Экспериментальные исследования течений газа и газодисперсных сред применительно к задачам повышения энергоэффективности трубопроводных систем

Рассмотрены вопросы экспериментального определения гидравлических параметров трубопроводов с близкорасположенными сварными швами и трубопроводов для пневмотранспорта сыпучего материала с повышенным давлением несущего газа. Дано описание стендов для исследований и полученных на них результатов опреде...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
Hauptverfasser:	Тимошенко, В.И., Кнышенко, Ю.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2015
Schriftenreihe:	Техническая механика
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100782
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Экспериментальные исследования течений газа и газодисперсных сред применительно к задачам повышения энергоэффективности трубопроводных систем / В.И. Тимошенко, Ю.В. Кнышенко // Техническая механика. — 2015. — № 4. — С. 34-43. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-100782
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1007822016-05-27T03:03:45Z Экспериментальные исследования течений газа и газодисперсных сред применительно к задачам повышения энергоэффективности трубопроводных систем Тимошенко, В.И. Кнышенко, Ю.В. Рассмотрены вопросы экспериментального определения гидравлических параметров трубопроводов с близкорасположенными сварными швами и трубопроводов для пневмотранспорта сыпучего материала с повышенным давлением несущего газа. Дано описание стендов для исследований и полученных на них результатов определения гидравлических параметров, необходимых для создания натурных технических систем. Приведены зависимости увеличения гидравлического сопротивления от размеров швов и относительного расстояния между ними, полученные на стенде для исследования влияния близкорасположенных сварных швов. На пневмотранспортном стенде получены результаты по гидравлическому сопротивлению, критической скорости и удельным энергозатратам при транспортировке двухфазных газодисперсных взвесей в ранее не исследованной области рабочих давлений. Розглянуто питання експериментального визначення гідравлічного опору трубопроводів з близькорозташованими зварними швами та трубопроводів для пневмотранспорту сипучого матеріалу з підвищеним тиском несучого газу. Дано опис стендів для досліджень та отриманих на них результатів визначення гідравлічних параметрів, необхідних для створення натурних технічних систем. Приведено залежності зростання гідравлічного опору від розмірів швів та відносної відстані між ними, отримані на стенді для дослідження впливу близькорозташованих зварних швів. На пневмотранспортному стенді отримано результати з гідравлічного опору, критичної швидкості та питомих енерговитрат при транспортуванні двофазних газодисперсних суспензій у раніше не дослідженій області робочих тисків. Problems for experimental measuring hydraulic parameters of pipelines with closely-spaced joint welds and those for pneumatic transport of bulk material at an elevated pressure of the carrying gas are examined. Benches for studying and the results obtained for measuring hydraulic parameters to develop full-scale engineering systems are examined. Dependencies of an elevated hydraulic resistance on weld sizes and a relative space between them the bench for studying the effects of closely-spaced joint welds are reported using the bench for studying the effects of closely-spaced joint welds. The results for measuring a hydraulic resistance, a critical speed and specific power consumption for transporting dispersive two-phase gas suspensions in a previously unknown domain of working pressures are obtained using the pneumatic transport bench. 2015 Article Экспериментальные исследования течений газа и газодисперсных сред применительно к задачам повышения энергоэффективности трубопроводных систем / В.И. Тимошенко, Ю.В. Кнышенко // Техническая механика. — 2015. — № 4. — С. 34-43. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100782 532.5 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Рассмотрены вопросы экспериментального определения гидравлических параметров трубопроводов с близкорасположенными сварными швами и трубопроводов для пневмотранспорта сыпучего материала с повышенным давлением несущего газа. Дано описание стендов для исследований и полученных на них результатов определения гидравлических параметров, необходимых для создания натурных технических систем. Приведены зависимости увеличения гидравлического сопротивления от размеров швов и относительного расстояния между ними, полученные на стенде для исследования влияния близкорасположенных сварных швов. На пневмотранспортном стенде получены результаты по гидравлическому сопротивлению, критической скорости и удельным энергозатратам при транспортировке двухфазных газодисперсных взвесей в ранее не исследованной области рабочих давлений.
format	Article
author	Тимошенко, В.И. Кнышенко, Ю.В.
spellingShingle	Тимошенко, В.И. Кнышенко, Ю.В. Экспериментальные исследования течений газа и газодисперсных сред применительно к задачам повышения энергоэффективности трубопроводных систем Техническая механика
author_facet	Тимошенко, В.И. Кнышенко, Ю.В.
author_sort	Тимошенко, В.И.
title	Экспериментальные исследования течений газа и газодисперсных сред применительно к задачам повышения энергоэффективности трубопроводных систем
title_short	Экспериментальные исследования течений газа и газодисперсных сред применительно к задачам повышения энергоэффективности трубопроводных систем
title_full	Экспериментальные исследования течений газа и газодисперсных сред применительно к задачам повышения энергоэффективности трубопроводных систем
title_fullStr	Экспериментальные исследования течений газа и газодисперсных сред применительно к задачам повышения энергоэффективности трубопроводных систем
title_full_unstemmed	Экспериментальные исследования течений газа и газодисперсных сред применительно к задачам повышения энергоэффективности трубопроводных систем
title_sort	экспериментальные исследования течений газа и газодисперсных сред применительно к задачам повышения энергоэффективности трубопроводных систем
publisher	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
publishDate	2015
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/100782
citation_txt	Экспериментальные исследования течений газа и газодисперсных сред применительно к задачам повышения энергоэффективности трубопроводных систем / В.И. Тимошенко, Ю.В. Кнышенко // Техническая механика. — 2015. — № 4. — С. 34-43. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Техническая механика
work_keys_str_mv	AT timošenkovi éksperimentalʹnyeissledovaniâtečenijgazaigazodispersnyhsredprimenitelʹnokzadačampovyšeniâénergoéffektivnostitruboprovodnyhsistem AT knyšenkoûv éksperimentalʹnyeissledovaniâtečenijgazaigazodispersnyhsredprimenitelʹnokzadačampovyšeniâénergoéffektivnostitruboprovodnyhsistem
first_indexed	2025-07-07T09:21:37Z
last_indexed	2025-07-07T09:21:37Z
_version_	1836979426496086016
fulltext	34 УДК 532.5 В. И. ТИМОШЕНКО, Ю. В. КНЫШЕНКО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА И ГАЗОДИСПЕРСНЫХ СРЕД ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧАМ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ Рассмотрены вопросы экспериментального определения гидравлических параметров трубопроводов с близкорасположенными сварными швами и трубопроводов для пневмотранспорта сыпучего материала с повышенным давлением несущего газа. Дано описание стендов для исследований и полученных на них результатов определения гидравлических параметров, необходимых для создания натурных технических систем. Приведены зависимости увеличения гидравлического сопротивления от размеров швов и относи- тельного расстояния между ними, полученные на стенде для исследования влияния близкорасположенных сварных швов. На пневмотранспортном стенде получены результаты по гидравлическому сопротивлению, критической скорости и удельным энергозатратам при транспортировке двухфазных газодисперсных взвесей в ранее не исследованной области рабочих давлений. Розглянуто питання експериментального визначення гідравлічного опору трубопроводів з близько- розташованими зварними швами та трубопроводів для пневмотранспорту сипучого матеріалу з підвище- ним тиском несучого газу. Дано опис стендів для досліджень та отриманих на них результатів визначення гідравлічних параметрів, необхідних для створення натурних технічних систем. Приведено залежності зростання гідравлічного опору від розмірів швів та відносної відстані між ними, отримані на стенді для дослідження впливу близькорозташованих зварних швів. На пневмотранспортному стенді отримано ре- зультати з гідравлічного опору, критичної швидкості та питомих енерговитрат при транспортуванні дво- фазних газодисперсних суспензій у раніше не дослідженій області робочих тисків. Problems for experimental measuring hydraulic parameters of pipelines with closely-spaced joint welds and those for pneumatic transport of bulk material at an elevated pressure of the carrying gas are examined. Benches for studying and the results obtained for measuring hydraulic parameters to develop full-scale engineering systems are examined. Dependencies of an elevated hydraulic resistance on weld sizes and a relative space between them the bench for studying the effects of closely-spaced joint welds are reported using the bench for studying the ef- fects of closely-spaced joint welds. The results for measuring a hydraulic resistance, a critical speed and specific power consumption for transporting dispersive two-phase gas suspensions in a previously unknown domain of working pressures are obtained using the pneumatic transport bench. Ключевые слова: эксперимент, сварной шов, гидравлическое сопротив- ление, пневмотранспорт, критическая скорость, энергоэффективность. Введение. Поиск путей повышения эффективности магистрального тру- бопроводного транспорта газа является актуальной задачей в связи с необхо- димостью снижения затрат на транспортировку энергоносителей к местам их потребления. Одно из направлений связано с обоснованием применимости многослойных труб из рядовой рулонной стали в магистральных газопрово- дах в части допустимого роста гидравлического сопротивления. Другим направлением повышения эффективности газопроводного транспорта явля- ется изучение возможности совмещения транспортировки природного газа и сыпучего материала, например угольной пыли. Интерес к этим направлениям определяется следующим. Многослойные трубы обладают повышенной стойкостью к хрупкому ла- винообразному разрушению, которое имеет место на магистральных газо- проводах из сварных труб. Кроме того, многослойные трубы допускают по- вышение рабочих давлений до 10 – 12 МПа. Технология изготовления много- слойных труб была разработана под руководством Президента НАН Украины академика Б. Е. Патона. Эта технология предусматривает навивку 4 – 5 слоев рулонного стального листа шириной до 1700 мм, который изготавливается на отечественных прокатных станах. Ширина листа определяет длину обечаек, из которых изготавливаются газопроводы. Вследствие этого уменьшаются  В. И. Тимошенко, Ю. В. Кнышенко, 2015 Техн. механика. – 2015. – № 4. 35 расстояния между сварными швами, соединяющими отдельные участки труб, и растет количество сварных швов по сравнению с используемыми традици- онными цельнометаллическими трубами длиной 10 – 11 м. Это вызывало опасения роста гидравлического сопротивления, которое существенно, на 8 – 10 %, превысит значения, характерные для традиционных труб, что приведет к снижению производительности трубопровода. Магистральное транспортирование сыпучего (пылевидного) материала в потоке газа высокого давления (до 7,5 МПа) позволяет совместить транспор- тировку природного газа и измельченных угольных частиц от места их добы- чи к потребителю. Такой способ транспортировки представляет собой со- вершенно неисследованную область. По инициативе Президента академии наук Украины с участием академика Пилипенко В. В. была разработана ком- плексная программа создания нового вида трубопроводного транспорта – углегазотранспорта (УГТ). Эта программа была согласована с руководителя- ми газовой и нефтяной отраслей промышленности. Программа предусматри- вала создание экспериментального кольца (ЭК) УГТ на базе одной из ком- прессорных станций (Ставищенской КС) в Киевской области. Задачей созда- ния ЭК УГТ была отработка основных элементов предлагаемой технологии газотранспорта угольной пыли крупностью до 150 мкм, включающей линей- ную трубопроводную часть, перекачивающий агрегат, системы подготовки и загрузки угольной пыли в транспортный трубопровод, устройства выгрузки и сжигания углегазовой взвеси, а также другие инженерные системы. Следует отметить, что одной из основных проблем при реализации дальнего УГТ бы- ло создание перекачивающего компрессорного агрегата, работающего на га- зодисперсных средах с высокой концентрацией твердой фазы. Институт тех- нической механики Национальной академии наук Украины и Государствен- ного космического агентства Украины был определен головной организаци- ей, обеспечивающей разработку ЭК УГТ с правом привлечения ряда инсти- тутов Национальной академии наук Украины для выполнения работ по раз- личным направлениям. В обеспечение работ по этим направлениям академиком Пилипенко В. В. были инициированы в ИТМ целенаправленные исследования. Основными методами для обоснования возможностей достижения поставленных целей были избраны методы экспериментального моделирования. В ИТМ были разработаны методики экспериментального моделирования и созданы экспе- риментальные установки для исследований в этих направлениях. Ниже представлены описания стендов и результаты исследований. Гидравлическое сопротивление сварных трубопроводов. Для опреде- ления влияния близкорасположенных сварных швов на гидравлическое со- противление трубопровода была создана лабораторная установка [1], общий вид которой представлен на рис. 1. 36 Воздух в измерительный уча- сток трубопровода подавался от вен- тилятора высокого давления через успокоительную камеру и спрямля- ющую решетку по трубопроводу длиной 40 калибров. В конце изме- рительного участка устанавливался выходной участок длиной 10 калиб- ров. В процессе экспериментов фик- сировали режимные параметры (среднюю скорость воздуха в трубо- проводе) и перепад давлений на из- мерительном участке. Был реализо- ван турбулентный режим течения при числах Рейнольдса до 5106  . Установка имела два модельных трубопровода: один трубопровод состоял из стеклянных труб с внутренним диаметром d 148 мм, другой со- бирался из точеных алюминиевых обечаек с внутренним диаметром d 145 мм. Фрагменты секций трубопроводов представлены на рис. 2. Моделирование сварных швов в стеклянном трубопро- воде осуществлялось при по- мощи латунных полос, изогну- тых в виде колец, которые устанавливались по длине тру- бопровода на расстоянии одно- го калибра друг от друга и удерживались в этом положе- нии за счет сил трения. Кольца имели толщину 80, мм и ширину t 7 мм (рис. 2, а). Трубопровод из стеклян- ных труб служил для проведе- ния настройки и отладки си- стемы измерения и регистра- ции, а также проверки имею- щихся в литературе данных по влиянию сварных швов на гидравлические потери без подробного моделиро- вания формы швов. Эксперименты с моделями сварных швов, геометрически подобными натурным, проводились на установке с алюминиевым трубопроводом, со- бранным из 36 точеных алюминиевых обечаек, стянутых и зафиксированных с помощью тяг (рис. 2, б). Сварные швы моделировались вставляемыми в стыки между обечайками сменными кольцами, поверхность которых выпол- нялась таким образом, чтобы выступающая внутрь трубы часть колец имела форму, геометрически подобную исследуемому шву (рис. 2, г). Величины выступов прямоугольной формы составляли 0,27 мм; 0,52 мм и 1,01 мм, а скругленной – 0,32 мм и 1,01 мм. Рис. 1 а) б) в) г) Рис. 2 37 Скругленные выступы имитировали профиль сварного шва, который был получен в Институте электросварки НАН Украины им. Е. О. Патона на осно- ве статистической обработки профилей натурных швов. При этом имел место определенный разброс по высоте колец. Обечайки были изготовлены с допусками, позволяющими при стыковке их без сменных колец получать гидравлически гладкую трубу. Это позволяло исследовать влияние сварных швов на различных расстояниях от 1,1 до 7,7 калибра. Кроме того, для чистовых экспериментов вместо алюминиевого трубо- провода использовался трубопровод с внутренним диаметром 145 мм, изго- товленный разработанным в ИТМ гальваническим методом [2] путем оса- ждения слоя никеля на поверхность матрицы с высотой скругленного шва 0,35 мм, изготовленной с точностью  0,01 мм. Фрагмент такого трубопрово- да представлен на рис. 2, в. При постановке экспериментов в качестве опорной была принята эмпи- рическая зависимость коэффициента сопротивления одного стыка сварного шва от его относительной высоты [3, 4], из которой следует, что увеличение гидравлического сопротивления пропорционально d в степени 1,5 и обратно пропорционально относительному расстоянию между швами dll / ñòñò  . Здесь ñò l – расстояние между швами, d – диаметр трубы,  – высота сварного шва. Используя это, приращение коэффициента гидравлического сопротивле- ния за счет сварных швов представляется в виде ñò , l k 51 0   ; %100    , (1) где  и  – коэффициенты гидравлического сопротивления трубы со свар- ными швами и гидравлически гладкой трубы. Коэффициент 0 k выбирается на основании результатов эксперимента [5, 6]. В результате обработки экспериментов на алюминиевой трубе установ- лено, что величина 0 k определяется формой выступа: для прямоугольного выступа 0 k =8,26, для скругленного – 0 k =4,14. Полученная зависимость поз- воляет найти величину  при промежуточных размерах выступов с учетом их формы. На рис. 3, а представлены результаты расчетов относительного увеличе- ния гидравлического сопротивления для скругленных и прямоугольных имитаторов швов (кривые 1 и 2) при ñò l =1,1. Там же приведены эксперимен- тальные данные, полученные для соответствующих видов швов на стеклян- ном и алюминиевом трубопроводах и трубопроводе, изготовленном гальва- ническим методом. Значками «I» показаны доверительные интервалы полу- ченных результатов с надежностью 0,95. Для стеклянного трубопровода го- ризонтальным значком «I» отражена неопределенность в высоте выступа, связанная с неплотным прилеганием латунных колец к поверхности трубы. На рис. 3, б представлены абсолютные и относительные приращения гидравлических сопротивлений трубопроводов при ñò l = 1,1; 3,3; 5,5; 7,7 и от- носительных высотах выступания имитаторов сварных швов над внутренней поверхностью труб  = 0,0022; 0,00235; 0,0057; 0,0069. Точки соответствуют 38 трубопроводу со вставными кольцами, а крестик – трубопроводу, изготов- ленному методом гальванопластики. Средние значения  и  для  =0,0022 при ñò l >1,1 находятся в интервале, ограниченном значком «I». а) б) Рис. 3 Кривые, приведенные на рис. 3, б, отражают зависимости (1), при этом множитель 0 k находится из условия равенства  , найденного из (1), значе- нию ýêñï  для данного ñò l при  =0,0069. Из приведенных данных следует, что для сварных швов с относительным выступом  0,0022, отстоящих друг от друга на расстояниях 1,1 – 7,7 ка- либра, прирост коэффициента гидравлического сопротивления находится в пределах от 3,8 до 0,5 %. Полученные данные позволяют оценить влияние средней величины вы- ступа сварного шва при различном сочетании расстояний между швами. По- скольку каждый сварной шов является местным сопротивлением, для него справедлива автомодельность по числу Рейнольдса в турбулентном режиме течения. Поэтому эти результаты могут быть использованы при расчетах натурных трубопроводов. Потери производительности газопровода для мак- симального прироста гидравлического сопротивления составляют не более 2 %. Эти данные были переданы в Миннефтегазстрой и оказались приемле- мыми для широкой технической реализации магистральных трубопроводов из многослойных труб. Транспортировка газовзвесей в трубопроводах при повышенном давлении. В традиционной системе транспорта сыпучих материалов в пото- ке газа (пневмотранспорте) несущая газовая среда (сжатый воздух) в конце магистрали после разделения с сыпучим материалом сбрасывается в атмо- сферу. Давление в конце магистрали лишь ненамного (на величину гидрав- лических потерь в системе сепарации) превышает атмосферное давление. С ростом длины магистрали необходимо увеличение давления в начале трассы, создаваемого компрессорным агрегатом. Это приводит к росту относитель- 39 ного перепада давления вдоль пневмотрассы, падению плотности несущего газа и соответствующему возрастанию его скорости в концевых участках. Для обеспечения эффективного пневмотранспорта на повышенные рассто- яния необходимо уменьшение средней скорости потока по длине пневмот- рассы. Этого можно добиться повышением давления в магистрали, что приводит к уменьшению относительного перепада давления вдоль маги- страли без уменьшения производительности трубопровода и, как следствие, к менее интенсивному возрастанию скорости вдоль пневмотрассы. Так, при давлении на входе 0 p = 0,2 МПа, а на выходе L p = 0,1 МПа скорость газа в конце магистрали вырастет вдвое по сравнению со скоростью на входе; если же 0 p =1,0 МПа, а на выходе L p = 0,9 МПа (при сохранении разности L pp  0 = 0,1 МПа), то скорость газа в конце магистрали вырастет всего на 11 % по сравнению со скоростью на входе. При заданной производительности пневмотранспортной системы по сы- пучему материалу с ростом давления несущего газа массовая расходная кон- центрация твердой фазы  уменьшается, что приводит к снижению гидрав- лического сопротивления двухфазного потока. Таким образом, повышение давления несущего газа двухфазного потока оказывает двоякое влияние на снижение гидравлического сопротивления: за счет снижения гидравлических потерь чистого газа и за счет снижения влия- ния затрат энергии на движение твердых частиц. В рамках подготовки к разработке ЭК УГТ в ИТМ был создан пневмот- ранспортный стенд высокого давления (до 3,3 МПа) для моделирования ос- новных узлов ЭК УГТ и определения гидравлического сопротивления, кри- тической скорости и удельных энергозатрат двухфазного потока при повы- шенном давлении несущего газа. Общий вид пневмотранспортного стенда представлен на рис. 4. Для определения гидравлического со- противления чистого газа и двухфазного потока на стенде выполнено два мерных участка длиной 5,1 м каждый из труб с внутренним диаметром 30 и 50 мм. Общая длина трубопроводов двухфазного потока и чистого газа составляет примерно 70 м. В качестве циркуляционных агрегатов (ЦА), обеспечивающих непрерывное движение двухфазного потока, использованы шесте- ренчатые компрессоры, помещенные в гер- метичные боксы с системой водяного охлаждения. Общий вид одного из боксов с ЦА представлен на рис. 5. Проблема работы циркуляционного компрессорного агрегата на стенде была решена путем отделения твердых частиц от несущего газа (воздуха) перед входом в компрессор и последующе- го ввода частиц в газовый поток на выходе из компрессора в устройстве пе- регрузки, приведенном на рис. 6. Рис. 4 40 Рис. 5 Рис. 6 Это устройство состоит из блока циклонов, установленных на цилиндри- ческом бункере, в нижней части которого помещен барабанный питатель с регулируемой скоростью вращения. Расход твердой фазы регулируется ско- ростью вращения барабанного питателя, предварительно проградуированно- го для конкретного вида твердых частиц. Величина минимальной скорости газовзвеси, при которой отсутствует осаждение частиц на стенки трубопро- вода (критической скорости), фиксировалась для заданного скоростного ре- жима визуально через прозрачные вставки в мерном трубопроводе. Проточная часть стенда, включая боксы с циркуляционными агрегатами, перед испытаниями заполнялась сжатым воздухом до необходимого давле- ния. По уровню рабочего давления данный стенд не имеет аналогов в Укра- ине и за рубежом и может быть использован для отработки пневмотранс- портных систем различного назначения [7, 8]. Результаты экспериментов по определению гидравлического сопротив- ления двухфазного потока в горизонтальном трубопроводе с внутренним диаметром 50 мм при различных давлениях несущего газа представлены на рис. 7. В качестве сыпучего материала были использованы гранулы полиэти- лена со средним диаметром 3 мм. Для удобства анализа влияния рабочего давления на гидравлическое со- противление двухфазного потока результаты экспериментов представлены в виде зависимостей отношения гидравлического сопротивления при повы- шенном давлении несущего газа p к сопротивлению чистого воздуха 0 0 p при среднем давлении, близком к атмосферному, от расходной ( ) и объем- ной ( ) концентраций твердой фазы. 41 Экспериментальные данные 1, 2, 3, 4, 5 соответствуют рабо- чим избыточным давлениям 0; 0,129; 0,462; 0,919 и 1,315 МПа. Линиями 6 и 7 представлены результаты расчетов c использованием предложенной в ра- боте [9] зависимости для коэффициента Гастерштадта, вы- полненных для край- них значений скоро- сти несущего газа, реализованных в экспериментах (6 – min UU  , 7 – max UU  ). Приведенные данные показывают, что гидравлическое сопротивление при повышенном рабочем давлении в проточной части стенда и значениях объемной концентрации твердой фазы, не превышающих 3 – 4 %, суще- ственно меньше сопротивления чистого газа при среднем давлении, равном атмосферному. Расчетные данные достаточно хорошо согласуются с резуль- татами экспериментов для каждого уровня рабочего давления в области объ- емных концентраций до 3 – 4 %, характерных для традиционных систем пневмотранспорта. При дальнейшем росте объемной концентрации опытные данные гидравлического сопротивления превышают значения, определяемые зависимостями работы [9], экстраполированными на область повышенных плотностей несущего газа и объемных концентраций. При повышении давления несущего газа в трубопроводе и, как след- ствие, уменьшении средней скорости двухфазного потока следует иметь в виду, что скорость движения в горизонтальном трубопроводе в любом сече- нии по его длине не может быть меньше критической скорости, определяю- щей осаждение твердых частиц на нижнюю часть трубопровода. Эта ско- рость обратно пропорциональна корню квадратному из плотности несущего газа [10]. На рис. 8 представлены изменение относительной критической скорости при уменьшении относительной плотности несущего газа 0 000 ** uu [11] ( * 0 u , 0 0  –значения при давлении близком, к атмосферному) и результаты экспериментов на стенде при разных расходных концентрациях твердой фазы  : ○ –  = 1,5 – 4,0; ■ –  = 5 – 9; Δ –  = 11 – 15. Эти результаты свиде- тельствуют о допустимости экстраполяции эмпирических соотношений для традиционных систем пневмотранспорта [10] на условия повышенного дав- ления несущего газа. Существенное снижение критической скорости с ро- стом давления несущего газа позволяет снизить скорость транспортировки, что обеспечивает снижение эрозионного износа трубопроводов и повышение сохранности сыпучего материала. Рис. 7 42 Энергозатраты на единицу массы транс- портируемой твердой фазы (без учета затрат мощности на создание в системе повышенно- го давления) определя- лись как отношение гидравлической мощ- ности циркуляционно- го агрегата к произво- дительности по сыпу- чему материалу [8]: òÖÀ ρσ GGp , где ÖÀ p – перепад давле- ния на циркуляционном агрегате; G – массовый расход газа, ò G – массовый расход сыпучего материала, ρ – плотность газа при рабочем давлении. На рис. 9 представлены результаты определения в экспериментах на ла- бораторном стенде удельных энергозатрат при пневмотранспортировании с рабочим давлением несущего газа ð p =0,1; 0,3; 0,5 и 0,9 МПа и расходах сы- пучего материала ò G = 0,16; 0,44; 0,68 кг/с. Расход воздуха вдоль каждой ли- нии изменялся в диапазоне 0,04 – 0,4 кг/с и определялся значениями ÖÀ p , которые варьировались в экспериментах. Линии 1, 2, 3 соответствуют значе- нию ò G = 0,16 кг/с при рабочих давлениях ð p = 0,1; 0,3 и 0,5 МПа, а линии 4, 5 соответствуют рабочему давлению ð p = 0,9 МПа при ò G = 0,44 и 0,68 кг/с. Из сравнения ли- ний 1, 2, 3 видно, что при увеличении дав- ления в пневмотрассе расходная концен- трация сыпучего ма- териала GG T  убывает и удельные энергозатраты суще- ственно снижаются. Например, для  2 кг/кг энергоза- траты падают при- мерно в 6 раз, а при  0,8 кг/кг – более чем в 10 раз при одной и той же производительности пневмотрассы ò G =0,16 кг/с. Это видно из сопоставления кривых 1 – 2 и 2 – 3. Уменьшение μ при увеличении давления связано с уве- личением плотности несущего газа при постоянном расходе твердой фазы. Из сопоставления линий 1, 4, 5 видно, что повышение рабочего давления до 0,9 МПа обеспечивает рост производительности по сыпучему материалу до 0,44 – 0,68 кг/с при удельных меньших энергозатратах, чем при производи- тельности 0,16 кг/с и рабочем давлении 0,1 МПа. 0 2 4 6 8 10 12 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 ρ 0 /ρ0 0 U * /U* 0 Рис. 8 Рис. 9 43 Заключение. Дано описание разработанных в ИТМ методик экспери- ментального моделирования гидравлических параметров трубопроводных систем для перемещения газообразных сред при наличии близкорасположен- ных сварных швов и при течении двухфазных газодисперсных потоков. Для реализации этих методик созданы экспериментальные установки, на которых проведены серии экспериментов. Полученные данные по гидравлическим сопротивлениям и снижению производительности многослойных труб оказались приемлемыми для широ- кого технического использования при строительстве газопроводов. На основании результатов экспериментальных исследований на пнев- мотранспортном стенде показано, что использование несущего газа повы- шенного давления при пневмотранспорте сыпучих материалов позволяет при заданной производительности снизить энергозатраты на транспортировку и уменьшить перепад скоростей несущего газа в начале и в конце пневмот- ранспортной линии. Это делает возможным увеличение дальности транспор- тирования в несколько раз по сравнению с традиционно применяемыми пневмотранспортными линиями при уменьшении как эрозионного износа линейной части трубопровода, так и измельчения транспортируемых матери- алов. Технология пневмотранспорта при повышенном давлении базируется в основном на использовании стандартного оборудования. 1. А. с. № 1160252. Стенд для экспериментального определения гидравлического сопротивления сварных трубопроводов / Тимошенко В. И., Логачев П. П., Кнышенко Ю. В. и др. (СССР).– опубл. 1985, Бюлл. № 21. 2. Применение технологических процессов гальванопластики для производства рельефных поверхностей деталей / В. С. Гудрамович, А. П. Гайдученко, И. А. Дисковский и др. // Перспективы применения поли- мерных композиций и технологических процессов гальванопластики в производстве формообразующих элементов оснастки. – Л. : Изд. Ленингр. дом научно-техн. пропаганды, 1989. – С. 20 – 28. 3. Альтшуль А. Д. Гидравлические сопротивления / А. Д. Альтшуль, П. Г. Киселев. – М. : Наука, 1970. – 216 с. 4. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И. Е. Идельчик. – М. : Машинострое- ние, 1975. – 559 с. 5. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления труб со сварными швами / В. И. Тимошенко, П. П. Логачев, Ю. В. Кнышенко и др. // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. – 1985. – № 1. – С. 56 – 59. 6. Экспериментальное исследование влияния сварных швов трубопроводов на гидравлическое сопротив- ление / В. И. Тимошенко, П. П. Логачев, Ю. В. Кнышенко и др. // Изв. ВУЗов. Нефть и газ. – 1987. – № 7. – С. 54 – 57. 7. Влияние повышенного давления несущего газа на гидравлические характеристики двухфазного потока типа газ – твердые частицы / В. И. Тимошенко, Ю. В. Кнышенко, В. Ф. Копысов и др. // Инж.- физический журнал. – 1992. – Т.62, № 2. – С. 188 – 194. 8. Тимошенко В. И. Пневмотранспорт сыпучих материалов с повышенным давлением несущего газа / В. И. Тимошенко, Ю. В. Кнышенко // Наука и инновации. – 2013. – Т.9, № 1. – С. 5 – 17. 9. Смолдырев А. Е. Гидро- и пневмотранспорт / А. Е. Смолдырев. – М. : Металлургия, 1975. – 384 с. 10. Сакс С. Е. Определение критической скорости взвесенесущего потока / С. Е. Сакс // Инж.- физический журнал. – 1970. – Т. 18, № 5. – С. 832 – 837. 11. Кнышенко Ю. В. Влияние плотности несущего газа на гидравлические характеристики потока с твердыми частицами / Ю. В. Кнышенко // Техническая механика. – 2012. – № 2. – С. 43 – 49. Институт технической механики Получено 20.10.15, Национальной академии наук Украины и в окончательном варианте 22.10.15 Государственного космического агентства Украины, Днепропетровск

Экспериментальные исследования течений газа и газодисперсных сред применительно к задачам повышения энергоэффективности трубопроводных систем

Institution

Ähnliche Einträge