Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

«Підвищення ефективності промислового трубопровідного транспорту гідросумішей застосуванням струминної арматури»

05.22.12 - промисловий транспорт

УДК 621.867.8

Дмитрієнко

Дмитро Володимирович

Луганськ - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля, Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Сьомін Дмитро Олександрович, професор кафедри гідрогазодинаміки Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Рамазанов Султан Курбанович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри "Економічна кібернетика"

кандидат технічних наук, Семененко Євген Володимирович, старший науковий співробітник Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України

Провідна установа: Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. В. Лазаряна Міністерства транспорту України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться "15" червня 2007 р. о "13³⁰" годині на засіданні спеціалізованої ради Д 29.051.03, у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20-а.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20-а

Автореферат розісланий "14" травня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Осенін Ю.І.

Загальна характеристика роботи

Вступ. Трубопровідний гідротранспорт твердих матеріалів знаходить все більше розповсюдження в багатьох галузях промисловості завдяки своїм незаперечним перевагам: безперервності і рівномірності потоку, сталості якості продукту, що доставляється, незалежності роботи від погодних умов і незначному негативному впливу на навколишнє середовище, високій пропускній здатності при невеликій кількості обслуговуючого персоналу і можливості автоматизації транспортних і вантажно-розвантажувальних операцій. Масштаби поширення гідротранспортних систем ростуть, так, у США експлуатуються вуглепроводи загальною довжиною близько 20 тис. км сумарною пропускною здатністю 250 млн. т на рік, а загальна довжина трубопроводів Донбасу перевищує 500 км.

Актуальність теми. Розвиток гідротранспорту стримує низька довговічність устаткування, викликана інтенсивним зношуванням при транспортуванні абразивних матеріалів. На промислових підприємствах і комплексах одночасно перебувають в експлуатації 100-800 одиниць технологічного обладнання, 20-25% якого - регулююча арматура. Середній термін служби механічних регулюючих органів загальнопромислового призначення становить 2-5 місяців, а при транспортуванні антрацитів і важких суспензій - не більше одного місяця. Зміна характеристик і вихід з ладу елементів обладнання приводить до порушення параметрів технологічного циклу, аварій і техногенних катастроф.

Тенденції розвитку гідротранспорту останніх років показують перспективність заміни механічних засобів управління потоками струминною арматурою на основі вихрових регулюючих органів (ВРО), які не містять рухливих частин. Її промислова експлуатація в несприятливих умовах на чистих середовищах свідчить про надійність і технологічність конструкції, зручність експлуатації. Однак досвід застосування струминної арматури у трубопровідних системах транспорту абразивних гідросумішей у взаємодії з технологічним обладнанням відсутній, що обґрунтовує актуальність проведення досліджень у даному напрямку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася як частина держбюджетної теми “Совершенствование гидравлических характеристик, методов расчета и моделирования гидромашин, гидроприводов, гидравлических и пневматических средств и систем” (БР-11-2005), що розробляється на кафедрі гідрогазодинаміки СНУ ім. В.Даля, а також напрямку досліджень „Безконтактне управління потоками рідин і газів” Філіалу Інституту Гідромеханіки НАН України і СНУ ім. В.Даля при особистій участі автора у створенні експериментальної установки, проведенні дослідів, обробці і узагальненні результатів експериментального дослідження та розробці практичних рекомендацій.

Мета дослідження - підвищення ефективності обладнання і процесів промислового трубопровідного транспорту гідросумішей застосуванням струминної арматури.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

- теоретично і експериментально дослідити можливості роботи і межі працездатності струминної арматури на гідросумішах;

- теоретично і експериментально дослідити вплив характеристик регулюючої арматури на ефективність транспортування гідросумішей;

- теоретично дослідити особливості течії гідросуміші у струминній арматурі, вдосконалити математичні моделі течії гідросуміші у ВРО струминної арматури;

– теоретично дослідити особливості впливу характеристик ВРО на роботу технологічного обладнання і транспортування потоку гідросуміші;;

– експериментально дослідити закономірності впливу параметрів гідросуміші на робочі характеристики ВРО струминної арматури;

- розробити методику розрахунку і практичні рекомендації до застосування ВРО на гідросумішах.

Об'єкт дослідження - робочі процеси транспортування гідросумішей у промисловому трубопровідному транспорті.

Предмет дослідження - закономірності впливу властивостей гідросумішей на робочі характеристики ВРО струминної арматури у взаємодії з технологічним обладнанням.

Методи дослідження - фізичне і математичне моделювання процесів у робочих камерах ВРО струминної арматури при течії гідросуміші на основі сучасних методів гідродинаміки; моделі представлені нелінійними диференціальними рівняннями в часткових і повних похідних другого порядку. Рішення проводилося чисельними методами з використанням пакетів прикладних програм. Експериментальні дослідження робочих характеристик проводились на прозорих моделях, які дозволили також визначити характер і особливості течії за допомогою методу її візуалізації.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше теоретичними і експериментальними дослідженнями обґрунтовано можливість підвищення ресурсу роботи і корекції характеристик технологічного обладнання, що змінюються внаслідок зношування, застосуванням ВРО. Доведено, що пристрої підвищують ефективність роботи систем промислового трубопровідного транспорту і функціонують у діапазоні параметрів гідросумішей характерному для нього.

2. Вперше теоретичними дослідженнями визначено особливості впливу характеристик ВРО на роботу гідротранспортного обладнання і транспортування гідросумішей. Так, моделюванням тривимірної течії гідросуміші встановлена можливість зміни співвідношення витрат потоків різних фракцій у гідроциклоні регулюванням ВРО, доводячи доцільність його застосування на відміну від механічних пристроїв. Установлено, що при запиранні ВРО тверді частки гідросуміші на вихід не надходять разом з потоком рідини.

3. Одержали подальшого розвитку математичні моделі течії гідросуміші в робочих камерах ВРО урахуванням наявності твердої фази і значного градієнту тиску вздовж радіусу робочої камери. Так, вперше тривимірним моделюванням встановлено траєкторії і швидкості руху твердих часток, визначено критерії, які обумовлюють характер їх руху в робочій камері і дозволяють розрахувати пропускну спроможність ВРО.

4. Вперше експериментальними дослідженнями встановлено закономірності впливу параметрів гідросумішей на пропускні здатності й робочі характеристики ВРО. При цьому, порівняно із характеристиками на чистій рідині, пропускна спроможність і тиск закриття ВРО знижуються, а витрата і потужність закриття підвищуються з ростом концентрації, розмірів і щільності часток твердої фази. Досліджено регулювання потоків гідроциклона за допомогою ВРО: із зростанням тиску управління ВРО витрата гідросуміші через розвантажувальний отвір зменшується до повного перекриття, що дозволяє також забезпечити роботу гідроциклона в аварійному режимі без зупинки всього технологічного процесу.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Показано можливість роботи ВРО на гідросумішах, встановлено межі їх працездатності, що дозволяє застосовувати ВРО в системах промислового трубопровідного транспорту гідросумішей.

2. Встановлено взаємозв'язок пропускних спроможностей і робочих характеристик ВРО з параметрами гідросумішей, що дозволяє доповнити методику розрахунку ВРО.

3. Вперше експериментально встановлено симетричний характер течії гідросуміші у відкритому ВРО без стабілізатору, що дозволяє спростити конфігурацію проточної частини і підвищує її пропускну спроможність.

4. Установлено можливість безперервного регулювання потоків гідросумішей за допомогою ВРО, що дозволяє їх використати разом з гідротранспортним обладнанням, при цьому знижуються витрати на аварійні й планово-попереджувальні ремонти, підвищується ефективність транспортування гідросумішей і розширюється область застосування струминної арматури.

5. Розроблено методику розрахунку і практичні рекомендації до застосування ВРО, які використані в УкрНДІвуглезбагачення для створення дослідно-промислових зразків регулюючих органів для гідросумішей, а також у навчальному процесі кафедр „Гідрогазодинаміка” і „Транспортні технології” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Особистий внесок здобувача в одержанні наукових результатів, викладених в дисертації.

Наукові результати щодо факторів, що визначають рух ізольованих твердих часток різної питомої маси і крупності гідросумішей у центральній області [1,2,4,13,14] і у примежових шарах ВРО [7] отримані автором особисто на підставі математичного моделювання. Участь у розробці оригінальної експериментальної установки: виготовлення і тарування елементів установки, вимірювальних засобів при проведенні дослідів [3, 6, 8]. Застосування наукового планування експериментального дослідження [3, 6, 8]. Особиста участь у проведенні дослідження гідравлічних характеристик в залежності від концентрації і складу твердої фази в гідросуміші [3, 6, 8]. Оцінка погрішностей при проведенні вимірів [3, 6, 8]. Особисто виконана обробка результатів дослідження і їхнє узагальнення у виді емпіричних формул для розрахунку витратної і робочої характеристики, а також безрозмірної пропускної спроможності ВРО [3, 6, 8]. Розроблено спосіб представлення експериментальних і розрахункових даних для одержання якісної (представлення знятих картин течії) і кількісної картини течії (розподіл параметрів потоку) у ВРО [1-7]. Здобувачем розроблені методики досліджень характеристик ВРО і реалізовано дотримання постійної концентрації твердої фази на вході до ВРО за допомогою ерліфту [6, 8]. На основі результатів дослідження розроблені практичні рекомендації з раціонального використання ВРО у технологічному гідротранспорті [8]. В патентах особистий внесок здобувача визначено встановленим чином [9-12].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на: Міжнародних науково-технічних конференціях „Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” (Київ, 2004; Краматорськ, 2005; Київ, 2006); Міжнародних науково-технічних конференціях Асоціації фахівців промислової гідравліки і пневматики (Львів, 2005; Вінниця, 2006), Міжнародних науково-практичних конференціях “Університет і регіон” (Луганськ, 2003-2006 р.) і на наукових конференціях професорсько-викладацького складу СНУ ім. В.Даля (Луганськ, 2003-2006 р.).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 14 друкованих праць, з них 8 статей у спеціалізованих фахових виданнях, 2 - у матеріалах та тезах конференцій, 4 патенти України на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і 2 додатків на 4 сторінках. Повний обсяг дисертації складає 140 сторінок, у тому числі 11 сторінок списку використаних літературних джерел (125 найменувань).

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми роботи, визначено мету та задачі дослідження, відмічено наукову новизну та практичну значимість, особистий внесок автора в роботу, відомості про апробацію досліджень та публікації.

У першому розділі виконано аналітичний огляд стану наукової задачі. Питання теорії і практики промислового транспорту, завдання управління виробничо-транспортними потоками, автоматизації виробництва розглянуті в монографіях В.К. Губенка, Г.І. Нечаєва, С.К. Рамазанова, М.Ф. Смирного, А.Є.Смолдирєва, В.О. Ульшина, та ін. Зроблено важливий висновок про істотний резерв підвищення ефективності систем трубопровідного промислового транспорту гідросумішей від надійності і довговічності технологічного обладнання. Так, широко розповсюджені в технологічних схемах гідроциклони і арматура мають критично малий термін служби і низьку надійність при роботі на абразивних гідросумішах. Надійність і довговічність запірної арматури вдалося значно підвисити завдяки цілеспрямованим дослідженням Б.Ф.Брагина, А.Г. Джваршейшвілі, Л.І. Махарадзе і ін., шляхом зміни конструкції проточної частини і приводу арматури, застосуванням зносостійких матеріалів. Проте, в частині регулюючої арматури подібні результати поки не отримані. Показано, що управління однофазними потоками можна ефективно здійснювати струминною арматурою.

В роботах В.П. Бочарова, Е.П. Волчкова, Б.В. Орлова, І.В. Лєбєдєва, Д.Н. Попова, В.Б. Струтинського, Д.О. Сьоміна, Д.Н. Уормлі, А.А. Халатова, та ін. розглянуто питання руху однофазних середовищ у вихрових пристроях з метою інтенсифікації перемішування, сепарації або створення опору потоку середовища. Роботи В.П.Бермана, Б.О. Блюсса, О.І. Волошина, С.І. Криля, О.М. Яхна, та ін. з математичного моделювання і розрахунку течій гідросумішей у трубопровідному транспорті ґрунтуються на осередненні характеристик фаз по об'єму. Моделюванню руху часток в вихрових камерах при невеликих ступенях закрутки потоку присвячені дослідження Р. І. Нігматуліна, В.П. Коваля, О.І. Пірумова і др.

Аналітичний огляд показав, що існуючі розрахунки течій застосовні до роботи вихрових пристроїв на однофазних середовищах або при малій концентрації твердої фази, а при її великій концентрації - для незначних радіальних градієнтів тиску.

Виходячи з огляду літератури, були виділені найбільш важливі питання дослідження: дослідити вплив характеристик регулюючої арматури на ефективність транспортування гідросумішей; дослідити можливості роботи і межі працездатності струминної арматури на гідросумішах; дослідити особливості течії гідросуміші у струминній арматурі, вдосконалити математичні моделі течії гідросуміші у ВРО; дослідити закономірності впливу параметрів гідросуміші на робочі характеристики ВРО струминної арматури; розробити методику розрахунку і практичні рекомендації до застосування ВРО на гідросумішах.

У другому розділі представлено математичне моделювання течій у ВРО.

Мета проведених у роботі досліджень складалася у встановленні характеру руху твердої фази у робочій камері, коли ВРО знаходиться у закритому стані, тобто гідросуміш, що транспортується, не проходить крізь нього, а також у виявленні факторів, які визначають вигляд траєкторії.

При математичному моделюванні прийняті наступні допущення: течія усередині камери вісесиметрична, рідина нестислива, щільність і в'язкість постійні, течія у ядрі потоку нев'язка. Зовнішня частина потоку, представлена потенційним вихром з постійною циркуляцією швидкості. Передбачається, що течія стала, адіабатична, радіальна швидкість відсутня. Розподіл тиску вздовж радіусу робочої камери , градієнтом тиску в осьовому напрямку зневажаємо. Зовнішня частина потоку починається з радіусу , значення якого можна одержати з формули: . Вважаємо, що вплив часток на рівняння руху рідини дуже малий, частки являють собою сфери радіусом і щільністю . Швидкість рідини на радіусі робочої камери . Розрахункові схеми для центральної області і області примежових шарів наведені на рис.1.

Чисельні розрахунки системи рівнянь (1) з урахуванням початкових і межових умов (2) проведені за допомогою пакета прикладних програм для технічних розрахунків Matlab за методом Рунге - Кутта четвертого та п'ятого порядків точності. Результати розрахунків траєкторії руху часток різної крупності та щільності матеріалу частки наведені на рис.2-3.

Розрахунки траєкторії руху часток у ВРО для сили в'язкого опору за формулою Клячка та Стокса мають значні розбіжності, більш точно описує рух формула Клячка. Зіткнення частки з боковою стінкою робочої камери за умов абсолютно пружного удару, в залежності від значень комплексів рівняння руху, призводить до повного або часткового повернення до вісі обертання, доки частка не впаде на дно камери.

Рух твердої фази у центральній області ВРО визначають співвідношення між її гранулометричним і фракційним складом K₁, тангенціальною швидкістю руху середовища K₂, K₃, а також геометричними розмірами робочої камери K₄, які відображені у комплексах рівнянь руху частки.

До сил, врахованих в рівняннях руху частки в примежових шарах, додано силу Магнуса, яка визначається співвідношенням. Рівняння руху у проекціях на декартові вісі координат:

Початкові і межові умови записуються у вигляді:

Чисельні розрахунки рівнянь (3) з урахуванням початкових умов (4) проведені за допомогою пакета прикладних програм для технічних обчислень Matlab за методом Рунге - Кутта четвертого й п'ятого порядків. Результати розрахунків траєкторії руху ізольованих часток різної крупності й щільності матеріалу наведені на рис.4 і рис.5.

Траєкторії руху ізольованої твердої частки в центральній області й в області примежових шарів на торцевих стінках короткої робочої камери істотно відрізняються - у центральній області частка рухається від центру до периферії камери, потрапивши в примежові шари на торцевій стінці, вона рухається у протилежному напрямку до вихідного отвору. Частки більших розмірів або з більшою щільністю матеріалу мають траєкторії з більшим радіусом кривизни, при цьому пропускна спроможність ВРО знижується.

Для встановлення фізичної картини течії в робочій камері проведено моделювання руху гідросуміші концентрацією до 30%. Рух текучого середовища описувався за допомогою рівнянь Нав'є - Стокса осереднених за Рейнольдсом, для замикання цієї системи рівнянь використано рівняння переносу кінетичної енергії турбулентності і її дисипації в рамках ”” моделі турбулентності. Ця система рівнянь збереження маси, імпульсу й енергії нестаціонарного просторового течії у рамках підходу Ейлера в декартовій системі координат (x_i, i = 1,2,3) має вигляд:

Для несучого середовища тензор в'язких зсувних напруг визначається в такий спосіб:

Течії моделювалися як рух часток у сталому потоці текучого середовища, силовим впливом часток на течію рідкої фази зневажали. Це припущення вірно в тому випадку, коли масова концентрація часток у гідросуміші не перевищує 30 %. Частки вважалися сферичними. Взаємодія часток з поверхнями твердих тіл моделювалася як неідеальне відбиття.

На всіх границях розрахункової області прийняті “жорсткі” граничні умови: на твердій стінці - умова прилипання рідини, у каналах живлення і управління задаються значення тиску, а на виході - атмосферний тиск. При визначенні граничних умов на виході з ВРО збільшено розрахункову область і задані граничні умови на новій границі, де тиск практично дорівнює нулю й не змінюється за радіусом.

Розраховані. на основі рівнянь (5)-(8) інтегральні характеристики ВРО порівняно з експериментальними даними (рис.6).

Порівняння з даними експериментальних досліджень ВРО свідчить про якісно і кількісно правильний опис робочих процесів, що проходять у цих пристроях при відсутності закрутки. Робочі характеристики ВРО, отримані розрахунковим шляхом, мають розбіжності з експериментальними даними, їх можна виразити лінійною залежністю від тиску управління:.

Результати розрахунку кінематичних параметрів руху твердих часток у робочій камері експериментального зразку ВРО наведені на рис.7.

У відкритому стані (рис.7а) в ВРО мають місце 2 парних вихори майже симетрично розташовані відносно вихідного отвору. При подачі управління (рис.7б) формується один вихор, що займає майже всю робочу камеру, а тверді частки рухаються переважно в примежових шарах. Ці дані добре збігаються з результатами візуалізації, наведеними у наступному розділі.

У третьому розділі описано гідротранспортні стенди замкненого і розімкнутого типів (рис.8), що забезпечують необхідні режими в досліджуваному ВРО, і вимірювальний комплекс, що містить в собі прилади контролю витрати і тиску, засоби візуалізації і кінофотореєстрації течій.

На рис.8а зображено стенд для досліджень витратних характеристик. Гідросуміш подавалася за допомогою відцентрового насоса Н з бака Б1, для регулювання співвідношення каналів живлення й управління клапана встановлені дроселі ДР1 і ДР3. Для установки тиску зливу встановлений дросель ДР2. Тиск керування й живлення вимірювався манометрами МН1 і МН2. Вимір об'ємної витрати проводився об'ємним способом. При закритому дроселі ДР4 вимірювана витрата надходить у мірний бак Б2, при відкритому дроселі вся витрата надходить у бак Б1. Але можливостей цього стенду було недостатньо для дослідження робочих характеристик ВРО. На рис.8б зображено стенд для досліджень робочих характеристик: резервуари Б2 та Б3 відповідно для створення витрати живлення та управління, ВРО, а також ємність Б1 для виміру витрати середовища на виході з ВРО. Для забезпечення постійної концентрації використано ерліфт. Повітря з повітродувки ПД надходило до внутрішньої труби у резервуарі Б2, тверді частки, що під дією сили тяжіння осідали на дно резервуару, підіймались догори. Тиск повітря вимірювався за допомогою манометру МН. Для регулювання витрати управління клапана встановлено дросель ДР1, кількості повітря у ерліфті - дросель ДР2, на виході з клапану - дросель ДР3.

Наведено результати вивчення течії гідросуміші у ВРО із застосуванням відеокамери і ЕОМ, що дозволило робити зйомку із частотою 50 півкадрів у секунду. Відеокамерою проводився запис процесів, що відбуваються у робочій камері й на виході із клапана. Характерні фази протікання кожного процесу представлені на рис.9-11.

На рис.9 помітна різниця у характеристиках потоку на виході з ВРО за відсутністю сигналу управління та при закритому ВРО. За відсутністю сигналу управління на виході ВРО спостерігався циліндричний турбулентний струмінь (рис.9а), а за наявністю - порожній конус з плівковою течією між утворюючими поверхнями (рис.9б).

Для отримання картин течії гідросуміші у робочій камері та на виході ВРО для зручності спостереження траєкторій руху окремих часток було обрано невелику об'ємну концентрацію (близько 5%). Результати наведено на рис.10.

Порівнюючи рис.9 та рис.10, можна побачити, що наявність твердої фази не вносить істотної різниці у картини на виході з закритого ВРО при течії гідросуміші або чистої рідини. Але потрапляючи у поле дії відцентрових сил відбувається порушення однорідності середовища, що супроводжується переміщенням твердих часток до периферії та утворенням чистої від твердої фази центральної зони радіусом R=0,5R₀.

Для отримання уявлення про роботу ВРО на висококонцентрованих сумішах використано водо-піщані суміші з великими об'ємними концентраціями того ж гранулометричного складу, що і в попередніх дослідах, результати наведено на рис.11.

На рис.11 помітно, що при течії висококонцентрованих гідросумішей у робочій камері і вихідному отворі формується струминна течія, але це не перешкоджає роботі ВРО.

За результатами експериментів були отримані залежності об'ємної (рис.12) і масової (рис.13) витрат від перепаду тиску на вихровому регулюючому органі для чистої рідини й об'ємних концентрацій магнетиту 6%, 9% й 25%. Всі графіки представлені в безрозмірному вигляді, масштабом, об'ємної витрати є об'ємна витрата робочого середовища при відсутності сигналу управління, а масштабом тиску - тиск в каналі живлення ВРО:

Характер залежностей для гідросумішей подібний до чистого середовища, але чисельно відрізняється, об'ємна витрата знижується з ростом концентрації твердої фази.

Розбіжність між витратою робочого середовища (в даному випадку - чистої рідини) при витіканні під рівень та до атмосфери спричинена тим, що не порушується нерозривність течії на виході з клапана, тобто мають місце кращі умови витікання. Наявність твердої фази істотно зменшує різницю між робочими характеристиками ВРО при витіканні до атмосфери та під рівень. Наступним кроком було дослідження характеристик ВРО в діапазоні концентрацій водовугільних і водо-піщаних гідросумішей 0-20% (рис 14).

При рості концентрації твердої фази у суміші, росте відносна витрата запирання, і знижується відносний тиск запирання ВРО. Зобразимо безрозмірну пропускну спроможність ВРО на гідросумішах і залежність тиску закриття від концентрації (рис.15а-в).

При різних матеріалах твердих часток, що входять до складу гідросуміші пропускна спроможність ВРО може як підвищуватись (у випадку магнетиту та вугілля), так і зменшуватись (у випадку піску) при підвищенні вмісту твердої фази (рис.15а,б). Це відбувається внаслідок різниці між реологічними властивостями гідросумішей. Залежності пропускної спроможності від концентрації мають лінійний характер: . Графіки залежності пропускної спроможності від питомої маси для різних концентрацій мають подібний вигляд і є мінімум при значенні безрозмірної питомої маси 2,25. Графік на рис.15в свідчить про спільний характер зниження відносного тиску закриття з ростом концентрації твердої фази: пісок - а=0,7 b=0,011; вугілля - а=0,69 b=0,046.

Також у цьому розділі описана застосована апаратура і методика визначення швидкості потоку. Погрішності вимірів тиску і витрати не перевищували 4-5 %.

В четвертому розділі проведено дослідження промислових систем, у яких знайшли своє впровадження дисертаційні розробки. Розроблено схеми, у яких встановлено ВРО, що підвищує ефективність роботи системи у цілому (рис.16).

Проведено математичне моделювання течії у гідроциклоні і ВРО за допомогою рівнянь Нав'є - Стокса, осереднених по Рейнольдсу і рівнянь стану компонентів текучого середовища. Представлено результати розрахунку траєкторій часток твердої фази в різних режимах роботи. Для перевірки можливості регулювання роботи гідроциклону без зміни геометричних розмірів піскової насадки, а також забезпечення роботи в аварійному режимі проведено вимірювання витрат через зливальний патрубок і розвантажувальний отвір (рис.17). Безрозмірна витрата визначається як співвідношення між витратою через піскову насадку і розвантажувальний патрубок, а масштабом безрозмірного тиску управління є тиск у тангенціальному каналі гідроциклону.

Сумісна робота гідроциклону з ВРО компенсує знос піскової насадки за рахунок підвищення опору і забезпечує можливість роботи гідроциклону в аварійному режимі; сумісна робота механічних регулюючих органів з ВРО підвищує їх термін служби. Це дозволяє забезпечити високу якість продукції, підвищити ефективність праці і зменшити втрати при транспортуванні, а також понизити витрати на аварійні і планово-запобіжні ремонти завдяки властивостям ВРО й розширити область застосування струминної арматури. Перевірка придатності ВРО до використання в даних умовах проводилася експериментально, на стендових іспитах дослідно-експериментального зразка в УкрНДІВуглезбагачення.

Висновки

У дисертації вирішено наукову задачу підвищення ефективності обладнання і процесів трубопровідного транспорту гідросумішей застосуванням струминної арматури, це дозволяє забезпечити плавне регулювання, понизити витрати на аварійні і планово-запобіжні ремонти й розширити область використання струминної арматури завдяки значному ресурсу роботи і стабільності характеристик ВРО.

1. Критичним аналізом літературних джерел встановлено, що підвищення ефективності промислового трубопровідного транспорту гідросумішей можливе застосуванням струминної арматури. Досвід промислової експлуатації струминної арматури на практично чистих середовищах свідчить про те, що вона надійно функціонує в несприятливих умовах. Передбачається, що струминні виконавчі пристрої на основі ВРО придатні і для роботи на гідросумішах, проте їх робота на даних середовищах не вивчалася.

2. Вперше теоретичними і експериментальними дослідженнями обґрунтовано можливість підвищення ресурсу роботи і корекції характеристик технологічного обладнання, що змінюються внаслідок зношування, застосуванням ВРО. Доведено, що пристрої підвищують ефективність роботи систем і функціонують у діапазоні параметрів гідросумішей характерному для промислового транспорту, обмежуючим параметром є мінімальний діаметр вихідного каналу.

3. Вперше теоретичними дослідженнями визначено особливості впливу характеристик ВРО на роботу гідротранспортного обладнання і транспортування гідросумішей. Так, моделюванням тривимірної течії гідросуміші отримано картини руху несучої і твердої фази на різних режимах спільної роботи гідроциклона й ВРО, з яких виходить, що з ростом тиску управління ВРО пропорційно підвищується розділова або збагачувальна здатність гідроциклона; встановлено, що при запиранні ВРО тверді частки гідросуміші на вихід не надходять, на відміну від потоку рідини.

4. Одержали подальшого розвитку математичні моделі течії гідросуміші в робочих камерах ВРО урахуванням впливу наявності твердої фази і значного градієнту тиску вздовж радіусу робочої камери. Вперше тривимірним моделюванням встановлено траєкторії і швидкості руху твердих часток, визначено критерії, які обумовлюють характер їх руху в робочій камері (співвідношення між гранулометричним і фракційним складом твердої фази, тангенціальною швидкістю руху гідросуміші, а також геометричними розмірами робочої камери) і дозволяють розрахувати пропускну спроможність ВРО.

5. Показано можливість роботи ВРО на гідросумішах, встановлено межі їх працездатності, що дозволяє застосовувати ВРО в системах промислового трубопровідного транспорту гідросумішей. Вперше теоретично досліджено і експериментально підтверджено симетричний характер течії гідросуміші у відкритому ВРО без стабілізатору, що дозволяє спростити конфігурацію проточної частини і підвищує її пропускну спроможність. При цьому у робочій камері формується два парних вихра, які при подачі управління перетворюються в одиночний вихор, що займає майже всю робочу камеру, тверді частки при цьому рухаються переважно в примежових шарах.

6. Вперше експериментальними дослідженнями встановлені гідравлічні характеристики ВРО при роботі на гідросумішах. Залежності пропускної спроможності від концентрації мають лінійний характер:, залежності пропускної спроможності від безрозмірної питомої маси для різних матеріалів мають мінімум при значенні 2,25.

7. Порівняно із роботою на чистому середовищі, з ростом об'ємної концентрації твердої фази до 20%, пропускна спроможність і тиск закриття ВРО знижуються на 30%, а витрата закриття підвищується на 20%. Витрати потужності на управління потоком лінійно знижуються з ростом концентрації твердої фази.

8. Отримані апроксимаційні залежності дозволяють скоротити витрати часу на розрахунок параметрів ВРО. Досліджено регулювання потоків гідроциклона за допомогою ВРО: із зростанням тиску управління ВРО витрата гідросуміші через розвантажувальний отвір зменшується до повного перекриття, що дозволяє також забезпечити роботу гідроциклона в аварійному режимі без зупинки всього технологічного процесу.

9. Результати теоретичних і експериментальних досліджень стали основою методики розрахунку і практичних рекомендацій до застосування ВРО, які використовуються в УкрНДІвуглезбагачення для створення дослідно-промислових зразків, а також у навчальному процесі кафедр „Гідрогазодинаміка” і „Транспортні технології” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Сёмин Д.А., Роговой А.С., Дмитриенко Д.В. Математическое моделирование движения твердой частицы в короткой вихревой камере// Вісник СНУ ім. В. Даля - Луганськ, 2003.-№ 9(67).- С. 123 - 126.

2. Омельченко А.Д., Дмитриенко Д.В. Движение изолированной твердой частицы в капельной жидкости в центральной области короткой вихревой камеры // Вісник СНУ ім. В. Даля - Луганськ, 2003.-10(68), ч.1, с 147-151.

3. Семин Д.А., Дмитриенко Д.В. Исследование работы вихревого регулирующего органа на двухфазных средах. // Вісник СНУ ім. В. Даля - Луганськ, 2005.-8(90), ч.2, с 190-194.

4. Сьомін Д.О., Дмитрієнко Д.В. Моделювання руху гідросуміші у вихровому регулюючому органі// Промислова гідравліка і пневматика. Всеукраїнський наук.-техн. журнал.- ВДАУ. - № 1(11). - 2006. - С. 47-50.

5. Сьомін Д.О., Дмитрієнко Д.В. Математичне моделювання гетерогенних турбулентних течій в вихрових регулюючих органах// Вісник СНУ ім. В. Даля - Луганськ, 2006.-7(101), с 69-73.

6. Сьомін Д.О., Дмитрієнко Д.В. Експериментальні дослідження гідравлічних характеристик вихрових регулюючих органів на двофазних середовищах// Вісник СНУ ім. В. Даля - Луганськ, 2006.-8(102), ч.2, с 262-266.

7. Дмитрієнко Д.В. Про рух ізольованої твердої частки із краплинною несучою рідиною в примежових шарах короткої вихрової камери//Вісник СНУ ім. В. Даля - Луганськ, 2006.-12(106), с 238-242.

8. Сьомін Д.O., Дмитрієнко Д.В. Вихрові регулюючі органи у гідротранспортному обладнанні // Схiдно-Європейський журнал передових технологій. - Харків, 2006. - №6/3 (24). - С. 23- 26.

9. Вихровий клапан. Патент України на винахід 47714А, МПК F15 В13/02/ Сьомін Д.O., Павлюченко В.О., Мальцев Я.І., Роговий А.С., Дмитрієнко Д.В. - №2001085611. Заявлено 07.08.2001; Опубл. 15.07.2002. Бюл.№ 7. - 3 с.

10. Пристрій для управління потоками двофазних середовищ. Патент України на винахід 68781А, МПК B65G53/00 №2003109582. Турушин В.О., Сьомін Д.О., Дмитрієнко Д.В. Заявлено 24.10.2003; Опубл. 16.08.2004, Бюл. №8.

11. Електропневматичний клапан. Патент України на винахід 68785, МПК F16K31/02 №2003109587. Сьомiн Д.O., Мальцева М.О, Роговий А.С., Дмитрієнко Д.В. Заявлено 24.10.2003; Опубл. 16.08.2004, Бюл. №8.

12. Гідроциклон. Патент України на корисну модель 6470, МПК B65G53/00 №20040807027. Сьомiн Д.O., Хайдакін В.Б, Таіров Б.Х., Дмитрієнко Д.В. Заявлено 25.08.2004; Опубл. 16.05.2005, Бюл. №5.

13. Семин Д.А., Дмитриенко Д.В. Движение изолированной твердой частицы в капельной жидкости в зоне пограничных слоев короткой вихревой камеры. // Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка і управління: Тези першої наук.-практ. конф. - К.: КУЕТТ, 2003. - ч.1 - С. 207.

14. Семин Д.А., Дмитриенко Д.В. Кинематика твердой частицы в капельной несущей среде в короткой вихревой камере// Збірник наукових праць Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (матеріали IX міжнародної наук.-практ. конференції з проблем вищої школи “Університет і регіон”)- Луганськ: вид-во СНУ ім. В.Даля. 2004 р.-ч.2.-С.194.

Анотація

гідросуміш транспортування струминна арматура

Дмитрієнко Д.В. Підвищення ефективності промислового трубопровідного транспорту гідросумішей застосуванням струминної арматури. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.12 - Промисловий транспорт. Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2007.

У дисертації вирішено наукову задачу підвищення ефективності промислового трубопровідного транспорту гідросумішей застосуванням струминної арматури.

Вперше теоретичними і експериментальними дослідженнями доведена можливість роботи ВРО на гідросумішах. Встановлені межі працездатності ВРО, які залежать від параметрів гідросуміші, але не обмежують пропускної спроможності і транспортно-технологічних систем застосування цих пристроїв.

Вперше теоретично досліджено і експериментально підтверджено симетричний характер течії гідросуміші у відкритому ВРО без стабілізатору, що дозволяє спростити конфігурацію проточної частини і підвищує її пропускну спроможність. Одержали подальшого розвитку математичні моделі течії гідросуміші в робочих камерах ВРО урахуванням значного градієнту тиску вздовж радіусу робочої камери і уточненням граничних умов на виході з ВРО. Вперше тривимірним моделюванням встановлено кінематичні характеристики руху твердих часток, визначено критерії, що обумовлюють траєкторії і характер їх руху в робочій камері ВРО.

Вперше експериментальними дослідженнями встановлені гідравлічні характеристики ВРО при роботі на гідросумішах. Вперше теоретичними та експериментальними дослідженнями визначено особливості сумісної роботи ВРО з гідротранспортним обладнанням. Результати теоретичних і експериментальних досліджень стали основою методики розрахунку і практичних рекомендацій до застосування ВРО, які використовуються в УкрНДІвуглезбагачення для створення дослідно-промислових зразків, а також у навчальному процесі кафедр „Гідрогазодинаміка” і „Транспортні технології” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Ключові слова: гідротранспорт, гідросуміш, вихровий регулюючий орган, тверда частка, управління.

Дмитриенко Д.В. Повышение эффективности промышленного трубопроводного транспорта гидросмесей применением струйной арматуры. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.12 - Промышленный транспорт. Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2007.

В диссертации решена задача повышения эффективности оборудования промышленного трубопроводного гидротранспорта средствами струйной арматуры, что позволяет обеспечить плавное регулирование потоков, а также снизить затраты на аварийные и планово-предупредительные ремонты и расширить область применения струйной арматуры благодаря значительному ресурсу работы и стабильности характеристик ВРО. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлены характер и особенности течения гидросмеси в ВРО, границы применения и рабочие характеристики ВРО на гидросмесях, особенности совместной работы ВРО с гидротранспортным оборудованием.

Впервые теоретическими и экспериментальными исследованиями доказана возможность работы ВРО на гидросмесях. Определены границы работоспособности ВРО, которые зависят от гранулометрического, фракционного состава и концентрации твердой фазы гидросмеси, при этом ВРО не ограничивают пропускной способности транспортно-технологических систем гидротранспорта.

Впервые теоретически исследован и экспериментально подтвержден симметричный характер течения гидросмеси в открытом ВРО без стабилизатора, что позволяет упростить конфигурацию проточной части и повышает ее пропускную способность. Получили дальнейшее развитие математические модели течения гидросмеси в рабочих камерах ВРО учетом значительного градиента давления по радиусу рабочей камеры и уточнением граничных условий на выходе из ВРО. Впервые трехмерным моделированием установлены кинематические характеристики движения твердых частиц, определены критерии, которые обуславливают траектории и характер их движения в рабочей камере ВРО.

Впервые экспериментальными исследованиями установлены рабочие характеристики ВРО при работе на гидросмесях. Сравнительно с работой на чистой среде, с ростом объемной концентрации твердой фазы до 20%, пропускная способность и давление запирания ВРО снижаются на 30%, а расход запирания повышается на 20%. Затраты мощности на управление потоком линейно снижаются с ростом концентрации твердой фазы.

Впервые теоретическими и экспериментальными исследованиями определены особенности совместной работы ВРО с гидротранспортным оборудованием - гидроциклонами и задвижками: трехмерным моделированием исследовано движение гидросмеси на разных режимах работы гидроциклона, установлена зависимость соотношения потоков гидроциклона от давления управления ВРО.

Ключевые слова: гидротранспорт, гидросмесь, вихревой регулирующий орган, твердая частица, управление.

Dmitrienko D.V. Increasing of industrial pipeline transport of slurries efficiency by fluidic fittings application. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.22.12 - Industrial transport. East-Ukranian national university named after Vladimir Dal, Lugansk, 2007.

А solution of scientific task of increasing the efficiency of equipment and processes of the industrial pipeline hydraulic transport is presented.

Possibility of VRO work on slurries is first proven by experimental and theoretical researches. The scopes of VRO ability to work are set, they depend on granulate, fractious composition and concentration of solid phase of slurry, but does not limit a flow capacity and transport-technological systems of these devices application.

First numeral calculations and experimental researches are set the features of flow of slurry in VRO. Unlike a clean environment, slurry flow in VRO hasn't Coanda effect, even without establishment of stabilizer has symmetric character that allows simplification of flow part configuration and increases a carrying capacity. Theoretical researches and mathematical models of flow in the work chambers of VRO at presence of solid phase got further development. Kinematics descriptions of motion of the isolated particles are set, criteria which govern trajectories and character of their motion are defined. First hydraulic characteristics of VRO work on slurries are set in experimental way. The features of joint work of VRO with hydraulic transport equipment are first defined by theoretical and experimental researches: joint work of hydraulic cyclone with VRO compensates the wear of sandy attachment due to the increase of resistance and provides the work of hydraulic cyclone in malfunction mode; the use of mechanical regulative organs with VRO increases their term of service. It allows to provide high quality of products, increase efficiency of labour and decrease losses of products, and also to reduce expenses on emergency and preventive-maintenance repairs due to properties of VRO. The results of researches became basis for development of VRO calculation method, it is used in UkrNDIVuglezbagachennya in constructing experimental samples, and used in educational process of the East-Ukrainian national university named after Vladimir Dal.

Keywords: hydraulic transport, hydraulic mixture, vortex regulating organ, solid particle, control.

Размещено на Allbest.ru