Дослідження руху твердої фракції у вертикальному водоповітряному потоці піднімальної труби ерліфта

Анотація

Дослідження руху твердої фракції у вертикальному водоповітряному потоці піднімальної труби ерліфта. В роботі встановлені основні закономірності руху твердого тіла у водоповітряному потоці піднімальної труби ерліфта, проаналізовані теоретичні та експериментальні дані, визначені значення коефіцієнту опору руху твердого тіла.

Проблема та її зв’язок з науковими та практичними задачами

В проектуванні ерліфтних установок для підйому твердого матеріалу дуже важливою є задача підтримки заданої швидкості потоку водоповітряної суміші (транспортної швидкості) в трубопроводі що подає й піднімальному трубопроводі, яка повинна бути вище критичнї [2]. Мала швидкість потоку робить неможливим перенос потоком твердих фракцій, щільність яких перевищує щільність рідини або призводить до накопичення в усмоктувальному пристрої значної кількості твердого матеріалу, що призводить до закупорювання ерліфта. Занадто висока швидкість потоку призводить до великих значень втрат напору рідини, перевитрати стиснутого повітря, що призводить до зниження ККД ерліфта, також призводить до посиленого зношування труб і всіх конструктивних вузлів і елементів, збільшенню динамічних навантажень, може призводити до підвищеного здрібнювання твердого матеріалу [1].

Аналіз дослідів та публікацій

У роботі [1], встановлені закономірності руху твердого тіла в стиснутих умовах, справедливі для гомогенних середовищ, для розрахунку кінематичних параметрів при русі твердих тіл у водоповітряному потоці, основні положення яких були підтверджені експериментом. Наведені дані експериментальних досліджень, для твердих тіл різної щільності й розмірів, завдяки якому встановлені значення коефіцієнту опору руху твердого тіла, та побудовані експериментальні криві. У роботі [2] наведені розрахункові методики технологічних процесів гідравлічного транспорту. У роботі [3] даються основи теорії, розрахунку й порядок експлуатації ерліфтів, приведений гідравлічний розрахунок ерліфтної установки.

Задачі дослідження

Ціллю даного дослідження є аналіз виконаних на кафедрі ЄМС теоретичних і експериментальних робіт з цієї тематики та визначення закономірностей руху твердої фракції у піднімальній трубі ерліфта на основі експериментальних даних, визначення коефіцієнтів опору руху твердого тіла в водоповітряному потоці піднімальної труби ерліфта.

Викладення матеріалу та результати

Звичайно в розрахунках кінематичних параметрів при русі твердих тіл у водоповітряної потоці застосовують закони, справедливі для гомогенних середовищ. Виходячи із цього визначається кінематичний параметр, що найбільш повно характеризує рух твердого тіла у вертикальному водоповітряному потоці – це гідравлічна крупність V₀. Це швидкість водоповітряного потоку, при якій тверде тіло перебуває у зваженому стані, не опускається і не піднімається. Слід зазначити, що гідравлічна крупність V₀ іноді прирівнюють до швидкості витання Vв або критичної швидкості Vкр.

Гідравлічна крупність визначається за залежністю:

де d_т – характерний розмір тіла; ρ_т, ρ – відповідно щільність твердого тіла та рідини; q_п – питома витрата повітря, віднесена до середнього тиску гідросуміші в піднімальній трубі ерліфта, С₀ – коефіцієнт опору, що враховує характер обтікання тіла й ступінь сферичності, f – коефіцієнт, значення якого, для кулі, приймається рівним f = 2/3 .

При аналізі питання, дуже важливо відзначити, що в рівнянні (1) за швидкість V₀ приймається швидкість падіння тіла, що перебуває на нескінченному видаленні щодо границь суміші. В умовах стиснутого руху тіла ця швидкість буде відмінною і дорівнювати V₀ = V;

де С – коефіцієнт опору руху при швидкості V;

Як показали численні дослідження, проведені А.Н. Зорею, цей коефіцієнт дорівнює:

де m_d – коефіцієнт живого перетину; k – коефіцієнт, що залежить у загальному випадку від m_d, D – діаметр підйомної труби ерліфта [1].

Для практичних цілей, щоб визначити транспортну швидкість водоповітряної суміші, надто важливо знати величину коефіцієнта опору. Цей коефіцієнт можливо визначити тільки експериментальним шляхом. Для цього, а також для визначення деяких інших параметрів в ДПІ була побудована експериментальна ерліфтна установка. Вугілля й порода, що транспортується в ерліфтній установці характеризуються найрізноманітнішою геометричною формою. Проте, за даними численних вимірів, для розрахунків і аналітичних досліджень їх можна приймати як шматки кулястої форми. В ході експерименту питома витрата повітря q змінювалась шляхом установлення різного відносного занурення α, значення якого коливалось від 0,101 до 0,405. Були виготовлені тверді тіла трьох форм (куля, куб, пластина) обсягом 26,4·10^-6 м³ і 137·10^-6 м³. Щільності тіл 1300, 1800, 2500, 4500, 6450 та 7800 кг/м³. Кулі діаметром 37 і 62 мм, [1].

Проведені експериментальні дослідження дозволяють розрахувати мінімально припустиму швидкість водоповітряної суміші для транспорту твердого в піднімальній трубі ерліфта, яка може бути визначена, як

Коефіцієнт опору руху тіла при мінімальній припустимій транспортній швидкості

де R_т – гідравлічний радіус, взятий за характерний розмір тіла.

Дослідження показали, що для кожного тіла існує своя крапка на витратній характеристиці ерліфта, у якій воно перебуває в стані виходу із піднімальної труби (Рис.1). У найбільш низьких крапках видаткової характеристики, як показано на графіку, перебувають пласкі тіла, у високих – кулясті. При однаковій щільності тіла й стисненні малі тіла транспортуються легше, ніж більші. Чим більше щільність тіла, тим вище по кривій перебуває крапка витання досліджуваного тіла даної форми й розміру.

Аналогічні характеристики можуть бути отримані також для інших форм твердої фракції. Аналіз цих характеристик дав змогу отримати деякі параметри руху гідросуміші у піднімальній трубі ерліфта та побудувати експериментальні залежності.

На рисунку 2 показані залежності мінімальної припустимої транспортної швидкості від питомої витрати повітря, віднесеної до середнього тиску гідросуміші.

На рисунку 3 показані залежності коефіцієнта опору при мінімально–припустимій транспортній швидкості від qп для досліджуваних твердих тіл.

Необхідну середню швидкість у піднімальній трубі ерліфта для транспорту твердого визначають по рівнянню

де К_з – коефіцієнт запасу; К_к – коефіцієнт, що враховує концентрацію суміші; К_с – коефіцієнт, що враховує скрутність.

Висновки та напрямки подальших досліджень

В ході проведених досліджень та експерименту була вирішена важлива практична задача з визначення коефіцієнта опору руху твердого тіла у водоповітряному потоці підйомної труби ерліфта, що дало змогу розрахувати необхідну транспортну швидкість потоку для успішної роботи ерліфтної установки в оптимальному режимі. З метою поширення отриманих даних на труби різного діаметра й на параметри твердих тіл необхідно зробити дослідження з тілами різних розмірів, тобто врахувати скрутність.

Використана література:

1. Энциклопедия эрлифтов / Папаяни Ф.А., Кононенко А.П., Козыряцкий Л.Н. и др. – Донецк, Москва: Информсвязьиздат,1995,– 598 с.
2. Гідромеханізація: навчальний посібник. М.Г. Бойко, В.М. Моргунов, Л.М. Козиряцький, О.В. Федоров. – Донецьк: ДНВЗ «ДонНТУ», 2011,– 554 с.
3. Спеціальні засоби і схеми гідропідйому, водовідливу і очищення шахтних водовідливних ємностей. / Навчальний посібник / Козиряцький Л.М., Моргунов В.М., Яковлєв В.М., Геммерлінг О.А. – Донецьк: ДонНТУ, 2012. – 133 с.