ГИДРОТРАНСПОРТ ПО ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ЧАСТИЧНО ЗАИЛЕННЫМ ТРУБАМ
Основные положения проблемы
Теоретические и экспериментальные исследования гидротранспорта позволили установить следующее:
а) наиболее насыщенной твердыми частицами является нижняя, придонная область взвесенесущего потока; песчаный грунт при обычных условиях гидротранспорта редко поднимается выше оси трубы, а наибольшая масса его движется в слое высотой от дна, равной примерно 7з диаметра трубы;
б) верхняя часть горизонтального трубопровода занята водой, несущей мелкие глинистые и пылеватые частицы. При транспортировании промытого песка в верхних слоях потока движется чистая вода;
в) ввиду сосредоточения твердых абразивных частиц в нижних слоях потока дно трубы быстро изнашивается. В течение одного сезона работы трубы приходится трижды поворачивать на угол около 120°, чтобы продлить срок их службы.
Таким образом, возникла мысль организовать гидравлический транспорт с учетом вышеприведенных факторов. Первому и второму фактором удовлетворяет, в частности, эллиптическая форма сечения трубопровода с горизонтальной большой осью эллипса. В таком трубопроводе в слое высокой консистенции над дном может перемещаться больше грунта, чем в слое такой же толщины в круглом трубопроводе. Кроме того, относительно будет уменьшена область, не насыщенная твердым материалом, а турбулентное перемешивание в эллиптическом потоке будет интенсивнее, чем в круглом потоке того же расхода. Следовательно, транспортирующая способность эллиптического трубопровода должна быть больше, чем круглого. Однако эллиптическая форма сечения трубопровода не предохраняет дно от износа, т. е. третий из приведенных выше факторов не удовлетворяется.
Гидротранспорт по круглым горизонтальным трубам с частичным заилением трубопровода приближается к гидротранспорту по эллиптическим трубам, причем слой отложений на дне предохраняет трубы от износа в этой части. Специальные исследования, проведенные Т. Д. Калининой, показали, что наивыгоднейшим можно считать заиление, которое составляет 10—15% диаметра трубы по высоте.
Исследования гидротранспорта по эллиптическим трубам показали, что экономия энергии при гидротранспорте по таким трубам (с соотношением осей горизонтальной к вертикальной, равным 1,4) составляет 20—40% по сравнению с транспортированием того же грунта при тех же условиях в круглой трубе, которая имеет такую же площадь живого сечения. По данным этих исследований установлено, что значение критической скорости в эллиптической трубе составляет 0,9 значения критической скорости в круглой трубе (такой же площади живого сечения).
Частичное заиление трубопроводов может оыть предусмотрено при проектировании гидротранспортной установки, поэтому необходимо производить расчет гидротранспорта по частично заиленным трубам. В то же время неправильно выполненный расчет гидротранспортной установки при незаиленном режиме может быть причиной того, что при некоторых условиях, например, при значительном повышении консистенции гидросмеси, разработке более/ крупнозернистой породы или породы большей плотности, против предусмотренной проектом, трубопровод может оказаться частично заиленным. В результате при таком заилении образуется пробка или закупорка трубопровода.
При расчете гидротранспорта с частичным заилением можно заменить толстостенные трубы, которые обычно применяют на гидротранспорте, тонкостенными, так как понижается интенсивность износа при заилении. Эти трубы могут быть местного производства, изготовленные вальцеванием стальных листов и сваркой в мастерских данного объекта гидромеханизации.
При транспортировании однородного материала слой заиления в трубопроводе может служить стабилизатором значения консистенции при кратковременных колебаниях ее в области всасывания гидросмеси. При транспортировании хвостов (отходов обогатительных фабрик) слой заиления может оказаться сборником для более тяжелых металлических частиц, что явится способом дополнительного улавливания полезного металла или материала.
Генезис тела заиления
Слой твердого материала, откладывающегося на дне трубопровода при гидротранспорте, принято называть телом заиления. Началом образования тела заиления следует считать момент осаждения первых частиц на дно потока при некотором значении скорости движения гидросмеси. Раньше эта скорость была названа критической для данных характеристик потока. Эта первая критическая скорость, или скорость начала заиления, будет несколько меньше скорости трогания частиц, так как для того, чтобы осевшая частица вновь начала двигаться, необходимо скорость потока несколько увеличить. Если же после оседания первых частиц продолжать уменьшать расход гидросмеси по трубопроводу, поддерживая, однако, консистенцию гидросмеси неизменной, то на дно трубы будут оседать все новые и новые твердые частицы из потока, толщина слоя заиления будет увеличиваться, а живое сечение трубопровода уменьшаться. Поскольку при этом уменьшается и расход гидросмеси, то изменение скорости в слое над заилением будет незначительным.
В зависимости от характеристик потока и наносов, а также от интенсивности введения наносов в трубопровод возможны следующие формы образования тела заиления:
1) постепенный рост тела заиления в высоту по всей длине трубопровода;
2) продвижение тела заиления от головы к концу трубопровода;
3) волновое движение твердого диспергированного материала, переходящее в стационарный слой заиления.
Область существования волнового режима движения твердой составляющей гидросмеси в гидротранспортных системах
При рассмотрении кинематической структуры взвесеяесущего потока было высказано мнение, что благодаря наличию в потоках гидросмеси регулярно следующих друг за другом крупных вальцов с горизонтальной осью, перпендикулярной к направлению средней скорости движения потока, твердые частицы при некоторых диапазонах значений средней скорости потока, консистенции гидросмеси, крупности и плотности твердого материала образуют так называемые «облака мутности», т. е. твердая составляющая гидросмеси неравномерно распределяется по длине потока и поток представляет чередование областей, насыщенных твердыми частицами и лишенных их совершенно. Также указывалось, что при значительном увеличении средней скорости движения потока можно достичь сравнительно равномерного распределения твердого материала по длине и высоте потока.
При уменьшении средней скорости потока до значения, близкого к критическому, твердые частицы, являющиеся «основанием» «облаков мутности», будут задерживаться на дне потока и гонимые потоком по дну трубы дадут начало образованию волн твердого материала. Твердые частицы с «наветренной» стороны будут накатываться по пологому откосу волны и, достигнув вершины, сваливаться в «подвалье» подветренной стороны волны. Уклон этого откоса более.крутой, чем уклон откоса с «наветренной» стороны, и угол его будет равен углу трения данного твердого материала в воде. Смыв твердых частиц с одной стороны волны и перенос их на другую сторону создает видимость движения волн твердого материала (например, песчаных волн), которые медленно со скоростью нескольких сантиметров (или долей одного сантиметра) в секунду перемещаются вниз по течению потока.
Гряды твердого материала могут образовываться на незаиленном дне потока, но могут возникать и перемещаться по стационарному слою заиления. Опытами установлено, что волновое движение песчаного грунта происходит в сравнительно небольшом диапазоне средних скоростей (в м/с): для мелкозернистого песка при скоростях 1—2, для среднезернистого — 1,2—2,5 и для крупнозернистого — 1,5—3 и при сравнительно небольших отношениях
Характер песчаных волн на дне напорного потока при гидротранспорте изображен на рис. 125 по действительным замерам в трубе D = 450 мм при средней скорости потока и — 2,5 м/с и консистенции s=0,2. Наличие волн на дне напорного потока обусловливает существование неравномерного и неустано- вившегося движения гидросмеси. Вследствие неравномерности движения наблюдаются дополнительные инерционные потери напора, поэтому в области волнового режима имеется местное повышение потерь напора «горбы» на кривых. Таким образом, при производственном гидротранспорте не следует .допускать возникновения таких режимов.
В том случае, если нет оснований считаться с износом труб, гидротранспорт допустим при скоростях несколько выше критической. Чтобы сохранить трубы от износа частичным заилением, необходимо создавать слой заиления высотой 10—15% диаметра трубы, причем этому заилению будет соответствовать минимум потерь напора.
Точки критических режимов будут находиться несколько правее значений этих экономически выгодных скоростей как показано на рис. 127.
Порядок расчета напорного гидротранспорта при частичном заилении трубопровода
В гидравлике открытых русл и в расчетах труб, по которым течет жидкость, неполностью заполняющая их сечение, т. е. со свободной поверхностью, основной расчетной зависимостью является формула
Формулу Шези при соответствующем: выражении коэффициента С можно применять и для напорных потоков произвольной формы живого сечения (имеется в виду равномерное, квазиустановившееся течение).
Установлено, что значение скорости гидросмеси в цилиндрических (круглых) трубах при наличии слоя заиления незначительно отличается от критической скорости движения гидросмеси тех же параметров (консистенция, состав грунтоматериала). Незначительная разница в значениях этих скоростей объясняется влиянием изменения формы живого сечения за счет появившегося слоя заиления и за счет изменения шероховатости стенок русла, а именно по поверхности слоя заиления.
Поскольку при гидротранспорте высота слоя заиления должна быть не больше D, то это различие оказывается незначительным.
Расчет частично заиленных труб можно выполнить в следующей последовательности.
В выбранной формуле критической скорости, например
Местные потери определяются, как было указано ранее.
Потери на прямых участках можно определять, согласно приведенным ранее указаниям или по формуле
По найденным расходу Q и напору Н подбирают землесос, причем рабочая точка характеристики не должна находиться на пологой части кривой Q — Н землесоса.
Удельные потери при гидротранспорте по частично заиленным трубам рекомендуется определять по следующей формуле:
А. С. Стариков провел исследования гидротранспорта песчаных грунтов в лабораторных условиях и при производстве дноуглубительных работ землесосными снарядами. Он определил, что при гидротранспорте со слоем осадка грунта в трубах расход гидросмеси Q связан с высотой слоя заиления Язаил следующей зависимостью:
Эта формула справедлива при заилении порядка.
Среднюю скорость гидросмеси в живом сечении трубопровода (над слоем заиления) вычисляют по следующей формуле: