CC BY
78
УДК 622.271.6:622.362.3
DOI: 10.14529/build160104
АНАЛИЗ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПЕСКА ПО ФРАКЦИЯМ, ИХ СРЕДНЕВЗВЕШЕННОЙ КРУПНОСТИ И СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ ГИДРОСМЕСИ ПО ВЫСОТЕ СЕЧЕНИЯ ГИДРОТРАНСПОРТНОЙ ТРУБЫ
С.Н. Сальников1'2, Г.З. Карандаев3
1 Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти
2 ООО «Экотранс», г. Тольятти
3 ООО «Гидромехстройпроект», г. Тольятти
Приведен подробный анализ взаимозависимости скорости ввода гидросмеси песка в гидротранспортную трубу, определены: оптимальная величина взаимосвязи скорости ввода гидросмеси в лоток иср и критической и^ (параметр й=иср/икр); определено влияние параметра k на размер активной зоны расслоения песка по крупности в зависимости от величины плотности частиц, составляющих твердую фазу гидросмеси; выявлена линейная зависимость приращения скорости потока гидросмеси по мере приближения к ее свободной поверхности в лотке.
В совокупности эти результаты значительно облегчают конструирование сужающегося лотка в технологической схеме малоэнергоемкой технологии обогащения песка.
Ключевые слова: средневзвешенные начальные параметры гидросмеси, концентрация твердой фазы, скорость ее ввода в трубу, критическая скорость, расслоение по крупности, граничное зерно, гидравлическая крупность.
В работе [1] сделана попытка экспериментального определения взаимозависимостей гидродинамических параметров гидросмеси с механическими параметрами частиц твёрдой фазы при их расслоении по высоте живого сечения трубы.
В настоящей статье сделан более глубокий анализ выявленных зависимостей применительно к разработке малоэнергоемкой технологии обогащения песков в сужающихся лотках [2-9].
Для выбора оптимальных геометрических параметров сужающегося лотка необходимо знать: характер изменения концентрации твердого компонента гидросмеси (в нашем случае - песок) по высоте сечения трубы; порядок изменения скорости течения на тех же координатах; величины длины и высоты активного участка лотка, на которой параметры Р, и и,- стабилизируются имея ввиду, что параметры иср и Рср лотка гидросмеси, вводимой в лоток, остаются относительно постоянными.
При этом большой интерес представляет закономерность прирастания скорости течения гидросмеси по мере увеличения ординаты её замера при непременном уменьшении концентрации твердого Р{.
В табл. 1 и на рис. 1-3 представлены результаты исследования зависимости Р, = /(Н,) для двух разных составов песка, отличающихся средневзвешенной крупностью dср плотностью минеральных составляющих - ут и средневзвешенной гидравлической крупностью. При этом пески по классификации ГОСТ 8736-93 относится к тонким.
Для определения степени влияния плотности минеральных составляющих зернистого материала
были проанализированы результаты четырех опытов (95, 99, 133 и 137) на очень тонкой концен-тратной смеси с dср=0,06 мм, ут=3,362 г/см3 и гидравлической крупностью 0,80 см/с.
Из анализа графиков на рис. 1 можно отметить следующее:
, иСр
- чем меньше параметр k= —-, тем на меньшей
икр
высоте hi начинается снижение концентрации твердого Р,; в пределах hi = 1-8 см снижение происходит очень резко (опыты 15 и 19), а выше - темп снижения концентрации становится очень замедленным. Закономерность такого явления очень проста - при уменьшении иср снижается и турбулентность потока гидросмеси, что приводит к большей их концентрации в придонной области трубы;
- при равных значениях концентрации твёрдого Р,, % в величинах k= — графики Р{=^Н)
^кр
практически сливаются, что указывает на превалирующее значение концентрации в подобных случаях;
- при малых величинах Р,, % и больших - параметра k (более 2 - те же опыты) снижение концентрации происходит более плавно. В этом случае несомненное влияние турбулентности потока гидросмеси.
В последних двух обстоятельствах расслоение твёрдого компонента по крупности по высоте потока возможно только на достаточно длинном активном участке трубопровода, что вызывает определённые трудности конструирования компактной обогатительной установки на основе сужающегося лотка.
0) ■О
X
ч
■о
0)
Объёмная концентрация Рь % зернистого материала в координатах отбора проб Средняя
№ опыта к Рср, % по вертикальной оси трубы в см температура
1,0 2,0 3,5 4,5 5,5 8,5 12,5 16,5 19,5 21,5 23,0 24,0 гидросмеси °С
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Песок № 2; с/ср=0,19 мм; ут=2,61 г/см3; Жср=2,22 см/с
5 1,31 1,0 1,4 0,5 - 1,0 0,4 0,3 0,3 0,3 0,2 0,3 0,3 19,0-22,5
15 1,53 8,5 75,5 23,4 - 4,5 2,7 - 1,1 0,7 0,6 0,6 0,8 24-32,5-38
19 1,83 10,0 78.6 51,5 26,5 - 16,6 8,1 3,7 2,3 5,2 1,5 1,2 1Д 15-19,5
18 1,99 10,0 86,7 57,6 34,0 - 17,6 7,5 3,4 2,0 1,9 1,5 1,3 1,3 18,0
8 2,03 6,0 18,8 25,6 13,3 - 12,7 5,0 2,6 1,5 1,1 1,0 0,8 0,9 21,0-28,0-34,0
14 2,18 6,0 41,3 20,1 18,4 - 8,3 5,0 2,2 1,7 1,6 1,4 1,0 0,9 19,5-30,0-35,0
4 2,27 2,5 - - 5,0 - 3,8 2,4 1,2 0,8 0,5 - 0,5 0,5 25,0
Песок № 1; ¿/ср=0,18 мм; ут= 2,71 г/см3; Жср=2,36 см/с
94 1,04 26,0 2^2 42 6^2 м 10,2 12,7 14,2 17,2 20,2 40,0
70,6 54,4 36,2 27,7 23,9 16,0 13,9 9,4 1,9
97 1,10 22,5 2,8 4^8 6^8 м 10,8 13,3 14,8 17,8 20,8 22,8 32,0
67,3 34,6 31,5 18,9 17,2 14,2 11,2 8,2 7,8 4,4
99 1,30 7,9 30,2 1А 23,7 ©1 - - ТА 9,2 10,0 5,8 12,5 5,3 14,0 4,7 17,0 4,7 20,0 3,9 22,0 2,9 24,0
Концентрат; ¿/ср=0,06 мм; ут=3,632 г/см3; Жср=0,80 см/с
137 1,11 7,6 14,0 8,8 7,4 - 7,1 4,6 5,0 4,5 3,5 4,4 3,9 4,0 32,0
99 1,57 4,0 10,3 8,0 6,2 - 5,7 5,0 4,9 3,4 3,8 3,7 3,3 4,6 42,0-47,0-48,0
133 2,05 10,2 16,0 15,0 5,5 11,2 9,3 10,3 10,0 8,6 10,0 10,7 8,1 35,0-39,0-46,0
95 2,44 4,0 6,0 4,1 3,5 3,4 4,8 3,8 6,0 4,3 4,4 3,6 - 43,0
ю
Таблица 1
, Рср, Г)
: отбора проб
8,5
12,5
10
16,5 19,5
11
12
21,5
13
23,0
14
24,0
15
Средняя температура гидросмеси °С
16
18
14
1,99
2,03
2,18
2,27
10,0
6,0
6,0
2,5
86,7
18,8
41,3
57,6
25,6
20,1
34,0
13,3
18,4
5,0
[ мм; ут=2,61 г/см ; 1Уср=2,22 см/с
17,6
12,7
8,3
3,8
0,4
2,7
7,5
5,0
5,0
2,4
0,3
3,7
3,4
2,6
2,2
1,2
Песок № 1; ¿/ср=0,18 мм; ут= 2,71 г/см ; ЕГСР=2,36 см/с
0,3
1,1
2,3
2,0
1,5
1,7
0,8
0,3
0,7
5,2
1,9
1Д
1,6
0,5
0,2
0,(
1,5
1,5
1,0
1,4
0,3
0,6
1,2
1,3
0,8
1,0
0,5
0,3
0,8
1Д
1,3
0,<
0,<
0,5
19,0-22,5
24-32,5-38
15-19,5
18,0
21,0-28,0-34,0
19,5-30,0-35,0
25,0
94
97
99
1,04
1,10
1,30
26,0
22,5
7,9
30,2
2^2 70,6
2Л 67,3
2^5 23,7
42 54,4
4^0 14,9
6^2 36,2
4,8 34,6
27,7
6^8 31,5
10,2
23,9
18,9
1& 9,2
12,7 16,0
10,8 17,2
10,0
5,8
14,2 13,9
13,3 14,2
12,5 5,3
17,2 9,4
14,8 11,2
14,0 4,7
20,2 1,9
17,
17,0 4,7
20,8 7,8
20,0
3,9
22,8 4,4
22,0 2,9
40,0
32,0
24,0
137
99
133
95
1,11
1,57
2,05
2.44
7,6
4,0
10,2
4,0
14,0
10,3
16,0
6,0
8,0
15,0
4.1
Концентрат; ¿/ср=0,06 мм; ут=3,632 г/см ; ЕГср=0,80 см/с
7,4
6,2
5,5
3,5
7,1
5,7
11,2
3,4
4,6
5,0
9,3
5,0
10,3
3,8
4,5
3,4
10,0
6,0
3,5
4,3
4,4
3,7
10,0
4.4
3,9
3,3
10,7
3,6
4,0
4,6
32,0
42,0-47,0-48,0
35,0-39,0-46,0
43,0
Примечания:
1. Порядок изложения результатов экспериментов принят по величине изменения показателя к= (от меньшего к большему).
и^р
2. В опытах 94, 97 и 99 координаты отбора проб гидросмеси по высоте сечения трубы были другие, поэтому в столбцах 5-15 результаты опытов представлены в дробном виде: в числителе - координата отбора проб по вертикали от низа трубы /г, в см; в знаменателе - соответствующая ей величина %.
о-£
с §
0(5
0 ^
1 0) £ а 0) ф оо
П со
ф
£ ф
со Ь
а> ^
Ф 0)
£ ^
£ *
£ ъ
О 0)
V« Ф
£ О О
3 с
ф
£ §
§
II I»
3 5=
О
ф
-с ф
£ §
(V)
с 2
О 0) Ф
о с
Ч
Для выявления степени влияния величины исходной концентрации твёрдого в гидросмеси Рср, % проанализированы графики функций на рис. 2 (опыты 94, 97, и 99), в результате чего установлено, что:
- максимальное снижение концентрации твёрдого достигается на высотах hi, вдвое больших чем на графиках рис. 1. Причиной этой разницы является высокая концентрация твёрдого в исходной гидросмеси Рср (в опыте 94-26,0 %; в опыте 97-22,5 %) даже при малых значениях параметра k. Доказательство этой гипотезе находим на этом же рисунке по графику опыта 99, проведенному при £=1,30 и Рср=7,9 %, близким к значениям опыта 8 (см. рис. 1, £=2,03 и Рср=6,0 %). Сравнение графиков опытов 8 и 99 показывает почти полную их аналогию, что, несомненно, подтверждает большого влияния величины концентрации Рср, % исходной гидросмеси;
- при очень малых концентрациях Рср, % расслоение по величине Р,, % практически не происходит (см. табл. 1, опыт 5), что ещё раз свидетельствует о значимости этого параметра в процессах обогащения зернистых материалов;
- небольшое различие в графиках опытов 8 (см. рис. 1) и 99 (см.рис.2) вызвано, вероятно, ощутимым различием в величинах Рср (опыт 8: Рср=6,0 %; опыт 99: Рср=7,9 %);
- температура гидросмеси в опытах точно не фиксировалась - она менялась от 15 до 40 °С (см. табл. 1) и хотя она несомненно влияет на величину вязкости гидросмеси, практически в условиях производства ею можно пренебречь, так как её колебания при гидротранспорте не значимы.
В производственных условиях различных отраслей горнодобывающей промышленности возникает необходимость обогащения зернистых материалов различной плотности (уголь, песок, железная руда и т. п.), поэтому представляет практический интерес изучение влияния плотности минеральных составляющих зернистых материалов на процесс расслоения гидросмеси по величине концентрации твёрдой фазы при гидротранспорте по высоте (диаметру трубы) лотка.
На графиках рис. 3 представлены зависимости Р = /(Н) для концентрата с плотностью минеральных составляющих ут=3,632 г/см3 при dср=0,06 мм и Гср=0,80 см/с. В опытах 95, 99, 133 и 137 (см. табл. 1) концентрация твёрдой фазы менялась соответственно от 4,0% до 4,0% (опыт 99), 10,2 % и 7,6 %. При этом величина "£" менялась соответственно от 2,44 до 1,57; 2,05; 1,11.
Анализ этих графиков указывает на то, что:
- величина критерия £ сильно влияет на характер расслоения концентрата по высоте трубы. Так, например, при £=2,44 практически расслоения по Р , % нет. Причиной этого является сильная турбулизация потока гидросмеси с последующим выравниванием Р, на всех координатах hi до Рср~4,0 % (см. табл. 1);
- сравнение графиков функций Р,= ^,) в опытах 99 при dср=0,18 мм и ^ср=2,36 см/с (рис. 2) и опытом под тем же номером при dср=0,06 мм и ^ср=0,80 см/с (рис. 3) указывает на то, что при общей схожести характера изменения величины концентрации Р, на одинаковых координатах hi абсолютные значения Р, в первом случае гораздо больше, чем во втором. Разница в величинах Р,
e
T v
N® В да
Ф JL rv--г,
го
2А л,/*
О - опт 15.■ к-Ы Р„-В,Ь%, е - опыт Ш к-199; Р„-10,0%, • - опт 19. к-1,83: Ра-10,0%,- Ф - опыт в: к-2,01 Р,-6,0%;
Г: - опыт %: К-2.18; Р^-6,0%;
Рис. 1. Графики функций Р, = /(/,): песок № 2; ^ср=0,19 мм; ут=2,61 г/см3; ^=2,22 см/с
Рис. 2. Графики функций Р, = /(/,): песок № 1; ^ср=0,18 мм; ут=2,71 г/см3; ^=2,36 см/с
оЧ \ 99 133 в »-- т в
® в^ ТЕ. яг ег в е
в \ 99-1 !Z_ \
г 0 h,,ai
О-опыт 137:к-111Р,-7,6%; Ф - опыт 99: К-1,57; Р„-4,0%;
»- mm ГО K-Z05; R,-W2%: 0 - опыт 95: К-2М, Р,<0%
Рис. 3. Графики функций Р, = /(/,): концентрат; ^ср=0,06 мм; ут=3,632 г/см3; ^=0,80 см/с
Сальников С.Н., Карандаев Г.З.
Анализ распределения концентрации песка по фракциям, их средневзвешенной крупности и скорости течения гидросмеси...
ещё раз убедительно свидетельствует, что расслоение гидросмеси в наибольшей степени зависит от начальной концентрации твёрдой фазы гидросмеси и от степени турбулизации £: в первом случае РСр=7,9 %; £=1,30, а во втором - Рф=4,0 %; £=1,57.
Выше изложенный анализ изменения концентрации твёрдой фазы гидросмеси по высоте сечения трубы хорошо согласуется с выводами А.П. Юфина [5].
Для разработки технологического процесса обогащения разнозернистых материалов, а так же конструирования обогатительного лоткового аппарата, крайне важно знать характер изменения скоростей течения гидросмеси по координатам h при расчете геометрических параметров длины и высоты сужающегося лотка, конфигурации в плане, координат расположения конструктивных элементов, побуждающих повышение эффективности процесса обогащения, а также разгрузочных устройств для складирования обогащенного продукта (тов) и слива в отвал хвостовых фракций.
В табл. 2 приведены результаты замеров скоростей течения гидросмесина различных координатах
- в опытах 5, 8, 14, и 19 - на песках № 2;
- в опытах 99 и 137 - на концентрате.
Графики опытов представлены на рис. 4.
И л/я
-ф-
5 ^
6 <Р— -ф-
2--—-л Н-
О - опыт 5 к-1,Я- Рф-1,0%; »- опыт 19 к-1,8% Рг-Ю,0%; • - опыт В: к-2.01 Р„-6,0%: Ф - опыт ?4, к-2.18; Р„-6,0%; в - опыт 117; к-Щ Р„-16%; Ф - опыт 99.■ к-1.58,
Рис. 4. Графики зависимости V, = /С',-): 1-4 - песок № 2; 5-6 - концентрат
Анализ этих графиков свидетельствует о следующем:
- чем меньше величина параметра £, тем на низших координатах h заканчивается расслоение гидросмеси по величине Р,, причем эта закономерность соблюдается как при плотности твёрдой фазы ут=2,61 г/см3, так и ут=3,63 г/см3. Причиной этого является турбулентность потока гидросмеси, обусловленная по величине начальной средней
Характер изменения скорости течения гидросмеси по высоте сечения трубы в её нижней полусфере в зависимости от внешних параметров
Таблица 2
№ опыта иф, м/с иКр, м/с £ Рср, % /, °С Скорости течения гидросмеси и,-, м/с по вертикальной оси сечения трубы на расстояниях hi, см от низа
1 2 3,5 5,5 8,5 12,5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Песок № 2; dср=0,19 мм; ут=2,61 г/см3; Wс р=2,22 см/с
5 1,74 1,31 1,31 1,0 19,0 22,5 - 1,38 1,70 1,86 2,04 2,20
19 3,38 1,85 1,83 10,0 15 2,20 2,90 3,40 3,57 3,84 4,01
8 3,43 1,69 2,03 6,0 21-28 34 2,65 3,07 3,39 3,63 3,97 4,03
14 3,68 1,69 2,18 6,0 19,5-20 38 2,87 3,35 3,56 3,98 4,24 4,38
Концентрат; dср=0,06 мм; ут=3,63 г/см3; Wср=0,80 см/с
99 2,05 1,30 1,58 4,0 42 1,90 1,81 2,14 2,21 2,37 2,4
137 1,61 1,45 1,11 7,6 3,2 - 1,45 1,62 1,70 1,84 1,83
Примечания:
1. Порядок представления результатов опытов принят по увеличению параметра £ как основного показателя величины турбулентности потока гидросмеси;
2. Замер скоростей и,-, м/с фиксировался до высоты hI■=Rтр (радиус трубопровода) в предположении, что эпюра скоростей и,- выше оси трубопровода зеркальна эпюре в нижней половине трубы. Хотя фактически итах всегда чуть выше оси трубы, но, полагаясь на несущественную разницу и,тах - ид, для упрощения дальнейших расчетов принимаем и,тах=ид;
3. При анализе результатов опытов следует учесть, что
плотность частиц концентрата 3,63 „ „ ,, Жср концентрата 0,8 см/с „ „ , ^ „ „ 1
-= — = 1,39, а-=-= 0,36 обусловлено малой величиной dср
плотность частиц песка № 2 2,61 Wср песка 2,22 см/с р
концентрата.
скоростью иср. Так, например, график 1 (опыт 5) соответствует иср=1,74 м/с, ¿=1,31, а график 4 (опыт 14) - иср=3,68 и к=2,18, что означает повышенную турбулентность в опыте 14 в 2,11 раза, чем в опыте 5;
- повышенная концентрация песка Рср, % в опыте 14 (в шесть раз больше чем в опыте 5) также способствует выносу песка на более высокие горизонты потока гидросмеси;
- очертания графиков и,=(К,) 1-4 на рис. 4 в диапазоне 4 < hi <12,5 см имеют полное подобие независимо от величины параметра "к". Величина начальной высоты потока h=4 см, с которой начинается подобие графиков, обусловлено тем, что до этой высоты, вероятно происходит вытеснение мелких частиц, как указывает А.П. Юфин [5], уменьшая концентрацию Р, в зоне К,=0-4 см до такой степени, что дальнейший процесс расслоения частиц песка происходит с постоянной интенсивностью нарастания и,-. В зоне высот К,=0-4 см концентрация крупных частиц песка наибольшая, поэтому при нарастании Рср процесс расслоения происходит более интенсивно, т. е. влияние параметра Рср в этой зоне значимо - нарастание и,- происходит более интенсивно;
- подобная аналогия графиков и,=(К,) наблюдается и в опытах 99 и 137 (графики на рис. 4-6), только подобие графиков начинается с К,—7,0 см. Причину этому нужно искать, прежде всего, в большой разнице плотности составляющих твердой фазы гидросмеси: опыты на песке - ут=2,61 г/см3, а на концентрате - ут=3,63 г/см3, т. е. во втором случае плотность выше в 1,39 раза. Кроме того, надо учесть и то, что влияние средневзвешенной крупности песчаной смеси № 2 (0,19 мм) и концентрата (0,06 мм) при разнице гидравлических крупностей (^песка=2,22 см/с и ^конц=0,8 см/с) и большей однородности фракционного состава концентрата замедляют процесс расслоения, чему убедительно свидетельствуют наклон кривых 5 и 6 к оси абсцисс - они почти параллельны ей, в отличие от кривых 1-4;
- на основании вышеизложенного можно констатировать, что процесс активного расслоения песчаных смесей при ут=2,6 г/см3 происходит в придонной зоне трубопровода гидросмеси высотой, составляющей 32 % полудиаметра трубы, равно - высоте сужающегося лотка.
С увеличением же плотности до ут=3,63 г/см3 эта зона занимает уже 56 %.
Эти практические данные позволяют легко определить геометрически параметры лотка: высоту, ширину и длину в зависимости от плотности минеральных составляющих обогащаемого зернистого материала и критической скорости течения гидросмеси икр. Для уточнения расчетных операций необходимо знать также закономерность нарастания скорости течения гидросмеси и,- над активной зоной расслоения песка по крупности, что позволит с большей вероятностью рассчитать длину сужающегося лотка.
Для этих целей в табл. 3 приведены результаты замеров скоростей течения в зоне 4 < hi <12,5 см в зависимости от величины параметра к, по которым на рис. 5 приведен график и=}(кф).
О » о 0-2
Ю г-о -- Л г
! 4 6 в Ю 12 ft,,си
Знак '¡ О' - количк/Ш опытоОс срОподащини или й/мкимирезулыпаяюни
Рис. 5. График зависимости над активной зоной расслоения 4 см) частиц песка по крупности
Закономерность приращения скорости течения гидросмеси должна быть одинакова при всех значениях параметра к, чему доказательством является полное подобие графиков 1-4 на рис. 4 выше hi = 4 см.
Результаты экспериментов свидетельствуют о линейной зависимости и^Дк,; К) и она может быть представлена уравнением у = а + Ьх, решаемым способом избранных точек [10] по сглаженным точкам графика на рис. 5 и равноотстоящих координат К, в пределах 4 < К, <12,5.
Параметры уравнения определены по зависимостям
а=2х2у-ЕхХух ; ь=пХху -ТхТу. пТх2 -(Xх) пТ/ -(Хх)
№ графика на рис. 4 К Р, % Прирост скорости ип - и, в м/с при К,, см
2 3,5 5,5 8,5 12,5
1 2 3 4 5 6 7 8
1 (базовый) 1,31 1,0 1,38 1,70 1,86 2,04 2,20
2 1,83 10 1,52 1,70 1,71 1,80 1,81
3 2,03 6 1,69 1,69 1,77 1,93 1,83
4 2,18 6 1,97 1,86 2,12 2,20 2,18
Таблица 3
Характер изменения величины приращения скорости течения гидросмеси по высоте сечения трубы в её нижней полусфере в зависимости от изменения координаты hi над активной зоной расслоения
в пределах hi=4 - 12,5 см
Сальников С.Н., Карандаев Г.З. Анализ распределения концентрации песка по фракциям,
их средневзвешенной крупности и скорости течения гидросмеси...
Таким образом, проведённый анализ зависимости и,=/^,) позволяет теоретически прогнозировать:
- распределение скоростей течения гидросмеси в сужающемся лотке по его длине от сечения ввода гидросмеси до его разгрузочной оконечности;
- активную длину лотка от начала расслоения песка по крупности до точки завершения этого процесса.
Для более точного расчета геометрических параметров необходимо знать характер расслоения песка по высоте лотка по величине средневзвешенной крупности dсрi.
В табл. 5 приведены наиболее представительные результаты опытов 8, 14 и 19, а также графики зернового состава песка фракций 2-0,25 мм (крупный продукт) и 0,25-0 мм (мелкий продукт) при
Таблица 4
Проверка точности результатов расчета
№ п/п X X 2 Yi X?, ?,-расчёт. Ошибка, %
1 0,04 0,0016 1,82 0,0728 1,8136 -0,36
2 0,06 0,0035 1,84 0,1104 1,8554 +0,83
3 0,08 0,0064 1,90 0,152 1,8972 -0,15
4 0,10 0,0100 1,93 0,193 1,9390 + 0,46
5 0,12 0,0144 1,98 0,9376 1,9808 + 0,04
5 I 1 0,40 0,036 9,47 0,7658 - -
Таблица 5
Фракционный состав песка в %% на каждой контрольной отметке Ь, по высоте сечения трубы
№ опыта £ Р 1 ср? % hi, см Состав фракций песка (е, %) при разделении по dгр=+0,25 мм Средний диаметр смеси фракций di, мм Температура гидросмеси
2-0,25 0,25-0 А °С
1 2 3 4 5 6 7 8
24,0 12,68 87,32 0,126
21,5 12,48 87,52 0,130
8,5 25,53 74,47 0,200 15,0 19,5
19 1,83 10,0 5,5 39,94 60,06 0,234
3,5 51,08 48,92 0,256
2,0 67,14 32,86 0,284
1,0 70,53 29,47 0,314
24,0 16,48 83,52 0,180
21,5 20,22 69,78 0,146
19,5 28,66 71,34 0,189
16,5 29,85 70,15 0,212 21,0
8 2,03 6,0 8,5 28,36 71,64 0,216 28,0
5,5 40,06 59,94 0,228 34,0
3,5 45,71 54,29 0,245
2,0 59,10 40,90 0,266
1,0 53,72 46,28 0,257
19,5 33,25 66,75 0,189
16,5 26,16 73,84 0,178
8,5 22,25 77,25 0,174 19,5
14 2,18 6,0 5,5 37,34 62,66 0,197 30,0
3,5 48,43 51,57 0,252 35,0
2,0 59,90 40,10 0,283
1,0 59,63 40,37 0,284
В табл. 4 п = 4 - число равноотстоящих значений x=hi = 2 см; у, = и,- м/с.
Расчеты по вспомогательной табл. 4 позволили найти численные значения параметров уравнения у = а + Ьх: а = 1,73 и Ь = 2,09.
В окончательном виде расчетная формула выглядит так:
у = 1,73 + 2,09х. (1)
В формуле параметр х(Н1) приведен к размерности в метрах (см. вторую колонку в табл. 4).
Проверка точности расчетов показала:
- ошибки по всем фиксированным в опытах скоростям в сопоставлении с расчетными составляют менее 1,0 %;
- сглаженная прямая зависимости и=/(^) выбрана очень удачно.
граничном зерне разделения dтр = +0,25 мм и закономерности изменения средневзвешенного диаметра di, мм тех же фракций на координатах hi (см. рис. 6 и 7).
65В
m
_____— m
\ \\ __
% 7У
! \ s, %к r~ 8к
19k
24 hi.cn
Обозначения: а V: 19 - нонеро опытов,- Индексы 'МиК'- цепкий и крупный продукты разделений по 0,-10,25т
Рис. 6. Графики зернового состава крупного и мелкого продуктов разделения песка № 2 по dTp= ±0,25 мм
4 ® 2
® ®
e e еэ в <
»
12
20
24 ht£M
О - опыт 19 Што 5); К-1.83: РФ-10№; ф - опыт В.- К-2М рг-6,0%; & - опыт %. К-2,18; Р„-6,0%;
Рис. 7. График зависимости средневзвешенной крупности песка dср по высоте диаметрального сечения трубы hi
Анализ результатов указывает на следующее:
-содержание крупной фракции (2-0,25 мм) непрерывно снижается по мере приближения к координате hi = 24 см (см. рис. 6), а мелкой - увеличивается. При этом интенсивность снижения -нарастания разная: в зоне 3 < hi <12 см этот процесс ускорен, а выше - замедляется;
- значимо проявляется влияние на процесс расслоения величины параметра k - при уменьшении параметра k эффективность расслоения песка по крупности выше (см. трафики крупного и мел-кото продуктов опыта 19);
- расслоение песка по крупности начинается эффективно в зоне 2,5 < hI<3,5 см в точке, соответ-
ствующей равной эффективности е, %. Надо пола-тать, что эта точка по мере увеличения средневзвешенной крупности песка dср, и его концентрации в гидросмеси Рср будет перемещаться на более высокие горизонты hi по критерию параметра k.
Изложенное хорошо подтверждается графиком на рис. 7, где расположением опытных точек dсрл■ подчеркивается влияние параметра k - для эффективного расслоения песка.
Хотя в опыте 19 в зоне 9 < hi<21 см отбор проб гидросмеси не производился, но расположение точек замеренных величин dср.i на графике рис. 7 убедительно подчеркивает влияние параметра k на эффективность расслоения песка по крупности.
Расположение опытных точек dсрi, замеренных в экспериментах 8 и 14, свидетельствует о чрезмерной турбулентности потока гидросмеси и нехватка диаметра трубопровода (высоты сужающегося лотка).
Изложенный выше анализ результатов экспериментов по определению влияния на эффективность расслоения разнозернистого песка по вертикальной оси гидротранспортной трубы позволил установить, что:
- степень влияния гидродинамического параметра k= —- очень велика: чем он меньше, тем на
более низких координатах hi (высоты от днища гидротранспортной трубы - сужающего лотка) заканчивается активное расслоение песка по крупности фракций и тем меньше вероятность выброса товарных фракций в верхнюю, «хвостовую» часть гидросмеси, так как турбулентность её также уменьшается. Результаты анализа свидетельствуют, что при k= — = 1,30 результаты расслоения
икр
более предпочтительны. Для практических целей необходимо учитывать то обстоятельство, что расчетную критическую скорость следует, по рекомендации [5], умножать на коэффициент надёжности Лн=1,1 - 1,3.
Учитывая большую вариабельность показателей Рср, %; dср, мм и их влияние на расслаивае-мость песка по крупности, целесообразно в расчетах ограничить величину критерия k в пределах 1,25- 1,30: меньший - при мелкозернистом песке и малой концентрации; больший - при крупнозернистом и с достаточно большой концентрацией:
- активная зона расслоения по вертикальной оси трубы (высота от днища лотка до свободной поверхности гидросмеси) зависит от плотности твердой фазы. Так, например, при ут=2,6 г/см3 активная зона занимает 32 % от общей высоты hi до оси трубы, а при ут=3,632 г/см3 - 56 %, т. е. в 1,75 раза выше при приблизительном равенстве критерия k = 1,53-1,57 и Рср=8,5-4,0 %. В этих сопоставлениях высота потока гидросмеси в сужающемся лотке от днища до свободной поверхности уподобляется величине полудиаметра гидротранспортной трубы (см. рис. 1 и 3).
Сальников С.Н., Карандаев Г.З.
Анализ распределения концентрации песка по фракциям, их средневзвешенной крупности и скорости течения гидросмеси.
Активная зона расслоения растет с увеличением концентрации твердой фазы (см. рис. 2), что, несомненно, повлияет на габариты сужающегося лотка - длины и высоты. Таким образом при конструировании обогатительного аппарата на основе сужающегося лотка необходимо предусмотреть как технические, так и технологические методы, позволяющие сохранить эффективность обогащения песка на высоком уровне;
- выявленная линейная зависимость приращения скорости потока гидросмеси по мере увеличения координаты hi значительно облегчает расчет оптимальной длины лотка, а характер пофракци-онного разделения песка по высоте потока - расчет высоты лотка.
Анализ результатов экспериментальных исследований [1] значительно облегчает конструктивную разработку обогатительного аппарата на основе сужающегосялотка с самотечным транспортом гидросмеси, а также прогнозировать технологические параметры обогащения:
- граничное зерно разделения по крупности dгр, мм;
- взаимозасорённость продуктов разделения (ек, % - засоренность крупного продукта мелким и наоборот - ем, %);
- возможность получения двух продуктов обогащения по модулям крупности Мк и Мм крупнозернистого песка для бетонных работ и мелкозернистого для штукатурных - на основе анализа фракционного состава исходного песка и величины средневзвешенной его крупности dср.
Литература
1. Кнороз, В.С. Перемещение песчаных материалов напорным потоком жидкости / В.С. Кнороз //Известия ВНИИГ. - Т. 40. - 1949. - С. 30-58.
2. Куприн, А.И. Классификация самотечного транспорта / А.И. Куприн // Изв. вузов. Горный журнал. - 1973. - № 6. - С. 111-119.
3. Куприн, А.И. Безнапорный гидротранспорт / А.И. Куприн. - 2-е изд. перераб. и доп. - М., Недра, 1980. - 244 с.
4. Нурок, Г.А. Процессы и технология. Гидромеханизация открытых горных работ: учебник для вузов /Г.А. Нурок. -М.: Недра, 1985. - 471 с.
5. Юфин, А.П. Гидромеханизация / А.П. Юфин. - М.: Изд-во литературы по строительству, 1965. - С. 496.
6. Минц, Д.М. О взвешивании зернистого слоя в восходящем потоке жидкости / Д.М. Минц // ДАН СССР. - Т. 82, № 1. - 1952.
7. Минц, Д.М. О гидродинамическом сопротивлении взвешенного в потоке зернистого слоя / Д.М. Минц //ДАН СССР. - Т. 83, № 4. - 1952.
8. Альтшуль, А.Д. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости): учебное пособие для вузов / А.Д. Альтшуль, П.Г. Киселев. - М.: Стройиздат, 1975. - 333 с.
9. Меламут, Д.Л. Гидромеханизация в мелиоративном и водохозяйственном строительстве / Д.Л. Меламут. - М.: Стройиздат, 1981.
10. Веденапин, Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных/Г.В. Веденапин. -М.: Колос, 1973. - 199 с.
Сальников Сергей Николаевич, инженер, аспирант, Архитектурно-строительный институт, Тольят-тинский государственный университет, заместитель директора ООО «Экотранс» (Тольятти), [email protected]
Карандаев Геннадий Захарович, кандидат технических наук, Лауреат премии Совета Министров СССР, научный консультант ООО «Гидромехстройпроект» (Тольятти)
Поступила в редакцию 22 сентября 2015 г.
DOI: 10.14529/build160104
ANALYSIS OF DISTRIBUTION OF SAND CONCENTRATION BY SIZES, THEIR AVERAGE WEIGHTED FINENESS AND THE SLURRY FLOW RATE ALONG THE CROSS-SECTIONAL HEIGHT OF A SLURRY PIPELINE
S.N. Salnikov1,2, [email protected] G.Z. Karandaev3
1 Togliatti State University, Togliatti, Russian Federation
2 EcoTrans, LLC, Togliatti, Russian Federation
3 Hydromechstroyproject, LLC, Togliatti, Russian Federation
The complex analysis on interdependence of a speed of introduction of sand slurry into a slurry pipeline is conducted. The authors have specified: optimal value of interrelation of the speed of slurry introduction into a channel Uavg and the critical Ucr (parameter k = Uavg/Ucr); effect of k parameter on the size of the active zone of sand lamination by fineness depending on the particles density value, which comprise the solid phase of slurry; linear dependence of the slurry flow increment velocity as far as it approaches its free surface in the channel.
As a whole, these results significantly facilitate the design of tapering channels in the flowchart of the energy intensive technology of sand beneficiation.
Keywords: average weighted initial parameters of slurry, solid concentration, speed of its introduction into a pipe, critical speed, lamination by fineness, near-mesh grain, fall diameter.
References
1. Knoroz V.S. [The movement of sand materials so that the pressure fluid flow]. Izvestiya VNIIG, 1949, vol. 40, pp. 30-58. (in Russ.).
2. Kuprin A.I. [Classification of gravity transport]. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal [News of the Higher Institutions. Mining Journal], 1973, no. 6, pp. 111-119. (in Russ.).
3. Kuprin A.I. Beznapornyjgidrotransport [Unconfined hydrotransport]. Moscow, Nedra Publ., 1980. 244 p.
4. Nurok G.A. Processy i tehnologija. Gidromehanizacija otkrytyh gornyh rabot [Processes and technology. The dredging surface mining]. Moscow, Nedra Publ., 1985, 471 p.
5. Jufin A.P. Gidromehanizacija [The dredging]. Moscow, Izdatel'stvo literatury po stroitel'stvu Publ., 1965. 496 p.
6. Minc D.M. O vzveshivanii zernistogo sloja v voshodjashhem potoke zhidkosti [Weighing the granular layer in the upward flow of fluid]. DokladyAkademii nauk SSSR [Reports of Academy of Sciences of the USSR], 1952, vol. 82, no. 1.
7. Minc D.M. O gidrodinamicheskom soprotivlenii vzveshennogo v potoke zernistogo sloja [Of the weighted hydrodynamic resistance in the flow of the granular layer]. Doklady Akademii nauk SSSR [Reports of Academy of Sciences of the USSR], 1952, vol. 83, no. 4.
8. Al'tshul' A.D., Kiselev P.G. Gidravlika i ajerodinamika (Osnovy mehaniki zhidkosti) [Hydraulics and aerodynamics (fluid mechanics Basics)]. Moscow, Strojizdat Publ., 1975, 333 p.
9. Melamut D.L. Gidromehanizacija v meliorativnom i vodohozjajstvennom stroitel'stve [The dredging in the water reclamation and construction]. Moscow, Strojizdat Publ., 1981.
10. Vedenapin G.V. Obshhaja metodika jeksperimental'nogo issledovanija i obrabotki opytnyh dannyh [General methodology of experimental research and processing of experimental data]. Moscow, Kolos Publ., 1973, 199 p.
Received 22 September2015
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ
Сальников, С.Н. Анализ распределения концентрации песка по фракциям, их средневзвешенной крупности и скорости течения гидросмеси по высоте сечения гидротранспортной трубы / С.Н. Сальников, Г.З. Карандаев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». - 2016. - Т. 16, № 1. - С. 26-34. Ш1: 10.14529/ЬиШ160104
FOR CITATION
Salnikov S.N., Karandaev G.Z. Analysis of Distribution of Sand Concentration by Sizes, Their Average Weighted Fineness and the Slurry Flow Rate Along the Cross-Sectional Height of a Slurry Pipeline. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Construction Engineering and Architecture. 2016, vol. 16, no. 1, pp. 26-34. (in Russ.). DOI: 10.14529/build160104
