книги из ГПНТБ / Лобанов, Д. П. Гидромеханизация геологоразведочных и горных работ учеб. пособие

На продолжительность времени шлифования труб оказывают влияние физико-механические свойства смесей, а также начальное состояние стенок. Установлено, что дополнительные потери напора

В трубах со спиральным швом шлифование не оказывает значитель­ ного эффекта (сопротивления определяются в основном выступами шва).

При определении гидравлических сопротивлений по формуле (1.25) для несущей жидкости в турбулентном режиме можно исполь­ зовать формулы гидравлики для гладких труб (1.26). В свою оче­ редь для ламинарного режима используется формула (1.27). Общей расчетной формулой является (1.25), в которую и подставляются искомые коэффициенты сопротивления. Заметим, что абсолютная высота выступов шероховатости в трубах составляет 30—50 мк, а после шлифования уменьшается примерно вдвое. В корродирован­ ных трубах высота выступов достигает 100 мк. После шлифования высота выступов обычно не более 20 мк. Поэтому разница в потерях напора несущей жидкости для практического диапазона скоростей в новых и шлифованных трубах достигает 25%. Потери напора при движении жидкости в стеклянных трубах практически совпадают с расчетными значениями для гладких труб.

Определение параметров движения гидросмесей

Для обоснования структуры расчетных зависимостей и вывода формул используют приближенные теоретические построения урав­ нений энергетического баланса в потоке для различных видов гидро­ смесей и уравнения в безразмерных параметрах. Для упрощения задачи воспользуемся последними, т. е. уравнениями (IV.1)—(IV.7).

Структурные гидросмеси в характерных режимах движения определяются, как уже отмечалось, структурной вязкостью р и вели­ чиной динамического напряжения сдига т. На основании приведен­ ного ранее анализа (см. гл. II) можно использовать зависимость вида

Формула (IV.14) отражает итоговую характеристику сопротивле­ ний сдвигу гидросмеси. Для ее использования надо знать среднюю величину градиента скорости, т. е. для практических расчетов необходимо принять значение du/dr, выбор которого не поддается пока строгому обоснованию. Поэтому надежные данные для расчета можно получить только при накоплении систематических данных измерений.

Обычно результаты измерений реологических констант обраба­ тываются с учетом (IV. 1) и (IV.2), а также приближенного опреде­ ления т через величину потерь напора, отсекаемую на кривых i (и) для этого вида гидросмесей (см. рис. 2 0 , а) и вязкости по формулам:

1С0

динамическое напряжение сдвига

структурная вязкость

минимальная вязкость (для переходного режима)

с повышением концентрации гидросмеси. С увеличением концентра­ ции отмечается и рост х, особенно при s > 0 ,2 —0,25 наблюдается резкий перегиб кривой т = / (s). Поэтому перемещение смесей с очень высокими концентрациями (более 0,3—0,4), как уже отме­ чалось, связано с резким увеличением гидравлических сопротивлений.

При выполнении инженерных расчетов следует учитывать, что значения т повышаются для труб большого диаметра, а поэтому данные измерений на вискозиметрах должны пересчитываться (в пер­ вую очередь для труб более 0,15—0,2 м и s Ss 0,35).

Опыты показывают, что, например, диспергированные водоантра­ цитовые смеси по сравнению с гидросмесями из газовых углей при одних и тех же значениях s и крупности характеризуются повышен­ ными значениями х (вследствие более прочной структуры). В свою очередь для диспергированных водоугольных смесей с концентра­ циями в пределах s = 0,2—0,35 для труб D = 150—600 мм отме­ чается, что параметры структурной вязкости р, находятся. в пре­ делах 0,05—0,08 Н -с/м 2, а минимальной — зависят от диаметра труб. Последний факт объясняется наличием в гидросмеси вне пределов структурного режима структурных связей, которые прояв­ ляются тем значительнее, чем больше D. Аналогичные в качествен­ ном отношении явления наблюдаются и для смесей с другими гор­ ными породами.

Итоговую характеристику движения диспергированных гидро­ смесей для различных режимов обычно представляют, как уже отмечалось, в виде коэффициента сопротивления X (Re*) для струк­ турного режима, % (Re') — для переходного режима и X (Re) — для турбулентного режима. При этом обработка данных измерений, выполненных для гидросмесей с диспергированными твердыми частицами мела, глины, угля, торфа и других материалов в трубах диаметрами от 25—50 до 600 мм показывает, что в общем случае удельные потери напора можно определить по обычной формуле гидравлики i — Xu2/2gD.

Для структурного и переходного режимов движения для ука­ занных материалов хорошо выполняется соотношение вида (IV.1), в котором число Рейнольдса для переходного режима Re' = uDp/|i,min.

101

По данным опытов незначительное различие в шероховатости стенок труб в структурном режиме не влияет на величину К. Смена структурного режима переходным наступает при Re' = (1,5—3) -103 в зависимости от концентрации смеси и диаметра труб. В свою очередь, турбулентный режим течения наступает при Re = uDр/р/ = = (3—4) •103. Для этого режима коэффициент сопротивления не зависит от Re. По данным измерений граничное значение Re опре­ деляется в первую очередь диаметром труб.

Безразмерный параметр (IV. 1) с удовлетворительной точностью обобщает данные измерений. И в общем случае для структурных гидросмесей имеем следующую расчетную формулу для удельных

В уравнении (IV.18) первый член в правой части характеризует влияние вязко-пластичных свойств (обычно неизменных для дан­ ных s и D), а второй — вязкостных свойств (для переходного режима

В режиме турбулентного течения для расчета удельных потерь напора пользуются формулами для тонкоднсперсных гидросмесей при соответствующем выборе значений коэффициента.

Т о н к о д и с п е р с н ы е г и д р о с м е с и . Обработку экспе­ риментальных данных в соответствии с уравнением (IV.4) следует вести в координатах (i — i 0)/i 0, as. В зависимости от содержания тон­

чительного количества частиц менее 0,07 мм тонкодисперсные гидро­ смеси, как отмечалось, могут переходить в структурные, что харак­ теризуется существенным изменением в пределах турбулентного режима течения значений коэффициента с 0. Для структурных, а также переходных к структурным потоков, экспериментальный коэффи­ циент с0 имеет значения соответственно 1,8—2,5 и 3,2—5,8.

102

Расчетная формула для определения гидравлических сопро­ тивлений для тонкодисперсных гидросмесей имеет вид

Для каждого вида смеси состояние предельного насыщения потоков твердым частицами приближенно характеризуют динами­ ческим подобием, выраженным отношением дополнительных затрат энергии вследствие влияиия твердых частиц на движение к общим затратам энергии. Это отношение для каждого вида смеси примерно величина постоянная. При использовании данного положения получим в общем случае

i0c0as/i0(1 -f-c0as) = const, т. е. const = c0as/(l + const),

откуда следует, что предельное насыщение не зависит от гидравли­ ческих характеристик потока и определяется физико-механическими свойствами смеси. В этом случае понятие о критической скорости или максимальном насыщении s в гидродинамическом отношении утрачивает свое значение. Определяется граничная скорость пере­ ходных потоков для конкретных условий задачи.

Под граничной скоростью тонкодисперсной гидросмеси в гори­ зонтальной трубе понимается такая минимальная скорость, ниже которой возможны переходные к вязкопластичному течению формы движения или отложения частиц рыхлым слоем; при скоростях, больше граничных, перемещение потока осуществляется при обыч­ ном турбулентном течении. Такие смеси перемещают при высоких концентрациях, обычно не менее 0,2—0,25. В этом случае игр практи­ чески не зависит от s, а определяется степенью дезинтеграции и вели­ чинами а и D, т. е.

Возможны потоки тонкодисперсных гидросмесей, приближаю­ щиеся по своим свойствам к грубодисперсным. К такого рода смесям можно отнести гидросмеси тяжелых измельченных руд. К тонко­ дисперсным гидросмесям, обладающим такими свойствами, можно отнести смеси с рудами ys = (35—45) кН/м3 и крупностью в основ­ ном 0,04—0,1 мм. С уменьшением ys до (26—28) кН/м3 граничное значение крупности частиц увеличивается до 0,15 мм. При содержа­ нии в транспортируемой руде до 25—35% частиц крупностью в пер­ вом случае 0,1—0,2 мм и во втором — 0,15—0,3 мм влияние их на параметры в достаточной степени учитывается значением dcp.

Для рудных тонкодисперсных смесей при скоростях и < и кр наблюдается подвижный слой отложения частиц на нижней стенке. Анализ экспериментальных данных показал, что как обычно в тонко­ дисперсных гидросмесях процесс определяется влиянием силы

103

тяжести и плотности частиц, концентрацией твердого в потоке н скоростью транспортирования; но существенным оказывается и влияние крупности частиц. Поэтому в соответствии с уравнением (IV.5) данные измерений обрабатываются в координатах вида

[(i — i0)li0as\, (Fr2/Fr*),

где Ft = u2/gD и Fr* = ul/gdQp — параметры Фруда для потока гидросмеси и частиц.

Расчетная формула для определения удельных потерь напора

с положением о динамическом подобии из (IV.23) формула имеет вид

также в координатах г — i0 и (аи*/и) s ] / 6 0. Между этими пара­ метрами существует линейная зависимость. Значения коэффициента пропорциональности оказываются существенно отличными для труб диаметрами 25—80 мм и 150—900 мм. Это объясняется тем, что хотя для движения таких потоков с любыми геометрическими размерами характерны одни и те же закономерности, однако в трубах малого диаметра траектории частиц существенно искажаются влиянием стенок. В этом случае движение частиц по вертикали потока огра­ ниченно, что проявляется в эффекте «срезанных траекторий», т. е. таких, в которых не используются полностью высота и длина скачка; этот фактор обусловливает дополнительные затраты энергии по­ током.

Расчетная формула для определения гидравлических сопротивле­ ний для грубодисперсных гидросмесей принимает вид

1,5—0,6 — для труб D = 105—125 мм).

При предельном насыщении потока твердыми частицами согласно принятому выше положению о динамическом подобии из (IV. 25)

104

где с' — >/"c*^/const = 6,5—7,5 — размерная величина; экспери­ ментальный коэффициент рекомендуется принимать в среднем с' =

=7 (с* = const).

Для тяжелых руд грубодисперсных гидросмесей основная фрак­ ция обычно представлена частицами крупностью 0,1 (0,15) — 1,5 мм. Измерения показывают, что при движении таких смесей проявляется резко выраженная неравномерность распределения твердого компо­ нента по вертикали потока, а также большая инерционность грубо­ дисперсных частиц руды, чем тонкодисперсных. Поэтому для таких условий обработку данных измерений можно вести в координатах

метр, мм).

Критическую скорость транспортирования аналогично прежнему

(IV.6 ), которая ведется в координатах i — г0 от as, свидетельствует о наличии линейной зависимости между указанными параметрами. При этом оказывается, что для неоднородных дисперсных систем значения коэффициента / существенно отличаются для различных горных пород. Характерно, что значения этого коэффициента имеют тот же порядок величин, что и коэффициент трения скольжения. В отличие от обычного скольжения груза по металлической поверх­

Расчетная формула для определения гидравлических сопротивле­

где f — 0,7—0,56 — для свежедробленых скальных пород; 0,55— 0,46 — для пород средней крепости; 0,45—0,36 — для окатанных (гравия) и мягких пород; 0,35—0,2 — для сланцев и крепких углей; 0 ,2 —0 ,1 — для мягких углей и антрацитов.

105

Если рассматриваются условия предельного насыщения потока твердыми частицами, согласпо принятому выше положению о динами­ ческом подобии (с учетом влиния па движение формы, острогранности и других свойств такое подобие требует / = const), то из (IV.29) получаем зависимость для критической скорости

частиц. Этот факт установлен также экспериментально для частиц

жидкости (приведенные выше расчетные формулы для основных видов гидросмесей отражают этот принцип) расчетная формула для определения удельных потерь иапора может быть представлена в впде

В случае максимального насыщепия потока твердыми частицами, аналогично прежнему, полагаем, что дополнительные затраты энер­ гии в потоке, вызванные перемещением груб.одисперсиых и неодно­ родных по крупности твердых частиц, отнесенные к общим затратам энергии, постоянны. На основе этого получаем формулу для кри­ тической скорости

где влияние тоикодисперсных фракций учитывается величиной

а* = [Ys/Yo— (I H-aSiMl H-aSj).

Вформулах (IV.31) и (IV.32) значения sb s2 и s3 соответствуют долям основных фракций в общей величине s.

Для случая транспортирования мелких классов пород, огра­ ниченных крупностью 2—3 мм, в формулах (IV.31 и IV.32) выпадает соответствующее слагаемое. При этом следует учитывать, что, например, для углей класса 0 —3 или 0 ^ 6 мм и при высоких кон­ центрациях гидросмесей учет влияния тонких классов < 0 ,0 4 (0,07) мм (при содержании их свыше 7-—10 % от общего количества угля)

106

В диапазоне приведенных значений чисел Fr* находятся зна­ чения скоростей и, при которых для гидросмеси с заданными пара­ метрами достигаются минимальные значения гидравлических сопро­ тивлений. Эти скорости, определяющие практически наиболее опти­ мальный режим по затратам энергии, могут быть найдены из условия приближенного подобия процесса переноса частиц в этой фазе дви­ жения гидросмесей. Если, как и прежде, предположить, что отно­ шение дополнительных затрат энергии вследствие присутствия твердых частиц в гидросмеси к полным затратам энергии при ее движении величина постоянная, то такое соотношение дает значение критической скорости

не отличается от таковых для напорного транспорта и в отношении «кР и г производится по приведенным выше формулам. Однако при этом подлежит дополнительному обоснованию выбор попереч­ ных размеров желобов.

Расчет параметров установок

Исходными данными для расчета гидротранспортных установок обычно являются: производительность установки по гидросмеси У пли твердому У5, м3/ч, или расход воды У 0, м3/ч, расстояние по горизон­ тали L и по вертикали h, м, удельный вес материала и его грануло­ метрический состав. Задача состоит в определении рабочей скорости и потребного напора гидротранспортирующего агрегата, мощности привода N, кВт и типоразмера насоса. Возможен и такой случай, когда для данной транспортной системы с трубопроводом D и мощ­ ностью привода N определенного типа насоса требуется найти максимальную производительность по материалу и потребный расход воды. Естественно, что на практике могут встретиться и другие случаи.

При гидравлическом транспорте эффективность работы установки определяется, помимо технологических факторов, в первую оче­ редь тем, насколько длительно и рационально использована мощ­ ность транспортных агрегатов. В любом случае расчетом должны быть установлены основные характеристики транспортирования, обеспечивающие наиболее эффективный режим движения гидро­ смеси при минимальном расходе энергии, максимальной произво­ дительности по материалу и возможно больший срок службы труб и оборудования. Поэтому метод расчета должен базироваться на установлении критической скорости движения гидросмеси и соот­

10S

ветствующих этому режиму потерь напора. Режим транспортиро­ вания с критической скоростью является оптимальным с точки зрения обеспечения минимальных энергетических затрат и наимень­ шего износа оборудования.

Для тонкодисперсных гидросмесей рекомендуется (с учетом

транспортировании абразивных материалов и стабильных условий загрузки материала (по концентрации и крупности) может при­ меняться режим транспортирования с заилением. При этом должно быть предусмотрено увеличение до 2 0 % запаса напора, развиваемого насосом, по сравнению с расчетным.

Для полидисперсных гидросмесей рекомендуется принимать режим транспортирования со скоростью и = (1,1—1,2) икр. Эффек­ тивным режимом движения для восходящих потоков является такой, при котором имеют место минимальные затраты энергии на транспортирование; рекомендуется режим при и = (1,15—1,2) икр.

Расчету основных гидравлических параметров для эффективных режимов должны предшествовать обоснования важнейших техно­ логических параметров гидротранспорта. При этом общая расчетная схема должна включать:

1 ) выбор режима транспортирования по горизонтальному (или вертикальному) трубопроводам; расчеты трубопроводов, подни­ мающихся до 45°, ведутся как для горизонтальных, а для подни­ мающихся выше 45—75° — как для вертикальных;

2 ) определение критической скорости гидросмеси для заданной концентрации s (или значение s для заданной скорости и);

3)выбор диаметра трубопровода по критической скорости; для желобов — высоты наполнения;

4)определение рабочей скорости движения для фактически при­ нятого диаметра трубопровода;

5)определение расчетных потерь напора или уклона желоба. Местные сопротивления учитываются введением поправочного коэф­ фициента 1,05;

6 ) выбор типоразмера землесоса по Q, i и L. По выбранным вели­ чинам s и у выполняется пересчет рабочих и кавитационных характе­ ристик насоса; полный потребный напор определяется: Н — L -i -f- 4-0,05 Li + hy. Тип насоса должен обеспечивать заданный расход материала по всасыванию, потребные расход Q и напор Н, а также наибольший для данного насыщения гидросмеси к. п. д. т);

7) мощность двигателя N = HVy/ЗбТр.

Отметим, что одним из самых радикальных способов повышения эффективности гидравлического транспорта является увеличение концентрации транспортируемого материала и обеспечение условий для ее поддержания возможно более длительное время.

Для обеспечения нормальных условий транспортирования диа­ метр горизонтальных труб обычно требуется меньший, чем верти­

109