Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Системы и агрегаты перекачки песчаной пульпы 10
1.1. Общие сведения по гидронамыву возводимых сооружений 10
1.2. Намыв автомобильных и железных дорог 13
1.3. Схемы работы грунтовых насосов 19
1.4. Расчет рабочих параметров грунтовых насосов 23
1.5. Методы расчета напорного гидротранспорта 26
1.5.1. Расчет параметров напорного гидротранспорта по методу ВНИПИИСТРОМСЫРЬЕ 26
1.5.2. Расчет параметров напорного гидротранспорта по методу ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева 29
1.5.3. Расчет параметров напорного гидротранспорта по методу B.C. Кнороза 33
1.6. Методы повышения эффективности работы напорного Гидротранспорта 33
1.7. Основные выводы, цели и задачи исследования 39
ГЛАВА 2. Теоретические основы энергосберегающей технологии гидронамыва песка 41
2.1. Анализ сил, действующих на частицу песка при ее движении в трубопроводе 41
2.2. Анализ исследований по распределению скоростей пульпы в поперечном сечении трубопровода 44
2.3. Расчет динамики движения частицы песка в трубопроводе 51
2.4. Гидравлический расчет энергосберегающей схемы Гидронамыва 54
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования гидролинии транспортировки песчаной пульпы 62
3.1. Общая постановка вопроса 62
3.2. Определение требований к конструкции экспериментальных установок 64
3.2.1. Требования к установке для изучения влияние формы частиц песка на скорость их осаждения и траекторию движения в жидкости 64
3.2.2. Требования к установке для определения степени достоверности разработанной математической модели движения частиц песка в потоке воды 66
3.2.3. Требования к установке для подтверждения расчетной модели гидролинии с отводом потока
пульпы на начальном отрезке пульпопровода 67
3.3. Описание экспериментальных установок 68
3.3.1. Установка для изучения влияние формы частиц песка на скорость их осаждения и траекторию движения в жидкости 68
3.3.2. Установка для определения достоверности разработанной математической модели движения частиц песка в потоке воды 72
3.3.3. Установка для подтверждения расчетной модели гидролинии 74
3.4. Описание экспериментальных исследований 75
3.4.1. Изучение влияния формы частиц песка на скорость их осаждения и траекторию движения в жидкости 75
3.4.2. Определение достоверности разработанной математической модели движения частиц песка в потоке воды 80
3.4.3. Подтверждение расчетной модели гидролинии 83
3.5. Экспериментальное исследование пути возможного
повышения эффективности работы гидролинии намыва песка 85
ГЛАВА 4. Параметрический анализ работы системы гидронамыва песка по предложенной технологии 91
4.1. Анализ динамики движения частицы песка в пульпопроводе постоянного сечения 91
4.2. Анализ влияния размера частиц на процессы расслоения пульпы 94
4.3. Анализ влияния средней скорости жидкости на процессы расслоения пульпы 98
4.4. Параметрический анализ влияния основных геометрических и режимных факторов на гидравлические и энергетические параметры энергосберегающей схемы гидронамыва песка 102
4.4.1. Анализ влияния основных геометрически параметров 103
4.4.1.1. Анализ влияния длин основных плеч гидравлической схемы намыва песка 103
4.4.1.2. Анализ влияния диаметра трубопровода, отводящего осветленную пульпу 111
4.4.2. Анализ влияния основных режимных параметров 115
4.4.2.1. Анализ влияния объемной концентрации
песка в исходной и отводящей пульпе 115
4.4.2.2. Анализ влияния размера частиц песка 122
5. Общие выводы по работе 127
Список используемой литературы
- Расчет параметров напорного гидротранспорта по методу ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева
- Расчет динамики движения частицы песка в трубопроводе
- Требования к установке для определения степени достоверности разработанной математической модели движения частиц песка в потоке воды
- Анализ влияния размера частиц на процессы расслоения пульпы
Введение к работе
Актуальность темы. Ведущее место в добыче полезных ископаемых принадлежит открытым способам разработки, как наиболее экономичным и безопасным. Одним из направлений повышения эффективности открытых разработок месторождений является применение технологий с использованием средств гидромеханизации. Гидромеханизированным способом разрабатываются вскрышные породы на угольных карьерах, на карьерах химического сырья и строительных горных пород, добываются эти породы, торф, золотоносные и алмазные пески, осуществляется сооружение котлованов, углубление рек и водоемов, возводятся дамбы и плотины, строительные площадки и дорожные насыпи. Гидромеханизация способствует снижению стоимости строительства объектов, сокращению трудовых затрат и внедрению природоохранных и ресурсосберегающих технологий.
Гидравлический способ разработки месторождений в России начал применяться в середине 19-го века в Забайкалье, а затем в Западной Сибири, Красноярском крае и др. В дальнейшем этот метод использовали при гидронамыве земляного полотна во время строительства Днепрогэса (1929-1931 гг.), при строительстве канала им. Москвы (1934-1937 гг.), Верхневолжских гидроузлов (1936-1941 гг.) и др. После Великой Отечественной войны гидромеханизация получила бурное развитие. Так, например, до 70-ти процентов общего объема земляных работ при строительстве Волго-Донского судоходного канала и ГЭС на Волге и Днепре было проведено средствами гидромеханизации. С 1985 г. предприятия «Трансгидромеханизация» и «Уренгойтрансгидромеханизация» приступила к выполнению намывных работ в Западной Сибири на Ямбурском газоконденсатном месторождении. В настоящее время эта технология является основной при строительстве оснований дорожного полотна в Западной Сибири. Основные преимущества гидротранспорта: сокращение ввода карьера в эксплуатацию, транспортирование массы из карьера практически под любым углом (сокращение транспортных коммуникаций по сравнению с железнодорожным в 16 раз, автомобильным – в 6 раз, конвейерным – в 3 раза), возможность монтажа трубопровода на неровной поверхности, сравнительно малый объем капитальных затрат, создание условий для поточной технологии, автоматизации и дистанционного управления, создание благоприятных условий труда и снижение производственного травматизма, устранение пылеобразования, относительно благоприятные санитарно-гигиенические условия работы на объекте.
В настоящее время при добыче и транспортировке песка от источника (донные слои водоемов) на карту намыва (карьер, насыпь и т.д.) песок смешивается с водой и насосом по трубопроводу подается к месту назначения. При этом на привод насоса затрачивается энергия как на перемещение собственно песка, так и на перемещение несущей его воды, причем количественное соотношение воды и песка, а также скорость перемещения их смеси (пульпы) выбирается таким образом, чтобы песок не осаждался на нижней части трубопровода (пульпопровода) и не образовывал в его поперечном сечении сплошные пробки. Большой вклад в развитие технологии гидронамыва внесли такие отечественные ученые, как Ржевский В.В., Нурок Г.А., Юфин А.П., Ялтанец И.М., Лешков В.Г., Огородников С.П., Журин В.Д., Хныкин В.Б., Емельянов В.И., Огурцов А.И., , Шкундин Б.М. и др.
В то же время использование технологии гидронамыва имеет негативные последствия как экономического, так и экологического характера, особенно в условиях севера Западной Сибири, в водоемах которых донные пески содержат большое количество илистых фракций и пылеватых частиц. Это обстоятельство приводит к тому, что, во-первых: на карту намыва подается песчаная смесь низкого качества, что приводит к снижению параметров используемого в строительстве песка (основание дорожной насыпи, кустовые площадки и др.), во-вторых: растекающаяся смесь образует протяженные «пляжные откосы», значительная часть которых недоступна для последующего использования песка, и, в-третьих: стекающая с карты намыва вода заболачивает окружающую местность.
Традиционный способ борьбы с этими негативными явлениями заключается в применении сгустителей пульпы, которые устанавливаются на подающем конце пульпопровода. В сгустителях производится отделение излишков воды от песка, после чего песок подается на карту намыва, а вода направляется в исходный или неподалеку расположенный водоем.
Этот способ имеет определенные недостатки, затрудняющие его реальное использование, и заключающиеся в следующем. Во-первых: эффективные сгустители достаточно громоздки, а для отсыпки осушенного песка их нужно постоянно перемещать. Во-вторых: для транспортировки освободившейся воды необходима прокладка дополнительного трубопровода, и дополнительные затраты энергии.
Таким образом, разработка и внедрение новой схемы гидронамыва песка, позволяющей сократить энергозатраты на транспортировку песка, улучшить его качество за счет сокращения илистых и пылеватых частиц и сохранить экологию окружающей среды, является важной и актуальной задачей.
Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное исследование новой энергосберегающей технологии гидронамыва песка.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Выполнен анализ наиболее перспективных способов гидронамыва песка, позволяющих:
уменьшить энергозатраты на гидронамыв песка;
обеспечить подачу на карту намыва песка повышенной крупности и улучшить экологическую обстановку.
2. Разработана математическая модель движения частицы песка в пульпопроводе.
3. Разработана методика расчета основных объемных и массовых потоков пульпы при реализации нового способа гидронамыва песка.
4. Проведен комплекс лабораторных и промышленных экспериментальных исследований с целью подтверждения адекватности разработанной математической модели и методики гидравлического расчета.
5. На основе разработанных математической модели и методики гидравлического расчета выполнен параметрический анализ влияния основных режимных и конструктивных параметров на эффективность работы нового способа гидронамыва песка.
Методы исследования. В работе использованы методы математического анализа, математического моделирования, гидромеханики, гидравлики, формальной логики, численного анализа и экспериментального исследования.
Научная новизна. В общей постановке заключается во впервые полученных результатах исследования нового способа гидронамыва песка, обеспечивающего снижение энергетических и материальных затрат на перемещение песчаной пульпы и сохранение экологии окружающей среды.
В том числе:
1. На основе анализа действующих сил разработана математическая модель движения твердой частицы песка в пульпопроводе в двухмерной нестационарной постановке.
2. Используя уравнения сохранения энергии, объема и массы для пульпы разработана методика гидравлического расчета объемных и массовых потоков пульпы, а также давлений и скоростей в контрольных точках при реализации нового способа гидронамыва песка.
3. На основе комплекса лабораторных и промышленных экспериментальных исследований проведено подтверждение адектватности разработанной математической модели движения частицы песка в пульпопроводе и методики гидравлического расчета нового способа гидронамыва песка.
4. Используя разработанные теоретические модели, проведен параметрический анализ влияния основных режимных и конструктивных параметров на эффективность работы нового способа гидронамыва песка.
Практическая ценность:
В целом состоит в том, что дано теоретическое и экспериментальное обоснование целесообразности применения нового способа гидронамыва песка, в том числе с использованием комбинированного гравитационно-инерционного сгустителя, установленного на начальном участке пульпопровода.
В том числе:
1. Проведен комплекс лабораторных и промышленных экспериментальных исследований, позволяющий доказать эффективность использования нового способа гидронамыва песка:
экспериментально доказано улучшение гранулометрического состава песка подаваемого на карту намыва;
теоретически рассчитано и экспериментально подтверждено снижение энергозатрат на гидронамыв песка до 10-15 %.
2. Разработана методика гидравлического расчета нового способа гидронамыва песка, получившая экспериментальное подтверждение и позволяющая проводить внедрение новой схемы гидронамыва песка на различных участках местности и земснарядах различной производительности.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты анализа известных технических решений способов и конструкций систем гидронамыва, направленных на повышение концентрации песка в пульпе.
-
Математическая модель движения твердой частицы песка в пульпопроводе в двухмерной нестационарной постановке.
-
Методика гидравлического расчета нового способа гидронамыва песка с определением объемных и массовых потоков пульпы, а также давлений в контрольных точках гидравлической схемы.
-
Комплекс лабораторных и промышленных экспериментальных исследований с целью получения новых знаний и подтверждения адекватности разработанных математических моделей.
-
Результаты параметрического анализа, проведенного на основе численного эксперимента.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на регулярных научных семинарах кафедры «Гидромеханика и транспортные машины» ОмГТУ (2005-2010 гг.), на МНТК «Транспортные и транспортно-технологические системы» (Тюмень, ТГНУ, 2010), МНТК «Окружающая природная среда, экологическое образование и воспитание» (Пенза, ПГУАиС, 2010), школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, УГАТУ, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из оглавления, введения, четырех глав, общих выводов, приложения и списка литературы, содержащего 66 наименований использованных первоисточников. Общий объем работы – 135 страниц, основной текст изложен на 125 страницах, содержит 80 рисунков. В приложении представлены фотографии участка пульпопровода во время натурных полномасштабных испытаний разработанного способа гидронамыва.
Расчет параметров напорного гидротранспорта по методу ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева
Процесс гидронамыва грунта представляет собой организованное осаждение грунтовой массы из потока на отведенной для этого площади [20]. За счет осаждающегося грунта формируется тело возводимого сооружения. Водный поток, несущий строительный материал, изливаясь из труб, растекается по поверхности возводимого сооружения и откладывает грунт на этой поверхности. Частично же водный поток за счет инфильтрации уходит в тело плотины, а частично организованно или самопроизвольно стекает с территории возводимого сооружения, унося с собой часть мельчайших частиц грунта [21]. Течение потока гидросмеси по поверхности намываемого сооружения является чрезвычайно сложным движением неоднородной жидкости по руслу непостоянного уклона и шероховатости, при этом расход постоянно уменьшается, и концентрация твердого в жидком и крупность весомого материала также снижается [12, 22].
По мере растекания гидросмеси по поверхности уже намытого грунта скорость ее движения уменьшается за счет самого растекания и в результате потери части воды из потока за счет фильтрации через грунтовое ложе. С уменьшением скорости движения гидросмеси транспортирующая способность потока уменьшается пропорционально, примерно, кубу средней скорости потока, что вызывает осаждение частиц по мере движения гидросмеси [23].
Можно предполагать, что при идеально плавном расширении потока и постепенном снижении скоростей потока на достаточно большом расстоянии все твердые частицы будут откладываться на дно по фракциям, начиная с крупных и кончая самыми мелкими.
Если же скорости потока изменяются, то намыв будет сложным, и слои будут отличаться крупностью слагающих их частиц. При изменениях и скорости, и консистенции потока намыв получается разнослойным [24].
Способом гидромеханизации возможно укладывать грунт в земляные пло 11 тины и дамбы, насыпи под шоссейные и железные дороги, намывать золу в зо-лоотвалы при эксплуатации тепловых станций и отходы (хвосты) обогатительных фабрик в хвосто-хранилища, заполнять грунтом котлованы, траншеи и пазухи, устраивать основания под гидротехнические и промышленные сооружения, подготовливать площади для строительства жилых и общественных зданий и аэродромов, закладывать шахты, штольни и выработанные пространства карьеров после добычи полезных ископаемых и т.д.
В гидротехническом строительстве гидромеханизация наиболее широко применяется при возведении земляных плотин и дамб, получивших название намывных.
Намыв сооружений производится путем организованного управления выпуском гидросмеси и принудительного ограничения контуров возводимого сооружения. Трубопроводы, по которым поступает гидросмесь, называются распределительными .
Намыв гидросмеси из распределительных трубопроводов выполняется сосредоточенно или рассредоточено. В первом случае гидросмесь выпускается из торца трубы, во втором — из отверстий, находящихся на равных расстояниях друг от друга по длине распределительного трубопровода [25].
Участки, на которых производится намыв, называются картами намыва. Возводимые сооружения для удобства производства работ разбиваются на отдельные карты. Для предупреждения растекания гидросмеси за пределы намываемого сооружения, т.е. для формирования его внешних откосов, устраивают обвалование. До начала намыва отсыпают первичное обвалование, а в процессе намыва — попутные [26].
При намыве распределительные трубопроводы периодически перемещают по высоте в зависимости от ярусов намыва. Высота яруса намыва и, следовательно, частота перекладки труб зависят от способа намыва.
Намывные сооружения могут возводиться из различных грунтов: песков разной крупности, песчано-гравийных и гравийно-галечниковых грунтов, а также супесей, суглинков и, в некоторых, случаях глины. Однако использование глинистых грунтов; равно; как и крупных гравийно-галечниковых, в сравнении с песчаными грунтамиг вызывает усложнение и; удорожание намывных работ, и поэтому в; некоторых случаях применять гидромеханизацию нецелесообразно !, 2, 27 и др.]. .
Использование для намыва гравелистых грунтов связано с трудностью их разработки, большими потерями напора при гидротранспорте и повышенным износом оборудования и труб. При намыве из суглинков и глинистых грунтов необходимо проведение сложных мероприятий по обезвоживанию намытого грунта. Большая часть намывных плотин и дамб бывшего GGGP возведена из песчаных грунтов, хотя некоторые из них намыты из гравелисто-песчаных и глинистых грунтов. В настоящее время освоен намыв из мелких грунтов. Грунты, используемые для намыва, разведываются по специальной методике и должны удовлетворять ряду требований. Показателем степени пригодности карьерных грунтов для намыва сооружений является гранулометрический состав, и потому при разведке основное внимание уделяется его определению [19, 25, 28 и др.].
Для предварительного определения степени пригодности грунтов пользуются графиком гранулометрического состава, на котором нанесены граничные кривые 1,2, 3 пригодности карьерных грунтов к намыву (рис. 1.1 [19]).
Расчет динамики движения частицы песка в трубопроводе
Распределение скоростей по живому сечению потока гидросмеси играет существенную роль в теории гидротранспорта. Это обусловлено в первую очередь тем, что без знания-распределения скоростей невозможно определить силы, действующие на частицу песка. Профиль скорости в поперечном сечении трубопровода во многом определяется режимом течения жидкости в трубопроводе. Определим характерный режим течения в трубопроводе.
Необходимо отметить, что на практике диаметр трубопровода для подачи гидросмеси составляет от 0,2 м до 0,6 м, а скорость движения пульпы превышает значение критической скорости (и и ), при которой происходит осаждение пульпы. Для определения значения числа Реинольдса Re примем нижние границы определяющих параметров d 0,200 м; и= 1 м/с (о Цф)
Таким образом, число Re составляет 2-Ю5, что однозначно позволяет сделать вывод о турбулентном характере движения.
Математическое описание турбулентного движения весьма сложно и, несмотря на то, что попытки его математического описания продолжаются более века, до сих пор отсутствует строгая математическая теория для его описания. В практической деятельности наибольшее распространение получили полуэмпирические теории турбулентности, основанные на схематизированных моделях турбулентного потока. Отправным пунктом для развития полуэмпирических теорий явилось предположение Буссинеска о том, что касательное напряжение, вызванное турбулентным перемешиванием можно записать в виде, аналогичном закону вязкости Ньютона где А — турбулентная вязкость, которая не является свойством жидкости, а зависит от интенсивности турбулентного перемешивания; и - осредненное значение скорости. Полное касательное напряжение, обусловленное силами динамической вязкости и турбулентной вязкости, может быть определено, как
Среди полуэмпирических теорий турбулентности, основанных на разных выражениях для турбулентной вязкости, наибольшее распространение получила полуэмпирическая теория турбулентности, предложенная немецким физиком Л.Прандтлем. В основу теории положен постулат о том, что на различных расстояниях от стенки величины /ли А играют различную роль. Вдали от стенки градиенты скорости жидкости невелики и вязкостные напряжения малы по сравнению с напряжениями, обусловленными турбулентным перемешиванием. Вблизи стенки, наоборот, поперечные составляющие скорости пульсации должны иметь малую величину. На этом основании Прандтль разделяет поток на две области: «ламинарный подслой» у стенок, где движение формируется исключительно под действием сил вязкости, и «ядро потока», где преобладает турбулентная вязкость и величиной физической вязкости можно пренебречь.
Проведем последовательное рассмотрение распределения скоростей в ядре потока и ламинарном подслое. Ядро потока. Для ядра потока Прандтль, принимая допущение о том, что путь перемешивания пропорционален расстоянию от стенки / = ху, где д: — универсальная постоянная, получает следующее выражение для распределения скоростей в гидравлически гладких трубах: где М = N In N; N = ; 5 - толщина ламинарного подслоя; У. = —г= - ди намическая скорость; Я - коэффициент сопротивления по длине. В качестве безразмерного параметра, характеризующего толщину турбулентного ядра и ламинарного подслоя, используется комплекс v, y/v:
При движении в трубопроводе гидросмеси характер распределения скорости меняется.
Для понимания физической сути протекающих процессов необходимо помимо распределения скорости в поперечном сечении трубопровода рассматривать распределение консистенции, которая отражает распределение концентрации, крупности, удельного веса и формы.
Между кривыми распределения скоростей и консистенции существует тесная взаимосвязь. При увеличении консистенции гидросмеси, особенно при наличии крупных частиц, последние начинают перемещаться в нижнюю часть трубопровода и увеличивать гидравлическое сопротивление нижних слоев гидравлической смеси.
Придонные слои жидкости начинают затормаживаться, а верхние слои жидкости начинают ускоряться. Вследствие этого, в напорных трубопроводах линия наибольших скоростей, называемая иногда динамической осью потока, всегда расположена выше геометрической оси потока.
Требования к установке для определения степени достоверности разработанной математической модели движения частиц песка в потоке воды
Экспериментальные исследования по комплексному подтверждению методики расчета гидролинии были проведены на протоке «Березовая» при строительстве мостового перехода через р. Иртыш в Ханты-Мансийском районе.
Целью расчета было определение дистанции /ь на которой наиболее мелкие («некондиционные») частицы песка размером менее 0,1 мм останутся в верхней части трубопровода (выше его осевой линии), а более крупные («кондиционные») частицы окажутся в нижней части трубопровода (ниже осевой линии). В результате расчета было получено значение l\ 200 м. Остальные данные: 1. Значения расходов: Q!=0,555 м3/с; Q2=0,08996 м3/с; Q3=0,4655 м3/с. 2. Значения скоростей: Di=2,518 м/с; и3=4,53 м/с; 1)4=2,11 м/с; и,ф=1,7945 м/с; 3. Значения давлений в соответствующих сечениях: Р!=334436 Па; р2=301344 Па; р3=р4= Ю5 Па. 4. Значения концентраций песка: Pi=0,9; Р2=0,92; р3=0,896135; Для наиболее объективного сравнения результатов расчета и фактического распределения частиц песка в пульпе реальной гидролинии с учетом ранее полу 84 ченных сведений о движении частиц в воде (см. 3.4.1 и 3.4.2) было проведено четыре эксперимента с разной длиной 1\. 150, 200, 250 и 300 м. После проведения каждого эксперимента гидролиния в течение 30 мин промывалась чистой водой при выключенном гидромониторе.
Анализ этих результатов позволяет сделать следующие выводы: 1. Методика расчета гидролинии намыва песка в целом адекватна реальным физическим процессам, происходящим при транспортировке песчаной пульпы с отбором ее части на начальном участке гидролинии. 2. При увеличении расстояния 1\ отвода осветленной пульпы от основного потока происходит улучшение гранулометрического состава основного потока. 3. Оптимальное отношение дистанции /] отвода осветленной пульпы к расчетному составляет около 1,5 раз, дальнейшее увеличение расстояния не приводит к существенному росту эффекта отбора мельчайших фракций песка с целью возвращения их в исходный водоем. 4. Проведенные эксперименты подтверждают выводы, сделанные при проведении опытов с опусканием частиц в спокойной воде и при моделировании осаждения песка в потоке воды (см. разделы 3.4.1, 3.4.2).
Проведенные вариантные расчеты по разработанной методике (раздел 2) расчета гидролинии и опытное определение эффективности ее работы в реальных условиях (раздел 3.4.3) показывают, что эффективность вывода из пульпы «некондиционных» частиц песка существенно зависит от расстояния /ь на котором производится отвод осветленной пульпы - чем больше это расстояние, тем выше желаемый эффект.
В то же время, при увеличении расстояния 1\ соответственно растет и дистанция І2 (расстояние от места отвода осветленной пульпы до исходного водоема), которое во многом определяет затраты энергии на возврат воды в исходный водоем (при увеличении /2 работа проталкивания жидкости увеличивается).
Это обстоятельство диктует необходимость поиска технических решений, которые позволили бы интенсифицировать процесс отделения сравнительно крупных частиц песка, находящихся в верхней части пульпопровода, от мелких частиц. В дальнейшем эти более крупные частицы должны оставаться в основном потоке, а мелкие частицы — отводиться в исходный водоем.
Данная задача актуальна и в том случае, когда точка отвода осветленной пульпы находится на сравнительно большом расстоянии 1\. Как следует из табл. 3.4.1, даже при 1\ = 300 м, когда эффективность дальнейшего увеличения этого расстояния явно падает, в отведенной пульпе еще очень много (около 80 %) частиц размером 0,25-0,1 мм, которые вполне могут использоваться в строительстве и при отсыпке дорожного основания. Таким образом, и в этом случае желательно такие частицы вернуть в основной поток пульпопровода.
Подобные задачи в технике решаются, обычно, тремя простейшими способами [43, 65, 66 и др.]: фильтрацией, гравитационными методами и за счет сил инерции.
Первый способ не годится по определению — в мощном потоке песчаной пульпы любой сетчатый фильтр износится буквально в течение несколько часов.
Второй способ по существу-уже применен в данной гидролинии и его возможности используются в полной мере.
Третий способ основан на изменении направления движения рабочей среды, когда появляются центробежные силы инерции, действующие на массивные частицы и заставляющие их изменять траекторию в нужном направлении. Чаще всего рабочей среде придают движение по окружности и используют устройства, называемые «циклонами».
Очевидно, что этот последний способ может быть использован в данном случае. Принцип построения конструкции должен заключаться в том, что в поток встраивается шнек, окруженный стенками, поток закручивается, и на стенки осаждаются наиболее крупные частицы. Мелкие частицы осаждаться не успевают (длина шнека ограничена) и остаются в центре потока или близко к нему. Эта центральная часть потока и должна быть выведена из гидролинии.
Сгуститель работает следующим образом. После основного разделения фракций песка в гидролинии (как установлено — соответствует расчетам и составляет для испытываемого трубопровода около 200 м). верхняя-часть пульпы, содержащая, в том числе и частицы сечением порядка 0,5 мм, входит в сгуститель и закручивается в нем. При этом наиболее тяжелые частицы двигаются к периферии, и к концу прохождения сгустителя оказываются, практически на стенках трубы 2 или близко к ним. При выходе из сгустителя эти тяжелые частицы в верхнее части, продолжая вращаться вокруг оси сгустителя, стремятся-прижаться к основной трубе 1, а в средней и нижнее части под действием центробежных сил продолжают удаляться от оси вращения. Таким образом, по оси сгустителя на его выходе оказывается поток пульпы с мельчайшими «некондиционными» частицами. Именно этот поток и попадает в отвод 4.
Анализ влияния размера частиц на процессы расслоения пульпы
Увеличение давлений р\ ир2 практически линейны от размера частиц песка и это изменение давлений достаточно значимо в пределах (0,3 -0,4) бар.
Увеличение расхода осветленной пульпы при увеличении среднего размера частиц приводит к увеличению скорости в отводящем трубопроводе и3 и уменьшению скорости в транзитном трубопроводе L?4 . Данные зависимости, так же, как и рассмотренные выше зависимости, имеют практически линейный характер и значимы. Изменение скорости 1 з составляет около 0,3 м/с, а изменение скорости у4 - 0,05 м/с (рис.4.4.2.16) и (рис.4.4.2.17).
С увеличением среднего размера частиц песка падает экономичность новой схемы гидронамыва песка (рис.4.4.2.18). Данная зависимость близка к линейной и падение эффективности с увеличением dK с 10"4м до 3,5-10"4 м составляет 3%.
На основе выполненного параметрического анализа работы напорного гидропровода пульпы можно сделать следующие выводы:
На основе анализа движения частиц песка в трубопроводе постоянного сечения установлено, что, например, частицы размером гк =2 Ю 4м движутся вдоль оси трубопровода на расстоянии 0,130 м от дна трубопровода, что составляет 24,5% от диаметра трубопровода. Скорость движения такой частицы по вертикали равна нулю, а скорость ее движения вдоль оси трубопровода практически равна средней скорости пульпы в трубопроводе.
Зависимость координаты потолка взвешивания пульпы от радиуса частицы песка имеет явно выраженный гиперболический характер. Установлено, что в диапазоне значений 0,5 юЛл гк 1,5 ЮАм значение потолка взвешивания пульпы изменяется в относительном значении (d—yK)/d от 42% до 28,3 %. Таким образом частицы песка размером / к 1,5 10"4м движутся в нижней части трубопровода на расстоянии примерно 1/3 диаметра трубопровода от его нижней точки, что полностью подтверждается результатами описанных выше исследований.
С увеличением радиуса частиц песка координата расслоения пульпы по оси О-х уменьшается. Полученная зависимость имеет гиперболический характер. Для частиц песка с гк =0,5 10"V координата 1\ расслоения пульпы по оси О-х составляет 160 м, а для частиц с гк -3 ЮЛі - около 30 м. 4. Анализ влияния средней скорости жидкости на процессы расслоения пульпы показал, что с увеличением средней скорости жидкости эта зависимость имеет вид перевернутой параболы. Максимум координаты расслоения пульпы находится при иср =2,6 м/с, и для частиц с гк =2 10"V его значение составляет /i=42 м. Наличие максимума обусловлен тем, что с увеличением скорости потока уменьшается координата потолка взвешивания и увеличивается скорость движения частицы по оси ординат, а скорость частицы по оси О-х возрастает. Уменьшение координаты .тк с увеличением vcp обусловлено превалированием первых двух причин над третьей. Анализ влияния основных геометрических и режимных параметров на гидравлические и энергетические параметры энергосберегающей схемы гид ронамыва показал, что внедрение новой технологии гидронамыва песка позволит уменьшить затраты энергии на прокачку песчаной пульпы на 20 %.
1. Рассмотренная в работе гидравлическая система перекачки песчаной пульпы позволяет снизить затраты на привод насоса земснаряда до 20% и обеспечить уменьшение растекания пульпы на карте намыва.
2. Созданное математическое описание процесса течения пульпы в напорном гидропроводе позволяет прогнозировать поведение частиц песка в потоке и обоснованно назначать дистанцию отвода осветленной пульпы из верхней части пульпопровода в исходный водоем.
3. Экспериментально доказано влияние соударений частиц песка в потоке пульпы на дистанцию ее расслоения, достаточную для установки гравитационного сгустителя, а также существование перспективы использования комбинированных гравитационно-центробежных сгустителей для дальнейшего повышения эффективности работы напорного гидротранспорта.
4. Разработанная математическая модель работы напорной гидролинии перекачки пульпы с гравитационным сгустителем адекватна физически протекающим процессам и дает возможность обоснованно рассчитывать гидравлическую систему перспективного способа гидронамыва песка.
5. Предложенный метод повышения эффективности работы системы гидронамыва песчаной пульпы может быть рекомендован для использования в напорном гидротранспорте.
