8.6. Расчет и проектирование систем гидротранспорта сырья

При проектировании системы гидротранспорта шлама требуется определить следующие характеристики: состав и скорость транспортирования шалама, диаметр трубопровода, удельные гидравлические потери и параметры внешней среды, в условиях которой осуществляется транспорт (профиль трассы, влияние из­менений температуры воздуха и т. п.).

Для расчета необходимо иметь следующие исходные дан­ные:

— общий расход шлама, в м³/ч;

— плотность шлама, в кг/м³;

— характеристику гранулометрического состава твердой фазы;

— массовую или объемную концентрацию твердой фазы в шламе;

— температуру шлама и ее колебания.

Целью расчета является определение потерь напора при транспортировании шлама (Δh), диаметра трубопровода (D), мощ­ности привода насоса (N), выбор типоразмера насоса и необхо­димого количества перекачивающих станций, обуславливающих возможность перекачки шлама на заданное расстояние.

Расход шлама определяется из материального баланса с уче­том коэффициентов использования оборудования и нормативных запасов.

Плотность шлама рассчитывается по формуле:

(8.66)

где Т — масса твердого вещества в 1 т шлама; Ж — масса жидкости в 1 т шлама; ς_s — плотность твердого вещества, кг/м³; ς₀ — плотность жидкости, кг/м³; ς — плотность шлама, кг/м³.

Объемная концентрация твердой фазы (S) в шламе — отноше­ние объема твердой фазы к объему шлама — рассчитывается по формуле:

(8.67).

Полные потери напора при транспортировании Δh включа­ют линейные потери напора Ahi, местные гидравлические по­тери Δh_M и потери напора на преодоление разности высот между началом и концом трубопровода (геометрические поте­ри) Δhh.

Таким образом,

(8.68).

Линейные потери напора определяются вязко-пластическими свойствами транспортируемых суспензий. Тонкодисперсные высокопластичные глиняные, глино-меловые, глино-мергелистые, глино-известковые смеси с высокой объемной концентрацией (S = 0,3 — 0,5) твердой фазы относятся к классу псевдовязкопластичных суспензий (ПВПС). Одними из основных расчетных па­раметров, определяющих линейные потери напора, являются удельные потери давления при движении гидросмесей, определя­емые в зависимости от режима движения и реологических свойств транспортируемых суспензий. Основными константами при этом являются динамическое напряжение сдвига т₀ и пла­стическая вязкость т).

Динамическое напряжение сдвига т₀ характеризует такое со­стояние гидросмеси, когда под воздействием внешних сил нару­шаются структурные связи и суспензия начинает течь, при этом каждому градиенту скорости соответствует определенная степень разрушения структуры. В области малых скоростей структури­рованная система перемещается с практически неразрушенной структурой (так называемый шведовский режим течения). С уве­личением скорости движения перемещение суспензии происходит в режиме с непрерывно разрушающейся структурой; этот режим называют структурным режимом движения.

В отличие от обычных жидких сред (ньютоновские жидкости), вязкость которых не зависит от режима движения, структуриро­ванные суспензии, к которым относятся и цементные сырьевые шламы (глинистые, глино-меловые и др.), обладают аномальной вязкостью, меняющейся в зависимости от скорости движения. Различают вязкость неразрушенной структуры т]₀ и вязкость пол­ностью разрушенной структуры г\_т. Вязкость шлама, соответст­вующая определенной скорости, называется эффективной вязко­стью т)_Эф. Величина вязкости т)_эф. должна приниматься при расчете потерь напора для данной скорости движения шлама, иначе найденные значения потерь напора будут завышенными. Величина вязкости т)_Эф. при скорости (v) в пределах 0,5—3,0 м/с будет равна Н₀• К.

Значение поправочного коэффициента — К, полученное пу­тем обработки результатов эксплуатации систем гидротранс­порта на ряде цементных заводов, может быть рассчитано по формуле:

(8.69).

Помимо структурного, различают также переходный струк­турно-ламинарный и турбулентный режимы.

В качестве критерия подобия, определяющего динамическое состояние потока структурированных систем, предложено исполь­зовать обобщенный критерий Рейнольдса Re₀6.:

(8.70),

где V — скорость движения шлама, м/с; ς — плотность шлама, кг/м³; d — диаметр трубопровода, м; η_эф — эффективная вяз­кость, = т1₀-К, кг-с/см².

По экспериментальным данным, вязкость различных шламов т) о, соответствующая их текучести 60 мм (по текучестемеру ТН-2), может изменяться в диапазоне 8—25 н-с/м, а предельное напряжение сдвига г|₀ в пределах 12—50 н/м². (табл. 8.24).

По данным Бернштейна Л. А. с сотрудниками (институт Гип-роцемент), полученным на белгородских меловых шламах (табл. 8.25), при Re₀6-<2000 наблюдается структурно-ламинар­ный режим течения, при котором зависимость Я, (коэффициента гидравлического сопротивления) от Re₀6 линейная и выражается формулой

Линейные потери напора при структурно-ламинарном режиме (в диапазоне скоростей 1—3 м/с) можно определить по формуле Дарси — Вейсбаха:

(8.71).

При Re₀6- от 2000 до 4000 режим движения переходный, при этом К — зависит от Re₀6. и плотности шлама, а при Re₀6. более 4000 наступает турбулентный режим и К перестает зависеть от величины Re₀6.-

Таблица 8.24

Свойство сырьевых шламов

Шлам	Влажность, %	Условная текучесть, мм	Вязкость, нс/м2	Предельное напряжение сдвига, н/м2
Здолбуновский (гино-меловой)	37	60	8,0	12,0
Балаклейский (низкотитровый, Т=70)	46	60	5,0	13,0
Балаклейский (высокотитровый Т=85)	44	60	8,0	16,0
Амвросиевский (мергельный)	50	60	25,0	18,0
Белгородский (меловой)	53	60	28,0	29,5
Белгородский (меловой с ЛСТ)	41	60	14,0	33,0
Белгородский (глино-меловой)	41	60	17,0	42,0
Завод «Гигант» (известково-мергельный)	37	60	12,0	64,0

Таблица 8.25

Потери напора по опыту гидротранспорта мелового шлама (Белгородский цементный завод)

Диаметр шламопровода, мм		Температура шлама, 0С	Плотность шлама, г/см3	Потери напора в % при различной скорости транспортирования в м/с
				0,6	1	2	3
200		16-23	1,45	10,5	11,0	12,2	13,2
			1,50	24,0	25,5	27,5	28,5
			1,53	34,5	36,0	38,5	42,0
300		16-23	1,45	6,0	6,2	6,5	-
			1,50	14,5	14,8	15,2	-
			1,53	20,5	21,2	23,5	-

Для структурированных систем методика определения крити­ческих скоростей перехода из структурного в структурно-лами­нарный режим наименее изучена и для их расчета нет четких рекомендаций.

При определении потерь напора за счет местных сопротивле­ний (поворотов, задвижек, фланцевых соединений и т. п.) на основании опытных данных устанавливают зависимость коэффи­циента местных сопротивлений ξ_м = f (Re₀6.)- Установлено, что в диапазоне значений Re₀6. до 1500 изменение коэффициента ξ_м в зависимости от числа Re₀6. записывается в виде:

(8.72),

где В и n — эмпирические коэффициенты, зависящие от конструк­ций, обуславливающих местные сопротивления (степень открытия задвижки, угол поворота шламопровода и т. д.). Коэффициент В изменяется в пределах от 32 до 1350, п — от 0,23 до 1.

Зависимость ξ_ш от Re₀6. характерна для структурного и пе­реходного режимов, тогда как при турбулентном режиме течения и больших значениях Re₀6. коэффициент местных сопротивлений почти не зависит от Re₀6. Потери напора за счет местных со­противлений рассчитываются по формуле:

(8.73).

Данные о величине коэффициента местных сопротивлений шламопровода в зависимости от угла поворота оси приведены в табл. 8.26 в зависимости от отношения , где R — радиус за­кругления, a D — диаметр трубопровода.

Таблица 8.26

Значение коэффициента местных сопротивлений для шламопровода

Плавное закругление оси									Резкий поворот оси
α=900			α=600			α=300
при R/D
1,0	1,5	3,0	1,0	1,5	3,0	1,0	1,5	3,0	α=600	α=300
0,45	0,40	0,24	0,30	0,20	0,16	0,10	0,07	0,05	0,05	0,16

В случае, если длина трубопровода превышает 500 м, потери за счет местных сопротивлений могут быть оценены с помощью коэффициентов Ki и Кз:

(8.74),

где K₁ = 1,10 — коэффициент, учитывающий местные потери на­пора (на стадии проекта); ki = 1,15 — коэффициент запаса. Геометрические потери напора можно определить по формуле:

(8.75),

где h — высота подъема шлама, м; ς — плотность шлама, кг/м³; ς₀ — плотность жидкости (воды), кг/м³.

Произведение суммарных потерь напора Δh (8.75) на плот­ность шлама определяет рабочее давление в системе транспор­тной установки Р_р:

(8.76).

Это значение не должно превышать характеристик, принятых для технологического оборудования. Для магистральных трубоп­роводов рекомендуется применять трубы из низколегированной стали. Трасса шламопровода в плане не должна иметь резких изгибов. Радиус закруглений на поворотах по трассе сварного трубопровода целесообразно принимать R^3D, где D — диаметр трубопровода. Радиус закруглений трубопровода из звеньев труб следует принимать не менее 100 D. Трасса напорных шламопроводов должна обеспечивать их полное самоопорожнение, т. е. не содержать V-образных участков. Наличие V-образных участков допускается только при переходе трубопроводов через долины рек, ручьев и больших оврагов с обязательным выполнением системы их опорожнения. Трассу следует выбирать таким обра­зом, чтобы промежуточные перекачивающие станции находились в точках излома профиля.

При выборе трассы шламопроводов следует учитывать возможность сокращения числа перекачивающих станций за счет последовательного соединения в одной из них пары шламовых насосов.

Для наблюдения, ремонта и замены трубопроводов по трассе следует предусматривать подъездные пути и проезды.

ПЕРЕСЧЕТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАСОСОВ

В каталогах обычно приводятся характеристики насосов при их работе на воде, вследствие чего при выборе оборудования следует произвести пересчет этих характеристик применительно к транспортировке гидросмесей. Следует учитывать, что при транспортировке высококонцентрированных и тонкодисперсных гидросмесей потребление мощности может повыситься в 1,5 раза, а КПД насоса уменьшится на 20%. Пересчет напора ведется исходя из уравнения:

(8.77),

где Н — напор, создаваемый насосом при работе на гидросмеси, мм. вод. ст.; Н₀ — напор, создаваемый насосом при работе на воде, мм. вод. ст.; ς — плотность гидросмеси, кг/м³; ς_o — плот­ность воды, кг/м³; К' — коэффициент, учитывающий особенности конструкции; n — показатель, отражающий неоднородность транспортируемой жидкости.

С достаточной для практики точностью, на основании стен­довых испытаний различного типа насосов, можно принимать пжО,85. В то же время коэффициент К' имеет различные зна­чения для насосов разного вида. Так, например, для насосов типа «ГР» К'= 0,5.

Для расчета мощности насоса при его работе на гидросмеси можно пользоваться приближенной формулой:

(8.78),

где N₀ — мощность, потребляемая насосом при работе на воде, кВт; N — мощность, потребляемая насосом при работе на гидро­смеси, кВт.

Пересчет характеристик предполагает также проверку со­ответствия заданной подачи гидросмеси исходя из подачи на воде:

(8.79),

где Qmax — максимальная подача насоса, работающего на воде.

Для псевдо-вязко-пластичных смесей могут резко возрастать параметры т) и т₀. Для того, чтобы пересчетные характеристики не изменялись, необходимо повышать частоту вращения.

Для гидротранспортирования цементных сырьевых шламов ис­пользуются центробежные насосы различных типов, предназна­ченные для транспортирования угольных, песчаных, грунтовых гидросмесей с объемной концентрацией твердой фазы до 25%. Практика показала их пригодность для транспортирования це­ментных сырьевых шламов (глиняных, глиняно-меловых и др.) с объемной концентрацией по твердому веществу до 35-40%. Ос­новные характеристики некоторых центробежных насосов приве­дены в табл. 8.27.

Таблица 8.27

Характеристика насосного оборудования

Насос	Подача, м3/ч	Напор, м	Частота вращения, мин-1	Мощность электродвигателя, кВт	Масса, кг
ВШН150-1	150	50	1450	28	652
6ФШ-7А	200	60	1450	132	1468
6Ш8	250	54	1450	100	1130
8ШЩ-6А	300	65	1470	160	1462
ШН500-40	500	40	1450	100	2360
8ШНВ	540	84	1485	300
10У-5	600	175	1485	630	7200
10ГР-8	740	38	760	160	3900
10УТВХ2	900	250	1485	1050	-
12УВ-6	90	320	1485	1500	6030
12ГР-8Т	1330	58	740	500	8000
14У-7	1400	170	1485	1000	2750
12Р-7	1600	53	590	480	4500

Институтом ВНИИГидромаш разработан ряд новых цeнтрoбежных насосов типа ГрА, предназначенных для перекачки низкоабразивных гидросмесей (грунтов) с объемным содержанием твердых включений до 30% и плотностью смеси до 2200 кг/м³ (в отдельных случаях до 3200 кг/м³). Параметрический ряд на­сосов ГрА включает десять типоразмеров на подачу от 56 до 2500 м³/ч и напором от 14 до 67 м. Для обеспечения работоспо­собности центробежных насосов необходимо подводить напорную (отжимную) техническую воду для отгона твердых частиц сус­пензии от сальниковых уплотнений (гидроуплотнение). Давление, создаваемое насосом, подающим отжимную воду, должно на 100 кПа превышать давление, развиваемое центробежным насо­сом. Техническая вода подводится из расчета 2—3% от подачи насоса, что приводит к повышению влажности транспортируемого шлама. Запуск электродвигателя шламового насоса должен про­изводиться только после подачи технической воды на гидроуп­лотнение насоса. Для обеспечения надежности системы гидро­транспорта на один рабочий насос устанавливают один резервный, а в случае высокоабразивных гидросмесей — два ре­зервных насоса. Каждый насос в насосной станции оборудуется своим зумпфом, при этом насос должен быть под заливом. Ра­бочий объем зумпфа назначается из расчета 30—60 с объема перекачиваемого шлама.