книги / Проектирование и эксплуатация хвостовых хозяйств обогатительных фабрик

возникает вследствие несимметричного обтекания частиц потоком» Кроме того, у дна потока, на стенках пульпопровода, имеет место нихреобразование с осями вихрей, направленными вверх. Вихри увлекают вместе с собой и твердые частицы. В результате спе­ циальных опытов Лосиевским (ЦНИИВТ) * установлено, что подъемная сила, действующая на частицу, приблизительно про­ порциональна квадрату донной скорости потока.

Рис. 10. Схемы силового воздействия потока мд твердую частицу, лежащую на дне:

а •— продольный профиль частицы; б — частица в плакс; 1 — сила лобового воздействия на частицу; Я — сила фильтрационного противодавления; 3 — области пониженного давления

Рис. 11. Эпюра силового воздействия потока па тело цилиндрической формы по М. А. Де­ ментьеву

М. 3. Абрамовым (ВНИИГ) установлено, что крупные частицы, лежащие на дне потока, взвешиваются в результате противодавле­ ния фильтрационного потока, возникающего при обтекании ча­ стицы. На рис. 10 показана схема силового воздействия потока иа твердую частицу, лежащую на дне потока. В результате экспе­ риментального исследования обтекания воздушным потоком ци­ линдрического твердого тела, лежащего на дне, М. А. Дементь­ евым [12] зафиксирована эпюра давления на цилиндр (рис. И), из которой видно, что цилиндр испытывает лобовое давление и подъемную силу, обычно выражаемую формулой

и— скорость потока у дна (донная скорость), м/с.

*Центральный научно-исследовательский институт водного транспорта.

41

Для случая обтекания тела цилиндрической формы М. Л. Де­ ментьев получил K v — 0,3—0,4; для шара Ку = 0,13.

Описанное выше воздействие потока на «идеальную» твердую частицу, лежащую на дне, необходимо рассматривать только как схему, объясняющую механизм подъема частицы со дна. В дей­ ствительности, в силу разнообразия размеров и формы твердых частиц и взаимного их расположения в отложениях на дне явление размыва и подъема отложений частиц оказывается значительно сложнее.

3. Экспериментальные исследования движения пульпы

Наука о гидротранспорте главным образом развивалась по пути накопления данных экспериментов и попыток составления прак­ тических предложений по расчетам гидротранспорта на базе обобщений результатов произведенных опытов.

Одним из основателей систематического теоретического и осо­ бенно экспериментального изучения проблемы гидротранспорта в Советском Союзе является Всесоюзный научно-исследователь­ ский институт гидротехники им. Б. Е. Веденеева (ВНИИГ). В лаборатории головных узлов и наносов ВЫИИГа И. И. Леви была создана одна из первых в СССР опытных установок для иссле­ дования вопросов гидротранспорта. Первые систематические и обстоятельные исследования на этой установке произвел В. С. Кпороз. Ему же принадлежат и первые в СССР обобщения результатов экспериментов и построенные на последних практические пред­ ложения по расчетам систем гидротранспорта [15]. Схема рас­ положения измерительных точек в живом сечении пульпопровэда показана на рис. 12.

Цикл опытов начинается с определения характеристики трубо­ провода как водовода. В этих целях в системе циркулировала вода и при различпых расходах последней Q определялся гидра­ влический уклон I. После этого по трубопроводу пропускалась пульпа определенной консистенции при данной плотности и крупности твердой составляющей. Эти опыты делились на серии. Каждой серии соответствовала определенная консистенция пульпы Рв „.

Обработка опытов состояла в следующем. По данным испыта­ ний пульпопровода как водовода строилась кривая

К ) = /(& )•

Далее на этот график наносились опытные точки по данным различных серий опытов с пульпой

/ п = / ( ! > „ ) = / ( < ? „ ) »

где /„ — гидравлический уклон при движении по опытному трубо­ проводу воды, выраженной высотой столба воды на единицу длины трубопровода, м вод. ст./м трубы; vB —средняя скорость движения

42

воды, м/с; Qa — расход воды, м3/с; /„ — гидравлический уклон при движении пульпы по опытному трубопроводу, выраженный высотой столба пульпы данной консистенции на единицу длины трубопровода, м вод. ст./м трубы; уп — средняя скорость дви­ жения пульпы, м/с; Qn — расход пульпы, м3/с.

На рис. 13 показаны результаты опытов В. С. Кнороза с пуль­ ной, имеющей следующие физико-механические характеристики

Рис. 12. Схема расположения точек по живому сечению пульпопровода, в которых производи­ лись измерения скоростей и мутностей пульпы

твердой составляющей: плотность 2,65—2,70 г/см3; гранулометри­ ческий состав <1Ср — 0,066 мм.

В дальнейшем аналогичные опыты были произведены А.Н. Кли­ ментовым в лаборатории гидромеханизации Куйбышевского ги­ дроузла [17]. Опытный металлический трубопровод имел диаметр 606 мм. На рис. 14 представлены результаты опытов А. Н. Кли­ ментова с пульпой, имеющей следующие физико-механические характеристики твердой составляющей: плотность 2,65—2,70 г/см3; гранулометрический состав <7ср = 0,79 мм.

Интерпретация результатов описаппых опытов привела к по­ нятию о критической скорости движения пульпы. Опытные точки для случаев движения пульпы при скоростях выше определенной хорошо ложатся на характеристику трубопровода как водовода (см. рис. 13 и 14). При снижении средней скорости движения пульпы до определенной опытные точки отходят от характеристики трубопровода как водовода. По этим точкам в пределах определен

43

ного диапазона скоростей можно пронести горизонтальную прямую.

Средняя скорость движения пульпы, при которой и выше кото­ рой гидравлические сопротивления при движении по трубопро­ воду пульпы, выраженные столбом пульпы, практически равны гидравлическим сопротивлениям при движении по трубопроводу воды, названа В. С. Кнорозом критической скоростью укр. Наблю­ дения за характером движения твердой составляющей пульны по

Рис. 14. Графики / = / ( а » ) и 1 - = / ( ц „ ) во данным опытов Л. II. Климен­ това:

1 — для чистой воды перед началом опытов но изучению движения пульпы; г — для чис­ той воды после 200 ч работы землесоса и пульпопровода; $ — 1\ —90%, »кр — 5,35 м/с,

4 — П0— 80%, икр — 5,30 м/с; 5 — Р, = 00%, ткр — 4,98 м/с; 6 —Р, = 20%, ткр

= 4,35 м/с. Содержание твердых частиц но массе: I — 20%, I I — 60%, I I I — 80%. i V — 90%

остекленному участку опытного пульпопровода показали, что при скоростях vn /дг vKP в основном все твердые частицы пульпы движутся во взвешенном состоянии. При скоростях vn < у,:р начинается заиление сечения трубопровода с грядовым переме­ щением твердых частиц в придонном слое. При этом в некотором диапазоне скоростей движения пульпы гидравлические сопроти­ вления остаются постоянными и равными гидравлическим сопро­ тивлениям при критической скорости движения пульпы с пезаиленпым сечением пульпопровода.

В дальнейшем было замечено, что при движении пульпы с твер­ дой составляющей малой крупности наблюдается довольно резкий переход к скорости v, равной и больше критической. При укруи-

44

нении частил; твердой составляющей, при той же их пЛоТйосТй) наблюдается все более и более плавный переход к скоростям, при которых характеристики пульпопровода (при определении гидравлических сопротивлений в виде столба пульпы / п = уп / в)

иводовода совпадают.

Впериод 1949—1950 гг. ВНИИГ, БакГИДЭП, Мингочаургзсстроем и трестом Гидромеханизации Министерства электро­ станций СССР была создана опытная циркуляционная установка для исследований гидротранспорта песчаных и иесчано-граве- лпстых материалов на площадке строительства Мингечаурской ГЭС. Опытный металлический (стальной) пульпопровод имел внутренний диаметр 350 мм. Некоторые результаты опытов на этой установке приведены на рис. 15, показывающем, сколь плавный переход к критическим скоростям имеет место при укруп­ нении твердой составляющей пульпы.

Аналогичная картина наблюдается и в весьма обширных опы­ тах, произведенных А. П. Юфиным [181 (рис. 16).

На рис. 17 приведены результаты опытов О’Брайана (так назы­ ваемые Берклейскио опыты в США).

Большой интерес для понимания кинематики и динамики пульповых потоков представляют результаты опытов по изучению скоростных полей и распределения твердой составляющей пульпы по живому сечению. На рис. 18, 19, 20 представлены скоростные поля напорного движения пульны в металлическом трубопроводе диаметром 250 мм по опытам В. С. Кнороза. Эпюры скоростей, изображенные на рисунках, соответствуют сечениям Измеритель­ ного створа трубопровода, показанным на рис. 12. Пунктиром показаны скоростные поля при напорном движении воды. Харак­

тер кривых, изображенных на рис. 18, 19, 20, свидетельствует о следующем:

скоростные ноля напорного движения пульпы с твердой соста­ вляющей малой крупности (dcp — 0,06 мм) при скоростях v > > икр практически совпадают со скоростными полями напорного движения воды. Указанный вывод пока относится к сравнительно малым консистенциям пульпы (до Р„ „ — 7,6%);

скоростные ноля напорного движения пульпы с твердой соста­ вляющей большей круппости и при неоднородности последней значительно отличаются от скоростных полей при напорном дви­ жении воды. Заметно сказывается подтормаживающее действие нижних слоев потока, более насыщенных твердой составляющей. Эпюры скоростей движения пульпы оказываются несимметрич­ ными и несколько вытянутыми вперед к своей верхней части [19]. Градиенты скоростей движения пульпы у дна меньше, чем при движении воды, а к середине потока больше, чем при движении воды. Несимметричность эпюр скоростей наиболее резко обнару­ живается при режимах движения пульпы, близких к критиче­ скому, и в значительной мере сглаживается при возрастании отношения vn/vKp [191;

45

Рис. 17. Графики I = / (ив) и Т= / (уп) по результатам опытов О’Брайана:

а

Q,л/с

Рис. 16. Графики I ~ f (QB) и I = f (Qn) по результатам опытов А. П. Юфина для песков различной крупности

скоростные поля напорного движения пульны в условиях ча­ стично заиленного пульпопровода значительно отличаются от скоростных полон при напорном движении воды. Это отличие является главным образом следствием изменения живого сечения пульпопровода и изменения граничных условии. Эпюры скоростей движения пульны оказываются значительно вытянутыми вдоль потока, градиенты скоростей по живому сечению более высокие, чем при движении в незаиленном трубопроводе. В нижней поло­ вине сечения трубопровода возрастание градиентов скоростей от подвижного дна к центру трубопровода происходит более ин­ тенсивно, чем для верхней половины трубонровода от верхней стенки трубы |19].

Но меньший принциниальный и практический интерес предста­ вляют результаты экспериментального изучения распределения мутности по сечепию напорных пульпопроводов. На рис. 21 пока­ заны графики распределения мутностей по данным экспериментов В. С. Кнороза в напорном трубопроводе диаметром 250 мм при гидротранспорте пульпы с твердой составляющей различного гранулометрического состава (рис. 22). Рассмотрение графиков, показанных на рис. 21, позволяет сделать следующие заклю­ чения:

мутность потока по длипе каждой из хорд круглого сечения пульпопровода является постоянной;

распределение мутности но вертикали сечения пульпопровода в значительной степени зависит от соотношения К — v09lvK9. Чем выше это соотношение, том равномернее по всему живому сечению распределение мутности;

при напорном движении нульпы с твердой составляющей однородной и малой крупности имеет место равномерное распре­ деление мутности по живому сечению уже при сравнительно не­ высоких значениях К. При неоднородной и большой крупности твердой составляющей даже при высоких значениях К имело место неравномерное распределение мутности по сечению: насыщение пульпы твердыми частицами в нижних слоях потока значительно выше, чем в верхних слоях потока;

при критическом режиме напорного движения пульпы пасыщепие потока в придонном слое достигает наибольшего значения; при движении пульпы в условиях частичного заиления сече­ ния пульпопровода К < 1 (см. рис. 21, в) распределение мутно­ стей отвечает картине при критическом режиме соответственно

новой обстановке движения [19]; при критических режимах движения пульны основная масса

твердой составляющей перемещается в пределах нижней части

живого сечения наиорного потока на высоте (1/5—1/4) D.

На рис. 23 показано распределение по живому сечению напор­ ного пульпопровода твердой составляющей по крупности. Во всех горизонтальных сечениях пульпопровода присутствуют все

49

250 m so oo го зо го to 8

а