Аннотация
Л.Н. Козыряцкий, Ю.А.Рутковский, А.Ю. Рутковский, П.В. Жудин Показана целесообразность широкого применения эрлифтных и гидроэлеваторных устано- вок во многих отраслях промышленности. Предложены новые конструктивные решения по созданию эффективных эрлифтных гидроподъемников с элементами струйных аппаратов и дополнительной всасывающей трубой. Рассмотрены проблемы наличия колебаний давления и пульсаций подачи в эрлифте и физические методы их устранения
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.
Анализ существующих схем и средств водоотлива и очистки от твердого шахтных водосборных емкостей, а также удаления шлама из шламонакопителей, используемых в процессах металлургического производства, или золошлаков из тепловых электростанций показывает, что применение механических средств не позволяет устранить затраты тяжелого ручного труда; они имеют низкую надежность и, как следствие, не могут удовлетворить современным требованиям, предъявляемым к подобного рода устройствам.
Все большее распространение сейчас получает гидравлический способ очистки емкостей, используемых в промышленных производствах, важным достоинством которого является возможность одновременно выполнять одним гидротранспортным агрегатом операции по удалению отложившегося твердого осадка и откачке притока воды, как это имеет место в шахтных условиях.
Из средств гидромеханизированной очистки водосборных емкостей наиболее часто применяются эрлифты и гидроэлеваторы. Однако применение подобных установок ограничивается рядом факторов, в ряду которых наиболее существенным является необходимость в обеспечении значительного относительного погружения, которое должно бытьне менее 0,15.
Востребованное применение эрлифтов и гидроэлеваторов в горнодобывающей, энергетической, металлургической и других отраслях промышленности обусловлено высокой надежностью и простотой, а следовательно, дешевизной изготовления, монтажа, обслуживания и эксплуатации, особенно при транспортировании абразивных гидросмесей.
Особенно следует отметить такие преимущества эрлифтов и гидроэлеваторов по сравнению с насосами (грунтовыми насосами):
а) отсутствие трущихся и вращающихся деталейв их составе;
6) эрлифт и гидроэлеватор представляют собой металлоконструкцию, не требующую применения литья и механической обработки;
в) при транспортировании гидросмесей обеспечивают высокую их консистенцию (до 25–30%, а иногда – до 70% по объему).
Основными недостатками эрлифтных и гидроэлеваторных установок является высокая энергоемкость рабочего процесса, низкий к.п.д. и преимущественно эмпирическая основа их моделирования.
Анализ исследований и публикаций. Существенное расширение областей использования эрлифтов и гидроэлеваторов за последние 70 лет обеспечили научно–исследовательские работы Донецкого национального технического университета
Успешный опыт эксплуатации эрлифтов для очистки зумпфов на шахтах Донбасса, а также положительные результаты теоретических и экспериментальных исследований длительное время работающих эрлифтов, гидроэлеваторов, гидрокомпрессоров и других способов гидромеханизации позволили разработать основы проектирования и выработать практические рекомендации по использованию этих механизмов в различных отраслях промышленности [ 5 ] , [ 6 ].
Постановка задачи. Цель работы разработать конструкцию эрлифтов и гидроэлеваторов, обеспечивающую надежную и устойчивую работу в самых неблагоприятных условиях. К таким условиям должны быть отнесены:
– ограниченная глубина затапливаемой части (не более 3Зм), когда значение относительного погружения эрлифта составляет менее с < 0,15;.
– в случае необходимости практически полное (насухо) удаление гидросмеси из емкости;
– подающая часть гидроподъемника должна обеспечивать прохождение в нагнетательной трубе всей поступающей в емкость осевшей массыс кусками твердого материала наибольшей крупности;
– наличие подачи рабочей жидкости (воздуха – для эрлифта, воды – для гидроэлеватора), обеспечивающей в подводящей трубе к смесителю транспортную скорость для гидросмеси (не менее 1,4 м/с) [ 4 ].
Изложение материала и результаты. В предлагаемой конструкции смесителя эрлифта использовано явление, названное в технической литературе принципом Вентури: при увеличении скорости потока давление уменьшается, и наоборот, давление увеличивается, если величина скорости уменьшается.
Эрлифтная установка (см. рис. 1), оборудованная смесителем с элементами струйного аппарата, содержит: подъемный трубопровод 7; воздухопровод 8, соединенный с цилиндрическим коллектором 2, на котором установлен конический сходящийся насадок 4 с основанием, выполненным в виде решетки 3; подводящую трубу 1, расположенную соосно с цилиндрической камерой смешения 5, камера которой содержит начальный участок 9 и переходной участок 6.
Выходное сечение подводящей трубы 1 расположено в одной плоскости с местом перехода конического сходящегося насадка 4 в начальный участок 9 камеры смешения и образует с ним кольцевую щель для впуска сжатого воздуха в камеру смешения.
Предложенная конструкция смесителя способствует упорядочению структуры и созданию рационального поля скоростей потока сжатого воздуха перед входом в кольцевую щель, позволяет использовать кинетическую энергию сжатого воздуха в кольцевой щели. Подсчитано, что при скоростях воздуха в кольцевой щели порядка 270–280 м/с у выходного сечения подводящей трубы 1 создается разрежение, в результате чего под действием возросшей разности давления у входа в подводящую трубу и на выходе из нее повышается подача эрлифтной установки 1,4...2,7 раза. Благодаря высоким скоростям потока сжатого воздуха в основном конструктивном элементе смесителя кольцевой щели устраняется пульсирующий режим работы эрлифтной установки, вследствие чего в 2...3 раза снижается размах колебаний давления в подъемном трубопроводе, камере смешения в воздухопроводе, что повышает эксплуатационную надежность установки.
Явление колебаний давления в подъемном трубопроводе и пульсирующей подачи еще недостаточно изучено. Сложность процесса и многообразие возмущающих факторов не дают пока возможности решения задачи полного гашения колебаний в эрлифте.
Наблюдениями установлено, что колебания расхода и давления имеют место по всей системе эрлифтной установки: в подводящей трубе, смесителе, подъемной трубе, воздухоотделителе и воздухопроводе. Интенсивность колебательных процессов на отдельных режимах работы эрлифта может быть значительной. Распространяясь по системе, колебания оказывают вредное влияние на надежность крепления эрлифта, работу всасывающего устройства, воздухоотделителя, компрессоров и устройств регулирования. Кроме того, колебания приводят к увеличению гидравлических потерь и, следовательно, снижают к.п.д. эрлифтной установки. Поэтому для повышения эффективности работы эрлифта необходимо стремиться к уменьшению интенсивности колебательных процессов. В особенности это касается смесителя, где встречаются и перемешиваются среды разной плотности и упругости.
Экспериментально установлено, что интенсивность и характер колебаний в эрифтной установке зависит от ее параметров и рабочего режима. Как показали исследования [ 5 ], при работе эрлифта на восходящей ветви расходной характеристики на режимах, соответствующих малым подачам, колебания имеют релаксационный (резко изменяющийся) характер. С увеличением подачи они переходят в томсоновские
колебания (близкие к гармоническим), а с дальнейшим ростом подачи исчезают совсем [ 5 ].
Поэтому нужны дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования физических процессов, в результате которых возникают наблюдаемые при эксплуатации эрлифтов нежелательные четочные режимы работы.
Одним из вариантов частичного гашения колебаний в эрлифте является использование принципа наложения колеблющихся в противофазах смешивающихся потоков [ 5 ].
Для этой цели предложено подключить к смесителю параллельно с подводящей трубой 1 (рис. 2) дополнительную трубу 5, длина которой больше длины подводящей трубы.
Экспериментально установлено оптимальное соотношение длин 4/6; (рис. 2), находящееся в пределах 1...2, при этом уменьшается амплитуда колебаний давления в смесителе на всех режимах работы. При том же расходе сжатого воздуха подача эрлифтов с дополнительной трубой на 7...15% больше, чем у эрлифтов без нее.
Выводыи направления дальнейших исследований.
Эрлифтные установки, оборудованные смесителем с элементами струйного аппарата и дополнительной трубой успешно могут применяться для гидромеханизированной очистки зумпфов скиповых стволов и водозаборных колодцев насоса главного водоотлива, откачки притока воды из зумпфов клетевых стволов при геометрических погружениях смесителя менее 3 м и значениях относительных погружений 
< 0,15.
Они внедрены на ряде шахт производственных объединений «Донецкуголь», «Артемуголь». Однако на шахтах Луганского региона они пока отсутствуют, хотя для их изготовления не требуется капитальных затрат. Они могут найти применение на металлургических предприятиях для опорожнения шлаконакопителей и очистки других гидротехнических сооружений удаления шлака на ТЭЦ и в иных промышленных производствах.
Использование взаимодействия волновых процессов, происходящих в подводящей и дополнительных трубах как нелинейных звеньях установки для их взаимной динамической компенсации при наложении в смесителе, и создание таким образом в камере смесителя наиболее стабильных условий по давлению является перспективным направлением в совершенствовании эрлифтов.
Список использованной литературы
1. Энциклопедия эрлифтов [Текст] / Ф. А. Папаяни, Л. Н. Козыряцкий, В. С. Пащенко, А. П. Кононенко. – Москва : «ИнформСвязьИздат», 1995. – 589 с.
2. Козыряцкий, Л. Н. Эрлифты и гидроэлеваторы в горной промышленности [Текст] / Л. Н. Козыряцкий, В. М. Моргунов, В. М. Яковлев, О. А. Геммерлинг. – Донецк : ДВНЗ «ДонНТУ», 2014. – 173 с.
3. Логвинов, Н. Г. Самовозбуждающиеся колебания в воздушных подъемниках [Текст] / Н. Г. Логвинов // Разработка месторождений полезных ископаемых. – Киев : Техника, 1973. – Вып. 31. – С. 59– 65.
4. Гейер, В. Г. Эрлифтный зумпфовый водоотлив с малой относительной глубиной погружения [Текст]/ В. Г. Гейер // Уголь Украины. – 1978. – № 9. – С. 35–37.
5. Усков, Е. В. Экспериментальные исследования колебательных процессов в секции эрлифта в кн. [Текст] Е. В. Усков // Разработка месторождений полезных ископаемых. – Киев : Техника, 1977. – Вып. 48. – С. 42–46.
6. Малеев, В. Б. Специальные средства водоотлива и гидромеханизированной очистки шахтных водосборных емкостей [Текст] / В. Б. Малеев, Е. И. Данилов, В. М. Яковлев. – Донецк : ДИИ, 1986. – 36с.
7. Методические рекомендации по применению средств механизации очистки шахтных водосборных емкостей. – ЦБНТИ Минуглепрома Украинской ССР, 1983. – 49с.