Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Эрлифтная установка, как одна из основных элементов гидротранспорта, нашла широкое применение во многих отраслях промышленности благодаря надежности работы, простоте конструкции и широкому диапазону эксплуатационных параметров (подача, высота подъема, глубина погружения и т.д.). И хотя эрлифт, как нагнетатель, известен с давних времен, хорошо изученными являются устройства, предназначенные для транспортирования воды и твердых фракций со сравнительно небольших глубин. Поэтому разработка эрлифтных систем подъема с больших глубин является актуальной задачей.
Анализ исследований и публикаций. Технический прогресс невозможен без усовершенствования всех видов транспорта. Его цель – снижение себестоимости транспортирования, обеспечение непрерывности технологической цепи, упрощение схем управления и автоматизации, уменьшение вредного влияния на окружающую среду. Известные способы транспортирования такие как железнодорожный, речной и морской, не могут полностью удовлетворять возросшим требованиям технического прогресса. Поэтому во всем мире значительное внимание уделяется трубопроводному транспорту. Такие страны как США, Канада, Китай, Япония и др. развивают гидротранспорт. Примером может служить гидротранспорт угля на 435 км (BlackMesa) с шахт северо-востока на центральную электростанцию, расположенную на окраине юга Невады. Пульповод BlackMesa успешно функционирует, начиная с 1970 г. Имеются гидротранспортные системы протяженностью несколько тысяч километров (Китай, США).
В настоящее время гидротранспорт находит применение при перемещении не только угля, но и песка, гравия, ила, нефти и нефтепродуктов и т.д. от места добычи к потребителям. Он применяется при удалении отходов обогатительных фабрик, электростанций и т.д.
Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в Донецком национальном техническом университете, показали, что использование эрлифтов повышает надежность и эффективность работы всей гидротранспортной системы. Длительный опыт эксплуатации подтвердил справедливость полученных результатов.
Постановка задачи.Исследовать зависимость транспортной скорости 3-х фазной гидросмеси от длины трубопровода. Определить координату, при которой скорость достигает своего максимального значения и вывести формулу изменения диаметра подъемной трубы и соответствующие изменения этой скоростив месте расширения. Установить фактор, ограничивающий максимальную глубину погружения смесителя, и определить ее величину.
Изложение материала и его результаты. Несмотря на простоту конструкции и наличие общих элементов, эрлифты в зависимости от назначения значительно отличаются друг от друга.
Так, предназначенные для подъема твердых фракций с больших глубин имеют существенное отличие от уже хорошо изученных эрлифтов, применяемых для откачивания воды со сравнительно небольших глубин. Но, в настоящее время, именно подъем сырья с больших глубин является весьма актуальной задачей. Это объясняется тем, что значительные запасы полезных ископаемых сосредоточены на дне Мирового Океана и находятся на глубине от 2000м до 6000м. Наиболее перспективной и технически реализуемой системой подъема является гидравлическая с использованием эрлифтов. Поэтому разработка эрлифтных систем подъема твердых фракций с больших глубин является актуальной задачей.
В Донецком национальном техническом университете разработана такая система.
Основным элементом глубоководной эрлифтной системы подъема является транспортный трубопровод (ТТ), включающий подводящий (до смесителя) и подъемный (после смесителя) участки. Учитывая большую длину ТТ, конструктивно он выполняется в виде секций, оснащенных узлами соединений [1,3]. Длина секций обычно принимается из условий транспорта их по железной дороге (обычно lс=12,5м) и условиями монтажно-демонтажных работ непосредственно на добычном судне.
Внутренний диаметр секций подводящего и основного участков принимается из условия оптимизации транспортного режима и установления характера изменения критической и транспортной скорости вдоль подъемной трубы [1…4]. Учитывая большую степень сжатия подводимого в смеситель воздуха (100…150), увеличения скорости движения трехфазной (вода, воздух, твердая фракция) смеси в подъемном трубопроводе заметно проявляется на верхнем участке (150…200м) последнего. Поэтому, в целях ограничения скорости, верхний участок подъемной трубы выполняется из секции большего диаметра, величина которого принимается из условия ограничения скорости трехфазной гидросмеси на выходе из подъемной трубы Vвых[3]. Для этой цели исследуется зависимость транспортной скорости Vтр.z по длине подъемной трубы
где удельный расход сжатого воздуха [1]
Из построенного графика Vтр.z= f(z)определяется координата z1 (расстояние от смесителя), в которой Vтр.z= Vтах. Начиная с этой координаты увеличивается диаметр подъемной трубы, величина которой определяется по формуле .
Соб – объемная концентрация гидросмеси в подъемной трубе
При выборе толщины стенок секций ТТ, кроме учета обычных сил тяжести собственно трубопровода и навешанных на него элементов, следует учитывать и силу сжатия трубы, возникающую вследствие разности гидростатического давления окружающей среды и избыточного давления внутри ТТ.
Учитывая большую длину подводящего участка ТТ и влияние плотности гидросмеси на динамическое давление в смесителе, необходимым элементом в глубоководной эрлифтной системе является бункер-дозатор (БД), который устанавливается в ТТ. БД выполняет функции буферного устройства и дозатора, тем самым обеспечивая равномерную, управляемую по величине загрузку системы подъема твердых фракций при неравномерной их подаче от донного агрегата сбора
Этим самым достигается стабильность оптимального режима работы системы подъема и сохраняется постоянная нагрузка на компрессор.
При выборе рациональных параметров глубоководных эрлифтов в качестве минимизируемого критерия оптимальности принимается мощность потока сжатого воздуха у смесителя. В результате анализа расчетных данных установлено, что приращение давления за счет веса столба сжатого воздуха в пневмосети превосходит диссипативные потери, а температура сжатого воздуха на расстоянии 250м от компрессора практически не отличается от температуры морской воды. Этот фактор является ограничением для максимальной глубины смесителя вследствие того, что при низких температурах (менее +5?С) и высоких давлений (20 МПа) возможно образование гидратов воздуха. Поэтому глубина погружения смесителя не должна превышать 2000м.
Выводы и направления дальнейших исследований. В ДонНТУ и НПО «Хаймек» был разработан проект эрлифтно-земснарядного комплекса для удаления или со дна водохранилища «Ингур-ГЭС» (Грузия), которое является уникальным и не имеющим аналогов в Мировой практике. Глубина разработки более 200 м, производительностью по твердой фракции более 100 м3/ч.
Прочностные расчеты показали, что при длине колонны труб эрлифта 200 м с соответствующей массой этой колонны, она может принять не более 2/3 этой массы. В противном случае наступит разрушение колонны труб эрлифта.
Направления дальнейших исследований необходимо вести по созданию агрегата сбора твердой фракции по дну водоема.
Список литературы:
1. Энциклопедия эрлифтов/Ф.А. Папаяни, Л.Н. Козыряцкий, В.С. Пащенко, А.П. Кононенко. – Донецк, 1995. – 592 с.
2. Бойко Н. Г., КозиряцькийЛ.М., Кононенко А.П.Землесосні і ерліфтно-землесосні снаряди: Навчальний посібник. – Донецьк2007. –436 С.
3. Гидроподъем полезных ископаемых/Антонов Я.К., Козыряцкий Л.Н. и др. – М.: Недра, 1995– 173 с.
4. Гейер В.Г., Козыряцкий Л.Н. Исследование движения твердых тел в подъемной трубе эрлифта. – Уголь, № 5, 1976.
5. Гідромеханізація: навчальний посібник (Бойко М.Г., Моргунов В.М., Козиряцький Л.М., Федоров О.В. – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2011. – 554 с.