РАЗДЕЛ 2
АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГТУ В УСЛОВИЯХ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОЛЕБАНИЙ ПЛОТНОСТИ ГИДРОСМЕСИ
2.1. Выбор эмпирических зависимостей для определения критической и средней скоростей транспортирования смеси в магистральном трубопроводе ГТУ
Гидросмесь - это механическая смесь воды и твердых частиц определенной крупности. Гидросмесь может существовать только в движении, когда подъемная и лобовая силы при обтекании жидкостью твердых частиц, не дают последним осесть на дно трубопровода под действием силы тяжести. Поэтому, значение критической скорости является границей между двумя режимами транспортирования: устойчивым без слоя заиления и неустойчивым со слоем выпавших на нижнюю стенку трубопровода твердых частиц [6, 8, 9, 11, 12, 13, 14]. Обычно, под критической скоростью в горизонтальном трубопроводе понимают наименьшую среднюю скорость потока гидросмеси, при которой все твердые частицы, находящиеся в потоке, полностью и стабильно транспортируются по трубопроводу.
Существуют различные способы определения критической скорости гидротранспортирования [5, 6, 8, 12-20].
Первый из способов основан на визуальном наблюдении (через прозрачные вставки) за началом выпадения твердых частиц на дно трубопровода [6]. Второй способ основывается на обработке экспериментальных изоконсистентных кривых зависимости удельных потерь напора от средней скорости потока. В качестве критической скорости для заданной консистенции принимается значение средней скорости, соответствующее точке минимума на изоконсистентной кривой. Третьим способ определяет критическую скорость из равенства удельных потерь напора при движении гидросмеси удельным потерям напора при движении однородной жидкости такой же плотности [5, 6].
В результате изучения состояния вопроса установлено, что большинство формул для определения критической скорости транспортирования гидросмеси имеют узкую область применения, ограниченную условиями эксперимента. Но с другой стороны, на сегодняшний день накоплен обширный экспериментальный материал по изучению критических режимов транспортирования, который требует физического осмысления и обобщения.
К тому же, существующие формулы для определения критических скоростей обладают довольно большой приближенностью и имеют разброс как качественных, так и количественных результатов.
Исследованию гидравлических сопротивлений и критических скоростей при гидротранспорте различных твердых материалов посвящен ряд работ [2, 3, 5-9, 12, 14-16, 18, 21-59].
Для различных классов гидросмесей можно выделить общие основные зависимости гидравлического уклона при течении пульпы [2, 3, 5-9, 12, 14-16, 18, 21-59]:
где i - гидравлический уклон при течении пульпы, м.вод.ст./м;
i0 - гидравлический уклон при течении воды, м.вод.ст./м;
? - плотность пульпы, кг/м3;
?0 - плотность воды, кг/м3;
А - поправочный коэффициент, который зависит от параметров транспортируемого материала, трубопровода и концентрации пульпы.
Для расчета величины i0 предлагается использовать известную в технической гидравлике формулу Дарси-Вейсбаха [8, 11, 18, 21, 23, 33, 35, 36]:
где ?0 - коэффициент гидравлического сопротивления трения при движении воды;
D - диаметр трубопровода, м;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
? - средняя расходная скорость гидросмеси, м/с.
Для гладких трубопроводов со сварными соединениями с отшлифованной поверхностью может быть использована зависимость Колбрука-Конакова [8, 18]
а для шероховатых и сильно корродированных трубопроводов формула Ф.А. Шевелева [8, 28, 49]
где Re - число Рейнольдса;
? - кинематический коэффициент вязкости воды, м2/с.
А.Н. Мотинов [8, 50, 51] рекомендует определять коэффициент ? отдельно для переходной и квадратичной областей течения по формулам:
Другие авторы с целью упрощения расчетов рекомендуют формулу Б.Л. Шифринсона [8, 52]:
где ? - абсолютная шероховатость внутренней поверхности трубопровода, м.
А.П. Юфин [8, 30, 31] и С.И. Горюнов [8, 29] предлагают определять коэффициент ? по формуле Никурадзе
Некоторые авторы утверждают, что после 100 часов работы трубопроводы гидротранспортных установок становятся гидравлически гладкими и величина ?0 может быть вычислена по формуле [8, 21, 33, 36]
Для расчета параметров гидротранспорта сыпучих материалов со средневзвешенной крупностью частиц не более 0.5 мм применима методика, разработанная С.Г. Коберником и В.И. Войтенко на основании лабораторных экспериментов [8, 21, 53].
Согласно этой методике вычисление критической скорости гидротранспортирования пульп плотностью до 1250 кг/м3 рекомендуется проводить по формулам А.П. Юфина [31].
А.П. Юфиным [31] были предложены формулы для определения критической скорости при гидротранспортировании материалов с различной однородностью гранулометрического состава. Однородность гранулометрического состава транспортируемого материала при этом определяется следующим образом:
где d90 и d10 - диаметры частиц, содержание которых составляет соответственно 90 и 10%.
С учетом этого критерия критическая скорость гидротранспортирования для частиц крупностью до 100 мм в трубах диаметром до 200 мм определяется по формуле [31]:
а в трубах диаметром от 200 мм до 450 мм [31]:
где D - диаметр трубопровода, м;
? - крупность частиц, м;
W - гидравлическая крупность транспортируемых частиц, м/с;
?тв, ?ж - плотности твердых частиц и несущей жидкости, соответственно, кг/м3.
Наиболее пригодными для условий карьерных гидротранспортных комплексов считаются зависимости, предложенные А.Е. Смолдыревым в результате значительного объема экспериментов с рядовым углем и породой плотностью до 2650 кг/м3 [8, 9, 15, 37, 46, 54].
При гидротранспортировании в горизонтальном трубопроводе для