ГИДРОТРАНСПОРТ ПО ВЕРТИКАЛЬНЫМ ТРУБАМ
Гидротранспорт песчано-глинистых смесей и крупнокускового материала
Применение вертикальных труб при гидротранспорте
Началом всякой гидротранспортной установки можно считать всасывающую трубу землесоса, которая обычно имеет наклонное или вертикальное положение. Вертикальный поток сложен и ответствен, поэтому характеристика всасывающей трубы во многом определяет характеристику транспортирующей машины и соответственно всей гидротранспортной установки в целом.
В гидротехническом строительстве наклонные и вертикальные трубы встречаются на участках сопряжений плавучего и берегового трубопроводов при возведении плотин, дамб, насыпей, отвалов, при переходе трубопроводов через шоссейные дороги и железнодорожные пути, в дюкерах и многих других случаях. В строительных работах различные растворы (известковые, цементные и др.), а также бетонные смеси поднимаются по трубам на различные отметки возводимых сооружений. На обогатительных фабриках гидросмесь (пульпа) транспортируется на небольшие высоты внутри помещений; в нефтяной промышленности глинистый раствор транспортируется по трубным системам на поверхности земли, нагнетается по бурильным трубам в буровые скважины вниз и поднимается по кольцевому межтрубному пространству, вынося разбуренную породу вверх иногда на несколько километров.
Особенно часто вертикальные и наклонные трубы применяются в горной гидромеханизации, где по вертикальным и наклонным стволам осуществляется гидроподъем добытого продукта (уголь, руда, пустая порода) или спуск по трубам вниз закладочных материалов. В этих случаях вертикальные и наклонные трубопроводы имеют протяженность несколько сотен метров.
Характер движения гидросмеси в вертикальных трубопроводах с восходящим и нисходящим - потоками гидросмеси
При рассмотрении кинематической структуры горизонтального потока гидросмеси была отмечена его асимметрия по отношению к горизонтальному диаметру трубопровода, заключающаяся в увеличении концентрации твердых частиц в нижних слоях потока и, следовательно, затормаживания нижних слоев по сравнению с верхними. Действительная плотность гидросмеси в горизонтальных трубах больше расходной плотности. В вертикальных трубах с восходящим потоком, где поток гидросмеси симметричен, действительная консистенция гидросмеси больше расходной в результате стремления твердых частиц падать вниз. Поэтому разница между действительной и расходной консистенциями будет тем больше, чем крупнее или тяжелее твердые частицы и чем меньше средняя скорость восходящего потока.
Вследствие того, что в центре потока скорость больше, чем у стенок трубы, возникает сила, отклоняющая частицы от стенок к центру. Эта сила не настолько значительна, чтобы способствовать заметному увеличению консистенции в центральной части трубы, но достаточна для того, чтобы отклонить твердые частицы от стенок. В результате у стенок создается жидкостный слой, иногда пробиваемый твердыми частицами, которые получают радиальное движение под действием турбулентного перемешивания конечных масс жидкости с содержащимися в них твердыми частицами. Это обстоятельство обусловливает приближенное равенство потерь напора на трение при движении гидросмесей с зернистой твердой составляющей по вертикальным трубам и при движении по ним чистой воды с тем же расходом.
В центральной части трубы твердые частицы движутся быстрее, чем в пристеночной области, что легко можно увидеть в вертикальных стеклянных трубах. Если при этом скорость восходящего потока в трубах невелика, а частицы достаточно тяжелы, то возможен случай, когда частицы, поднимающиеся вверх в центральной части трубы, будут двигаться обратно вниз, попадая в зону скоростей в пристеночной области.
В вертикальных трубах с нисходящим потоком частицы стремятся падать в направлении движения потока, поэтому действительная консистенция в таких трубах меньше расходной. Если твердые частицы, транспортируемые потоком воды по вертикальным трубам, имеют одинаковые размеры (равные гидравлические крупности), то они будут двигаться общим фронтом, не обгоняя одна другую. Если же твердые частицы разнородны по крупности, то мелкие частицы будут двигаться между крупными, что может обусловить неравномерность консистенции по высоте трубы.
Если в потоке имеются частицы с гидравлической крупностью, равной скорости восходящего потока жидкости, то такие частицы будут витать в потоке, пропуская в просветы жидкость и несомые ею более мелкие твердые частицы.
Если из горизонтальных труб в вертикальные с восходящим потоком поступают редкие крупные включения, имеющие гидравлическую крупность большую, чем скорость восходящего потока, то такие крупные включения перемешиваются потоком у входа в вертикальные трубы. Поступающие сюда новые крупные включения будут оставаться здесь же, увеличивая толщину как бы кипящего слоя у основания вертикальной трубы. По мере накопления крупных включений проход между ними для жидкости и мелких частиц становится все более затруднительным, сопротивление слоя растет и, если напор землесоса недостаточен, подача гидросмеси прекращается, твердые частицы оседают из вертикальных труб и образуется пробка.
Если же напор землесоса достаточен, то в некоторый момент сила сопротивления фильтрации гидросмеси через слой крупных включений становится больше массовой силы (тяжести) скопившихся в воде крупных включений и вся масса крупного материала с шумом проносится по вертикальным трубам, создавая неустановившийся режим работы землесоса в сети.
Учитывая, что тяжелые включения осаждаются в вертикальных трубах, их можно использовать для попутного обогащения транспортируемого материала.
Кинематическая структура потоков гидросмеси в вертикальных трубах
При установившемся движении гидросмеси по вертикальным трубам (т. е. при таком движении, когда в течение достаточно длительного времени консистенция и расход гидросмеси остаются постоянными) количество входящего твердого материала в вертикальные трубы и выходящего из них должны быть равными и неизменными во времени.
Консистенция гидросмеси на выходе из вертикальных труб называется расходной консистенцией. Консистенция гидросмеси, находящейся в самих вертикальных (наклонных или горизонтальных) трубах, называется действительной консистенцией. Из условия постоянства твердого расхода можно установить связь между действительной и расходной консистенциями гидросмеси. Пользуясь осредненными значениями параметров потока гидросмеси, для удельного твердого расхода можно написать следующее выражение:
При выводе уравнений эффект турбулентности не учитывался. Формулы (292) дают среднее по сечению значение скоростей.