Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Транспортування крапельних рідин і гідросумішей забезпечується об’ємними і гідродинамічними насосами, до останніх з яких відноситься і ерліфт.

Унікальні гідропідйоми на вугледобувних шахтах, чимало перекачувальних і допоміжні шахтні водовідливні установки і установки для чищення підземних ємностей вугільних підприємств, золошлаковидалення теплових електростанцій, вдосконалені земснаряди для видобутку піску і гравію, досвідчені установки для глибоководного видобутку корисних копалин з дна морів і океанів та інші водовідливні установки були реалізовані на основі газорідинних підйомників.

Ерліфти відносяться до гідравлічних апаратів з досить складними, далеко не до кінця вивченими, що протікають переважно в підйомній трубі гідродинамічними процесами руху газорідинних сумішей (найчастіше з включеннями твердих частинок) і, отже, з далеко не досконалими існуючими аналітичними моделями.

1. Актуальність теми

Над дослідженням ерліфтних установок працює велика кількість вчених і організацій. Незамінний внесок у дослідження внесли вчені: Гейер В. Г., Крилов А. П., Кононенко А. П., Козиряцький Л. М., Ігнатов А. В., Антонов Я. К., Малєєв В. Б., Груба В. І., Зоря А. Н., та ін. Питаннями розробки та експлуатації ерліфтних установок займаються організації: Донецький національний технічний університет, ВНДІГМІ ім. М. М. Федорова та ін.

Застосування ерліфтів в гірничодобувній, енергетичній, металургійній та інших галузях промисловості обумовлено, в основному, високою надійністю і простотою, а, отже, дешевизною виготовлення, монтажу, обслуговування та експлуатації, особливо при транспортуванні абразивних гідросумішей.

Так, зокрема, застосування ерліфтів в системах гідрозолошлаковидалення теплових електростанцій, що працюють на твердому паливі, супроводжується зниженням капітальних витрат в 1,5–2,0 рази, експлуатаційних витрат (включаючи витрати на електроенергію) в 2,0–2,5 раза, скороченням кількості обслуговуючого і ремонтного персоналу в 1,5–2,0 рази в порівнянні з базовим варіантом з грунтовими насосами.

Основними недоліками, стримуючими більш широке використання газорідинних підйомників, є висока енергоємність робочого процесу і, переважно, емпірична основа його моделювання.

Вищевикладене свідчить про актуальність і важливість наукової проблеми, що полягає у подальшому розвитку теорії робочого процесу ерліфтів, що дозволить підвищити рівень ефективності газорідинних підйомників.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Виконані дослідження дозволять визначати раціональну область експлуатації ерліфтів і оптимальний режим їх роботи, встановлені на основі закономірностей робочого процесу газорідинного підйомника, що дасть можливість знизити витрати на транспортування рідин (гідросумішей) за рахунок зменшення енергоспоживання.

Основні задачі дослідження:

  1. Аналіз літератури з даного питання.
  2. Розробка математичної моделі ерліфтної установки.
  3. Чисельне моделювання процесів в ерліфті.
  4. Позначити рекомендації щодо визначення раціональних параметрів ерліфтних установок.

Об’єкт дослідження: процес транспортування гідросуміші стисненим повітрям у вертикальній трубі ерліфта.

Предмет дослідження: параметри робочого процесу ерліфта – подача, витрата повітря, швидкість, тиск і потужність водоповітряного потоку і його компонентів.

3. Огляд досліджень та розробок

У джерелі [1] викладено основи теорії та розрахунку ерліфтів, результати численних експериментальних досліджень ерліфтів різного призначення, а також, описані параметри і характеристики діючих ерліфтних установок і питання перспективного використання ерліфтів. У роботах [2, 3, 4] даються основи теорії, розрахунку і порядок експлуатації ерліфтів, наводяться основи автоматизації. У джерелах показані основні схеми ерліфтних установок, їх аналіз, наведені основні залежності, надані основні параметри для розрахунку ерліфта, показана область застосування ерліфтних установок [9, 10].

Наведено методику проектування ерліфтних установок: визначено послідовність проектування, вибір параметрів для проектування, запропоновані описи, характеристики обладнання ерліфтних установок, метод розрахунку ерліфта в роботі [2]. У джерелі [6] викладені загальні поняття і термінологія гідромеханізованих робіт на прикладі гірської, будівельної та інших галузей промисловості. В роботі [7] представлені загальні відомості про ерліфти і ЕЗК, основи теорії ерліфтів, гідравлічний розрахунок, дослідження руху твердої фракції в підйомній трубі ерліфта. У джерелах [1, 11] наведено аналіз існуючих математичних моделей робочого процесу ерліфта.

4. Пристрій і принцип дії ерліфта

Ерліфт (повітряний підйомник) є гідравлічним апаратом для підйому крапельної рідини, або крапельної рідини і твердого матеріалу за допомогою використання стисненого в нагнітачі і змішаного з цієї крапельної рідиною повітря (газу, пари). Підйомна труба ерліфта може бути розташована в просторі як вертикально, так і мати певний нахил. Ерліфтні установки характеризуються різноманітністю конструктивного виконання, що виходить з різних завдань, умов і області застосування. Однак, все ерліфти складаються з основних конструктивних елементів, які показані на рис.1.

Робота ерліфта починається з запуску в роботу компресора. Стисле повітря по повітроподаючій трубі 1 подається в змішувач 2, де відбувається процес перемішування (взаємодії) стисненого повітря і рідини, в результаті чого рідина рухається по трубі, що подає 3 з резервуара (зумпфа) і перемішується з повітрям у змішувачі, утворюючи газорідинної суміш, яка рухається по підйомній трубі 4 в повітревідокремлювач 5. У повітревідокремлювачі відбувається сепарація потоку на повітря, який виходить в атмосферу і воду.

Пускові режими роботи ерліфта

(Qn – витрата повітря, Qе – подача ерліфта, Δhn – перевищення стовпа рідини в період пуску, h – занурення змішувача, H – висота підйому гідросуміші)
Рисунок 1 – Пускові режими ерліфта (позиції: 1 – повітреподаюча труба; 2 – змішувач; 3 – підводяща труба; 4 – підйомна труба; 5 – повітревідокремлювач)
(анімація: кількість кадрів – 21, кількість повторень необмежена, розмір 109КВ)

Основне рівняння ерліфта

або

де:   aэ – коефіцієнт опору підйомної труби ерліфта;

   h – геометричне занурення змішувача;

   pа – атмосферний тиск;

   ρ – щільність середовища, що транспортується;

   g – прискорення вільного падіння.

Приведені вище залежності свідчать, що подача ерліфта при постійному відносному зануренні у великій мірі залежить від подачі повітря. Залежність подачі ерліфта від витрати повітря визначає витратну характеристику ерліфта. Найбільш надійно її можна отримати експериментальним шляхом. Графічно видаткова характеристика для певного ерліфта, глибини і відносного занурення, представляє криву, вигляд якої показаний на рис. 2.

Рисунок 2 – Витратна Qэ = ƒ(Qв) та енергетична ηэ = ƒ(Qв) характеристики ерліфта

Енергетична характеристика визначається коефіцієнтом корисної дії ерліфта, що є відношенням корисної потужності з підйому гідросуміші до потужності підводиться потоку повітря:

На рис. 2 показані витратна та енергетична характеристики ерліфта. Режим роботи, при якому коефіцієнт корисної дії має найбільше значення, є оптимальним і визначається точкою А дотичній, проведеної з початку координат до видаткової характеристики ерліфта. Робочою зоною ерліфта є сукупність його режимів, при яких значення коефіцієнта корисної дії не менше 85% від його максимального значення – зона ВС (рис. 2.).

Для ерліфта з незмінними висотою, діаметром і опором підйомної труби при зміні геометричного занурення (наприклад при зміні об’єму рідини в ємності) буде зміняться відносне занурення і, відповідно, при однаковій витраті стиснутого повітря буде різна подача ерліфта. З ростом геометричного, а значить, і відносного занурення подача ерліфта зростатиме і, навпаки, із зменшенням занурення – знижуватися.

5. Аналіз існуючих математичних моделей робочого процесу ерліфта

Для характеристики руху двофазних потоків у вертикальних трубах використовують осереднені в часі і просторі параметри. Використовувані осредненние параметри зазвичай поділяють на витратні і дійсні.

Основними витратними параметрами двофазного потоку є: Мр і Мг – масові витрати рідини і газу; Qр і Qг – об’ємні витрати рідини і газу; υр і υг – середні швидкості рідини і газу; x – масовий витратний газовміст потоку; β – об’ємний витратний газовміст потоку; ρβ – середня витратна щільність потоку.

Дійсні параметри двофазного потоку: φ – дійсний об’ємний газовміст; wг – дійсна швидкість газу; wр – дійсна швидкість рідини; wвідн – відносна швидкість фаз; ρз – дійсна густина суміші.

Математичне моделювання та кількісний аналіз робочого процесу ерліфта базується на використанні фундаментальних рівнянь збереження – маси і кількості руху.

На даний час створення єдиної теоретичної моделі для декількох структур газорідинної суміші не є можливим через складність процесів.

Найпростішою моделлю газорідинного потоку в трубі є гомогенна, введена Г. Лоренцом. У даній моделі відносна швидкість газу і рідини приймається рівною нулю, суміш розглядається як однофазна рідина, що володіє відповідними реальному потоку середніми властивостями, і рух суміші описується рівняннями однофазної середовища. Відповідно до гомогенної моделі:

На жаль, лише в рідкісних випадках гомогенна модель дає результати, досить близькі до реальних. Тому для практичних розрахунків цю модель використовують лише в якості грубого наближення.

Модель роздільного течії заснована на використанні рівнянь нерозривності руху та енергії окремо для кожної фази. Отримання такого рішення не представляється можливим і реалізація моделі роздільного течії зводиться до емпіричного (або напівемпіричних) отриманню критериального рівняння для визначення справжнього газовмісту:

де:   Frc – критерий Фруда;

   Rec – критерій Рейнольдса;

   We – критерій Вебера;

   ρ – відносна щільність;

   μ – відносна динамічна в’язкість.

При цьому далеко не всі критерії, що входять до вищенаведене рівняння істотно впливають на величину φ.

Більш універсальною є модель, аналітично враховуюча взаємне ковзання газу і рідини, названа Г. Уоллісом моделлю дрейфу. Дана модель являє собою модель роздільної течії, в якій досліджується не рух окремих частинок, а їх відносний рух. Теорія потоку дрейфу широко використовується при дослідженні бульбашкових, снарядних і дисперсних течій газорідинних систем. У загальному вигляді рівняння потоку дрейфу має вигляд:

де:  C1 – коефіцієнт, як правило, приймають C1 = 1,2;

   υ* – швидкість потоку дрейфу;

тут:  υn – швидкість підйому одиночного бульбашки газу в рідині;

   C2 – коефіцієнт, що характеризує взаємодію бульбашок між собою або стінками трубопроводу.

Перевагою моделі потоку дрейфу є те, що результати розрахунку досить добре узгоджуються не тільки з даними для руху газорідиного потоку, але і для непроточного барботажного шару (υр = 0).

Поряд з вищевикладеними загальними моделями процесу руху двофазних потоків для конкретних умов розроблено ряд приватних теоретичних і емпіричних моделей, що грунтуються на окремих сторонах взаємодії газу і рідини в підйомній трубі ерліфта: модель, заснована на врахуванні „підйомної сили газу“ А. П. Крилова, енергетична модель Верлюіса, модель „негерметичного поршня“ та ряд інших.

Найбільш часто використовується гомогенна модель Г. Лоренца, в якій рівняння подачі ерліфта виглядає наступним чином:

Н. М. Герсеванов запропонував вести розрахунок ерліфта по енергії, що витрачається на подоланні опору руху бульбашок газу в рідкому середовищі. Запропонована методика розрахунку не враховувала зміну форм руху суміші в підйомній трубі ерліфта при різних режимах роботи, тому результати газорідинних підйомників, що працюють при великих перепадах тисків, мали значне відхилення від практичних вимірів.

Метод розрахунку ерліфта, до авторів якого віднесені академік А. П. Германом і професора П. П. Агрунов і В. Г. Гейер, заснований на застосуванні безрозмірних характеристик. Використовуючи рівняння Д. Бернуллі для стисненої рідини, отримані залежності, що дозволяють застосовувати дані випробувань ерліфтів для аналізу внутрішній явищ в трубі ерліфта. Найбільш цінним висновком є те, що вчені вказали на існування безрозмірних характеристик ерліфта, головним з яких є відносне занурення ерліфта α  =  h/(H + h) (H – висота підйому ерліфта). Відносне занурення визначає для даного діаметра підйомної труби D витрата повітря Qв і подачу ерліфта Qе, що широко використовувалося в подальшому і в інших роботах.

Найбільшого поширення набула методика професора В. Г. Гейера, багато в чому базувалася на виконаних ним раніше дослідженнях. В основу розрахунку покладено баланс потужностей потоку рідини і газу в підйомнику при прийнятій відносної швидкості фаз, рівній 0,3 м/с. Основне рівняння, отримане вченим, має вигляд:

де:   Dв – діаметр вихідного торця підйомної труби;

   q – питома витрата повітря.

Позначивши вираз під коренем, помножений на 0,125, через коефіцієнт подачі C, рівняння прийме вигляд:

Витрата повітря розраховується за виразом

Значення коефіцієнта подачі ерліфта і питомої витрати повітря визначаються за емпіричними залежностями C = ƒ(α) та q = ƒ(α).

Правомірність розробленої методики підтверджена багатьма ефективно працюючими ерліфтної установками. Численні теоретичні та експериментальні роботи вчених школи професора В. Г. Гейера дозволили розвинути метод розрахунку ерліфта в оптимальному режимі роботи (при максимальному ККД).

До недоліків розробленої математичної моделі ерліфта слід віднести прийняту гомогенну фізичну модель і постійність значень коефіцієнтів сопротівленіяв λ оптимальному режимі роботи ерліфта для всіх реалізованих в підйомнику структур двофазних потоків. Різні структури водоповітряних сумішей, у тому числі що змінюються по висоті підйомних труб, визначаються режимами роботи газорідинних підйомників.

Однак існуючі методики кількісної оцінки гідродинамічних параметрів газорідинних потоків у підйомнику вимагають уточнення, що тягне за собою необхідність розробки адекватних фізичних і математичних моделей робочого процесу ерліфта.

Висновки

Виконані дослідження дозволять визначити раціональну область експлуатації ерліфтів і оптимальний режим їх роботи, встановлені на основі закономірностей робочого процесу газорідинного підйомника, що дасть можливість знизити витрати на транспортування рідин (гідросумішей) за рахунок зменшення енергоспоживання.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2015 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  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.