3.1.5. Гидро- и пневмотранспорт зернистых материалов
Гидро- и пневмотранспорт – транспортировка зернистых материалов потоками жидкости или газов по трубопроводам. Этот метод транспорта широко применяется в промышленности. Основное достоинство гидро- и пневмотранспорта – возможность перемещения больших масс зернистого материала на большие расстояния. Основной недостаток – большой расход транспортирующей среды.
Оба вида транспорта могут осуществляться в горизонтальных и вертикальных трубопроводах.
Доля твердых частиц в потоке может быть выражена по-разному – массовая (весовая) или объемная концентрация:
(3.37)
Здесь
и
– масса и объем твердых частиц
соответственно; M
и
V
– масса и объем несущей среды. Объемная
концентрация на практике обычно достигает
4 .
Рассмотрим
вертикальный трубопровод.
При гидро-
и пневмотранспорте зернистых
материалов в вертикальных трубопроводах
скорость потока жидкости (газа) должна
быть больше скорости витания наиболее
крупных частиц. Перемещение частиц в
вертикальной трубе возможно как при
турбулентном, так и при ламинарном
режимах движения жидкости. Скорость
транспортирования частицы
определяется как разность скорости
потока
и скорости витания частицы
:
(3.38)
Для
устойчивой работы вертикального
транспорта предлагается для пневмотранспорта
,
для гидротранспорта
.
Согласно формуле (3.25) гидротранспорт требует значительно меньших скоростей несущего потока, чем пневмотранспорт, поскольку скорость витания в газе твердой частицы гораздо больше соответствующей скорости в жидкости.
На
рис. 3.6 представлена схема вертикального
пневмотранспорта.
На участке
зернистый материал разгоняется до
постоянной скорости.
В разгонном
участке концентрация зернистого
материала в потоке
не постоянна, она
уменьшается снизу вверх.
На
стабилизированном участке
концентрация зернистого материала в
потоке уже постоянная.
Рис. 3.6. Вертикальный пневмотранспорт
Перепад давления в вертикальном гидро- и пневмотранспорте определяется по формуле:
(3.39)
Здесь
– статическое давление, создаваемое
столбом двухфазной системы;
– гидравлическое сопротивление несущей
среды;
– потеря на трение между частицами и
при движении частицы относительно
несущей среды;
– потери на разгонном участке
на
создание ускорения частиц.
Потеря давления на стабилизированном участке состоит из и и может быть определена по эмпирической формуле:
(3.40)
где K – эмпирический коэффициент, K =1÷5;
– для
зернистых материалов,
– для
порошкообразных материалов,
– для
волокнистых материалов (хлопок, шерсть).
Горизонтальный
трубопровод. При
движении двухфазной системы в
горизонтальных трубопроводах под
действием силы тяжести возможно осаждение
твердых частиц на дно трубопровода. Во
избежание этого скорость потока должна
быть достаточно большой. Её можно
оценить, зная массу частицы m.
Чтобы поддержать частицу во взвешенном
состоянии, ей должна быть сообщена
несущей средой мощность
,
равная:
(3.41)
где – скорость осаждения частицы.
Эта мощность передается от несущей среды к твердым частицам турбулентными пульсациями. Мощность потока несущей среды можно определить по формуле:
(3.42)
где V – объемный расход несущей среды, p – потеря давления несущей среды, D – диаметр трубопровода, – средняя скорость несущей среды.
Согласно изложенному:
(3.43)
где k – коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально: k = 3 · 10–3÷0,25. По уравнениям (3.42) и (3.43) можно определить необходимую скорость несущего потока .
Не
проводя экспериментов, ориентировочно
оценим значение
.
При движении частиц в горизонтальном
трубопроводе на частицу действуют сила
тяжести и подъемная архимедова сила
а также сила сопротивления среды.
Под
действием этих сил частица движется в
ламинарном потоке
по пологой траектории
и достигает стенки трубы. В турбулентном
потоке осаждению частиц препятствуют
направленные вверх пульсационные
движения со скоростью
.
Поскольку пульсации происходят как
вверх, так и вниз, траектория отдельной
частицы представляет собой волнистую
линию. Силу турбулентной пульсации
определим как:
(3.44)
где
– коэффициент сопротивления. Для оценки
применяют
Поперечную
составляющую пульсационной скорости
в трубе
можно принять равной
(
– осредненная скорость турбулентного
потока жидкости в трубе).
Необходимо отметить, что если частица окажется внизу в пределах ламинарного подслоя, а толщина ламинарного подслоя и размер частиц одного порядка, то на частицу будет действовать подъемная сила согласно уравнению Бернулли:
(3.45)
Здесь
– коэффициент сопротивления частицы.
По опытным данным установлено, что коэффициент сопротивления составляет около 25 коэффициента лобового сопротивления свободного осаждения (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Схема сил, влияющих на твердую частицу
Для обеспечения гидротранспорта по горизонтальной трубе должно соблюдаться условие:
(3.46)
Исходя из соотношения (3.46), можно ориентировочно оценить необходимую скорость транспортирующей (несущей) среды:
(3.47)
Как
известно, для турбулентного потока
Скорость потока, при которой не происходит осаждение твердых частиц на дно трубопровода, называется критической.
Экономически
более выгодна организация гидро-
и
пневмотранспорта при скоростях, равных
или несколько превышающих критическое
значение скорости
.
При скоростях меньше
начнется заиление трубопровода, а при
скоростях, значительно превышающих
,
будут большие гидравлические потери.
Потеря
давления
в горизонтальном гидро- и пневмопроводе
слагается из потерь давления несущей
среды p
и потери давления, обусловленной
движением твердых частиц
:
(3.48)
Здесь – коэффициент гидравлического трения, т – коэффициент сопротивления твердых частиц (определяется экспериментально), D – диаметр трубопровода.
Приведенный анализ справедлив для мелкозернистых материалов. Транспортирование кусковых материалов характеризуется тем, что они перемещаются в пристеночной области потока или по дну трубопровода. В зависимости от крупности частиц, формы и их концентрации движение происходит (при наличии влечения частиц) по нижней стенке трубопровода или прерывным взвешиванием так, что в пристеночной области образуется подвижная шероховатость.
В
этом случае
и частица силой
прижимается ко дну. Если сила трения
будет меньше силы лобового сопротивления,
то частица будет двигаться по дну
трубопровода. Если сила трения больше
силы лобового сопротивления, то произойдет
заиление трубопровода, частица останется
лежать на дне.
При заилении трубопровода живое сечение потока уменьшается, и, как следствие, скорость потока увеличивается, и транспортирование зернистого материала идет во взвешенном состоянии. Происходит процесс саморегулирования режима транспортирования.
Однако при заилении возникает неустойчивый режим работы, что может привести к срыву процесса транспортирования.