Расчет параметров гидротранспорта при использовании полиэтиленовых трубопроводов

Проаналізовано можливість застосування відомих методик розрахунку критичної швидкості та гідравлiчного ухилу при гідротранспортуванні сипких матеріалів по полімерних трубопроводах. Визначено необхідні заходи для адаптації відомих методик розрахунку для цього типу трубопроводів та наведено приклад та...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2012
Main Authors:	Семененко, Е.В., Татарко, Л.Г.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України 2012
Series:	Геотехническая механика
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/54409
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Расчет параметров гидротранспорта при использовании полиэтиленовых трубопроводов / Е.В. Семененко, Л.Г. Татарко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 233-244. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-54409
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-544092025-02-10T00:58:20Z Расчет параметров гидротранспорта при использовании полиэтиленовых трубопроводов Calculation of hydrotransport parameters when using polyethylene pipelines Семененко, Е.В. Татарко, Л.Г. Проаналізовано можливість застосування відомих методик розрахунку критичної швидкості та гідравлiчного ухилу при гідротранспортуванні сипких матеріалів по полімерних трубопроводах. Визначено необхідні заходи для адаптації відомих методик розрахунку для цього типу трубопроводів та наведено приклад такої адаптації для методики А.Є. Смолдирьова. The possibility of use of well-known calculation procedures of critical velocity and hydraulic gradient for hydrotransportation of bulk solids by polymerous pipelines was analysed. The required measures for well-known calculation procedures adaptation for pipelines of this type are determined and the example of such adaptation for А. Smoldirev calculation procedure is given. 2012 Article Расчет параметров гидротранспорта при использовании полиэтиленовых трубопроводов / Е.В. Семененко, Л.Г. Татарко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 233-244. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/54409 622.648.01 – 9:621.643.29 ru Геотехническая механика application/pdf Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Проаналізовано можливість застосування відомих методик розрахунку критичної швидкості та гідравлiчного ухилу при гідротранспортуванні сипких матеріалів по полімерних трубопроводах. Визначено необхідні заходи для адаптації відомих методик розрахунку для цього типу трубопроводів та наведено приклад такої адаптації для методики А.Є. Смолдирьова.
format	Article
author	Семененко, Е.В. Татарко, Л.Г.
spellingShingle	Семененко, Е.В. Татарко, Л.Г. Расчет параметров гидротранспорта при использовании полиэтиленовых трубопроводов Геотехническая механика
author_facet	Семененко, Е.В. Татарко, Л.Г.
author_sort	Семененко, Е.В.
title	Расчет параметров гидротранспорта при использовании полиэтиленовых трубопроводов
title_short	Расчет параметров гидротранспорта при использовании полиэтиленовых трубопроводов
title_full	Расчет параметров гидротранспорта при использовании полиэтиленовых трубопроводов
title_fullStr	Расчет параметров гидротранспорта при использовании полиэтиленовых трубопроводов
title_full_unstemmed	Расчет параметров гидротранспорта при использовании полиэтиленовых трубопроводов
title_sort	расчет параметров гидротранспорта при использовании полиэтиленовых трубопроводов
publisher	Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
publishDate	2012
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/54409
citation_txt	Расчет параметров гидротранспорта при использовании полиэтиленовых трубопроводов / Е.В. Семененко, Л.Г. Татарко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 233-244. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
series	Геотехническая механика
work_keys_str_mv	AT semenenkoev rasčetparametrovgidrotransportapriispolʹzovaniipoliétilenovyhtruboprovodov AT tatarkolg rasčetparametrovgidrotransportapriispolʹzovaniipoliétilenovyhtruboprovodov AT semenenkoev calculationofhydrotransportparameterswhenusingpolyethylenepipelines AT tatarkolg calculationofhydrotransportparameterswhenusingpolyethylenepipelines
first_indexed	2025-12-02T08:56:45Z
last_indexed	2025-12-02T08:56:45Z
_version_	1850386211977297920
fulltext	233 УДК 622.648.01 – 9:621.643.29 Д-р техн. наук Е.В. Семененко (ИГТМ НАН Украины), ст. преп. Л.Г. Татарко (ДГХТУ МОН Украины) РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОТРАНСПОРТА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ Проаналізовано можливість застосування відомих методик розрахунку критичної швид- кості та гідравлiчного ухилу при гідротранспортуванні сипких матеріалів по полімерних тру- бопроводах. Визначено необхідні заходи для адаптації відомих методик розрахунку для цьо- го типу трубопроводів та наведено приклад такої адаптації для методики А.Є. Смолдирьова. CALCULATION OF HYDROTRANSPORT PARAMETERS WHEN USING POLYETHYLENE PIPELINES The possibility of use of well-known calculation procedures of critical velocity and hydraulic gradient for hydrotransportation of bulk solids by polymerous pipelines was analysed. The required measures for well-known calculation procedures adaptation for pipelines of this type are determined and the example of such adaptation for А. Smoldirev calculation procedure is given. На обогатительных фабриках горно-обогатительных комбинатов (ГОК) Ук- раины отходы обогащения отводятся посредством напорных гидротранспорт- ных комплексов, а на таких предприятиях, как Вольногорский горно- металлургический комбинат (ВГМК) и Иршанский ГОК напорные гидротранс- портные комплексы используются и для доставки исходных песков на обогати- тельные фабрики [1 – 4]. Кроме того, известны примеры применения этого вида транспорта при разработке техногенных месторождений, когда лежалые отходы из хранилища подаются на повторное обогащение. Такое широкое применение трубопроводного гидротранспорта на предприятиях горнорудной промышлен- ности обусловлено характером транспортируемых сред, технологической со- вместимостью и его преимуществами в данных условиях над другими видами транспорта: конвейерным, автомобильным и железнодорожным [1, 2, 5 – 10]. Опыт эксплуатации украинских и зарубежных обогатительных фабрик пока- зывает, что за время их работы протяженность магистралей гидротранспортных комплексов, обеспечивающих доставку перерабатываемого сырья и отведение от- ходов обогатительного производства, постоянно увеличивается [1, 2, 4]. По мере отработки месторождения фронт горных работ и места складирования отходов удаляются от обогатительных фабрик, что требует перемещения насосной стан- ции и увеличения длины трубопроводов. Периодическое удлинение трубопровода гидротранспортного комплекса без установки дополнительных насосов или увеличения диаметров рабочих колес ограничено из-за возникновения критических режимов течения, которые резко снижают эффективность и надежность гидротранспортирования [1 – 4]. Например, опыт эксплуатации карьерного гидротранспортного комплекса ВГМК показывает, что зачастую для обеспечения сверхкритических режимов работы после удлинения трубопровода необходима меньшая мощность, чем 234 мощность еще одного насоса, а заменить существующие рабочие колеса рабо- чими колесами с большим диаметром невозможно [1, 2, 4]. В этом случае уста- новка еще одного насоса значительно увеличивает капитальные затраты и энер- гоемкость гидротранспортирования, а также интенсифицирует износ трубопро- водов, запорной арматуры и проточных частей других насосов. Кроме того, из- за нестабильности параметров транспортируемого материала карьерный гидро- транспортный комплекс после удлинения трубопровода может периодически работать то в сверхкритических режимах, то в режимах с частичным заилением трубопровода, что снижает эффективность функционирования всей технологи- ческой цепочки от узла пульпообразования в карьере до батареи гидроциклонов на обогатительной фабрике. В такой ситуации необходимо обеспечить регламентированную производи- тельность гидротранспортного комплекса со скоростями, превышающими кри- тическую. Это может быть достигнуто или повышением мощности используе- мых насосов, или снижением гидравлического сопротивления магистрали. Данная проблема актуальна и очень важна с практической точки зрения. С одной стороны, план разработки месторождений и введения в эксплуатацию новых карт намыва хранилищ отходов определяется с учетом экономических, горно-геологических и экологических факторов, а поэтому в принципе не мо- жет учитывать режимы работы гидротранспортных комплексов. С другой сто- роны, важность ресурсо- и энергосбережения на предприятиях горнорудной промышленности регламентируется рядом государственных и региональных программ, а также ограничениями на электроэнергию, энергоносители и основ- ной экологический ресурс – воду. Вопрос снижения гидравлических сопротивлений при течении гидросмеси и воды рассматривался в работах отечественных и зарубежных специалистов [1, 4 – 12]. Анализ результатов этих исследований позволил выделить следующие мето- ды, которые могут быть применены для условий гидротранспорта: наложение на поток продольных пульсаций скорости [6]; покрытие внутренней поверхности труб материалом с низким коэффициентом трения [3, 5, 7]; добавление в транс- портируемую среду поверхностно активных или гидродинамически активных ве- ществ [10, 11]; использование дополнительных струйных насосов [3, 8, 9]. По мнению авторов, для гидротранспортных комплексов наиболее перспек- тивными являются методы снижения гидравлических сопротивлений не за счет покрытия внутренней поверхности трубы материалом с низким коэффициентом трения, а путем замены стальных труб на полиэтиленовые, так как развитие отечественной и зарубежной промышленности за последние годы позволило существенно продвинуться в создании труб и запорной арматуры из полимер- ных материалов. Появилась возможность использовать полиэтиленовые трубы вместо стальных не только для подачи питьевой и технической воды, но и для гидротранспортирования исходных песков на обогатительное производство, а также для отведения отходов их переработки. Возможность этого была впервые доказана экспериментальным путем в ус- ловиях гидротранспортного комплекса ВГМК, когда в апреле 2006 года был 235 введен в эксплуатацию опытный участок полиэтиленовой трубы длиной 160 м, смонтированный на рабочем трубопроводе [13, 14]. Применена труба ПЭ 80 SDR 21 диаметром 630 мм с толщиной стенки 30 мм, рассчитанная на рабочее давление до 6 атм. По состоянию на конец 2006 года трубопровод от- работал более 3500 часов, подано более 2 млн м3 рудных песков. Плотность пульпы в зависимости от режима работы гидротранспортного комплекса изме- нялась от 1,01 до 1,22 т/м3. При осмотре внутренней части трубы заметен износ только выступающей части сварочного шва. Внутренняя часть трубы практиче- ски вся гладкая, небольшая шероховатость заметна только в нижней части тру- бы в пределах от 200 до 300 мм по дуге. Замер толщины трубы ультразвуковым переносным прибором показал износ не более 1,5 мм. Окончательный вывод об износостойкости полиэтиленовых труб делать еще рано. Но учитывая то, что стоимость стальных труб сегодня практически сравнялась со стоимостью поли- этиленовых труб с рабочим давлением до 6 атм., можно предположить, что применение полиэтиленовых труб на тех участках трубопровода, где рабочее давление не превышает 6 атм., экономически выгодней, чем применение сталь- ных труб. Однако расчет гидравлического сопротивления таких труб затруднен из-за отсутствия данных о зависимости коэффициента гидравлического сопротивле- ния от числа Рейнольдса, методик расчета критических скоростей гидротранс- портирования и дополнительных гидравлических уклонов, обусловленных при- сутствием твердых частиц. Отечественные производители полиэтиленовых труб не располагают такими данными, а зарубежные или приводят номограммы с диапазо- нами расходов, не характерными для гидротранспортных комплексов ГОКов, или указывают, что коэффициент гидравлического сопротивления для полиэтилено- вых труб в 100, а то и в 1000 раз меньше, чем для чугунных. Не намного лучше изучена зависимость гидравлического уклона от скоро- сти при течении воды в полиэтиленовых трубопроводах [12 – 15]. Некоторые авторы приводят близкие формулы, которые можно обобщить в одну, однако использовать их для расчета параметров гидротранспорта затруднительно, так как эти методики не учитывают изменение вязкости несущей жидкости и влия- ние шероховатости стенки трубопровода, которая изменяется в процессе экс- плуатации; предназначены для расчета гидравлических уклонов несущей жид- кости и не могут быть применены для расчета дополнительных гидравлических уклонов, обусловленных присутствием в потоке твердых частиц; не позволяют рассчитать критическую скорость гидротранспортирования. Цель статьи – на основании известных методов расчета параметров гидро- транспорта в стальных трубопроводах разработать и обосновать научный под- ход расчета критической скорости и гидравлического уклона в полиэтиленовом трубопроводе с учетом изменения шероховатости внутренней стенки трубы. Известные методики расчета гидравлического уклона при течении воды в полиэтиленовых трубопроводах (ISO TR 10501, СНиП 2.04.02-84, СП 40-102- 2000) рекомендуют формулы, которые можно обобщить в одну вида [12 – 15] 236 m n D VKi =0 , (1) где 0i – гидравлический уклон, м вод. ст./м; V – средняя скорость воды, м/с; D – внутренний диаметр трубопровода, м; K , n и m – эмпирические констан- ты, средние значения которых можно принимать равными 000565,0=K , 771,1=n , 223,1=m . Так как авторы не объясняют структуру коэффициента K , то невозможно установить, что он учитывает. Это, в свою очередь, не позволяет с достаточной уверенностью применять формулы вида (1) для расчета потерь напора, обу- словленных движением несущей жидкости. Для полиэтиленовых и поливинил- хлоридных труб, согласно рекомендациям отечественных специалистов, может быть использована следующая формула [4, 12]: 226.0Re 288.0 =λ ; 0 Re ν VD = , (2) где λ – коэффициент гидравлического сопротивления; Re – критерий Рей- нольдса; 0ν – кинематический коэффициент вязкости воды, м2/с. Специалисты ИГТМ в результате математической обработки номограмм фирмы Wavin для труб ПЭ 80, ПЭ 100 и ПВХ с диаметрами от 50 до 630 мм и номиналь- ным давлением 6, 10 и 16 атм. для расходов от 0,1 до 1000 л/с рекомендуют опреде- лять коэффициент гидравлического сопротивления по формуле [4, 13, 14] 1158.0Re 0784.0 =λ (3) Формулы (2), в отличие от выражения (1), в явном виде учитывают вязкость и плотность континуума и поэтому могут быть использованы для расчета гид- равлического уклона при течении несущей жидкости – суспензии из воды и глинистых частиц. Из сравнения коэффициентов гидравлического сопротивле- ния, рассчитанных по формуле (3) для стальных и полиэтиленовых труб, следу- ет, что в рассматриваемом диапазоне расходов эта величина для стальных труб в среднем в 4,29 раза (от 3,99 до 4,51) или на 76,68% (от 74,93 до 77,81%) боль- ше, чем для полиэтиленовых труб [4]. На основании выражений (2) и (3) можно предположить, что для получения формулы (1) использовались следующие зависимости: B A Re =λ ; gD V i 2 2 0 0 ρ λ= ; 0 Re ν VD = . Тогда коэффициенты в формуле (1) могут быть определены так: 237 g A K B 2 00νρ = ; Bn −= 2 ; 1+= Bm , а отличие плотности и вязкости несущей жидкости от воды может быть учтено следующим образом: n KK − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 2 00 0 ν ν ρ ρ , где K – значение коэффициента при течении несущей жидкости; 0K – значе- ние коэффициента при течении воды; ρ – плотность несущей жидкости, кг/м3; 0ρ – плотность воды, кг/м3; ν – кинематический коэффициент вязкости несу- щей жидкости, м2/с. В этом случае величины n и m взаимозависимы, и между ними должна су- ществовать линейная связь mn −= 3 , что подтверждается рекомендованными в ISO TR 10501, СНиП 2.04.02-84, СП 40-102-2000 значениями. Таким образом, вероятно, имеет смысл для расчета величины λ при напор- ном гидротранспорте в полиэтиленовых трубах использовать формулу, рекомен- дованную специалистами Института гидромеханики НАН Украины для условий гидротранспорта песчаных смесей по стальным трубопроводам [8, 9, 16 – 18] ( )2Relg Δ− = b aλ , (4) где a – экспериментальная константа; Δb – коэффициент, учитывающий со- стояние внутренней поверхности трубопровода. Возможность использования формулы (4) при расчетах величины λ для по- лиэтиленовых труб обосновывается тем, что при гидротранспортировании сы- пучих материалов полиэтиленовые трубы, как и стальные, являются гидравли- чески гладкими [8, 9, 16 – 18]. Опыт эксплуатации стальных труб для гидротранспорта россыпей, концен- тратов руд и отходов обогащения показывает, что внутренняя поверхность труб шлифуется транспортируемым материалом, и уже через 100 часов работы эти трубы можно считать гидравлически гладкими и вычислять для них коэффици- ент гидравлического сопротивления по формуле (4) [8, 9]. Полиэтиленовые трубы, как доказано в работах [19], могут считаться гладкими из-за малой ше- роховатости внутренней поверхности. При этом формула (4) с помощью коэффициента Δb , если известна его зави- симость от шероховатости, может учитывать изменения величины λ как при шлифовании стальных труб, так и при увеличении шероховатости труб из по- лиэтилена. С использованием формулы (4) гидравлический уклон при течении несущей жидкости можно вычислить по формуле 238 ( ) 0 2 20 2Relg ρ ρ gD V b ai Δ− = . (5) При расчетах по формуле (5) изменение вязкости несущей жидкости по сравнению с вязкостью воды учитывается критерием Рейнольдса. Возможность определения остальных параметров гидротранспорта в поли- этиленовых трубопроводах зависит от используемой методики расчета, кото- рые условно можно разделить на три группы [1 – 3, 5 – 9, 16 – 18, 20]. В методиках первой группы для расчета параметров гидротранспорта ис- пользуются осредненные характеристики транспортируемого материала, а кри- тическую скорость определяют как решение нелинейного уравнения. Наиболее известными методиками этого типа являются методики С.И. Криля и Ю.К. Витошкина. Расчет критической скорости и полного гидравлического ук- лона по этим алгоритмам требует данных о кинематической структуре потока в трубопроводе, а также знания зависимости коэффициента трения частиц о дно трубопровода в критическом режиме. Однако эти данные получены только для потоков гидросмеси в стальных трубопроводах [8, 9, 16, 18]. Ко второй группе можно отнести алгоритмы расчета параметров гидро- транспорта по осредненным характеристикам транспортируемого материала, в которых используются эмпирические зависимости для определения критиче- ской скорости гидротранспортирования. Наиболее известными методиками этого типа являются методики А.П. Юфина, С.Г. Коберника и В.И. Войтенко, В.М. Карасика. Однако без усовершенствования ни одна из них не может быть использована для расчета параметров течения в полиэтиленовом трубопроводе. Обобщая работы многих авторов, Н.А. Силин получил универсальные фор- мулы для расчета параметров гидротранспорта в шлифованных и шероховатых трубах на основе их значений в критическом режиме [8, 9, 16]. Для шлифован- ных труб это зависимость вида ( ) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ++⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = V Vn V V n ii min 2 minmin min 2 3 λ λ ; n B Re =λ , (6) а для шероховатых труб ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = V V V Vii min 2 min min 2 3 ; (7) gD V Ar Ci 2 5,21 2 min6 minmin ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅+= λ ; 12 крmin 8.0 D CVV = ; 0 0т ρ ρρ − =Ar , где i − гидравлический уклон; λ и minλ – коэффициенты гидравлических сопро- тивлений при движении чистой воды со средними скоростями V и minV соот- 239 ветственно; C – объемная концентрация пульпы, д. ед.; minV – скорость, при ко- торой гидравлические сопротивления минимальны, м/с; Ar – параметр Архи- меда; тρ – плотность частиц транспортируемого материала, кг/м3; mini – мини- мальные гидравлические сопротивления, м вод. ст. Преимуществом выражений (6) и (7) является их универсальность, а также воз- можность использования формулы вида (1). Однако эта методика не позволяет опре- делить критическую скорость гидротранспортирования в полиэтиленовых трубах. Методика В.М. Карасика [9] при расчете параметров гидротранспорта в по- лиэтиленовых трубопроводах также не учитывает влияние материала трубо- провода на критическую скорость: gD V e i n 21 2 −− = λ ; 63 26 CArgDwVkp = ; (8) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= V V C n kp7,011 ; 0т 0 ρρ ρρ − − =C , где w – гидравлическая крупность твердых частиц, м/с. Зависимости (6) – (8) не учитывают параметры гранулометрического состава частиц, характеризующие его разнородность. Среди алгоритмов третьей группы наиболее полно особенности гранулометрического состава транспортируемого материала учитывает методика С.Г. Коберника и В.И. Войтенко, однако и в ней не учитывается влияние материала трубопровода на критическую скорость [18]. Этот недостаток методик второй группы может быть устранен, если вместо используемых в них эмпирических формул применить обобщенную зависи- мость, полученную специалистами ИГМ НАН Украины [9], 69 ψ ν CArgDVkp Δ = ; gd w =ψ , (9) где Δ – шероховатость внутренней поверхности трубопровода, мм; ψ – коэф- фициент фиктивного лобового сопротивления [9, 20]; d – средневзвешенный диаметр частиц, м; w – скорость стесненного падения частиц, м/с. Использование формул (6) и (9) совместно с методикой С.Г. Коберника и В.И. Войтенко позволяет определить все параметры гидротранспорта для полиэти- ленового трубопровода в зависимости от состояния внутренней поверхности трубы: Δ ℘+= ν ψ λ ρ ρ ArC V ii kp 0 0 ; ( )2Relg Δ− = b a kp kpλ , (10) где ℘ – коэффициент, зависящий от плотности и концентрации твердых частиц [18]. Анализ формул (8) – (10) показывает, что значения параметров гидротранс- порта для полиэтиленовых труб в процессе их эксплуатации будут определяться изменением величины Δ и видом функциональной зависимости ( )ΔΔb . 240 Можно предположить, что в результате взаимодействия с транспортируемым материалом полиэтиленовые трубопроводы, в отличие от железных, не шлифу- ются, а «лохматятся», то есть их шероховатость увеличивается. Естественно, при этом потери напора при движении воды возрастают. На основании этого можно спрогнозировать, что величина Δb с увеличением Δ также возрастает. Таким образом, в рамках методического подхода, используемого в алгоритмах второй группы, можно сделать следующие прогнозы относительно параметров гидротранспорта для полиэтиленовых трубопроводов: в новых полиэтиленовых трубопроводах значение полного гидравлического уклона может быть меньше, чем в стальных трубах такого же диаметра; по мере эксплуатации полиэтилено- вых трубопроводов величины гидравлических уклонов, обусловленных течением несущей жидкости, могут возрастать, а величины гидравлических уклонов, обу- словленных взвешиванием твердых частиц, – снижаться; в процессе эксплуатации полиэтиленовых трубопроводов для каждого значения шероховатости внутренней поверхности трубы может существовать скорость течения пульпы, при которой полный гидравлический уклон будет минимальным; критические скорости гидро- транспортирования в новых полиэтиленовых трубопроводах могут быть выше, чем в стальных такого же диаметра, однако этот фактор может оказаться несуще- ственным, так как рабочие скорости пульпы в полиэтиленовых трубопроводах бу- дут большими, чем в стальных; по мере эксплуатации полиэтиленового трубопро- вода значение критической скорости в нем будет уменьшаться и со временем, при значительном увеличении шероховатости, может стать меньшим, чем значение критической скорости в стальном трубопроводе. К третьей группе относятся методики, в которых предполагается, что каждый класс крупности транспортируемого материала вносит свой вклад в величины гидравлического уклона и критической скорости пропорционально его массовой доле. Наиболее известными методиками этой группы являются методики А.Е. Смолдырева и П.Г. Дмитриева. Формулы, предложенные А.Е. Смолдыревым для расчета параметров гидро- транспорта полидисперсных гидросмесей, могут быть записаны так [7]: ( ) ( ) ( ) ( )1 1 303 1 12 0 1 1 1 1 ArS SArfgDSB ArS SAr d wSgDCV cp kp + − + + − = ; (11) ( ) ( ) ( ) ( )1 1 3211 1 1 1 1 1 11 ArS SArfS d D V wSCS ArS SArii cp o + − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ++⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + − += ; (12) где kpV – критическая скорость гидротранспортирования, м/с; 0C , 1C – эмпири- ческие константы; 1S , 2S , 3S – объемные концентрации соответственно тонких, мелких и кусковых фракций; 0B – эмпирическая константа; f – обобщенный коэффициент трения частиц о нижнюю стенку трубы; cpd – средневзвешенный диаметр частиц мелкой фракции, м; w – скорость стесненного падения частиц мелкой фракции, м/с. 241 Формулы, полученные Г.П. Дмитриевым для расчета параметров гидро- транспорта полидисперсных гидросмесей, имеют вид [5] ( ) ( )10 10 333 10 10 21 1 1 1 1 SSAr SSgDArSC SSAr SSwgDArSCV kkkp ++ −− + ++ −− = ; ( )[ ] ( )10 10 342201 0 0 1 11 SSAr SSSC V wSCAriArSSCi k c kc c k ++ −− ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ++++= λ λ ; 2 52.1lg8.1 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = c c c VD μ ρ λ , где cλ – коэффициент гидравлического сопротивления для суспензии с части- цами крупностью менее 0,074 мм; cS – объемная доля частиц крупностью ме- нее 0,074 мм; cρ – плотность суспензии с частицами крупностью менее 0,074 мм; cμ – динамический коэффициент вязкости суспензии с частицами крупностью менее 0,074 мм; 0kC , 21, kk CC – эмпирические коэффициенты [5, 7]; 3kC , 4kC – эмпирические коэффициенты. Если транспортируемый материал не содержит частиц крупностью более 2 мм, то по этим методикам можно с использованием формулы (5) формально опреде- лить все параметры гидротранспорта, так как неизвестно, зависят ли дополни- тельные гидравлические уклоны от состояния стенки трубы. При наличии в мате- риале частиц крупностью более 2 мм при расчете по этим методикам необходимо знать величину обобщенного коэффициента трения частиц о стенку пластмассо- вой трубы. А такие данные известны только для стальных трубопроводов. Авторы этих методик не регламентируют выбор значений эмпирических коэффициентов 0C , 1C , 0B , f , 0kC , 21, kk CC 3kC и 4kC , которые варьируются в значительных пределах, а поэтому неизвестно, изменяются ли их значения при течении в поли- этиленовом трубопроводе [5, 7, 17]. Для исследования этого вопроса представим формулы методики А.Е. Смолдырева (11) и (12) в следующем виде [7]: 3 3 2 fAScAScFrkp ′′+′= ψ ; ( ) 32110 1 fAS Fr AScASii +++= ψ ; (13) ( ) 1 1 1 1 ArS SArA + − = ; gD V Fr kp kp = ; gD VFr = . Появление констант c′ и c ′′ обусловлено использованием при получении формулы для расчета критической скорости (табл. 1) постулата гравитационной теории А.К. Великанова [3] V kp kp kp K i ii = − 0 , (14) 242 где kp kp ii 0, − гидравлический уклон пульпы и воды в критическом режиме; VK − константа. Таблица 1 − Формулы для расчета параметров гидротранспорта для транспортируемых материалов различного гранулометрического состава Формулы для расчета параметров гидротранспорта Фракции частиц i kpFr Коэффициентов мелкие Fr ArSci ψ 10 + 3 ψASc′ ( ) 3 1 12 kpV V K Kcc λ − =′ Тонкие и мелкие ( ) AScASi 2110 1 ++ 3 2ψASc′ ( )3 1 1 1 12 VV V kp KKAS Kcc −− − =′ λ Тонкие и кусковые ( ) 310 1 fASASi ++ 3fASc ′′ ( ) VV V kp KKAS Kc −− − =′′ 1 12 1λ кусковые fASi +0 fASc ′′ ( ) Vkp V K K c λ − =′′ 12 Из табл. 1 видно, что при подстановке (14) в (13) величины c′ и c ′′ не являют- ся константами, а вычисляются по формулам cc =′′ ; 3 1ccc =′ ; F c kpλ 2 = , (15) где F − функция, зависящая от гранулометрического состава транспортируемого материала и константы VK (табл. 2). Таблица 2 − Формулы для расчета функции F Фракции частиц Формулы для расчета функции F Мелкие или кусковые при отсутствии тонких V V K K −1 Мелкие или кусковые в присутствии тонких ( ) V VV K KKAS − −− 1 11 С помощью формул (15) возможна адаптация методики А.Е. Смолдырева (13) к условиям полимерных труб: 3 3 2 3 fAScqAScqFrkp σψ ′′+′= ; ( ) 32110 1 fAS Fr AScASii σ ψ +++= ; 243 ( )Re1,0lg 3864,0 2λ =q ; FrGm=Re ; 2 3 ν gDGm = , где σ − эмпирический коэффициент, учитывающий изменение коэффициента трения кусковых частиц о дно трубы; ν − кинематический коэффициент вязко- сти воды. Для расчетов величин 0i и λ в полимерных трубах известны методики [13, 14, 19], рекомендующие следующие степенные зависимости (табл. 2): N M D VKi =0 ; n m Re =λ , которые позволяют оценить интервалы изменения параметра q в соответствую- щем диапазоне чисел Рейнольдса (рис. 1, табл. 3). 1 1,2 1,4 1,6 3,2 4,2 5,2 6,2 7,2lgRe q №1 №2 №3 №4 Рис. 1 − Зависимость величины q от числа Рейнольдса для различных методик Таблица 3 − Значения коэффициентов, используемых для гидравлического расчета полимерных труб по различным методикам № Методика K M N m n q minq maxq 1 СНиП 2.04.02-85 0,000646 1,774 1,226 0,226 0,271 1.260 1.127 1.619 2 ISO TR 10501 0,000537 1,760 1,240 0,240 0,273 1.218 1.110 1.508 3 ISO TR 10501 0,000579 1,800 1,200 0,200 0,171 1.189 1.122 1.400 4 ИГТМ НАНУ 0,000543 1,750 1,250 0,250 0,316 1.191 1.065 1.530 Величина σ показывает, во сколько раз коэффициент трения кусковых фракций транспортируемого материала о дно стальной трубы превышает соот- ветствующую величину для условий полимерных труб. Для стальных труб ве- 244 личина коэффициента f определялась экспериментально, поэтому и для поли- мерных труб необходимо проводить аналогичные исследования. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Обоснование параметров и режимов работы систем гидротранспорта горных предприятий / Ю.Д. Баранов, Б.А. Блюсс, Е.В. Семененко, В.Д. Шурыгин. – Днепропетровск: Новая идеология, 2006. – 416 с. 2. Проблемы разработки россыпных месторождений / И.Л. Гуменик, А.М. Сокил, Е.В. Семененко, В.Д. Шурыгин. – Днепропетровск: Січ, 2001. – 224 с. 3. Семененко Е.В. Научные основы технологий гидромеханизации открытой разработки титан-цирконовых россыпей / Е. В. Семененко. – К.: Наукова думка, 2011. – 231 с. 4. Шурыгин В.Д. Анализ способов повышения эффективности работы гидротранспортного комплекса / В.Д. Шурыгин, Е.В. Семененко, Н.А. Никифорова // Металлургическая и горнорудная промышленность. − 2005. − №6. − С. 70 – 74. 5. Дмитриев Г.П. Напорные гидротранспортные системы / Г.П. Дмитриев, Л.И. Махарадзе, Т.Ш. Гочиташвили. – М.: Недра, 1991. – 304 с. 6. Покровская В.Н. Трубопроводный транспорт в горной промышленности / В.Н. Покровская. – М.: Недра, 1985. – 191 с. 7. Смолдырев А.Е. Гидро- и пневмотранспорт в металлургии / А. Е. Смолдырев. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1985. – 383 с. 8. Силин Н.А. Режимы работы крупных землесосных снарядов и трубопроводов / Н.А. Силин, С.Г. Коберник. – К.: Изд-во АН УССР, 1962. – 138 с. 9. Гидротранспорт (вопросы гидравлики) / Н.А. Силин, Ю.К. Витошкин, В.М. Карасик, В.Ф. Очеретько. – К.: Наук. думка, 1971. – 158 с. 10. Применение гидродинамически активных добавок полимеров и поверхностно-активных веществ в энергосберегающих технологиях / А.В. Ступин, П.В. Асланов, А.П. Симоненко [и др.] // Прикладна гідромеханіка. − 2001. − Т. 3 (75), № 1. − С. 74 − 81. 11. Погребняк В.Г. Растворы полимеров в условиях пристеночной турбулентности и механизм снижения гидравлического сопротивления / В.Г. Погребняк, А.А. Писаренко // Прикладна гідромеханіка. − 2000. − Т. 2 (74), № 2. − С. 83 – 95. 12. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления / А.Д. Альтшуль. – М.: Недра, 1982. – 224 с. 13. Шурыгин В.Д. Расчет параметров гидротранспортного комплекса при использовании полиэтилено- вых труб / В.Д. Шурыгин, Е.В. Семененко // Металлургическая и горнорудная промышленность. – №2. – 2007. – С. 71 – 74. 14. Шурыгин В.Д. Износ полиэтиленовых труб при гидротранспорте исходных песков Малышевского ме- сторождения / В.Д. Шурыгин, Е.В. Семененко // Металлургическая и горнорудная промышленность. – №6. – 2007. – С. 90 – 93. 15. Юфин А.П. Гидромеханизация / А.П. Юфин. – М.: Стройиздат, 1965. – 496 с. 16. Криль С.И. Напорные взвесенесущие потоки / С.И. Криль. – К.: Наук. думка, 1990. – 160 с. 17. Коберник С.Г. Напорный гидротранспорт хвостов горно-обогатительных комбинатов / С.Г. Коберник, В.И. Войтенко. – К.: Наук. думка, 1967. – 140 с. 18. Швабауэр В. Расчет гидравлических потерь давления в трубопроводе из пластмасс / В. Швабауэр, И. Гвоздев, М. Гориловский // Полимерные трубы. Украина. – 2006. – №1(1). – С. 46 – 52. 19. Трайнис В.В. Параметры и режимы гидравлического транспортирования угля по трубопроводам /В.В. Трайнис. – М.: Наука, 1970. – 191 с. 245 УДК 622.454.2:622.831.325.3 Кандидаты техн. наук Т.В. Бунько, И.Е. Кокоулин, инженеры Н.В. Безкровный, С.А. Головко (ИГТМ НАН Украины) РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ С УЧЕТОМ РАВНОМЕРНЫХ И НЕРАВНОМЕРНЫХ УТЕЧЕК Охарактеризовано метод розрахунку втрат тиску повітря у гірничих виробках за наявно- сті витоків (притоків), який може бути використано під час проектування системи провітрю- вання шахти з метою вибору засобів місцевого керування повітряних потоків, розрахунку конфігурації ліній витоку у виробленому просторі та при оцінці зміни витоків у аварійній ситуації і розробці методів керування ними. CALCULATION LOSSES OF PRESSURE OF AIR IN MINING WORKINGS TAKING INTO ACCOUNT EVEN AND UNEVEN LEAKAGES The method of calculation losses of pressure of air in the mining workings at presence of leak- ages (inflows), which can be used for planning of the ventilation system of mine with the purpose of choice facilities of the local control of air blast, calculation of configuration lines of leakages in the worked out goaf and at estimation change of leakages in an emergency situation and development methods of control by them. Решение задач расчета воздухораспределения в горных выработках является основой для выбора как проектных, так и оперативных мероприятий по выбору нормальных и аварийных режимов проветривания горного предприятия. Вме- сте с тем шахтная вентиляционная система (ШВС) представляет собой не про- сто соединение горных выработок, как проводников воздуха; в ней имеются зо- ны, трудно описываемые аналитически, хотя и обладающие определенными аэ- родинамическими характеристиками. Речь идет о неявных аэродинамических связях между точками ШВС, основными из которых являются утечки воздуха, в том числе через выработанное пространство лав. Без их точного учета при про- ведении вентиляционных расчетов невозможно создать имитационную модель ШВС, адекватную реальному аналогу, а значит – эффективно решать задачи управления проветриванием. Поэтому решение вопроса о движении воздуха с изменением расхода вдоль горных выработок представляет не только теорети- ческий, но и практический интерес. Ввиду отсутствия достаточно точных и проверенных теоретических и экс- периментальных данных по этому вопросу, при решении практических задач обычно пользуются зависимостями, выведенными в гидравлике для движения жидкости с постоянной массой. Следует, правда, отметить, что в гидравличе- ских сетях изменение количества движущейся по проводнику жидкости свиде- тельствует об аварийной ситуации, тогда как в воздухопроводящих сетях явля- ется явлением обычным вследствие невозможности обеспечения достаточной степени воздухонепроницаемости стенок горных выработок. Исследования движения воздуха по горным выработкам с утечками (при- течками) в литературе освещены недостаточно глубоко и являются весьма не-

Расчет параметров гидротранспорта при использовании полиэтиленовых трубопроводов

Institution

Similar Items