. П. Крылова, энергетическая модель Верлюиса, модель «негерметичного поршня» и ряд других.

Наиболее часто используется гомогенная модель Г. Лоренца, в которой уравнение подачи эрлифта выглядит следующим образом:

Н. М. Герсеванов предложил вести расчет эрлифта по энергии, затрачиваемой на преодолении сопротивления движению пузырьков газа в жидкой среде. Предложенная методика расчета не учитывала изменение форм движения смеси в подъемной трубе эрлифта при различных режимах работы, поэтому результаты газожидкостных подъемников, работающих при больших перепадах давлений, имели значительное отклонение от практических замеров.

Метод расчета эрлифта, к авторам которого отнесены академик А. П. Германом и профессора П. П. Агрунов и В. Г. Гейер, основан на применении безразмерных характеристик. Используя уравнение Д. Бернулли для сжимаемой однородной жидкости, получены зависимости, позволяющие применять данные испытаний эрлифтов для анализа внутренний явлений в трубе эрлифта. Наиболее ценным выводом является то, что ученые указали на существование безразмерных характеристик эрлифта, главным из которых является относительное погружение эрлифта α = h/(H+h) (H – высота подъема эрлифта). Относительное погружение определяет для данного диаметра подъемной трубы D расход воздуха Qв и подачу эрлифта Qэ, что широко использовалось в дальнейшем и в других работах.

Наибольшее распространение получила методика профессора В. Г. Гейера, во многом базировавшаяся на выполненных им ранее исследованиях. В основу расчета положен баланс мощностей потока жидкости и газа в подъемнике при принятой относительной скорости фаз, равной 0,3 м/с. Основное уравнение, полученное ученым, имеет вид:

где:  Dв – диаметр выходного торца подъемной трубы;

   q – удельный расход воздуха.

Обозначив выражение под корнем, умноженное на 0,125, через коэффициент подачи C, уравнение примет вид:

Расход воздуха вычисляется по выражению

Значения коэффициента подачи эрлифта и удельного расхода воздуха определяются по эмпирическим зависимостям C = ƒ(α) и q = ƒ(α).

Правомерность разработанной методики подтверждена многими эффективно работающими эрлифтными установками. Многочисленные теоретические и экспериментальные работы ученых школы профессора В. Г. Гейера позволили развить метод расчета эрлифта в оптимальном режиме работы (при максимальном КПД).

К недостаткам разработанной математической модели эрлифта следует отнести принятую гомогенную физическую модель и постоянство значений коэффициентов сопротивленияв λ оптимальном режиме работы эрлифта для всех реализуемых в подъемнике структур двухфазных потоков. Различные структуры водовоздушных смесей, в том числе изменяющиеся по высоте подъемных труб, определяются режимами работы газожидкостных подъемников.

Однако существующие методики количественной оценки гидродинамических параметров газожидкостных потоков в подъемнике требуют уточнения, что влечет за собой необходимость разработки адекватных физических и математических моделей рабочего процесса эрлифта.

Выводы

Выполненные исследования позволят определить рациональную область эксплуатации эрлифтов и оптимальный режим их работы, установленные на основе закономерностей рабочего процесса газожидкостного подъемника, что даст возможность снизить затраты на транспортирование жидкостей (гидросмесей) за счет уменьшения энергопотребления.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2015 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Энциклопедия эрлифтов / Ф. А. Папаяни, Л. Н. Козыряцкий, В. С. Пащенко, А. П. Кононенко. – М.: Информсвязьиздат, 1995. – 592 с.
  2. Кононенко А. П. Рабочий процесс эрлифта и его моделирование. Монография. – Донецк: ДонНТУ, 2010. – 171 с.
  3. Гідромеханізація: навчальний посібник. М. Г. Бойко, В. М. Моргунов, Л. М. Козиряцький, О. В. Федоров. – Донецьк: ДНВЗДонНТУ, 2011. – 554 с.
  4. Методические рекомендации по применению средств механизации очистки шахтных водосборных емкостей/ В. Г. Гейер, В. С. Дулин, В. И. Лазаренко, В. М. Яковлев. – Донецк: ДПИ, 1983. – 50 с.
  5. Кононенко А. П. Энергетическая эффективность эрлифта / А. П. Кононенко // Науковий журнал Вісник Донецького університету. Серія А, Природничі науки. – Донецьк: ДонНУ, 2006. – № 1, Частина 1.
  6. Средства гидромеханизации : учеб. пособ. / З. Л. Финкельштейн, Л. Н. Козыряцкий. – Алчевск: ДонГТУ, 2013. – 168 с.
  7. Бойко М. Г., Козиряцький Л. М., Кононенко А. П., Землесосні та ерліфтно – землесосні снаряди: Навч. посібник. – Донецьк: ДонНТУ, 2005. – 296 с.
  8. Кононенко А. П. Теория и рабочий процесс эрлифтов. Дис. докт. техн. наук. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2007. – 565 с.
  9. Костанда B. C., Логвинов Н. Г., Скорынин Н. И. Определение основных эксплуатационных параметров эрлифта с длинной подающей трубой и несколькими смесителями. – Донецк, 1982. – 12 с.
  10. Модель рабочего процесса эрлифта в условиях переменных притоков жидкости(гидросмеси). Наукові праці ДНТУ. Серія „Гірничо-електромеханічна“. Випуск 16 (142). – Донецьк: ДВНЗ „ДонНТУ“, 2008. – С. 149–158.
  11. Кононенко А. П. Структуры двухфазных потоков в подъемных трубах эрлифтов // Вісник Сумського державного університету. Серія – Технічні науки. – Суми: СДУ, 2005. – №12(84). – С. 38–48.
  12. Гейер В. Г. Новые технологические схемы и средства шахтного водоотлива. – Донецк: ДПИ, 1972. – 35 с.
  13. Кононенко А. П. Модель рабочего процесса эрлифта с кольцевой структурой водовоздушного потока // Вісник Національного технічного університету „ХПІ“. – Харків: НТУ „ХПІ“, 2006. – №27. – С. 113–121.