Увеличение энергоэффективности гидротранспорта неструктурных суспензий путем варьирования его технологическими параметрами Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 532.542; 621.867.7; 622.648.2

А. О. Панков, Н. Х. Зиннатуллин

УВЕЛИЧЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОТРАНСПОРТА НЕСТРУКТУРНЫХ СУСПЕНЗИЙ ПУТЕМ ВАРЬИРОВАНИЯ ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ

Ключевые слова: энергоэффективность, гидротранспорт.

Развита методология увеличения энергоэффективности процесса перемещения неструктурных суспензий путем варьирование его технологическими параметрами. Сделан анализ подобного улучшения на основании математического эксперимента и показаны его основные закономерности.

Keywords: energy efficiency, hydrotransport.

Developed a methodology to increase efficiency of displacement unstructured suspensions by varying its technological parameters. The analysis of such improvements on the basis of mathematical experiment and shows its basic features.

Гидротранспорт как способ перемещения твердых материалов широко распространен в процессах различных отраслей промышленности. В химической промышленности часто это незаменимый способ перемещения токсичных продуктов и отходов производства. Для гидродобычи это основной вид перемещения добытого материала.Широкое распространение и высокая энергоемкость гидротранспорта требует значительного внимания вопросам его энергоемкости и экономичности [1]. Проведение исследований по энергосбережению гидротранспорта и поиск новых решений в этом вопросе позволит сделать этот процесс инновационным и удовлетворяющим современным требованиям [2].

Классическим путем увеличения энергоэффективности процессов перемещения жидкостей по трубопроводам является метод подбора оптимального диаметра, основанный на поиске минимума функции приведенных затрат [3].

В случаях движения двухфазной среды по каналам, к которым относится и гидротранспорт, возможно увеличение энергоэффективности путем варьирования концентрацией твердой фазы. Методика может применяться при фиксированном количестве твердой фазы, подлежащей гидротранспорту. Сущность метода заключается в том, что при увеличении концентрации твердой фазы уменьшается количество гидросмеси, которую нужно переместить. Однако при этом возрастают удельные потери давления, отнесенные на единицу объема гидросмеси. Т.е. функция общих потерь давления имеет сложный характер и часто существует минимум в области допустимого варьирования параметром.

Анализ подобной оптимизации был проведен в [4] для структурных суспензий, которые подчиняются уравнению Бингама и двигаются в ламинарном режиме. На наш взгляд подобная оптимизация возможна и для случая неструктурных суспензий, которые перемещаются в турбулентном режиме. Нами было произведено исследование этого вопроса на основании математического эксперимента.

Выбор математического эксперимента как метода исследования основан на следующих соображениях. Потери давления, как и любой другой параметр, можно определить теоретическим или экспериментальным путем. Из-за сложности исходных уравнений, которые описывают процесс, получение теоретических решений для практически важных случаев практически невозможно. И поэтому в настоящее время основные практические вопросы гидротранспорта решаются экспериментальным путем. Расчет параметров гидротранспорта также чаще всего производится по формулам, полученным на основе экспериментальных данных. Однако подобные формулы имеют ряд недостатков, таких как ограниченность применения очень малым диапазоном параметров, для которых производились эксперименты,

248

и условием их проведения и большой произвол в выборе коэффициентов (они могут разниться в разы). Это сильно затрудняет как расчет параметров гидротранспорта (имеется широкий диапазон варьирования различных параметров), так и анализ его эффективности. Кроме того, проведение подобных экспериментов достаточно дорого и поэтому не может считаться панацеей. В последние годы в связи с широким распространением вычислительной техники и пакетов программ, позволяющих производить решение сложных систем уравнений, стала широко развиваться область математического эксперимента, который позволяет путем численного решения фундаментальных уравнений сохранения получить требуемые параметры.

На основе теории взаимопроникающих континуумов, уравнений сохранения импульса и модели турбулентности Спаларта-Аллмараса нами была построена модель гидротранспорта в горизонтальных и наклонных трубах [4,5]. Модель позволяет определять градиент перепада давлений и другие искомые параметры процесса гидротранспорта. Проверка путем сравнения с доступными экспериментальными данными показали хорошую адекватность модели рассматриваемому процессу и возможность проводить на ее основе математический эксперимент.

Наш анализ, основанный на математическом эксперименте, проводился следующим образом.

1. Выбиралась гидросмесь с определенными параметрами: плотность жидкой фазы р/, вязкость жидкой фазы /и\, плотность жидкой фазы р5, и средний диаметр частиц ds■

2. Выбирался определенный диаметр трубопровода й.

3. Задавался определенным массовым расходом твердой фазы т^

4. Изменяя концентрацию (а следовательно и объемный расход гидросмеси) на основании математического эксперимента определялся градиент перепада давления в каждом конкретном случае и допустимость подобного режима (по критической скорости).

5. По данным результатов математического эксперимента строился график зависимости градиента перепада давления от средней концентрации твердого.

Был проведен анализ большого числа гидросмесей с различными плотностями твердой фазы (от 1200 кг/м3 до 4000 кг/м3) при движении в трубах с различными диаметрами.

В результате анализа сделаны следующие выводы, некоторые из которых подтвердили известные факты:

1. Подобный процесс энергосбережения возможен и дает 5-15 % уменьшения потерь давления (большие значения относятся к большим плотностям).

2. Проведение процесса гидротранспорта при малых концентрациях (<10%) неэффективно. Особенно резко возрастает энергопотребление при объемных концентрациях менее 5%.

3. Чем больше плотность твердой фазы, тем более явно выражен минимум путевых потерь. Для суспензий с плотностью более 3000 кг/м3 после минимума функция гидравлических потерь начинает заметно возрастать. Для суспензий с плотностью менее 3000 кг/м3 после минимума функция фактически остается постоянной или мало заметно снижается.

4. Оптимальная концентрация лежит в области объемных концентраций 20 - 25 %. С увеличением плотности минимум понемногу сдвигается в меньшую сторону.

5. Величины диаметра и массового расхода практически не влияют на положение точки минимума. Это позволяет вести независимые друг от друга оптимизации по диаметру трубы и по концентрации твердого в гидросмеси.

Из приведенного анализа можно дать следующие рекомендации. Процессы гидротранспорта (если это позволяют технологические соображения) желательно проводить при объемных концентрациях 20-25%. Более точное значение этой величины можно определить путем математического эксперимента при конкретных условиях. Проведение процессов гидротранспорта при малых концентрациях (менее 5%) совершенно не эффективно. И так как в отличие от пневмотранспорта, повышение концентрации в процессах

гидроперемещения не требует дополнительных технических решений, их не следует

проводить при таких малых концентрациях (это совершенно не обосновано ни с технической,

ни с энергетической точек зрения).

Литература

1. Дмитриев, Г.П. Напорные гидротранспортные системы. Справочное пособие./ Г.П. Дмитриев, Л.И. Махарадзе, Т.Ш. Гочиташвили - М.: Недра, 1991. - 304 с.

2. Шинкевич,А.И. О роли энергоресурсосберегающих технологий в инновационном развитии России./ А.И. Шинкевич, С.С. Бергман // Вестник Казан. технол. ун-та - 2011. - Т.14, №1. - С.193-198.

3. Смолдырев, А.Е. Трубопроводный транспорт/А.Е. Смолдырев - М.: Недра, 1980. - 293с.

4. Пеев, Г. К проблеме оптимизации энергетических затрат при транспорте суспензий по трубопроводам./ Г. Пеев, М. Кырдышева // «Тепло- и массообмен в полимерных системах и суспензиях» (материалы Международной школы-семинара). - Минск, ИТМО им. А.В. Лыкова АН БССР, ч.11. - 1984. - С. 115-121

5. Панков, А. О. Математическое моделирование процессов гидротранспорта неструктурных суспензий./ А.О. Панков, Н..Х. Зиннатуллин // Сб. трудов XVIII международ. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях» в 10 томах. Том 3. Секция 3. / под общей редакцией В.С.Балакирева - Казань.: Изд-во КГТУ, 2005. - С. 152-156

6. Дементиенко, О.А. Моделирование гидротранспорта на основе математического эксперимента./ О.А. Дементиенко, А.О. Панков, М.Г. Кузнецов, Н.Х. Зиннатуллин // Механизация и электрификация сельского хозяйства - 2007. - № 12. - С. 37-39.

© А. О. Панков - канд. техн. наук, доц. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, pankov.andrey@gmail.com; Н. Х. Зиннатуллин - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, znazif@yandex.ru.