Обґрунтування параметрів глибоководних ерліфтів з урахуванням динаміки твердих частинок в снарядному потоці

Abstract

Дисертація присвячена обґрунтовуванню витратних та конструктивних параметрів глибоководних ерліфтів зі ступінчастою конструкцією підйомного трубопроводу, що мінімізують енергоємність установок, при урахуванні силової взаємодії твердих частинок з газовими снарядами. В результаті експериментальних досліджень підйому твердих частинок водоповітряним потоком при різних структурах течії вперше було встановлено, що снарядна структура містить аномальну область, яка характеризується зниженням швидкості підйому частинок при збільшенні витрати середовища, що їх транспортує. Встановлено залежності змін довжин газових снарядів та рідинних проміжків (пробок) між ними від об’ємного газовмісту суміші. Розроблено новий математичний апарат для розрахунку параметрів трикомпонентного снарядного потоку, який не входить в жодний з відомих на теперішній час клас аналітичних моделей гетерогенних сумішей і передбачає послідовний розрахунок двокомпонентних потоків: «тверде-газ», «тверде-рідина», що циклічно повторюється. Виявлена принципова відмінність механізмів транспортування рідинного та твердого компонентів суміші у висхідному снарядному потоці. Розроблений новий чисельно-аналітичний метод розрахунку параметрів багатокомпонентного потоку, який відрізняється від відомих урахуванням уповільнення транспортування частинок в газових снарядах та зміни морфології снарядної структури течії. Виявлено, що уповільнення підйому або низхідний (протитечійний) рух твердих частинок, в залежності від їх фізико-механічних характеристик, в газових снарядах призводить до акумуляції частинок на ділянці снарядного потоку. Встановлено закономірності впливу динаміки твердих частинок при снарядній структурі течії на витратні, конструктивні та енергетичні параметри глибоководного ерліфта. Розроблено алгоритми, що дозволяють прогнозувати параметри гідропідйому, які загрожують забутовкою підйомного трубопроводу, а також визначати граничні значення характеристик транспортуючого потоку та твердих частинок. На рівні винаходів розроблені способи керування роботою глибоководного ерліфтного гідропідйому та відповідні технічні рішення, що підвищують ефективність транспортування мінеральної сировини, а також раціональна конструкція змішувача, яка забезпечує підвищення транспортуючої здатності багатокомпонентного потоку в підйомному трубопроводі. Розроблені та впроваджені методики розрахунків параметрів ерліфтів з урахуванням динаміки твердих частинок при ССТ та змішувача ГЭГ, а також програмно-алгоритмічне забезпечення для їх реалізації.

Диссертация посвящена обоснованию расходных и конструктивных параметров глубоководных эрлифтов со ступенчатой конструкцией подъемного трубопровода, минимизирующих энергоемкость установок, при учете силового взаимодействия твердых частиц с газовыми снарядами. В результате экспериментальных исследований подъема твердых частиц водовоздушным потоком при различных структурах течения впервые было установлено, что снарядная структура содержит аномальную область, характеризующуюся снижением скорости подъема частиц при увеличении расхода транспортирующей их среды. Установленное явление по результатам экспертизы Международной академии авторов научных открытий и изобретений признано Научным открытием, что подтверждено соответствующим Дипломом № 413 от 21 мая 2011 г. Полученные результаты определили необходимость углубленного изучения снарядной структуры течения (ССТ). Установлены зависимости изменений длин газовых снарядов и жидкостных промежутков (пробок) между ними от объемного газосодержания смеси. Разработан новый математический аппарат для расчета параметров трехкомпонентного снарядного потока не входящий ни в один из известных в настоящее время класс аналитических моделей гетерогенных смесей и предусматривающий циклически повторяющийся последовательный расчет двухкомпонентных потоков: «твердое-газ», «твердое-жидкость». Выявлено принципиальное различие механизмов транспортирования жидкостного и твердого компонентов смеси в восходящем снарядном потоке. Разработан новый численно-аналитический метод расчета параметров многокомпонентного потока, отличающийся от известных учетом замедления транспортирования частиц в газовых снарядах и изменения морфологии ССТ. На основании полученного численно-аналитического метода разработан метод определения размеров ступеней подъемного трубопровода и расходных параметров глубоководного эрлифтного гидроподъема (ГЭГ), обеспечивающих минимальную энергоемкость гидроподъема с учетом динамики твердых частиц при ССТ. Установлено, что замедление подъема либо нисходящее (противоточное) движение твердых частиц, в зависимости от их физико-механических характеристик, в газовых снарядах приводит к аккумуляции частиц на участке ССТ. Для достижения заданной производительности ГЭГ по твердому материалу аккумуляция частиц в снарядном потоке, приводящая к увеличению давления в смесителе, должна компенсироваться рациональными размерами ступеней подъемного трубопровода или повышением требуемого расхода воздуха в случае гидроподъема с подъемным трубопроводом постоянного диаметра. Отсутствие управления параметрами транспортирующей способности снарядного потока в случае подъема крупных и тяжелых частиц, совершающих колебательные (циклические) движения при ССТ вследствие противоточного движения в газовых снарядах, может привести к кризису (срыву) транспортирования твердого материала с последующей забутовкой трубопровода. Установлены закономерности влияния динамики твердых частиц при ССТ на расходные, конструктивные и энергетические параметры ГЭГ. Разработаны алгоритмы, позволяющие прогнозировать угрожающие забутовкой подъемного трубопровода параметры гидроподъема, а также определять граничные значения характеристик транспортирующего потока и твердых частиц. На уровне изобретений разработаны способы управления работой ГЭГ и технические решения для их реализации, повышающие эффективность транспортирования минерального сырья, а также рациональная конструкция смесителя, обеспечивающая повышение транспортирующей способности многокомпонентного потока в подъемном трубопроводе. Разработаны и внедрены методики расчетов параметров эрлифтов с учетом динамики твердых частиц при ССТ и смесителя ГЭГ, а также программно-алгоритмическое обеспечение для их реализации.

Thesis is devoted to substantiation of consumable and design parameters of the deep-water airlifts with the stepped lift pipe that ensure minimization of plant energy intensity, taking into account force interaction of solid particles with completion assembly. The mixture volumetric gas content dependences in length changes of completion assembly and fluid gaps (obstructions) between them are established. A new mathematical tool for calculating the parameters of three-component slug flow is developed; this tool is not included in any of the currently known class of analytic models of heterogeneous mixtures and provides a cyclically repeated sequential calculation of two-component flows: «solid-gas», «solid-liquid». A new numerical-analytical method for calculating the parameters of multicomponent flow is worked out that differs from the known methods as it considers particle transportation slow-down in completion assembly, taking into account morphology changes of the slug flow structure. The regularities of solid particle dynamics influence on the consumable, design and energy parameters of the deep-water hydraulic airlift by the slug flow structure are established. The deep-water hydraulic airlift control methods and the technical solutions for their implementation are worked out, permitting increase of mineral transportation efficiency. The rational design of mixer is developed, providing higher transporting capacity of multicomponent flow in the lift pipe.