CC BY
42
С.М. Штин
ОЦЕНКА ГЛУБИН РАЗРАБОТКИ САПРОПЕЛЕЙ СПОСОБОМ ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Гидротранспортные установки, предназначенные для добычи и гидротранспорта сапропелей, отличаются от установок для добычи и гидротранспорта песчаной, гравийной и другой гидросмеси, во-первых, параметрами транспортируемой гидросмеси, во-вторых, глубинами разработки месторождений. Обусловлено это рядом обстоятельств и, в частности, низкой плотностью сапропелевых гидросмесей, содержащих органические компоненты и их свойствами, характерными для неньтоновских жидкостей [1]. Такие гидросмеси обладают реологическими характеристиками - начальными напряжениями сдвига и кажущейся вязкостью [1, 2]. Известно, что всасывающая способность лопастных насосов, перекачивающих неньтоновские жидкости, существенно ниже, чем при работе на гидросмесях, обычно используемых в гидромеханизации. С другой стороны, существенно меньшие плотности сапропелевых гидросмесей позволяют увеличивать глубины разработки сапропе-лей, так как целый ряд сапропелевых месторождений имеет мощность залежи 20-30 м., без опасности эксплуатации насосов в кавитационном режиме. В связи с этим встала задача: оценки возможностей максимальной глубины разработки сапропелевых месторождений. Специальные кавитационные испытания насосов, перекачивающих гидросмеси на основе сапропелей, как нам известно, не проводились, и в литературе отсутствуют данные по этому вопросу. Исходя из того, что торфяные смеси, транспортируемые по трубам, относятся также к неньютоновским жидкостям, и они близки по своим характеристикам (начальному напряжению сдвига, кажущейся вязкости и зависящей от них критической скорости). К сапропелевым гидросмесям, при проведении исследований, касающихся всасывающей способности, за основу были приняты данные о течении торфяных масс в насосах и трубопроводах. Результаты исследований торфяных насосов, перекачивающих раз-
личные торфяные массы (с различной консистенцией), показали, что кавитационные запасы этих насосов Д^доп определяющих их всасывающую способность (допустимую высоту всасывания №доп) существенно возрастают по сравнению с насосами, работающими на однородных жидкостях, в том числе и воде [2]. Это возрастание величины кавитационного запаса зависит, во-первых, от критической скорости потока Укр (являющейся функцией реологических характеристик жидкости) и, во-вторых, от параметров потока на входе в рабочее колесо - абсолютной скорости входа в рабочее колесо С, и относительной скорости на входном участке лопатки колеса W1. На основании обработки результатов кавитационных испытаний торфяного насоса была получена следующая эмпирическая зависимость [3]:
Акдоп С = 1 + 24 УкрС 1 (1)
А кдоп О W1 У ’
где ^опС, hДoпО - допустимые кавитационные запасы насосов для суспензии (в данном случае на основе сапропелей) и воды соответственно; Укр - критическая скорость, соответствующая переходу структурного режима течения в псевдоламинарный. Скорость Укр зависит от реологических характеристик - начального сопротивления сдвига и кажущейся вязкости и плотности гидросмеси р [3, 4].
На основании этих данных допустимую статическую высоту всасывания Ндоп при работе на сапропелевых гидросмесях можно определить из соотношения:
ШдопС = КШдопО - Иа\к -
Ро
ргс
( V С \
- На 1 + 24 крС Р
VкvС1 1 + 24- кр 1
W12
Ро
Ргс
(2)
где На - напор, соответствующий нормальному атмосферному давлению, при температуре 20°, На = 10 м; р0, ргс - плотность воды и сапропеля (гидросмеси), кг/м3; К - экспериментальный коэффициент, его значение приведено в формуле (1).
Для сравнения приведем зависимость для определения значения допустимой высоты всасывания при работе на обычных гидросмесях
1 - — I, * (3)
HSдоп г HSдоп о На
Из сравнения выражений (2) и (3) видно, что допустимая высота всасывания при работе насоса на сапропелевой пульпе ниже, чем при перекачивании обычных гидросмесей (поскольку коэффициент К>1).
Условие бескавитационной работы земснаряда может быть записано в следующем виде:
Шдот > кр РгС - Р0 + кт + У 3 ^ М
>кр Ргс р0 + к01 +У 3^м (4)
р Ргс 01 ^ 2q У ’
где hр - глубина разработки, м; Ь„1 - расстояние от оси грунтового
х-* V2
насоса до уровня воды в водоеме, м; у з—— м - суммарные гидрав-
2q
лические потери на всем протяжении всасывающей линии земснаряда, включая потери при входе в этот трубопровод (в породозаборном устройстве), м; з - коэффициент гидравлических сопротивлений (местных и по длине); Увс - скорость во всасывающем трубопроводе, м/с.
Откуда максимальные значения глубины разработки, при условии бескавитационной работы гидротранспортной установки соответствует соотношению:
кр < Шдопг - к01 -У 3^ М (5)
Ргс ^ 2q
или с учетом выражения (2) глубина разработки hр равна:
КС
кр < -
КС 1 + 24 кр 1
W12 у
Рг-Р° Ждоп 0 - На
1 + 24 кр 1
А
Wl2 у
Р0
Р0
V2
- к01 -У з^ м (6)
Для качественной оценки возможной глубины разработки hр приведен пример расчета, исходя из данных работы насоса 16ГрУ 1600/25 при разработке сапропеля озера Кругловское, Лотошинско-го района, Московской области [1].
Исходные данные для расчета:
Зависимость максимально возможной глубины разработки сапропелей hр от плотности р и критической скорости Укр сапропелей; х - расчетные точки
Номинальный режим работы насоса ГрУ1600/25 - подача Q = 1600 м3/час;
Частота вращения п = 590 об/мин. Откуда скорости ф формуле
(1): С1 = 3.54 м/с; W1 = 12.84 м/с, ДИдоп = 4.7 м; № допО = 5.3 м, Ио1 = 1.5 м.
Подсчет суммарных потерь на всасывающей линии производился по данным [1, 4] при этом местные потери во всасывающем породозаборном устройстве принимаем равным - 5 м [1].
Подсчеты глубины разработки производились для трех значений плотности гидросмеси рг =1.06, 1,08, 1,1 т/м3 и четырех значений критической скорости Укр = 1.1, 1,22, 1,4, 1,6 м/с.
Результаты подсчетов приведены в виде графических зависимостей глубин разработки Ир от значений плотности гидросмеси и критической скорости на прилагаемом рисунке.
Как видно из приведенных графиков, повышение плотности гидросмеси и критической скорости существенно снижают возможную глубину разработки сапропелевых месторождений.
В заключении следует отметить, что приведенный в статье расчет глубины разработки носит лишь оценочный характер, так как для более точного определения величины Ир требуются соответствующие уточнения при подсчете коэффициента К в формуле
(2). Эти уточнения потребуют исследований работы насосов на сапропелевых пульпах, то есть проведения кавитационных испытаний.
Вывод. Глубина разработки сапропелевых месторождений зависит не только от плотности сапропелевой пульпы, но и критической скорости потока, характеризующей переход структурного режима в псевдоламинарный.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Животовский Л, С., Смайловская Л.А. Техническая механика гидросмесей и грунтовые насосы. Машиностроение, 1986.
2. Курганов А.М. Федоров Н.Ф. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. Ленинград, Стройиздат, 1978
3. Орлов И.И. Работа насоса на жидкостях переменной вязкости при гидромеханизированных работах. М, ЦНИИТЭПРОМ, 1963.
4. Штин С.М. Озерные сапропели и их комплексное освоение. М, Издательство МГГУ, 2005.
— Коротко об авторах -----------------
Штин С.М. - ООО “НПО Гольфстрим”.
