Энергетическая характеристика гидроциклона

УДК 621.928

О.Н. Шагарова

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОЦИКЛОНА

Проведен анализ гидродинамики потоков пульпы в гидроциклоне. Составлена математическая модель энергетической характеристики гидроциклона.

Ключевые слова: Гидроциклон, разгрузочное отношение, коэффициент заполнения, энергия потоков пульпы, остаточная энергия.

Гидроциклоны нашли широкое применение для классификации тонко измельченных материалов по крупности в технологических схемах мокрого обогащения полезных ископаемых. Они относятся к классу центробежных аппаратов, где в центробежном поле, создаваемом вращающимся потоком пульпы происходит классификация продукта. Замена гидроциклонами крупногабаритных и металлоемких спиральных классификаторов позволяет улучшить качество разделения твердого вещества в пульпе, увеличить плотность слива, получить продукты разной крупности, которые могут обогащаться раздельно и значительно снизить капитальные затраты при строительстве узлов классификации обогатительных фабрик.

Гидроциклон представляет собой аппарат, в который исходная пульпа подается под давлением через питающий патрубок, установленный тангенсально (рис. 1).

Пески разгружаются через нижнюю песковую насадку; слив происходит через внутренний сливной патрубок. Главной, действующей в гидроциклоне силой, является центробежная сила инерции, возникающая при вращении пульпы благодаря тангенсальной подачи питания и осевой разгрузке продукта.

При вихревом движении жидкости в гидроциклоне образуется два вращающихся потока - внешний, перемещающийся вдоль стенок корпуса вниз к Песковой насадке, и внутренний цилиндрический, направленный вдоль оси к сливному патрубку (рис. 1).

Вблизи геометрической оси гидроциклона центробежная сила становиться настолько большой, что происходит разрыв жидкости - вокруг оси образуется воздушный столб. Диаметр его составляет от 04 до 0,7 диаметра сливного патрубка [1, 2, 3, 4, 5].

Поток жидкости в гидроциклоне имеет явно выраженный турбулентный характер [1,2,3]. Скорость движения жидкости можно разложить на три составляющие: тенгенсальную. V - направленную перпендикулярно радиусу вращения; радиальную V - направленную к оси вдоль радиуса гидроциклона и вертикальную (осевую) VO - направленную вверх (поток сливов) или вниз (поток песков) по оси гидроциклона [2,3].

Т.к. произведение V • R = const, то тангенсальная скорость пульпы Vt увеличивается с уменьшением расстояния от оси, поэтому в гидроциклоне наблюдается резкое возрастание центробежной силы от стенок к оси.

Рис. 1. Распределение потоков пульпы в гидроциклоне

Осевая скорость У0 во внешнем потоке направлена вниз, а во внутреннем -вверх. Наибольшая по абсолютной величине осевая скорость - вблизи сливного патрубка [1,2,3], она уменьшается по направлению к песковой насадке.

Характер изменения радиальных скоростей изучен недостаточно [3].

Абсолютное значение скоростей жидкости зависит от большого числа исходных условий, поэтому попытки аналитического выражения скоростей потока приводит к чрезвычайно сложным уравнениям, дающим лишь качественную характеристику процесса [4, 5, 6].

Частицы твердой фазы пульпы в гидроциклоне распределяются по всему объему аппарата. При этом сохраняется следующая основная закономерность:

плотность пульпы увеличивается в направлении от оси гидроциклона к его стенкам и от сливного патрубка к песко-вому насадку [7,8]. В результате повышения плотности пульпа воздействует на поверхность рабочего диаметра пес-кового насадка почти как твердое тело.

На качественные показатели работы гидроциклонов в технологических схемах обогащения полезных ископаемых оказывают влияние технологические и конструкционные факторы. К первым относятся свойства перерабатываемой пульпы - содержание твердого вещества, его гранулометрический и минералогический состав; ко вторым - форма и геометрический размер гидроциклона, а также размеры питающего и сливного патрубков и пескового насадка.

Оптимальным углом конусности гидроциклона а является угол равный 200 [2]. Разгрузочное отношение, т.е. отношение внутреннего диаметра песко-вого насадка к внутреннему диаметру С

сливного патрубка — является основ-

Сс

ным фактором, определяющим технологические показатели работы гидроциклона. Все другие факторы имеют второстепенное значение [1, 2, 3, 9]. Длина сливного патрубка может оказывать существенное влияние на показатели работы гидроциклона. Чем больше перепад по высоте между концами сливного патрубка, тем больше возрастает его действие как сифона. При большом перепаде может происходить засасывание в слив некоторые части крупных частиц, т.е. снижение эффективности классификации [10].

Все параметры гидроциклонов: выход продукта, объемная производительность, определение параметров аппарата, крупность слива рассчитываются по эмпирическим формулам и носят опытный характер [10, 11].

В настоящее время, несмотря на значительное количество опубликованных работ, процессы, происходящие в гидроциклонах, еще недостаточно изучены. Отсутствует замкнутая методика расчета всех параметров гидроциклона. Погрешности расчета отдельных параметров по отношению к экспериментальным данным зачастую превышают 50% [11].

Однако следует остановиться на том, что даже самый оптимальный расчет технологических показателей расчета гидроциклона зависит прежде всего от его долговечности как аппарата в целом, так и от долговечности его отдельных конструктивных элементов [3, 8, 9]. И в связи с этим следует остановиться на том, что более широкому применению

гидроциклона в технологических схемах обогащения полезных ископаемых, несмотря на все их положительные качества, мешает проблема низкой долговечности, в особенности его проточных частей - пескового насадка, сливного и питающего патрубка, определяющих в большей степени эффективность его работы.

Проведенный выше анализ гидродинамики потоков пульпы в гидроциклонах позволяет сделать следующие выводы:

1. гидроциклон, не имея в конструкции подвижных частей, как аппарат может работать только в том случае, когда объем поступающей в него пульпы, после разделения его на пески и шламы суммарно будет равен объемам, выходящим через сливной патрубок и песко-вый насадок, т.е.

<2в = ^ + <2п

где Qв - объем пульпы, поступающий в гидроциклон через питающий патрубок;

Qc - объем слива; Qп - объем песков.

Качество работы гидроциклона определяется минимальным количеством песков в шламах и шламов в песках. Даже при оптимальной работе аппарата определенной количество шламов уходит через песковый насадок и определенное количество песков qn - через сливной патрубок, поэтому при анализе объемов сливов и песков следует учитывать эти составляющие. На практике они определяются методом взятия проб и их анализа. Попытки теоретически определить эти составляющие в песках и сливе по эмпирическим формулам дают точность результата + 20% от определения методом проб, действующих на практике.[10].

2. Анализируя принцип действия скоростей, действующих в потоке пуль-

пы гидроциклона: тангенсальной V , осевой ¥0 и радиальной V можно сделать вывод, что скорость этих составляющих в сливном патрубке и песковом насадке равна:

Ук = V, + V, + V,,

В то же время, учитывая, что QB = Qc + QП , и определив их объемы исходя из назначения гидроциклона разделять поступающий поток пульпы на жидкую и твердую составляющие: Qж -объем слива и Qт - объем песков исходя

Т

из соотношения — твердой и жидкой

Ж

фаз в пульпе, с учетом качества разделения чж и чт объем, проходящий через сливной патрубок будет равен: Qc = Qж + ЧТ в м , а через песковый насадок ^ = <2т + Чж в м .

Скорости прохождения этих потоков через рабочие сечения сливного патрубка и сливного насадка соответственно будут равняться:

V = Qж + Чт у = + 4ж

5 • К

где 5С - площадь поперечного сечения рабочего диаметра сливного патрубка, м2; Sn - площадь поперечного сечения пескового насадка, м2; К- коэффициент заполнения внутреннего заполнения пескового насадка или сливного патрубка:

к = 5 - 5

£

где £ - площадь сечения соответственно пескового насадка или сливного патрубка,

где d - внутренний диаметр соответственно пескового насадка или сливного патрубка, м; D - диаметр гидроциклона, м.

Методика расчета коэффициента заполнения пульпой сечения внутреннего диаметра пескового насадка и сливного патрубка взяты из работы [9].

Можно предположить, что результирующая скорость Ук трех составляющих V, ,, У0 , Уr соответственно у сливного патрубка и пескового насадка должна быть равна Vc, Vn, т.е. скоростям прохождения потока через сливной патрубок и песковый насадок. Была построена математическая модель расчета энергетической характеристики гидроциклона, как классифицирующего аппарата, указанная на рис.2.

Принцип построения математической модели энергетической характеристики, основан на том, что гидроциклон, как аппарат, выполняющий функцию разделения потока пульпы на ее твердую и жидкую составляющие, получает энергию из вне только через поток пульпы, входящий через питающий патрубок по касательной к внутреннему диаметру цилиндрической части гидроциклона:

V2 •Ё *

Е =-

где Уе - скорость входящего потока, м/с:

V = ^

в £в

где Qв - объем пульпы во входящем по-

м ; 50 - площадь поперечного диаметра токе, м ; - площадь поперечного сече-

воздушного столба, м :

_п- <

5 4 ,

d0 - диаметр воздушного столба, м:

d0 = 0,005 + 0,083 • —,

0 Б

ния питающего патрубка, м2; Ё тк -

1

суммарная масса компонентов пульпы во входящем потоке, кг.

После разделения пульпы в гидроциклоне из него выходят два потока - через сливной патрубок с энергией Ес, и

к

Рис. 2 Математическая модель расчета энергетической характеристики гидроциклона

через песковый насадок с энергией Еп, поэтому энергетический баланс гидроциклона, как аппарата классификации, можно записать в следующем виде:

Е = Е + Е + Е0

е с п 0

где Е0 - энергия, затраченная на внутреннее трение между твердыми частицами потока пульпы при разделении его на пески и шламы, а также на изнашивание рабочих поверхностей гидроциклона. Назовем ее остаточной энергией Еа.

На основании разделения потока пульпы, входящего в гидроциклон, на энергии потоков, выходящих через сливной патрубок и песковый насадок, а также с учетом энергии, затраченной на износ поверхностей гидроциклона, можно составить энергетическую характеристику этого аппарата (рис. 2).

Из энергетической характеристики следует, что чем выше остаточная энергия Ео, тем больше износ рабочих поверхностей гидроциклона и ниже его долговечность.

1. Олевский В.А Конструкция и расчет механических классификаторов и гидроциклонов. М.Г.Н.Т.И., 1960

2. Справочник по обогащению руд. Под ред. Богданова О.С. т.1, М., Недра, 1972.

3. Повышение износостойкости горнообогатительного оборудования. Под ред. Пенкина Н.С., М., 1992.

4. Терновский И.Г., Кутенов АМ, Гидро-циклонирование, М., Наука, 1994, 350 с.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Иванов АА, Кудрявцев Н.А., Суханов Д.Э., Энсекционный эффект в вихревых сеппара-тах. Труды М.Г.У.И.Э., Процессы и аппараты химической и биологической технологий., М., М.Г.У.И.Э., 1998, с. 82-92.

6. Акопов М.Г., Применение гидроциклонов при обогащении углей. Гостоитехиздат, М., 1960.

7. Бостанджанян С.А., Однородные вихревые движения в конусе. Сб. Прикладная математика и механика. Т. XXV, воп. 1 и 3, 1961.

8. Косой Г.М. Исследование процесса обогащения железных и марганцевых руд в тяжелых суспензиях и гидроциклонах. Дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н., Л.Г.И., 1965.

9. Поворов А.И. Гидроциклоны. Госгортех-издат, М., 1961.

10. Айсаутов А.М., Райвич И.Д., закономерности для расчета показателей работы гидроциклона. Труды 2ой международной научнопрактической конференции молодых ученых. Алматы, Каз.Н.Т.У., 2002, с. 630-634.

11. Ходус В., Ярославцев С.В., Методика расчета параметров гидроциклонов и вводношламовых схем гидроциклонных установок. Труды 2ой международной научно-практической конференции молодых ученых. Алматы, Каз.Н.Т.У., 2002.

12. Шагарова О.Н. Влияние минералогического состава сырья на долговечность оборудования

технологических линий обогащения полезных ископаемых / Горное оборудование и электромеханика. 2007. № 1. С. 36-37.

13. Шагарова О.Н. Гидроабразивное изнашивание рабочих поверхностей гидроциклона в зависимости от гранулометрического состава и содержания твердой фазы в перерабатываемой пульпе / Горный информационно-аналитический бюллетень (на-учно-технический журнал) Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal) . 2006. № 4. С. 230-23l.

14. Шахова К.И., Шагарова О.Н. Получение качественных кварцевых песков при обработке импульсным магнитным полем // Горный инфор-мационно-аналити-ческий бюллетень (научнотехнический журнал) Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal) . 2005. №7. C. 282-285. И

— Коротко об авторе ---------------------------

Шагарова О.Н. -доцент, кандидат технических наук. Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

A

--------------------------------------------------------- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Ващенков В. С., Тверской государственный технический университет

ЛОКАЛЬНЫЙ РЕМОНТ АВТОМОБИЛЕЙ (776/10-10 от 23.07.10) 107 с.

Эффективность проведения ремонта горных машин определяется технологическими приемами, обеспечиваемыми силовым стапельным оборудованием с комплектами адаптеров для захвата автомобилей, рихтовочными стендами, электронной диагональной измерительной системой.

В работе дано системное представление о технологии отечественного и зарубежного опыта локального ремонта горных машин, предназначена для инженерных авторемонтных служб и студентов технических специальностей.

Ключевые слова: кузова, рихтовка, выколотка, технология, оснастка.

Vashenkov V.S.

LOCAL REPAIR OF MINING EQUIPMEN

Effect of repair of mining equipment is determined by technological methods, which are ensured by force staple devices and adapter complexes for cars and electronic measure system.

In text-book is exposed technology of home andforeign experience of local repair of mining equipment and is proposedfor engineering car repairing firms and students of technical specialities.