CC BY
55
УДК 556.536
Л.В. Волгина, В.К. Тарасов, Т.В. Зоммер
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ТРАНСПОРТИРОВКА ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ В ПОТОКАХ СО СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ВОДЫ
Расчет необходимого уклона открытого прямоугольного канала для транспортировки твердых частиц, отличающихся от шарообразной формы. При изготовлении стеклянной тары на этапе формования образуются отходы стекольной массы разнообразной формы. Поскольку гранулы являются вторичным сырьем для приготовления стекла, их можно загружать обратно в печь. На данном этапе возникает задача транспортировки стеклянного боя по галерее до самой печи.
Метод доставки гранул стекла посредством транспортерной ленты, приводящейся в движение электрическим двигателем, влечет за собой удорожание стеклотары. Гораздо более дешевым методом является безнапорный гидротранспорт. При безнапорном (самотечном) гидротранспорте перемещение потока смеси воды и частиц стекла происходит под действием силы тяжести за счет разности отметок начальной и конечной точек транспортирования. В связи с этим возникает практическая задача определения необходимого уклона дна открытого прямоугольного канала для транспортировки гранул стекла. Для решения актуальной задачи необходимо определить основные гидравлические характеристики двухфазного потока: потери напора и критическую скорость. На первом этапе расчет производится по формуле Шези.
В качестве преимуществ применяемого безнапорного гидротранспорта можно отметить малые затраты на эксплуатацию. Основным недостатком при безнапорном гидротранспорте остается необходимость устанавливать значительную разность отметок. В результате исследования разработаны рекомендации для транспортировки многофракционного материала на примере частиц технологического стекольного боя.
Ключевые слова: твердые частицы, двухфазный поток, технологический стекольный бой, уклон, открытый канал, критическая скорость, гидротранспорт, гидравлическая крупность, коэффициент Шези.
Современная технология производства стеклянной тары содержит этап формования, на котором происходит образование отходов стекольной массы. В результате слива стекольной массы из печи при температуре 1150...1350 °С в холодную воду (порядка 15...18 °С) происходит процесс образования гранул стекла. По существующей технологии слив осуществляется в емкость отстойника, расположенного под стекловаренной печью. Поскольку образованный в процессе грануляции стекольный бой является частью сырьевого компонента для приготовления стекла, его можно отправлять в цех для складирования сырья или сразу же загружать обратно в печь.
На данном этапе возникает задача транспортировки стеклянного боя по галерее до самой печи. Существующий метод доставки стеклянного боя посредством транспортерной ленты, приводящейся в движение электрическим двигателем, влечет за собой удорожание стеклотары. Гораздо более дешевым методом является безнапорный гидротранспорт стеклянного технологического боя. В связи с этим возникает практическая задача определения необходимого уклона дна открытого прямоугольного канала для транспортировки гранул стекла на заданные расстояния. Для решения указанных задач необходимо определить основные гидравлические характеристики двухфазного потока. К таким характеристикам относятся: потери напора и критическая скорость двухфазного потока.
Лабораторные исследования гранулометрического состава были проведены в 2011 г. на действующем заводе по производству стеклянной тары, расположенном в
ВЕСТНИК
9/2012
Тульской области. Выявленные на основе нескольких проб характеристики твердых частиц, попадающих в транспортную галерею, условно можно разделить на три большие группы (фракции 1—3), указанные в табл. 1.
Табл. 1. Результаты лабораторных исследований гранулометрического состава
Условное название фракций
Характеристики Гранулы стекольного боя, поступающего непосредственно из печи, фр. 1 Гранулы стекольного боя, поступающего после формования продукции, фр. 2 Относительно мелкие частицы стекольного боя, фр. 3
Процентное соотношение фракции в пробах твердого материала Р, % 2,72 6,86 90,41
Крупность твердых частиц й, мм 4,76 17,97 6
Средняя гидравлическая крупность фракции та, м/с 0,3 0,5 0,3
Форма транспортируемых твердых частиц и состояние их поверхности оказывают влияние на процессы начала движения и переноса, которые невозможно учесть с помощью однозначных количественных характеристик. В расчетных зависимостях эти характеристики учитываются опосредованно или с введением поправочных коэффициентов.
Так, например, в полученной экспериментально формуле Руби [1] гидравлическая крупность та определяется в зависимости от поправочного коэффициента Е, учитывающего форму частицы на основе экспериментов, проведенных в лаборатории кафедры гидравлики МГСУ [2]
Р1 - Р
Л
36ц2
6р Р<5? '
(1)
где й — размер частиц; р, р1 — плотности воды и твердых частиц соответственно; д — коэффициент вязкости среды.
Расчетная задача определения уклона дна открытого канала для транспортировки частиц стекольного боя в стекловаренную печь может быть сформулирована следующим образом: при каком уклоне дна открытого прямоугольного канала с заданным постоянным поперечным сечением будет происходить движение в потоке со средней скоростью, равной критической скорости двухфазного потока, при которой частицы стекла будут перемещаться водным потоком?
Расчет угла наклона канала производился при критической скорости двухфазного потока, необходимой для транспортирования частиц стеклянного боя. Исходными данными для расчетов являлись площадь живого сечения потока 1,4 м2 и длина канала 70 м (рис. 1).
При этом критическую скорость вычисляли по формуле
и = В4-9
кр УГгу
(2)
та
где Ег =--критерий Фруда; та — гидравлическая крупность транспортируемых
частиц;
— критерий Архимеда; В — коэффициент для гранул транспорти-
Р
1В
Р
Рис. 1. Транспортная галерея под стекловаренной печью
руемого материала, выведенный на основе произведенных в заводской лаборатории опытов и равный 3,85.
Для надежного транспортирования найденную критическую скорость необходимо умножить на коэффициент надежности Кн = 1,1...1,3 [2, 3].
Далее определяем уклоны, соответствующие скоростям ин и икр. Поскольку расход твердых частиц не задан, производим расчеты исходя из примерного диапазона производительности гранул стекольного боя 80...150 м3/ч.
При безнапорном (самотечном) гидротранспортировании перемещение потока гидросмеси (смеси воды и частиц стекла) происходит под действием силы тяжести за счет разности отметок начальной и конечной точек транспортирования.
На первом этапе производится расчет по формуле Шези [4, 5]
Q = uw = ш Сл/Ri, (3)
где Q — расход воды, м3/с; и — средняя скорость движения воды, м/с; ш — площадь
живого сечения потока, м2; R — гидравлический радиус R = ш/%, м; % — смоченный
периметр, м; i — гидравлический уклон (потери напора на единицу длины потока) для равномерного движения равен уклону дна потока; C — коэффициент Шези, величина которого определяется по формуле академика Н.Н. Павловского
С = I Ry,
n
при этом y = f (R; n) можно принять y =1; n — определяемый по таблицам Павловс-
6
кого коэффициент шероховатости поверхности для металлических лотков принимается равным 0,0118.
Табличные значения коэффициентов шероховатости необходимо скорректировать сообразно конкретным условиям. Например, плохо выполненные стыки секций увеличивают коэффициент шероховатости. С течением времени коэффициент шероховатости изменяется, так, например, для металлических поверхностей он уменьшается на 10.15 %.
Необходимый уклон дна канала находится по формуле для двухфазного потока
гидросмеси u 2
(4)
Ci R
где ин — критическая скорость двухфазного потока с запасом энергии; Ссм — ко -эффициент Шези для гидросмеси, определяемый в зависимости от соотношения
(Усм -Уо)/Уо [6], при этом Ссм = 0,4С0 = 22,96, где С0 — коэффициент Шези для воды.
Произведенные расчеты для трех указанных фракций приведены в табл. 2—4.
ВЕСТНИК
9/2012
Табл. 2. Расчет величины уклона для диаметров частиц фракции 1
О м3/ч ^тв, Соотношение Qтв/Qо, б/р у , т/м3 ' см' и , м/с и , м/с и' I, б/р
80 0,100 1,15 3,09 3,71 0,026
90 0,111 1,17 3,12 3,75 0,027
100 0,125 1,18 3,16 3,79 0,027
110 0,143 1,21 3,19 3,83 0,028
120 0,167 1,24 3,23 3,88 0,029
130 0,200 1,28 3,28 3,94 0,029
140 0,250 1,33 3,33 4,00 0,030
150 0,333 1,41 3,39 4,07 0,031
Табл. 3. Расчет величины уклона для диаметров частиц фракции 2
Отв, м3/ч тв, Соотношение Qтв/Qо, б/р у , т/м3 см и , м/с кр' и , м/с н' I, б/р
80 0,100 1,15 2,92 3,50 0,023
90 0,111 1,17 2,95 3,54 0,024
100 0,125 1,18 2,98 3,58 0,024
110 0,143 1,21 3,01 3,62 0,025
120 0,167 1,24 3,05 3,66 0,025
130 0,200 1,28 3,10 3,71 0,026
140 0,250 1,33 3,14 3,77 0,027
150 0,333 1,41 3,20 3,84 0,028
Табл. 4. Расчет величины уклона для диаметров частиц фракции 3
Отв, м3/ч тв, Соотношение Qтв/ Qо, б/р у , т/м3 см и , м/с кр' и , м/с н I, б/р
80 0,100 1,15 3,15 3,78 0,027
90 0,111 1,17 3,18 3,82 0,028
100 0,125 1,18 3,22 3,86 0,028
110 0,143 1,21 3,26 3,91 0,029
120 0,167 1,24 3,30 3,96 0,030
130 0,200 1,28 3,34 4,01 0,031
140 0,250 1,33 3,40 4,08 0,032
150 0,333 1,41 3,45 4,15 0,033
Величина гидравлического уклона для многофракционного материала находится суммированием произведений гидравлического уклона и процентного соотношения рассчитываемой фракции в пробах твердого материала. Согласно условиям поставленной задачи гидравлический уклон равен 0,031 (3,1 м на 100 м; при длине канала 70 м, соответственно, будет 2,17 м).
В результате расчета рекомендуемый уклон дна канала для транспортировки твердых частиц технологического стекольного боя с крупностью 4,76...17,97 при длине канала 70 м высоте 1 м и ширине 1,4 м оказался равен 2,17 м.
В качестве преимуществ применяемого безнапорного гидротранспорта можно отметить [7—9]:
1) отсутствие энергетических затрат на перемещение потока гидросмеси и связанные с этим малые затраты на эксплуатацию;
2) малую металлоемкость — малые капитальные затраты на сооружение, монтаж и демонтаж установки гидротранспортной системы, поскольку она не требует особого качества исполнения по прочности, герметичности и пр.;
3) отсутствие специальных загрузочных механизмов;
4) большую надежность работы при попадании негабаритных и посторонних предметов в систему безнапорного транспорта.
Основным недостатком применяемого безнапорного гидротранспорта остается необходимость устанавливать значительную разность отметок [3, 10].
Библиографический список
1. Тарасов В.К., Харин А.И., Гусак Л.Н. Двухфазные потоки в напорном гидротранспорте. М. : МИСИ, 1987. 108 с.
2. Гидротранспортные системы горнодобывающих предприятий / Л. А. Пучков, О.В. Михеев и др. М. : Ассоциация «МГК», 2008.
3. НурокГ.А., Бруянин Ю.В., ЛяшкевичВ.В. Гидротранспорт горных пород. М. : МГИ, 1974.
4. Юфин А.П. Гидромеханизация. М. : Стройиздат, 1974.
5. Laufer J. The structure of turbulence in developed flow. NACA Rep., 1954.
6. Тарасов В.К., Волгина Л.В. Определение гидравлической крупности частиц, форма которых отличается от шарообразной // Вестник МГСУ 2011. № 8. С. 111—115.
7. Андросов А.А. Надежность технических систем. Ростов-на-Дону : Издательский центр ДГТУ, 2000. 169 с.
8. Тихонцов А.М., Танцура А.И. Расчет параметров гидротранспорта стружки // Приднепровский научный вестник. 2006. № 4.
9. Блюсс Б.А., Семененко Е.В., Шурыгин В.Д. Гидротехнические системы технологии добычи и переработки титан-цирконового сырья // Науковий вюник НГУ. 2011. № 2. C. 86—89.
10. Махарадзе Л.И., Гочиташвили Т.Ш., Криль С.И. Трубопроводный транспорт твердых сыпучих материалов. Тбилиси : Мецниеерба, 2006.
Поступила в редакцию в июне 2012 г.
Об авторах: Волгина Людмила Всеволодовна — кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (495)287-49-14 доб. ном. 14-18, hy-draulics@mgsu.ru;
Тарасов Всеволод Константинович — доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»),
129337, г Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (495) 287-49-14 доб. ном. 14-18, hydraulics@mgsu.ru;
Зоммер Татьяна Валентиновна — заведующая лабораторией гидравлики, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»),
129337, г Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (495) 287-49-14 доб. ном. 14-18, hydraulics@mgsu.ru.
Для цитирования: Волгина Л.В., Тарасов В.К., Зоммер Т.В. Транспортировка твердых частиц различной формы в потоках со свободной поверхностью воды // Вестник МГСУ. 2012. № 9. С. 83—88.
L.V. Volgina, V.K. Tarasov, T.V. Zommer
CONVEYANCE OF SOLID PARTICLES OF ARBITRARY SHAPE IN OPEN FLOWS
The authors consider the problem of conveyance of non-spherical solid particles in an open rectangular channel. The process of glass container manufacturing is accompanied by formation of waste glass at 1150...1350 °С. As a result, hot glass mass flows into cold water and transforms into glass granules. Granules are used in the production of glass, and they can be loaded back into the industrial furnace.
At this stage, there arises a problem of conveyance of waste glass granules into the gallery, in the direction of the furnace. The pipeline-based method requires an engine, which will increase the cost of glass containers. Hydraulic transportation of waste glass is a cheaper method. In this connection, there is a practical problem of identifying the slope angle sufficient for the transportation of waste glass in an open rectangular channel. Thus, we must determine the hydraulic characteristics of the two-phase flow to solve the problem.
A laboratory research of the particle size distribution pattern was conducted in 2011 at the glass factory in operation in the Tula region. The shape of particles and the condition of the glass
ВЕСТНИК 9/2012
surface affect the parameters of their hydraulic transportation. These characteristics are taken into account when calculating the formula and introducing the correction coefficient.
The problem of determining the slope of the open channel needed to transport waste glass into the glass melting furnace can be formulated as follows. What should be the angle of the bottom of the channel for hydraulic transport of waste glass, when the particle speed reaches its critical value?
The input data are as follows: channel length - 70 meters, cross-section area - 1.4 m2. Hydraulic transport of waste glass is produced under the influence of gravity, due to the difference in the height of the upper and lower points of transportation.
Chezy coefficient helps determine the appropriate slope of the bottom of the channel. As a result of the calculation of the angle of inclination of the bottom of the channel, the difference between the upper and lower points was 2.17 m, the particle size of glass 4.76...17.97 mm, the channel length — 70 m, height — 1 m, width — 1.4 m.
The benefits of free flow hydraulic transport include small operating costs. The main disadvantage of hydraulic transport is the need for a substantial difference in the heights of upper and lower points.
As a result, the authors have worked out their recommendations concerning the transportation of y solid particles of waste glass.
Key words: solid particle, two-phase flow, slope, open channel, critical velocity, hydraulic transport, Chezy coefficient.
References
1. Tarasov V.K., Kharin A.I., Gusak L.N. Dvukhfaznye potoki v napornom gidrotransporte [Two-phase Flows in Pressurized Hydraulic Transport]. Moscow, MISI Publ., 1987, 108 p.
2. Puchkov L.A., Mikheev O.V. Gidrotransportnye sistemy gornodobyvayushchikh predpriyatiy [Hydraulic Transportation Systems of Mining Enterprises]. Moscow, MGK Association Publ., 2008.
3. Nurok G.A., Bruyanin Yu.V., Lyashkevich V.V. Gidrotransport gornykh porod [Hydraulic Transportation of the Rock]. Moscow, MGI Publ., 1974.
4. Yufin A.P. Gidromekhanizatsiya [Hydraulic Mechanization]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1974.
5. Laufer J. The Structure of Turbulence in Developed Flow. NACA Rep., 1954.
6. Tarasov V.K., Volgina L.V. Opredelenie gidravlicheskoy krupnosti chastits, forma kotorykh otlichaetsya ot sharoobraznoy [Identification of Hydraulic Fineness of Particles the Shape of Which Is Non-spherical]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 8, pp. 111—115.
7. Androsov A.A. Nadezhnost' tekhnicheskikh system [Reliability of Process Systems]. Rostov-Don, DGTU Publ., 2000. 169 p.
8. Tikhontsov A.M., Tantsura A.I. Raschet parametrov gidrotransporta struzhki [Calculation of Parameters of Hydraulic Transportation of Cutting Chips]. Pridneprovskiy nauchnyy vestnik [Pridneprovskiy Scientific Bulletin]. 2006, no. 4.
9. Blyuss B.A., Semenenko E.V., Shurygin V.D. Gidrotekhnicheskie sistemy tekhnologii dobychi i pererabotki titan-tsirkonovogo syr'ya [Hydraulic Engineering Systems of Extraction and Processing of Raw Titanium and Zircon]. Naukoviy visnik NGU [NGU Scientific Bulletin]. 2011, no. 2, pp. 86—89.
10. Makharadze L.I., Gochitashvili T.Sh., Kril' S.I. Truboprovodnyy transport tverdykh sypuchikh materialov [Pipeline Transportation of Granular Solid Materials]. Tbilisi, Metsnieerba Publ., 2006.
About the authors: Volgina Lyudmila Vsevolodovna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; hydraulics@mgsu.ru, +7 (495) 287-49-14, ext. 14-18;
Tarasov Vsevolod Konstantinovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; hydraulics@mgsu.ru; +7 (495) 287-49-14, ext. 14-18;
Zommer Tat'yana Valentinovna — Director, Laboratory of Hydraulics, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; hydraulics@mgsu.ru; +7 (495) 287-49-14, ext. 14-18.
For citation: Volgina L.V., Tarasov V.K., Zommer T.V. Transportirovka tverdykh chastits razlichnoy formy v potokakh so svobodnoy poverkhnost'yu vody [Conveyance of Solid Particles of Arbitrary Shape in Open Flows]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 9, pp. 83—88.
