Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы, цель, задачи и методология исследований 10
1.1. Анализ опыта эксплуатации гидротранспортных комплексов горнорудных предприятий в суровых климатических условиях 10
L2. Анализ методов расчета тепловых режимов трубопроводов 23
1.3 Работа трубопроводов в режиме оледенения 29
1.4. Особенности работы пульповодов в зимнее время 37
1.5. Анализ опыта эксплуатации и методов расчета трубопроводов в сейсмически активных районах 41
1.6. Исследование надежности гидротранспортных систем горнорудных предприятий 54
1.7. Цель, задачи и методология исследований 59
Выводы 62
2. Теоретические исследования теплового и ледового режимов, напряженного состояния пульповодов в суровых климатических условиях и сейсмически активных районах 64
2.1. Исследование движения гидросмеси в горизонтальном трубопроводе при внешнем импульсном воздействии 64
2.2. Обоснование физической модели процесса тепломассопереноса в двухфазном потоке с учетом его кинематических характеристик 70
2.3. Математическое описание процесса теплообмена при движении гидросмеси в горизонтальном трубопроводе 81
2.3.1. Аналитическое решение задачи теплообмена 81
2.3.2; Численное решение задачи теплообмена 89
2.4. Влияние неизотермичности течения гидросмеси на коэффициент гидравлических сопротивлений 99
2.5. Исследование ледотермических режимов пульповодов 108
2.5.1. Обоснование физической модели оледенения пульповода 108
2.5.2. Математическое описание процесса оледенения 114
2.5.3. Исследование коэффициента гидравлических сопротивлений пульповода подверженного оледенению 117
2.6. Исследование напряженного состояния трубопровода при воздействии сейсмических сил и изменения его температурного режима 131
2.6.1. Математическая модель напряженного состояния трубопровода 131
2.6.2. Аналитическое решение задачи колебания трубопровода 136
Выводы 140
3. Экспериментальные исследования тепловых, гидравлических характеристик и напряженного состояния пульповодов 42
3.1. Цель, задачи экспериментальных исследований и обоснование параметров лабораторной установки 142
3.2. .Методики проведения экспериментальных исследований 149
3.2.1. Методики исследования коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при неизотермическом течении 149
3.2.2. Методика исследования коэффициента теплоотдачи при заполнении порожнего пульповода в зимних условиях 156
3.2.3. Исследование гидравлических сопротивлений оледеневшего пульповода на лабораторной и опытно-промышленной установках 158
3.2.4. Экспериментальные исследования напряженного состояния трубопровода при воздействии сейсмических сил 170
3.3. Обработка экспериментальных материалов и результаты исследований 177
3.3.1. Результаты исследований коэффициента гидравлических сопротивлений трубопроводов с внутренним оледенением на лабораторной и опытно-промышленной установках 177
3.3.2. Результаты исследований коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений 187
3.3.3. Результаты исследований напряженного состояния трубопроводов при сейсмических воздействиях 206
Выводы 210 '
4. Совершенствование проектирования и расчета гидротранспортных систем в сложных природно-климатических условиях 211
4.1. Проектирование напорных пульповодов в сложных природно-климатических условиях 211
4.2. Методика расчета теплового режима пульповодов 213
4.2.1. Методика расчета теплового и ледового режимов пульповодов 213
4.2.2. Расчет продления допустимого времени вынужденной остановки пульповодов 226
4.2.3. Расчет теплового режима оледеневшего пульповода 236
4.3. Рекомендации по расчету надземных пульповодов с учетом сейсмических, температурных воздействий и конструктивные мероприятия по обеспечению их прочности 248
4.3.1. Бескомпенсаторная прокладка пульповодов 248
4.3.2. Совершенствование опорных конструкций пульповодов 258
4.3.3. Средства контроля и автоматического регулирования толщины внутритрубного льда 271
4.4. Расчет технико-экономической эффективности 273
Выводы 275
Заключение 275
Литература
- Особенности работы пульповодов в зимнее время
- Обоснование физической модели процесса тепломассопереноса в двухфазном потоке с учетом его кинематических характеристик
- Методики исследования коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при неизотермическом течении
- Расчет продления допустимого времени вынужденной остановки пульповодов
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время гидротранспорт рудных концентратов, хвостов обогащения, угля и других сыпучих материалов находит все более широкое распространение в нашей стране и за рубежом. Трубопроводный транспорт является наиболее перспективным и экологически чистым видом перемещения руды, угля и других полезных ископаемых.
Большая часть минерально-сырьевых ресурсов страны находится в районах, которые характеризуются не только суровыми климатическими условиями, но и наличием вечномерзлых грунтов и повышенной сейсмической активностью. Поэтому, среди прочих проблем в освоении полезных ископаемых, важнейшей является проблема гидротранспортирования руды и продуктов ее переработки в условиях отрицательных температур и сейсмической активности.
Напорные пульповоды гидравлического транспорта в процессе эксплуатации подвергаются воздействию ряда силовых факторов, которые в той или иной степени влияют на их несущую способность. При расчете необходимо ясно себе представлять значение этих факторов и их влияние на предельное состояние материала трубопроводов. К числу таких факторов относятся: внутреннее давление, температурные напряжения, изгиб трубопровода по рельефу местности, гидравлические удары и нестационарные режимы, а также интенсивное изнашивание стенок труб вследствие гидроабра-зивности гидросмеси.
При сейсмическом воздействии трубопроводы подвергаются влиянию дополнительных сил, ввиду чего в металле труб возникают значительные напряжения, которые необходимо учитывать в прочностных расчетах.
Для предотвращения аварий напорных пульповодов гидротранспортных систем горно-обогатительных предприятий, вызванных замерзанием транспортируемых гидросмесей, нарушением целостности труб в результате воздействия сейсмических сил и температурных напряжений, необходимо еще на стадии проектирования выбрать целесообразный конструктивный вариант прокладки трубопроводов для определения оптимального.
РОС НАЦИОНАЛЬНА*
СПекрвук
В области изучения тепловых и ледовых режимов трубопроводов имеются значительные достижения, в основном благодаря работам отечественных специалистов: ПА. Богославского, A.M. Естифеева, Д.Н. Бибикова, Н.Н. Петруничева, В.П. Стеганцева, Н.Н. Зенгера, Ю.А Попова и др. Однако решение этой проблемы охватывает только водоводы (систем водоснабжения, ГЭС, каналов и т.д.) и трубопроводы земснарядов.
Изучение тепловых и ледовых процессов с учетом асимметричности теплового воздействия гидросмеси, вызванной неравномерным распределением твердой фазы в потоке, позволит более обоснованно по сравнению с существующими условиями определять максимальную дальность безаварийного гидротранспортирования в суровых климатических условиях.
В связи с вышеизложенным, решение проблемы, заключающейся в повышении эффективности эксплуатации систем гидротранспорта горных предприятий в сложных природно-климатических условиях, имеет важное народно-хозяйственное значение. Решение этой проблемы непосредственно связано с изучением процессов теплообмена и льдообразования в пульповодах, с разработкой математических моделей, которые давали бы возможность осуществлять достоверный прогноз температурного и ледового режимов трубопроводов методом численного эксперимента на ЭВМ в зависимости от условий их эксплуатации и окружающей среды.
Выполненные по данным проблемы исследования соответствуют: проблеме МП-11-е координационного плана НИР и ОКР Минцветмета СССР на 1978-1993 гг. "Разработка новых и усовершенствование существующих процессов, схем и оборудования для гидротранспорта руды и продуктов ее переработки на предприятиях цветной металлурги", Федеральной целевой программе развития рудно-сырьевой базы металлургической промышленности Российской Федерации на 1997-2005 гг. (ФЦП «Руда») по направлению «Производственные энергосберегающие технологии трубопроводного транспорта руды и продуктов ее переработки», комплексной программе научных исследований, проводимых отраслевой научно-исследовательской лабораторией гидравлического транспорта руды
и продуктов ее переработки при кафедре горных транспортных машин по соответствующим планам госбюджетных и хоздоговорных работ на предприятиях горнодобывающей промышленности.
Цель работы. Установление закономерностей гидравлического, теплового, климатического и сейсмического влияния на структурные элементы системы напорного гидротранспорта для выбора рациональных параметров пульповодов и режимов их работы в сложных природно-климатических условиях, реализация которых позволит существенно повысить эффективность эксплуатации систем гидротранспорта на горных предприятиях.
Идея работы. Параметры структурных элементов системы напорного гидротранспорта обосновываются комплексным воздействием гидравлических, тепловых, климатических и сейсмических факторов.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать физическую и математическую модели процесса теплообмена в потоке гидросмеси с учетом влияния градиента распределения скорости и концентрации твердой фазы по поперечному сечению пульповода.
-
Получить зависимости для определения коэффициентов теплоотдачи от потока гидросмеси к трубе и теплоотдачи от головного потока воды к стенкам трубы при заполнении порожнего пульповода водой в зимних условиях.
-
Определить характер льдообразования в пульповодах, разработать физическую и математическую модели их оледенения и установить влияние внутритрубного льда на гидравлические характеристики пульповода.
-
Разработать методику расчета тепловых и ледовых режимов пульповодов, работающих в суровых климатических условиях.
-
Предложить способ прокладки пульповодов и устройство для компенсации температурных напряжений.
-
Разработать физическую и математическую модели напряженного состояния пульповода при воздействии сейсмических
сил и выполнить экспериментальные исследования.
7. Обосновать метод расчета напорных пульповодов с учетом сейсмических нагрузок и разработать конструкции их опор.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Температура двухфазного потока в любой точке поперечного сечения горизонтального пульповода является функцией распределения скорости и концентрации твердой фазы, определяемых при заданных условиях эксплуатации и физико-механических свойствах твердой фазы.
-
В условиях отрицательных температур образование первичного слоя льда и его распределение по периметру трубы описывается критериальным уравнением, которое определяется параметрами вязкости, плотности, скорости потока, отношения теплоємкостей жидкости и твердой фазы также превышением теплопроводности гидросмеси над теплопроводностью твердой фазы.
-
Физическая и математическая модели ледового режима пульповода описаны системой уравнений тепломассопереноса с учетом распределения скорости, концентрации твердой фазы по поперечному сечению потока в трубе и коэффициента гидравлического сопротивления пульповода при его оледенении, уравнением баланса гидравлических потерь, напорно-расходной характеристикой насоса, климатическими и конструктивными факторами.
-
Физическая модель пульповода представлена как сочетание участков труб, которые для исключения влияния колебаний, вызванных сейсмическим воздействием смежных участков труб друг на друга, соединяются с помощью эластичных элементов, модуль упругости материала которых принят меньше модуля упругости материала труб, что позволяет представить расчетную модель пульповода в виде однопролетной шарнирно опертой балки.
Методы исследования. Общей методологией проведенных исследований является системный подход к изучаемым объектам. При решении поставленных задач использовался комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение данных по эксплуатации трубопроводов гидравлических систем в сложных природно-климатических условиях; теоретический анализ с использованием фундаментальных уравнений гидромеханики и тепломас-
сопереноса; математическое моделирование с использованием ЭВМ; экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях.
Научная новизна работы заключается в представлении комплекса напорного гидротранспорта и окружающей среды как взаимозависимых структурных элементов системы с прямыми и обратными связями, соответствие процесса функционирования которой критериям цели достигается адаптивностью их структур и установлением режимов работы системы в сложных природно-климатических условиях на основе установления закономерностей гидравлического, теплового, климатического и сейсмического воздействия структурных элементов, что развивает теорию напорного гидротранспорта минерального сырья.
Научные результаты выполненной работы заключаются в следующем:
разработаны физическая и математическая модели процесса теплообмена с учетом влияния распределения скорости и концентрации твердой фазы по поперечному сечению напорного пульповода;
получена аналитическая зависимость для определения температуры в любой точке поперечного сечения потока гидросмеси с учетом распределения скорости и концентрации твердой фазы;
-установлено, что образование первичного слоя льда и его распределение по периметру трубы описывается критериальным уравнением, которое определяется параметрами вязкости, плотности, скорости потока, отношения теплоемкости жидкости к теплоемкости твердой фазы также превышением теплопроводности гидросмеси над теплопроводностью твердой фазы;
получены критериальные уравнения для определения коэффициентов теплоотдачи от гидросмеси к стенкам трубы и от головного потока воды при заполнении порожнего пульповода в зимних условиях;
изучен процесс образования льда на внутренних стенках трубы при движении гидросмеси и установлено, что процесс ледообразования на стенках трубы начинается с формирования первичного слоя чистого льда, на который постепенно намерзают твердые
частицы, при этом мелкие частицы, обладающие наименьшей кинетической энергией, намерзают в первую очередь, а толщина первичного слоя чистого льда увеличивается с уменьшением концентрации твердой фазы;
-разработана математическая модель процесса оледенения пульповода, которая описывается системой уравнений тепломассо-переноса с учетом градиента распределения скорости, концентрации твердой фазы и коэффициента гидравлического сопротивления пульповода при его оледенении, напорно-расходной характеристики насоса, климатических и конструктивных факторов;
получены зависимости для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления при неизотермическом течении гидросмеси по горизонтальному и оледеневшему пульповодам;
обоснована и разработана физическая модель пульповода при воздействии на него сейсмических сил.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована и подтверждена: теоретическими исследованиями и выводами аналитических зависимостей с использованием теории подобия; результатами лабораторных и опытно-промышленных экспериментов; сопоставлением теоретических и экспериментальных исследований с применением методов математической статистики и регрессионного анализа; влияние отдельных факторов на исследуемые параметры и теснота связей определялись с помощью корреляционного анализа.
Практическая значимость работы:
- разработана методика расчета тепловых и ледовых режи
мов пульповодов, работающих в суровых климатических условиях;
-предложен бескомпенсаторный способ прокладки пульповодов и компенсатор температурных напряжений;
- предложен метод расчета напорных пульповодов с учетом
сейсмических нагрузок и конструкции их опор.
Реализация результатов исследований:
- основные результаты исследований использованы в проек
тах, выпущенных гидротехническим отделом Всесоюзного научно-
исследовательского института «Механобр», а также в «Руководстве
по проектированию систем гидротранспорта продуктов обогащения цветной металлургии», Л. 1986 и в справочнике «Гидравлическое складирование хвостов обогащения», Л. 1991. Авторы: Кибирев В.И. Райлян Г.А., Сазонов Г.Т., Тимофеев Н.В., Шевков В.Н.;
- результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке специалистов Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) в курсе «Транспортные машины».
Личный вклад соискателя работы состоит:
в разработке математической модели процесса теплообмена потока гидросмеси со стенками трубы; в получении критериальных уравнений для определения коэффициентов теплоотдачи от гидросмеси к стенкам трубы и от головного потока воды при заполнении порожнего пульповода в зимних условиях; в разработке математической модели процесса оледенения пульповода и физической модели его при воздействии сейсмических сил; в разработке методики расчета ледовых и тепловых режимов напорных пульповодов.
Апробация работы.
Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-техническом совете института «Механобр», на 3 Международном симпозиуме «Никель» (1986, Cuba, Моа), на Международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства в г. Санкт-Петербурге (1993 г.), на Международном симпозиуме «Энергосберегающие технологии» в Санкт-Петербурге 21-31 мая 1996 г., CINAREN-98 (Cuba, Моа), межвузовской научно-практической конференции «Человек Севера в XXI веке: горное дело» (2001 г.), на научных симпозиумах «Неделя горняка-2002, 2003, 2004» в Московском государственном горном университете, на 3-м съезде гидромеханизаторов России (2003 г.), Международной научно-технической конференции в ВНИИГАЗ (2003 г.), межкафедральном научном семинаре горноэлектромеханического факультета СПГТИ (1977-2003 гг.).
Публикации
Основное содержание работы опубликовано в монографии, 43 статьях, тезисах докладов, в том числе: по теме диссертации по-
лучено 7 авторских свидетельств и патентов РФ.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии из 214 наименований. Содержание диссертации изложено на 303 страницах печатного текста, сопровождается рисунками и таблицами.
Автор выражает глубокую признательность сотрудникам кафедры рудничных стационарных установок, коллегам по кафедре горных транспортных машин и искреннюю благодарность профессорам К.Г. Асатуру, Ю.Д. Тарасову, И.П. Тимофееву, доценту К.А. Васильеву за консультации.
Особенности работы пульповодов в зимнее время
Меры по увеличению надежности работы пульповодов гидротранспортных систем в зимних условиях значительно снизили количество случаев замерзания труб, но не обеспечили их полного устранения- Как показала практика эксплуатации гидротранспортных комплексов Соколовско-Сарбайского ГОКа, Норильского и Алмалыкского горно-металлургических комбинатов, Удачнинского ГОКА, случаи замораживания пульповодов и водоводов оборотного водоснабжения еще встречаются. Используемые компенсаторы не обеспечивают безаварийной работы трубопроводов.
Укладка трубопроводов производится в большинстве случаев в летнее время, когда металл труб имеет положительную температуру. В процессе эксплуатации в зимний период трубопроводы охлаждаются и в них возникают довольно высокие напряжения. По нашим наблюдениям, в летнее время под влиянием солнечных лучей подготовленные к укладке пульповоды нагреваются до 20-ьЗОС. В зимнее время при охлаждении пульпы по длине транспортирования металл труб охлаждается почти до 0С. При таком температурном перепаде продольные напряжения достигают значительных величин. При запуске резервных пульповодов, которые в зимнее время имеют отрицательную температуру, напряжения в металле труб продуктопроводов будут еще выше. В связи с этим при эксплуатации пульповодов разрывы сварных соединений происходят главным образом в зимнее время при минимальных температурах окружающего воздуха и транспортируемых продуктов.
Сами по себе температурные напряжения не могут привести к разрушению качественно выполненных сварных соединений равнопрочных основному металлу труб. Тем не менее, вопросам уменьшения температурных напряжений должно уделяться самое серьезное внимание. Исследования, проведенные во ВНИИСтройнефть И.П. Петровым [132], показали, что разрушение образцов стальных труб под действием растягивающих усилий происходило при относительном удлинении на 21%. Предел прочности трубной стали, из которой сооружаются трубопроводы, достигается при относительном удлинении не ниже 15%. Как показали исследования, выполненные И.П. Петровым, при достижении металлом предела текучести несущая способность трубопроводов не исчерпывается и эксплуатация последних продолжается. Разрушение трубопроводов в зимнее время происходит вследствие того, что сварные стыки не являются равнопрочными основному металлу и не могут воспринять напряжений, имеющих место в основном металле.
В условиях сурового климата безаварийная эксплуатация трубопроводов и повышения качества намывных сооружений могут быть достигнуты за счёт увеличения или сохранения теплосодержания гидросмеси. На практике для этого можно применять подземную прокладку трубопроводов. Однако основной недостаток подземной прокладки - резкое удорожание строительства и эксплуатации пульповода. Каждый дополнительный метр заглубления трубопровода увеличивает стоимость прокладки в сухих грунтах на 20-25%, в мокрых - на 30-35%. Вследствие высокой абразивности транспортируемой гидросмеси необходим постоянный контроль состояния трубопроводов. Во время эксплуатации пульповодов равномерный износ труб достигается с помощью периодического поворота их вокруг оси. Этим объясняется то, что трубопроводы, по которым транспортируются сыпучие материалы, укладываются на поверхности земли.
При надземной укладке трубопроводов с целью обеспечения высокой температуры гидросмеси устраивают теплозащитный слой труб или подогрев её. При этом существуют противоречивые рекомендации в отношении условий, при которых необходимо осуществлять теплоизоляцию труб. Так в работах [84, 162, 163, 180, 148] при отрицательной температуре окружающей среды рекомендуется обязательно утепление трубопроводов. Согласно рекомендациям СНИИIII - В2 - 62 [148], ТУиН на проектирование и возведение земляных намывных плотин и технических условий [162] необходимо утеплять только трубопроводы диаметром менее 500 мм. С .Г. Туманян [163] предлагает утеплять все трубопроводы независимо от их диаметра и назначения в том случае, если температура воздуха ниже -(10-е-15С). ЮфинА.П. [183] считает, что утепление трубопроводов не требуется вследствие больших скоростей движения пульпы. В работе [133] предлагается утеплять трубопроводы только в условиях невозможности их быстрого освобождения от воды или гидросмеси на время перерывов в работе. Естифеев A.M. [38] рекомендует утеплять только трубопроводы небольшой длины. Подобное расхождение мнений обусловлено, очевидно, тем, что рекомендации по устройству теплоизоляции трубопроводов разрабатывались для конкретных условий и задач транспортирования жидкостей. Немаловажную роль в этом также сыграло отсутствие единой строгой теории теплопередачи в трубопроводах транспортирующих гидросмеси. Следует отметить, что теплоизоляция пульповодов также связана со значительными капитальными затратами и усложнением при этом их условий эксплуатации.
В практике зимнего гидротранспортирования иногда применяют попутный или локальный подогрев гидросмеси. Подогрев осуществляют путем либо ввода пара [180, 131] или теплой воды, подаваемой с ТЭЦ, металлургических заводов или теплофикационных сетей [18, 172]. Известен способ подогрева по типу рекуперативного теплообменника - труба в трубе [23].
Из опыта эксплуатации систем водоснабжения в зимнее время известно использование подогрева воды в зоне Норильска [44, 45], Якутска [8], в северных районах Швеции [149, 131] и в Канаде [35, 181]. Применение искусственного подогрева жидкости связано со значительными затратами, что делает его зачастую неприемлемым. Зенгер Н.Н. отмечает, что в условиях Норильска повышение температуры пульпы только на 1С вызовет изменение полной себестоимости готовой продукции на 15-20%.
Обоснование физической модели процесса тепломассопереноса в двухфазном потоке с учетом его кинематических характеристик
Процессы переноса вещества и энергии в движущемся двухфазном потоке неразрывно связаны с его структурой и кинематикой. Для правильной качественной и количественной оценки явлений тепломассопереноса необходим совместный анализ теоретических и экспериментальных данных по переносу тепла и кинематическим характеристикам потока гидросмеси.
Количественной характеристикой процесса теплообмена является коэффициент теплоотдачи. Известен ряд работ [64,70,194,195,196,197, 198, 199], посвященных разработке зависимостей для определения коэффициента теплоотдачи и экспериментальной проверки этих зависимостей. Следует отметить, что формулы для расчета коэффициента теплоотдачи не претендуют на универсальность, так как получены для конкретных условий. В работе [64] коэффициент теплопередачи рекомендуется находить из критериального уравнения: 0.12 ,0.02 .0.015 f \ /„ Л m (d, 0.15 , (2.21) 1-m Nu = 0.026- Re0 B-Pr04 V vc2; a» J У где Nu - критерий Нуссельта, Re - критерий Рейнольдса, Pr - число Прандтля, d\ - диаметр твердых частиц, dm — внутренний диаметр трубопровода; G и Сг - соответственно теплоемкость жидкости и твердой фазы; т - концентрация твердых частиц. Это уравнение получено для коллоидных и тонкодисперсных суспензий. Применительно к грубодисперсным гидросмесям в работе [199] предложено использовать следующее уравнение: 0.14 л, ч (2.22) Nu = 0.027 -Re08- Pr033 V №сст. J где Цс и Цей - коэффициенты динамической вязкости суспензии и жидкости у стенки трубопровода.
Экспериментальная проверка этого уравнения в [197, 198] показала хорошую сходимость расчета с опытными данными. Однако, все эти исследования выполнялись на вертикальных участках трубопровода, и, решалась задача о теплообмене в потоке, в котором твердые частицы равномерно распределены по поперечному сечению трубы.
Как было установлено в [77] при гидротранспортировании сыпучих материалов по горизонтальным трубопроводам в зависимости от скорости движения, твердая фаза распределена неравномерно по сечению трубы. А так как транспортирование гидросмеси осуществляется со скоростью, близкой к критической, то такая неравномерность распределения существует постоянно. Поэтому уравнения (2.21) и (2.22) не могут быть использованы для теплового расчета горизонтальных пульповодов.
При турбулентном режиме течения (Re 2320) наблюдается неупорядоченное, хаотическое движение отдельных частиц жидкости. Направление и величина скорости отдельных частиц беспрерывно изменяется, а эпюра распределения скоростей по сечению потока имеет вид усеченной параболы. Такое различие в характере движения потока, естественно, сказывается на интенсивности теплообмена. Если количество вихрей по сечению потока мало, то следует рассматривать модель течения как ламинарную. В этом случае теплообмен осуществляется за счет сил внутреннего трения и теплопроводности т.к. вихри перпендикулярны оси потока. При турбулентном течении перенос тепла происходит в основном за счет интенсивного перемешивания жидкости.
В условиях движения гидросмесей процесс переноса твердых частиц осуществляется при турбулентном режиме, но при этом изменяется вид эпюры распределения скоростей по сечению потока за счет смещения динамической оси потока над геометрической осью пульповода. Поэтому при исследовании процесса теплообмена во взвесенесущем потоке наибольший интерес представляет именно этот режим.
Наличие пристенного пограничного слоя должно существенно сказываться на изменении интенсивности теплообмена между движущейся жидкостью и стенкой трубы. На графике (рис. 2.1) видно, что в пределах пристенного слоя изменение температуры происходит по линейному закону.
В центре этого слоя на расстоянии 5/2 от стенки трубы температура жидкости равна: Т-Т 7 пР.=-у (2-23) где 5 - толщина пристенного ламинарного слоя; Т, Тс — соответственно температуры жидкости и стенки трубы.
Методики исследования коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений при неизотермическом течении
Центробежный насос (2) подавал нагретую гидросмесь из рабочего зумпфа (3) в опытный теплообменник (8), выполненный по схеме труба в трубе. Внутренняя латунная труба длиной 3,0 м имела диаметр 24,8 мм. Опытная труба помещалась внутри трубы диаметром 53,4 мм. В кольцевом сечении прямотоком протекала холодная (случай охлаждения) или горячая (случай нагревания) вода из водопровода. Симметричное расположение внутренней трубы по отношению к внешней достигалось путем фиксирования винтами в трех точках. Температура стенки трубы измерялась 18 терморезисторами ММТ - 4 (10). Для заделки терморезисторов на внешней поверхности трубы резцом прорезались канавки глубиной 0,5 и шириной 1,5 мм. Провода терморезисторов через фланцевые соединения внешней трубы проводились к переключателю (11). Показания терморезисторов снимались с помощью моста постоянного тока МО - 62 (12), класс точности 0,1. Терморезисторы были предварительно оттарированы. Общий вид установки для тарировки терморезисторов приведен на рис. 3.3. Тарировочные кривые терморезисторов представлены на рис. 3.4. Температура циркулирующей гидросмеси, и воды на входе и выходе измерялась лабораторными термометрами ТЛ - 4 с ценой деления 0,1 С. В двух сечениях по длине опытного участка на расстоянии 0,8 м. друг от друга располагались координатники с приспособлениями, позволяющими вводить внутрь потока трубки Пито и терморезисторы для замера скоростного и температурного полей.
Для отбора статического давления в стенке внутренней трубы в этих сечениях d = 3 мм. были сделаны отверстия с отводом по резиновой трубке до разделительного сосуда (для предотвращения засорения измерительной системы твердыми частицами) и после него до дифманометра ДТ - 50.
Регулирование режимов работы насоса осуществлялось изменением скорости вращения двигателя. Расход воды и гидросмеси определялся электромагнитным расходомером (5) ИР — 11 (погрешность составляла не более 1,6%), тарирование которого проводилась объемно - весовым способом с помощью мерной емкости (4). Определение количества воды и гидросмеси в мерной емкости осуществлялось линейкой (цена деления 1 мм.). Погрешность определения объема воды и гидросмеси не превышала 2,5 %. Время заполнения бака выполнялось секундомером с точностью 0,1 с. Погрешность измерения расхода не превосходила 1,5 %.
Расход охлаждающей воды определялся с помощью мерного бака. В качестве рабочей жидкости для образования гидросмеси использовалась горячая вода из сети отопления. Для изменения температуры гидросмеси во время работы установки применялся электронагреватель (6). Скорость движения охлаждающей воды и гидросмеси определялась расчетным путем. Погрешность при этом составляла 3 — 4 %. Концентрация гидросмеси определялась по методике, приведенной далее, см. (3.2.3). Максимальная относительная погрешность не превышала 0,5 %.
Второй этап опытов состоял в определении: коэффициента теплоотдачи при движении потока гидросмеси и коэффициента гидравлических сопротивлений при неизотермическом течении.
Числа Рейнольдса во время проведения этих серий экспериментов изменялись от 29000 до 500000, средняя температуры стенки от 67,2 до 21 С, средняя температура потока от 15 до 60 С.
Изучению теплообмена были посвящены также две серии экспериментов, выполненных на промышленных гидротранпортных установках в ОАО ПО «Глинозем» [115, 86]. В первой серии экспериментов по неутепленному трубопроводу длиной 1500 м и диаметром 300 мм транспортировали нефелиновый шлам и золошлаки с ТЭЦ на шламовое поле. При транспортировании таких разнофракционных материалов с крупностью частиц до 0,08 до 10 мм ядро максимальной концентрации смещается в нижнюю зону трубы, то есть наблюдается экспериментальный вид распределения локальных значений концентрации по сечению потока гидросмеси. При этом виде распределения концентрации у верхней стенки трубы движется почти чистая вода с очень небольшими включениями частиц твердого материала.
Во второй серии экспериментов по утепленному трубопроводу длиной 1200 м и диаметром 219 мм транспортировался белитовый шлам на цементный завод (средняя объемная концентрация - 33 %). Как известно, при такой концентрации твердого материала проявляется реологические свойства гидросмеси. При транспортировании гидросмесей, обладающих реологическими свойствами, максимум концентрации взвешенного потока находится на оси трубы. Локальные значения концентрации твердого от ядра к стенкам снижаются послойно, при этом в пристенной зоне потока они достигают значений, близких к нулю.
Расчет продления допустимого времени вынужденной остановки пульповодов
Проектирование напорных пульповодов связано с разрешением целого ряда инженерных задач. Сюда относятся: выбор наилучшей в техническом и экономическом отношении трассы, определение диаметра трубы, гидравлический расчет трубопровода с исследованием его работы как при установившемся, так и при неустановившемся движении и, наконец, конструирование пульповода и статический расчет отдельных элементов, а также расчет теплового режима пульповодов,
В процессе сооружения, испытаний, в период эксплуатации конструкции магистральных пульповодов подвергаются воздействию внешних нагрузок различной природы. Среди всего многообразия нагрузок и воздействий основное влияние на надежность, безопасность и долговечность магистральных пульповодов оказывают нагрузки в период эксплуатации. При этом считается, что на остальных стадиях жизнедеятельности пульповодов, суммарная продолжительность которых много меньше периода эксплуатации, риск возникновения аварийных ситуаций должен быть сведен к минимуму в результате реализации системы конструктивных и технических мероприятий по контролю качества материалов монтажных и других работ.
Строительные нормы и правила устанавливают два типа нагрузок, действующих на конструкцию во время эксплуатации: постоянные и временные.
Применительно к конструкциям пульповодов к постоянным относятся нагрузки от собственного веса, давления, реакции опор, предварительные а также другие нагрузки, которые действуют в течении всего срока службы.
Временные нагрузки, которые подразделяются на длительные, кратковременные и особые, отличаются от постоянных тем, что они в отдельные периоды эксплуатации могут отсутствовать. К таким нагрузкам относятся температурные нагрузки, нагрузки от неравномерных осадок грунта, в том числе при сезонном оттаивании в зоне вечной мерзлоты, снеговые, гололедные нагрузки, нагрузки от ветра, сейсмические нагрузки, связанные с возможностью возникновения аварийных ситуаций.
По характеру воздействия на конструкции нагрузки постоянного временного характера можно подразделять на статические и динамические. К статическим относятся нагрузки от собственного веса, давления температурные нагрузки и сезонные нагрузки других типов. К динамическим нагрузкам относятся вибрационные, пульсации давления гидросистем и другие.
К специальному классу временных нагрузок, которые могут быть как статического, так и динамического типа, относятся особые нагрузки, которые характеризуются тем, что встречаются довольно редко, но по своим последствиям могут привести к созданию аварийных ситуаций. К числу таких нагрузок относятся сейсмические нагрузки, воздействия взрывной волны и аварийные воздействия других типов.
Проектирование систем гидротранспорта, работающих в низкотемпературных условиях должно осуществляться с учетом повышенных требований к защите трубопроводов от низких температур, к прочности трубопроводов, определяемой температурными деформациями, а также к параметрам режима работы пульповода, определяемые требуемый тепловой баланс.
При проектировании надземных магистральных пульповодов в сейсмических районах опоры должны обеспечивать возможность перемещения трубопроводов при изменении температуры трубы и давления, транспортируемого продукта и в то же время воспринимать усилия, возникающие во время землетрясения или взрывы. Для достижения этой цели следует разработать конструкции опор, в которых должно быть предусмотрено включение дополнительных связей (резкое увеличение сил сопротивления перемещению, включению демпфирующих устройств и т.д.) при сейсмических воздействиях.
