Аналитическая оценка и систематизация загрузочных аппаратов камерного типа

© А.Л. Вильмис, 2015

УЛК 621.867.74 А.Л. Вильмис

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ЗАГРУЗОЧНЫХ АППАРАТОВ КАМЕРНОГО ТИПА

Приведена систематизация загрузочных аппаратов по основному отличительному признаку-способу разгрузки гидросмеси в транспортный трубопровод. Рассматриваются конструктивные схемы различных типов загрузочных аппаратов, их технологические параметры; анализируются недостатки. Представлена схема загрузочного аппарата с использованием кинетической энергии коаксиально закрученных потоков, позволяющая интенсифицировать и стабилизировать процесс подачи высоконасыщенной пульпы (35% по объему).

Ключевые слова: напорный трубопровод, установки, загрузочный аппарат, спутные и закрученные струи, формирование, гидросмесь, камерный питатель, гидротранспортирование, объемная концентрация.

Главным фактором, обеспечивающим формирование устойчивой и высоконасыщенной гидросмеси в загрузочных аппаратах является способ разгрузки камер, определяющий подачу (загрузку) твердого материала в транспортный трубопровод.

На рис. 1 показана, проведенная нами, систематизация способов пульпоприготовления в камерных питателях по гидродинамическим условиям разгрузки гидросмеси.

Гравитационная разгрузка

Данный способ (рис. 1.1, а) реализован в установке АЗВ-2 с производительностью по гидросмеси 300^400 м3/ч при объемной концентрации 1:6,5^1:9.

Загрузка по схеме рис. 5.1, б. осуществлена в установке АЗВ-25 с производительностью по гидросмеси 450^550 м3/ч при объемной концентрации 1:4^1:5.

В отличие от первой схемы камера в нижней части переходит в смеситель, выполненный в форме конфузора, изогнутого по кривой, близкой к параболе. Смеситель сопряжен с водоводом под углом 45°. В месте сопряжения имеется отражатель как продолжение донной части камеры.

1. Гравитационный:

а) непосредственно в напорный трубопровод; б) через смесительную камеру; в) при помощи механических побудителей; г) гидродинамика гравитационной разгрузки.

2. Струйный:

а) в восходящем и б) в нисходящем потоках; в) с распылением жидкости через коническую насадку; г) гидродинамика струйной разгрузки.

3. Фильтрационный:

а) фильтрационный с ограждающей трубой и телескопическим всасом (б);

4. С использованием закрученного потока жидкости:

а) за счет тангенциального подвода у плоского дна камеры; б) за счет тангенциального подвода и винтовой перегородки.

5. а) с использованием коаксиальных закрученных потоков.

Исследование схемы (рис. 1.1, а.) на модели показало, что

плотность гидросмеси рсм в трубопроводе уменьшалась при увеличении скорости и при V — 2 м/с средняя за цикл составила 1150 кг/м .

Известны недостатки гравитационной загрузки: образование сводов у отверстия, пульсация гидросмеси с получением неравномерной концентрации. Гидродинамическое несовершенство такой загрузки обусловлено односторонним подводом материала к потоку жидкости в трубе. Твердый материал I опускается в поток жидкости 3 под действием гравитационной силы (рис. 1.1, г). На поверхности раздела 2 создается спутное движение гидросмеси с профилем скорости 4. Более благоприятные условия для ввода твердого материала в напорный трубопровод создаются в пристенной зоне 7, где вследствие торможения жидкости у стенки уменьшается гидростатическая сила, действующая на твердые частицы. Увеличение скорости жидкости нецелесообразно, так как ведет к уменьшению величины вертикального перемещения частицы (X), а также площади сегмента (Б) трубопровода, загружаемого твердым материалом и как следствие плотности формируемой гидросмеси.

Увеличение скорости ввода твердого в напорный трубопровод позволяет повысить производительность установки, но это связано с дополнительными затратами энергии на разгрузку камеры.

С точки зрения оптимизации размеров устройства загрузки более благоприятна схема рис. 1.1, б. Посредством наклона напорного трубопровода на угол Q = 45° уменьшена скорость Vl=Vвхcos Q, где \/вх - скорость на входе. Путем плавного сопряжения стенки камеры и трубопровода увеличено расстояние 1. Это позволило повысить время смешения, плотность гидросмеси рсм и в конечном итоге производительность установки по твердому с 67 м3/ч для АЗВ-2 до 120—150 м3/ч в АЗВ-25.

Из анализа гидродинамики гравитационной загрузки трубопровода следует, что эффективным способом её интенсификации является увеличение скорости загрузки твердого материала V0 что и использовано в польском питателе ГИГ-3. Принципиальная схема аппарата показана на рис. 1.1, в. Применение шнека, установленного перед отверстием для ввода твердого в напорный трубопровод, позволило регулировать скорость V0 изменением числа оборотов и тем самым воздействовать на формирование плотности смеси. Кроме того, использование механических побудителей в виде шнека, ротора или другого рабочего органа исключает образование сводов у отверстия ввода твердого в трубопровод и повышает гидродинамическую устойчивость загрузки.

Согласно данным производительность по твердому в сравнении с АЗВ-2 при одинаковых рабочих напорах возросла до 180 м3/ч с большей плотностью смеси (объемная концентрация 1:4).

Недостатками формирования гидросмеси с механическими побудителями являются износ рабочего органа и выход установки из строя в случае его поломки, что снижает степень надежности аппарата в целом.

Струйная разгрузка

Формирование гидросмеси путем одностороннего ввода твердого в напорный трубопровод как недостаток гравитационной загрузки устраняется в устройствах, устанавливаемых непосредственно в камере.

На рис. 1.2, а и б показаны две принципиальные схемы такой загрузки, отличающиеся направлением движения жидкости с восходящим и нисходящим потоками. Первая исследовалась в ИГД им. Скочинского и в институте «Проектгидромеха-низация» с различными материалами: углем, песком, некото-

рыми породами и рудами различной плотности и крупности. Формирование гидросмеси отличалось гидродинамической устойчивостью, высокой (до 1:2 по объему) и регулируемой концентрацией твердого в смеси. Осуществлена такая загрузка в шлюзовом аппарате института Гидропроект с производительностью по твердому 300 м3/ч при объемной концентрации 1:4,5 ^ 1:10 и рабочем напоре 1,0 МПа. Впервые испытана на опытном участке строительства Нурекской ГЭС.

Разгрузка гидросмеси по схеме рис. 1.2, а предусматривает псевдоожижение потоком воды, подаваемым на замещение породы в камере, другая её часть поступает вместе с твердым в напорный трубопровод. Возможно управление расходами и плотностью посредством изменения расстояния 1 между торцами водоводного и разгрузочного патрубков. Очевидно, что минимальная скорость воды должна быть не ниже скорости осаждения частицы в потоке.

Схема загрузки рис. 1.2, б нисходящим потоком была разработана и экспериментально проверена в лабораторных условиях института Днепрогипрошахт и применена в проекте питателя ПСГ-1, который в промышленных условиях не проверялся. Здесь также можно управлять плотностью смеси изменением расстояния между патрубками.

Из приведенных схем следует, что формирование гидросмеси осуществляется равномерным подводом твердого по периметру трубопровода.

Известна разновидность струйной загрузки с расположением патрубков в нише шлюзовой камеры (рис. 1.2, а) с некоторым снижением плотности гидросмеси (рсм = 1170 кг/м3) в напорном трубопроводе, так как материал поступает в трубопровод только со стороны камеры, противоположная сторона струи, обращенная к стенке, остается незагруженной, что и влияет на особенности псевдоожижения.

Исследования С.А. Коржаева на лабораторной установке позволили выявить основные характеристики формирования гидросмеси восходящим потоком. При диаметре твердых частиц вср = 2,6 мм максимальные значения. При увеличении расстояния между патрубками рп достигало некоторого предельного значения и в дальнейшем не изменялось. Повышение скорости жидкости по опытам [3] позволяло увеличивать значение рп. Для диаметров частиц до 22 мм и при росте скоростей от

0,5 м/с до 2,0 м/с объемная масса гидросмеси снизилась на 8% независимо от расстояния 1/6. Для мелкозернистого материала с 6ср = 0,35 мм при 1/6 = 1,5 и применении раструба на входе в трубопровод получена консистенция равная 1:3, но при 6ср= 2,6 мм значение рп не превышало 1400 кг/м3. В опытах В.П.Дахтина, В.Н.Кочеткова при сравнительных испытаниях нескольких способов разгрузки камер на песчано-гравийном материале средняя плотность гидросмеси составила только 1240 кг/м3 при V = 2,0 м/с (рис. 1.3, б).

По нашему мнению, прекращение роста плотности гидросмеси при увеличении расстояния между торцами водоводного и разгрузочного патрубков объясняется тем, что присоединяемая к струе масса твердых частиц движется во внешней части слоя смешения Бн (рис. 1.2, г).

Влияние размеров твердых частиц на взвешивание в потоке известно [4] и объясняется макроструктурой слоя смешения сред с образованием вихрей.

Максимальная концентрация наблюдается там, где динамическое давление за счет поперечных пульсаций скорости компенсируется пульсациями частиц.

Итак, использование струи жидкости для формирования гидросмеси не позволяет в достаточной степени интенсифицировать разгрузку из-за ограниченных возможностей управления параметрами слоя смешения сред. При принудительной подаче загружаемой смеси в струю созданием, например, давления в камере неизбежно сжатие струи, которое будет сопровождаться уменьшением толщины слоя смешения. При этом возможно нарушение устойчивости подачи из-за значительной зависимости её от давления и взаимодействия частиц в камере.

Применение нисходящего потока по схеме рис. 1.2, б не дает преимуществ по механизму перемешивания. В то же время нам представляется, что движение периферийной части струи у стенок камеры в отличие от схемы с восходящим потоком ухудшает разжижение твердого материала у границы раздела сред и, как следствие, будет сопровождаться снижением производительности по твердому.

В [2] предложен камерный загрузочный питатель (рис. 1.2, в), в котором на торце подвижной трубы I установлена полая коническая насадка 2 с тангенциально расположенными на конической поверхности щелями 3, предусматривающие ввод

жидкости по касательной и вращение смеси. Однако, по нашему мнению, распыливание жидкости из плоских щелей, несмотря на смешение сред с образованием вихрей, вызывает значительные повышенные потери энергии по сравнению с рассмотренными устройствами разгрузки.

Фильтрационная разгрузка

В настоящее время имеющиеся в литературе данные не позволяют с достаточной полнотой оценить гидродинамику и обоснованно для конкретных горнотехнических условий выбрать способ разгрузки гидросмеси в камерном питателе. Поэтому представляют интерес результаты сравнительных испытаний, выполненных в одинаковых лабораторных условиях для пяти типов разгрузочных устройств: гравитационного, струйного с восходящей разгрузкой в камере и в нише, фильтрационного, с применением закрученного потока жидкости у плоского дна камеры (рис. 1).

Гидродинамическая схема разгрузки с подачей жидкости через горную массу изучалась на гравийно-песчаном материале крупностью — 20 + 2,5 мм с содержанием 78,5% и фракций < 2,5 мм - 21,5% /76/. Как видно из графиков наиболее высокую плотность гидросмеси обеспечивают схемы на рис. 1.3, а и 1.3, б. При способе разгрузки на рис.1.3, а жидкость фильтруется через твердые частицы пород ко дну камеры, в результате формируется гидросмесь, которая поступает в трубопровод. В опытах при скорости V = 2,0 м/с достигнута средняя плотность гидросмеси, равная 1270 кг/м3. При уменьшении значений V удельный объем смеси возрастал; по мере повышения скорости во всасывающем патрубке увеличивается продолжительность заключительной стадии операции, что и приводит к снижению плотности гидросмеси (рис. 1.3, д).

Более совершенная схема такой разгрузки приведена в работе и показана на рис. 1.3, б. В основу её положен принцип работы всаса землесоса в зумпфе. За счет использования ограждающей трубы рабочая камера делится на центральную и периферийную зоны, сообщающиеся в верхней и нижней частях. В верхнюю полость подается вода, которая фильтруется через горную массу к всасывающему трубопроводу. В центральной зоне, имеющей меньшее гидравлическое сопротивление, твердый материал вырабатывается в начальной стадии за-

грузки, а затем в нижнюю часть камеры опускается горная масса из периферийной зоны. Таким образом, фильтрационная загрузка сменяется всасыванием с открытой поверхности, то есть в установке осуществлена двухстадийная разгрузка.

Проведенные исследования на лабораторной установке с камерой Ок= 500 мм при диаметрах ограждающей трубы О = 200, 120 мм, а всасывающей - 50 мм, показали, что повышенная плотность гидросмеси обеспечивается при меньшем значении О. Как и следовало ожидать, опускание всасывающей трубы на расстояние от 0 до 200 ми сопровождалось увеличением значений плотности песчано-гравийной гидросмеси до 1400 кг/м3. Однако, при разгрузке полидисперсного материала с мелкодисперсными частицами неизбежна сепарация частиц по поверхности равных скоростей с вымыванием более мелких и кольматация ими пор твердого материала. В этом случае повышается вероятность образования сводов у входного отверстия и операция разгрузки характеризуется повышенной удельной энергоемкостью устройства.

Исследования, проводившиеся в Российском государственном геологоразведочном университете позволили разработать новую конструкцию загрузочного аппарата для гидротранспортирования твердых полезных ископаемых рис. 1.5. а, лишенную приведенных выше недостатков, основанную на использовании кинетической энергии жидкостных или газожидкостных струй (эффекта искусственного смерча).

Новизна их подтверждена патентами России, США, Франции, Германии, Австралии, Финляндии, Японии, Индии. Конструкции прошли опытно-промышленные испытания на горнообогатительных предприятиях России, Украины, а также опытные в Шотландии и ЮАР.

Гидротранспортные аппараты эффективно формируют высоконасыщенную пульпу и подают ее по вертикальным и горизонтальным трубопроводам на различные расстояния, одновременно могут осуществлять классификацию разнородных пород [1]. Эти аппараты позволяют:

- формировать высоконасыщенную пульпу (35% по объему), т.е. сократить удельный расход воды на транспортирование более чем в 2,5^3 раза, тем самым значительно уменьшить энергоёмкость процесса;

- увеличить в 2,5^3 раза дальность транспортирования концентрированной гидросмеси (~ 8 км на 1 агрегат); что резко снижает многоступенчатость (по сравнению с грунтонасоса-ми) и поэтому повышает надежность работы всей гидротранспортной системы, и соответственно снижает эксплуатационные расходы;

- исключить абразивный износ движущихся частей трубопроводного оборудования, так как движителем является не грунтовой насос, а водяной насос, что позволяет снизить металлоёмкость процесса транспортирования;

- значительно уменьшить переизмельчение транспортируемых минеральных частиц, что характерно для грунтовых центробежных насосов при прохождении твердого материала через проточные каналы;

- транспортировать куски твердого материала увеличенного размера, который, в отличие от грунтонасосов, определяется не проходным сечением проточных каналов, а диаметром транспортного трубопровода (пульпопровода);

- повысить стабильность подачи гидросмеси на обогатительные аппараты, что способствует повышению извлечения ценных компонентов при переработке их на обогатительных фабриках.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент РФ № 2055642 от 10.03.96. Устройство для классификации и обогащения полезных ископаемых. Дробаденко В П., Малухин Н.Г.

2. Боршевский Ю.Т. Теория одно- и двухфазного турбулентного пограничного слоя. - Киев. «Выща школа», 1975 г., 192 с.

3. Коржаев С.А. Движение водогрунтовых смесей. М., Наука, 1967г.,

91 с.

4. Контуэлл Б.Дж. Организация движения в турбулентных потоках. (В сб. «Вихри и волны» — М., Мир, 1984 г., с.9-79. [ТТШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Вильмис Александр Леонидович - кандидат технических наук, доцент, Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе (МГРИ-РГГРУ), e-mail: office@mgri-rggru.ru

UDC 621.867.74

ANALYTICAL EVALUATION AND SYSTEMATIZATION OF CHAMBER-TYPE FEEDING AGGREGATES

Vilmis A.L. - Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Russian State Geological Prospecting University, Russia.

The article offers systemization of feeding aggregates based on the specific feature of slurry feed in the transmission pipeline. Under discussion are construction diagrams of various type feeding aggregates, their technological parameters and shortcomings. The author presents the construction diagram of a feeding aggregate using kinetic energy of coaxial swirl flows, which allows intensifying and balancing the feed of high-saturated slurry (35 % in volume).

Key words: head pipeline, facilities, feeding aggregate, concurrent and swirl flows, formation, slurry, chamber-type feeder, hydraulic transport, bulk concentration.

REFERENCES

1. Patent RF No 2055642 ot 10.03.96. Ustrojstvo dlja klassifikacii i obogashhenija poleznyh iskopaemyh. Drobadenko V P., Maluhin N.G.

2. Borshhevskij Ju.T. Teorija odno- i dvuhfaznogo turbulentnogo pogranichnogo sloja (Theory of one - and two-phase turbulent boundary layer). Kiev. «Vyshha shkola», 1975., 192 p.

3. Korzhaev S.A. Dvizhenie vodogruntovyh smesej (Movement vodoroslevyh mixtures). Moscow, Nauka, 1967, 91 p.

4. Kontujell B.Dzh. Organizacija dvizhenija v turbulentnyh potokah (Organization of motion in turbulent flows). (V sb. «Vihri i volny»). Moscow, Mir, 1984, pp.9-79.