НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ“

ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Кононенко Анатолій Петрович

УДК 622.276.5

ТЕОРІЯ І РОБОЧИЙ ПРОЦЕС ЕРЛІФТІВ

Спеціальність 05.05.17 - Гідравлічні машини та гідропневмоагрегати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі енергомеханічних систем Державного вищого навчального закладу (ДВНЗ) “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Бойко Микола Григорович,

ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”, завідувач кафедри енергомеханічних систем, м. Донецьк.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Фінкельштейн Зельман Лазаревич,

Донбаський державний технічний університет, завідувач кафедри прикладної гідромеханіки, м. Алчевськ;

доктор технічних наук, професор

Сьомін Дмитро Олександрович,

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, професор кафедри гідрогазодинаміки, м. Луганськ;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Луговський Олександр Федорович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри прикладної гідроаеромеханіки і механотроніки, м. Київ.

Захист відбудеться 27 грудня 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .050.11 в Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий 23 листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Юдін Ю.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Транспортування краплинних рідин і гідросумішей забезпечується об'ємними і гідродинамічними насосами, до останніх з яких відноситься і ерліфт.

Унікальні гідропідйоми на вугледобувних шахтах, багато перекачних і допоміжних шахтних водовідливних установок і установок для чищення підземних ємностей вугільних підприємств, золошлаковидалення теплових електростанцій, вдосконалені земснаряди для видобування піску і гравію, дослідні установки для глибоководного видобування корисних копалин з дна морів і океанів і інші гідропідйомні і водовідливні установки були реалізовані на основі газорідинних підйомників.

Затребуване застосування ерліфтів в гірничодобувній, енергетичній, металургійній та інших галузях промисловості обумовлено, в основному, високою надійністю і простотою, а, отже, дешевизною виготовлення, монтажу, обслуговування і експлуатації, особливо при транспортуванні абразивних гідросумішей.

Так, зокрема, застосування ерліфтів в системах гідрозолошлаковидалення теплових електростанцій, що працюють на твердому паливі, супроводжується зниженням капітальних витрат в 1,5?2,0 рази, експлуатаційних витрат (включаючи витрати на електроенергію) в 2,0?2,5 рази, скороченням кількості обслуговуючого і ремонтного персоналу в 1,5?2,0 рази порівняно з базовим варіантом з грунтовими (багерними) насосами.

Основними недоліками, стримуючими більш широке використання газорідинних підйомників, є висока енергоємність робочого процесу і, переважно, емпірична основа його моделювання.

Вищевикладене свідчить про актуальність і важливість наукової проблеми, яка полягає в подальшому розвитку теорії робочого процесу ерліфтів, що дозволить підвищити рівень ефективності газорідинних підйомників.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проведені в рамках наукового напрямку ДВНЗ „Донецький національний технічний університет” (Донецького політехнічного інституту) відповідно до науково-технічної програми 055-09 Міністерства енергетики і електрифікації СРСР на 1986-1990 р.р., затвердженої постановою Ради Міністрів СРСР 31.12.86 р. № 535, “Розробити і упровадити економічні і технологічні рішення атомних і теплових електростанцій уніфікованих типів, ліній електропередач і підстанцій, а також потоково-швидкісні методи їх будівництва” завдання 02.02 “Дослідити, розробити і упровадити економічні системи видалення і складування золошлакових відходів ТЕС” з проблеми “Дослідження режимів роботи і визначення техніко-економічних показників систем золошлаковидалення при підвищеній концентрації пульпи”.

Здобувач, як науковий керівник, очолював виконання госпдоговірних науково-дослідних робіт: „Исследование и разработка системы пневмогидравлического удаления золошлаков в условиях Новосибирской ТЭЦ-5” (м. Новосибірськ, Росія, ДР №01870006335), „Исследование и освоение систем пневмогидравлического транспорта твердого материала в условиях Экибастузской ГРЭС-1 (а.с. №1423861)” (м. Екібастуз, Казахстан, ДР №01890001355), „Исследование, разработка и освоение системы пневмогидравлического удаления золы и шлака в условиях Экибастузской ГРЭС-2 (а. с. №1257300)” (м. Екібастуз, Казахстан, ДР №01880001412).

Як відповідальний виконавець здобувач брав участь у виконанні госпдоговірних науково-дослідних робіт: „Совершенствование систем гидротранспорта золы и шлака Приморской ГРЭС” (с. Лучегорськ, Приморський край, Росія, ДР №74058912), „Совершенствование эрлифтных систем ГЗУ, авторский надзор за монтажом и эксплуатацией эрлифтов Экибастузской ГРЭС-1” (м. Екібастуз, Казахстан, ДР №81051696), „Разработка и внедрение гидропневматической системы сбора очаговых остатков для условий Калининской ТЭЦ–4” (м. Калінін, Росія, ДР №01825013772), „Совершенствование эрлифтных систем ГЗУ, авторский надзор за монтажом и эксплуатацией эрлифтов Нерюнгринской ГРЭС” (м. Нерюнгрі, Якутія, Росія, ДР №01830070356), „Исследование и разработка экспериментального образца внутрицеховой автоматизированной эрлифтной системы гидрозолошлакоудаления Приморской ГРЭС” (с. Лучегорськ, Приморський край, Росія, ДР №01840062857).

Мета і завдання досліджень. Мета дослідження зниження енергоємності ерліфта за рахунок раціонально вибраних його параметрів, встановлених на основі закономірностей робочого процесу газорідинного підйомника.

Завдання дослідження:

) розробити кількісні критерії меж структур водоповітряних потоків в піднімальних трубах загальнопромислових ерліфтів з метою визначення областей існування снарядної, емульсійної і кільцевої двофазних сумішей в газорідинних підйомниках;

) розробити математичні моделі барботажного режиму роботи і робочих процесів ерліфтів зі снарядною, емульсійною і кільцевою структурами водоповітряної суміші, що найчастіше мають місце в піднімальних трубах, які дозволять визначати гідродинамічні параметри газорідинних потоків;

) провести експериментальні дослідження роботи ерліфтів з метою підтвердження адекватності математичних моделей робочих процесів газорідинних підйомників та розширення області використання емпіричної залежності газовмісту барботажної газорідинної суміші по перетину піднімальної труби;

) розробити програмні комплекси для розрахунку раціональних параметрів і характеристик газорідинних підйомників;

) уточнити методику визначення ККД ерліфтів з трубами подачі з урахуванням зміни тиску в змішувачі при зміні витрати повітря;

) виконати роботи по впровадженню ерліфтів, як засобів транспортування рідин і гідросумішей.

Об'єкт дослідження – процес транспортування (підйому) води (гідросуміші) стислим повітрям у вертикальній трубі ерліфта.

Предмет дослідження – параметри робочого процесу ерліфта - подача, витрата повітря, швидкість, тиск і потужність водоповітряного потоку і його компонентів.

Методи дослідження. Основні використані методи досліджень: аналіз та наукове узагальнення даних із літературних джерел, що дозволило обгрунтувати актуальність наукової проблеми та сформулювати завдання досліджень; аналітичне узагальнення експериментальних даних, що сприяло визначенню критеріїв меж структур водоповітряних потоків в загальнопромислових ерліфтах; методи аналізу та синтезу гідродинамічних явищ дозволили обгрунтувати фізичні моделі роботи ерліфта; методи і закони механіки рідини та газу, закономірності теорії двофазного потоку і гідравліки покладені в основу математичних моделей барботажного режиму роботи та робочих процесів газорідинного підйомника; методи математичного моделювання дозволили встановити розподіл тисків та потужностей водоповітряного потоку по витратним складовим з метою визначення енергетично раціональних областей експлуатації та оптимальних режимів роботи ерліфтів. Експериментальний метод досліджень роботи ерліфтів дозволив підтвердити адекватність математичних моделей робочих процесів газорідинного підйомника і розширити область використання емпіричної залежності газовмісту барботажної газорідинної суміші по перетину піднімальної труби.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше встановлено значення критеріїв меж існування снарядної, емульсійної і кільцевої структур висхідних водоповітряних потоків у вертикальній піднімальній трубі загальнопромислового ерліфта як для оптимального режиму роботи, так і для режиму максимальної подачі газорідинного підйомника.

2. Розроблені математичні моделі робочих процесів ерліфтів, які встановлюють зв'язок між їх геометричними параметрами та кінематичними і гідродинамічними параметрами газу і краплинної рідини з урахуванням структур водоповітряних потоків, що вперше дозволило визначити зміни потужності двофазної суміші і її компонентів як в діапазоні витрати стислого повітря, що подається в газорідинний підйомник, так і по висоті піднімальної труби.

3. Встановлено, що барботажний режим в ерліфті визначається не тільки зменшенням газовмісту водоповітряної суміші від центра до стінок каналу, але і зниженням щільності повітря по висоті піднімальної труби, що дозволило більш цілісно обгрунтувати протікаючі в газорідинному підйомнику гідродинамічні процеси від його запуску до виходу на експлуатаційний режим

4. Отримало подальший теоретичний розвиток і експериментальне підтвердження фізичне явище обмеження подачі ерліфта, як результат випереджаючого зменшення пропускної спроможності піднімальної труби при збільшенні витрати повітря і газовмісту водоповітряної суміші порівняно з пропускною спроможністю труби подачі.

Практичне значення одержаних результатів полягає в можливості використання при створенні газорідинних підйомників високого технічного рівня: математичного і програмного забезпечення для моделювання процесу їх функціонування; запропонованих нових способів роботи, захисту і управління (а.с. 1153121, 1163048, 1157280, 1186835, 1225929) і конструкцій ерліфтів і їх елементів (а.с. 1257300, 1423861, 1687913, 1724952 та ін.); розроблених методів і методик визначення характеристик, областей раціональної експлуатації та оптимальних режимів роботи ерліфтів.

Рекомендації по вдосконаленню газорідинних підйомників реалізовані при розробці і впровадженні ерліфтних установок систем гідрозолошлаковидалення Новосибірської ТЕЦ-5 (м. Новосибірськ, Росія), Екібастузських ДРЕС-1, (м. Екібастуз, Казахстан).

Основні наукові положення, виводи і рекомендації по вибору параметрів ерліфтних установок використані інститутами “Теплоелектропроект” (м. Новосибірськ, Росія) і “ВНДПІенергопром” (м. Київ, Україна) при проектуванні систем гідрозолошлаковидалення теплових електростанцій Росії (Приморська ДРЕС, Нерюнгрінська ДРЕС, Березовська ДРЕС, водогрійна котельна Кузнецької ТЕЦ, Ново-Зімінська ТЕЦ, Ульяновська ТЕЦ-3) та Казахстану (Павлодарська ТЕЦ-3).

Виводи і рекомендації роботи застосовані при розробці ерліфтів аварійного відкачування води з підвальних приміщень машзалу Омської ТЕЦ-4 (м. Омськ, Росія), установок пластового дренажу машинного залу, вузла пересипки конвеєрів паливоподачі з утилізацією просипів Екібастузської ДРЕС-1 (м. Екібастуз, Казахстан), установки видалення випадкових стоків машзалу, двосекційної беззумпфової установки Екібастузської ДРЕС-2 (м. Екібастуз, Казахстан), установок видалення дренажів з кабельних каналів, видалення золошлаків з можливістю розлуження гідросуміші димовими газами Новосибірської ТЕЦ-5 (м. Новосибірськ, Росія), спільно з НДІГМ ім. М.М. Федорова (м. Донецьк, Україна) способу регулювання подачі насосів ЦНС 300-600 впусканням повітря у всмоктуючий трубопровід в умовах водовідливної установки шахти ім. Ф.Е. Дзержинського ДП “Дзержинськвугілля” (м. Дзержинськ, Україна), оптимізації параметрів газорідинних підйомників ерліфтно-земснарядних комплексів АТЗТ “НВО “Хаймек” (м. Донецьк, Україна) і ін.

Результати досліджень використані у ДВНЗ „Донецький національний технічний університет” в навчальному процесі в курсах “Спеціальні засоби і схеми шахтних водовідливних, вентиляторних установок і гідропідйому”, “Спеціальні засоби і схеми транспортування рідин”, “Гідромеханізація, гідро- і пневмотранспорт”, при курсовому і дипломному проектуванні, виконанні магістерських робіт, а також у Сумському державному університеті в дисциплінах “Теорія турбомашин”, “Промислові пневмосистеми”, при курсовому і дипломному проектуванні.

Особистий внесок здобувача. Всі основні положення дисертації, які винесені на захист, отримані здобувачем самостійно. Серед них:

- встановлені критерії меж існування снарядної, емульсійної і кільцевої структур водоповітряних потоків у вертикальних піднімальних трубах загальнопромислових ерліфтів;

- розроблені математичні моделі барботажного режиму роботи і робочих процесів ерліфтів зі снарядною, емульсійною і кільцевою структурами водоповітряних потоків, що дало змогу дослідити зміну гідродинамічних параметрів газорідинної суміші в піднімальній трубі та встановити раціональні області використання ерліфта;

- розроблені методики і проведені в якості керівника та відповідального виконавця експериментальні дослідження роботи ерліфтів, які підтвердили адекватність математичних моделей їх робочих процесів та дозволили розширити область використання емпіричної залежності газовмісту барботажної газорідинної суміші по перетину піднімальної труби;

- обгрунтовано фізичне явище обмеження подачі ерліфта, що дозволило розробити практичні рекомендації по вибору технологічних та конструктивних параметрів газорідинних підйомників;

- уточнені методики визначення ККД, розрахунку раціональних параметрів і характеристик ерліфтів;

- в якості наукового керівника та відповідального виконавця науково-дослідних госпдоговірних робіт виконані заходи по впровадженні ерліфтів в системах гідропідйому та водовідливу теплових електростанцій, а також забезпечено використання результатів досліджень в умовах підприємств по видобутку корисних копалин.

Формулювання проблеми і завдань досліджень здійснювалося спільно з науковим консультантом.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи докладалися і отримали схвалення на науково-технічній конференції із завершених науково-дослідних робіт ДПІ (м. Донецьк, 1991 р.), II-ій, IV-ій, V-ій і VI-ій Міжнародних науково-технічних конференціях “Горная энергомеханика и автоматика” (м. Донецьк, 2002, 2004, 2005, 2006 р.р.), X Ювілейній міжнародній науково-практичній конференції “Гидроаэромеханика в инженерной практике” (м. Краматорськ, 2005 р.), VI, VII і VIII науково-технічних конференціях Асоціації фахівців промислової гідравліки і пневматики “Промышленная гидравлика и пневматика” (м. Львів, 2005 р., м. Вінниця, 2006 р., м. Мелітополь, 2007 р.), Міжнародній науково-практичній інтернет-конференції “Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании” (Інтернет-сайт www.sworld.ilhome.net, м. Одеса, 2005 р.), II Міжнародній науково-практичній конференції “СУЧАСНІ НАУКОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ – 2006” (Web-сторінка: www.rusnauka.com, м. Дніпропетровськ, 2006 р.), II Міжнародній науково-практичній конференції "ДНІ НАУКИ - 2006" (Web-страница: www.rusnauka.com, м. Дніпропетровськ, 2006 р.), XI і XII Міжнародних науково-практичних конференціях "Гидроаэромеханика в инженерной практике" (м. Київ, 2006 р., м. Луганськ, 2007 р.), Міжнародній науково-практичній інтернет-конференції “Современные направления теоретических и прикладных исследований” (Інтернет-сайт www.sworld.ilhome.net, м. Одеса, 2006 р.), II Міжнародній науково-практичній Інтернет-конференції “Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2006” (Інтернет-сайт www.sworld.ilhome.net, м. Одеса, 2006 р.), Третій Міжнародній науково-практичній конференції “Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности” (м. Санкт-Петербург, 2007 р.), міжкафедральних семінарах ДВНЗ „ДонНТУ” (м. Донецьк, 2007 р.) і НТУ “ХПІ” (м. Харків, 2007 р.).

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані в 35 наукових роботах, серед них: 1 монографія, 1 навчальний посібник, 22 наукові праці, які опубліковані у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 5 авторських свідоцтв.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 9 розділів і висновків, містить 565 сторінок, зокрема 250 сторінок основного машинописного тексту, 112 рисунків, 30 таблиць (кількість окремих сторінок з рисунками і таблицями - 84), 9 додатків на 172 сторінках і список використаних джерел з 568 найменувань на 59 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульована наукова проблема, відображений зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, визначені мета і завдання досліджень, показана наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, приведений особистий внесок здобувача, подані відомості про апробацію, публікації та структуру дисертації.

Перший розділ “Стан проблеми, мета і завдання досліджень”. Актуальність даної проблеми визначається необхідністю підвищення ефективності газорідинних підйомників, що полягає в зниженні їх енергоємності і можливості аналітичного визначення раціональних конструктивних і технологічних розмірів ерліфтів і гідродинамічних параметрів водоповітряних потоків у вертикальних піднімальних трубах, що вимагає розробки достовірних фізичних і математичних моделей робочого процесу транспортування рідин стислими газами.

Аналіз стану проблеми виконаний по наступних напрямах: а) існуючі фізичні і математичні моделі ерліфтів; б) методики кількісного опису висхідних вертикальних газорідинних потоків в газліфтах нафтогазовидобування, парогенеруючих трубопроводах котлів теплових і атомних електростанцій, устаткуванні хімічних виробництв; в) моделі двофазних потоків і критерії меж існування структур газорідинних сумішей.

Значний внесок до розробки проблеми моделювання ерліфтів внесли вчені Крилов А.П., Козлов Б.К., Пірвердян А.М., Г. Грабов, Гейєр В.Г., Логвинов М.Г., Давидсон В.Є., Кириченко Є.О., Малєєв В.Б., Костанда В.С., Малигін С.С., Усков Є.В., Козиряцький Л.М., Пащенко В.С. і багато інших.

Найбільшого поширення набула методика кількісного опису ерліфтів школи професора Гейєра В.Г., в основу якої покладений баланс потужностей потоків в підйомнику. Проте, забезпечуючи прийнятну точність у визначенні конструктивних і технологічних параметрів ерліфтів, розроблені моделі, в зв'язку з їх емпіричною основою, не дозволяють аналізувати внутрішні гідродинамічні явища в піднімальних трубах і мають обмежену область застосування. Емпіричний опис барботажного режиму роботи ерліфта також не відображає суті виникаючих гідродинамічних процесів, що утруднює обгрунтування фізичних моделей експлуатаційних режимів підйомника.

Вимагає уточнення спосіб визначення ККД, а, отже, призначення енергетично оптимального режиму роботи ерліфта з урахуванням дійсного тиску в змішувачі. Затребувана також аналітична методика побудови витратних характеристик ерліфта, які в даний час отримують або емпіричними методами, або шляхом експериментальних досліджень на моделях. Область застосування емпіричних характеристик обмежена, а експериментальні дослідження вимагають додаткових матеріальних витрат.

Схожість методик опису ерліфтів з моделями газліфтів, парогенеруючих трубопроводів та ін. пояснюється загальною основою гідродинамічних процесів, що мають місце у вертикальних висхідних газорідинних потоках. Проте, по багатьом фізичним параметрам перераховані підйомники мають принципові відмінності від ерліфтів (істотно нижчі подачі, значні довжини при менших діаметрах піднімальних трубопроводів, виділення розчинених газів в процесі підйому газорідинної суміші, інтенсивний масообмін в парорідинних потоках та ін.), що обмежує можливість використання розроблених для них кількісних залежностей.

Основною особливістю двофазного потоку є те, що межі фаз визначаються не тільки геометрією стінок каналу, що характерно для однофазного потоку, але і розподілом цих фаз в об'ємі, обмеженому даним каналом. Структурна безліч варіантів взаємних розподілів фаз утворює сукупність режимів течії (структур потоків).

Створення єдиної для всіх структур теорії і універсальної математичної моделі двофазного потоку із-за складності процесів бачиться у віддаленій перспективі. В даний час найбільш продуктивним рішенням задачі визначення достовірних кількісних характеристик рухомих двофазних сумішей є розробка математичних моделей для кожної, що мають місце, структур двофазних потоків.

В загальнопромисловому ерліфті переважно реалізуються снарядна, емульсійна і кільцева структури водоповітряних потоків, межі існування яких на теперішній час найоб'єктивніше обгрунтовуються теорією кризових станів двофазних сумішей. Проте критеріїв меж реалізації вказаних структур в піднімальних трубах загальнопромислових ерліфтів не розроблено.

Сукупність перерахованих питань складає наукові основи підвищення ефективності газорідинних підйомників.

Другий розділ “Структури і моделі двофазних водоповітряних потоків в піднімальних трубах ерліфтів”. Теорія кризових станів двофазного потоку, в основі якої лежать пов'язані з напрямом руху пристінної рідинної плівки поняття “захлинання” і “поворот потоку”, на теперішній час найповніше відповідає вирішуваному для ерліфтів завданню – отриманню кількісних критеріїв меж існування снарядного, емульсійного і кільцевого висхідних водоповітряних потоків у вертикальній піднімальній трубі.

Перехід барботажного режиму роботи ерліфта в експлуатаційний з бульбашково-снарядною структурою газорідинної суміші супроводжується перетворенням низхідного циркуляційного потоку в пристінну низхідну рідинну плівку. Кільцевий режим характеризується висхідним рухом рідини, а емульсійна структура – коливальним рухом пристінної плівки води.

Подання 85 експериментальних характеристик ерліфтів з піднімальними трубами діаметрами D ?624 мм і довжинами H+h ,1?316,0 м (H – висота підйому ерліфта, h – геометричне занурення змішувача) при відносних зануреннях змішувача ? ,070?0,995 в координатах k – N (k – критерій Кутателадзе, N – параметр, залежний від критеріїв Фруда Fr, Вебера We і Галілея Ga) дозволило виявити кількісні закономірності формування структур в піднімальній трубі для оптимального режиму і режиму максимальної подачі ерліфта. Параметрами, що дозволяють класифікувати снарядну, емульсійну і кільцеву структури висхідної газорідинної суміші у вертикальній піднімальній трубі, є відносне занурення змішувача ? і критерій Фруда водоповітряної суміші Frсм (рис. 1).

Математичне моделювання робочих процесів ерліфта вимагає застосування правомірних базових початкових рівнянь для двофазної суміші, в якості яких прийняті спрощені, усереднені по часу-простору рівняння збереження маси та імпульсу.

Використовуючи існуючі залежності для визначення гідравлічних втрат, дійсного газовмісту і інтенсивності масообміну в експлуатаційних режимах при відповідних досліджуваних структурах потоків і барботажному режимі роботи підйомника, рівняння нерозривності руху і кількості руху двофазної рідини для кожної моделі отримані виходячи з одних і тих же початкових диференціальних рівнянь.

При моделюванні барботажного режиму роботи ерліфта і робочих процесів зі снарядною, емульсійною і кільцевою структурами водоповітряних потоків прийняті наступні допущення: течія квазіодновимірна осесиметрична стаціонарна; швидкості компонентів суміші в будь-якій точці перетину піднімальної труби паралельні вертикальній осі, а поперечні складові швидкостей і прискорень нехтувано малі в порівнянні з їх поздовжніми значеннями; у кожній точці будь-якого перетину піднімальної труби тиск однаковий, у тому числі і у фазах, і змінюється по висоті по лінійному закону; для емульсійної структури водоповітряної суміші ковзання фаз відсутнє; для кільцевої структури ядро потоку є монодисперсною газосуспензією, що складається з несучої газової фази і каплеподібних включень води, а плівка рідини складається тільки з води; зміна стану повітря в піднімальній трубі відбувається по ізотермічному процесу.

Третій розділ “Барботаж в піднімальній трубі ерліфта”. Згідно прийнятої фізичної моделі барботажного режиму роботи ерліфта при висхідному русі газових утворень в піднімальній трубі мають місце висхідний (центральний) і низхідний (пристінний) циркуляційні потоки, обумовлені різницею їх щільності. Більше 90% довжини піднімальної труби при H+h ?  м займає зона стабілізації з плавнозмінним (близьким до постійного) значенням газовмісту.

Математична модель барботажного режиму ерліфта представлена системою рівнянь (1) і (2), отриманих з рівнянь нерозривності руху (виходячи з рівності нулю сумарної витрати рідини в будь-якому перетині піднімальної труби) і кількості руху:

cw = G = 0 ; (1)

g ? 0?H+h[?ср.н(z) - ?ср.в(z)]dz = { ?ср.в(z)?[wср.в(z)]2}|0 H+h –

{ ?ср.н(z)?[wср.н(z)]2}|0 H+h + 1/?в ? 0?H+h Fбv(z) dz + (2)

+ 1/?н ? 0?H+h [Fбv(z) + Fбw(z)] dz,

де ?' – щільність води; w' – дійсна швидкість води; G' – масова швидкість води; g – прискорення вільного падіння; cср.в(z), cср.н(z) – середня по перетинах щільність відповідно висхідного і низхідного циркуляційних потоків; wср.в(z), wср.н(z) – середні по перетинах швидкості відповідно висхідного і низхідного потоків; Fбv, Fбw – питомі (на одиницю довжини труби) сили тертя відповідно між висхідним і низхідним потоками і між низхідним потоком і стінкою труби; ?в, ?н – площі поперечних перетинів відповідно висхідного і низхідного потоків.

Вирішення системи рівнянь (1) і (2) дозволило уточнити значення коефіцієнта ?, що входить у відому залежність газовмісту по перетину барботажного потоку від його значення в центрі каналу, стосовно піднімальної труби ерліфта. Використовуючи експериментальні дані для ерліфтів з піднімальними трубами діаметрами 140, 150, 250, 353 і 624 мм, отримано емпіричні залежності e = f(w0,D) в діапазоні приведених швидкостей повітря w0=0,68?5,56 м/с при середньому тиску в піднімальній трубі (рис. 2). Підтвердженням адекватності розробленої моделі служить задовільна точність отриманих залежностей  = f(w0) при D idem (середньоквадратичні погрішності рівнянь регресії не перевищують 0,3%).

Розроблена для ПЕВМ програма чисельного вирішення системи рівнянь (1), (2) з використанням залежності e = f(w0,D) дозволяє визначати, з прийнятною точністю, витрату повітря ерліфтом в барботажному режимі, а також значення газовмісту, щільностей і швидкостей водоповітряної суміші і її компонентів в піднімальній трубі з графічною ілюстрацією отриманих результатів.

Аналітичні дослідження барботажних процесів в ерліфтах з піднімальними трубами діаметрами D ?624 мм і довжинами H+h=5?30 м при геометричних зануреннях змішувачів h=0,5?13м дозволили встановити, що середній повітровміст барботажної суміші для умов виходу з піднімальної труби знаходиться в межах ?ср = 0,605?0,912, для умов середнього тиску в піднімальній трубі ?ср = 0,530?0,872, що задовільно узгоджується з відомими літературними даними для барботажних апаратів.

Адекватність розробленої математичної моделі барботажного режиму роботи газорідинного підйомника дає засади стверджувати про правомірність прийнятої фізичної моделі та наявність в піднімальній трубі циркуляційних потоків, з яких низхідний, при збільшенні витрати повітря та виходу ерліфта на експлуатаційний режим з бульбашково-снарядною структурою, перетворюється в низхідну пристінну рідинну плівку.

Четвертий розділ “Модель робочого процесу ерліфта зі снарядною структурою водоповітряного потоку”. Для снарядної структури характерний розмір включень (поперемінних газових пузирів або рідинних пробок) порівнянний з масштабом потоку (діаметром труби).

Рівняння стаціонарного висхідного руху снарядної водоповітряної суміші у вертикальній піднімальній трубі ерліфта, виходячи з рівнянь нерозривності руху і кількості руху для двокомпонентної моделі газорідинного потоку, можливо представити у вигляді

рсм?zi/(H+h)=4/D ?0?zi ?w(z)dz+G?[x?w"(z) +(1 - x) ?w'(z)] |0zi+

+ g ?0?zi{?(z)??"(z) + [1 - ?(z)] ??'} dz, (3)

або

pУi = pmpi + pускi + pgi , (4)

де рсм – надлишковий тиск в змішувачі; zi – відстань від змішувача до даного перетину піднімальної труби; w(z) дотична напруга на стінці піднімальної труби; x – масовий витратний газовміст водоповітряної суміші; w(z) – дійсна швидкість повітря; (z) дійсний газовміст водоповітряної суміші; (z) щільність повітря; pУi сумарний перепад тиску на ділянці піднімальної труби довжиною zi; pmpi , pускi , pgi перепади тиску на ділянці піднімальної труби довжиною zi, обумовлені відповідно тертям, прискоренням і силою тяжіння.

Середня об'ємна витрата водоповітряної суміші на ділянці піднімальної труби довжиною zi

Qсрi = G??/zi ?0?zi dz/{?(z)??"(z) + [1 - ?(z)] ??'}, (5)

де ? – площа перетину піднімальної труби.

Добуток Qсрi на відповідний тиск pУi, pmpi , pускi и pgi дозволяє визначити значення потужностей сумарної Ni, компенсуючих втрати на тертя Nmpi та прискорення Nускi, а також необхідної для подолання сили тяжіння Ngi при рухові водоповітряного потоку на ділянці піднімальної труби довжиною zi (NУi = Nmpi + Nускi + Ngi). Підведена до піднімальної труби потужність Nподi при прийнятій математичній моделі робочого процесу ерліфта формується сумою потужностей повітряного потоку Ni і потоку води N , а потужність, компенсуюча втрати на ковзання, визначається залежністю Nскi = Nподi NУi .

Вирішення математичної моделі робочого процесу ерліфта зі снарядною структурою двофазної суміші виконане чисельним методом на ПЕВМ за допомогою розробленої програми. Адекватність моделі підтверджена задовільною збіжністю розрахункових і експериментально отриманих подач ерліфтів з піднімальними трубами діаметрами D=25?353 мм, довжинами H+h = 11,45?90,5 м і відносними зануреннями змішувачів ? ,310?0,931, у яких в оптимальному, або оптимальному і режимі максимальної подачі (34 режими роботи, приклад – рис. 3) має місце снарядна структура водоповітряного потоку (відхилення в більшості випадків не перевищують 20%).

Розроблена математична модель і програма для її вирішення на ПЕВМ дозволяє визначати наступні кількісні значення і залежності (з графічною побудовою):

а) значення поточних гідродинамічних параметрів снарядної водоповітряної суміші в заданих перетинах піднімальної труби і при заданій витраті повітря Qв (рис. 4);

б) залежність подачі ерліфта Qэ від витрати повітря Qв (побудова витратної характеристики);

в) зміну тисків pУi, pmpi , pускi і pgi (рис. 5) і потужностей Ni, Nmpi, Nускi, Ngi, Nскi, N , Ni і Nподi (рис. 6) в залежності від витрати повітря Qв та по висоті піднімальної труби.

Як випливає з результатів розрахунків, для піднімальних труб діаметрами D25?250 мм в режимі максимальної подачі ерліфта при снарядній структурі водоповітряного потоку відносний тиск, обумовлений силою тяжіння, складає = 59?80% від сумарного перепаду тиску на піднімальній трубі pУ. Відносний тиск, обумовлений тертям, знаходиться в межах = 25?40%, а відносний тиск, обумовлений прискоренням, < %. Відповідно відносна потужність, що витрачається на подолання сили тяжіння, складає = 15?57%, на компенсацію втрат на тертя = 6?26%, на компенсацію втрат на прискорення < 3% і на компенсацію втрат на ковзання = 17?75%. За інших рівних умов відносні втрати на ковзання збільшуються при зменшенні тиску в змішувачі рсм і збільшенні діаметру D піднімальної труби.

П'ятий розділ “Модель робочого процесу ерліфта з емульсійною структурою водоповітряного потоку”. Збільшення газовмісту снарядного потоку приводить до зростання дотичної напруги на поверхні розділу фаз (поверхні плівки) і утворення значних нестійких хвиль, які захоплюються вгору потоком повітря. Руйнування великомасштабних газових пузирів і рідинних пробок приводить до інтенсивного перемішування компонентів двофазного потоку і формування емульсійної структури з геометричною характеристикою, що не піддається кількісній оцінці.

Емульсійна течія характеризується великою частотою і малою амплітудою пульсацій і по своїх властивостях наближається до гомогенної структури.

Для одновимірної стаціонарної висхідної течії емульсійної водоповітряної суміші у вертикальній піднімальній трубі ерліфта спрощені рівняння нерозривності руху і кількості руху на основі гомогенної (однокомпонентної) теорії дозволяють отримати співвідношення, що описує залежність повного градієнту тиску від щільності фаз і газовмісту

-dp(z)/dz = {?см(z)?G/(2D?{?(z)??"(z) + [1 - ?(z)] ??'} –

-G2?[?"(z) - ?']? [d? (z)/dz]/{?(z)??"(z) + [1 - ?(z)] ??'}2 +

+ g?{?(z)??"(z) + [1 - ?(z)] ??'}? (6)

?1 - G2??(z)?[?0"/p0]/ {?(z)??"(z) + [1 - ?(z)] ??'}-1,

де р(z) – тиск; ?см(z) - коефіцієнт опору; (z) - об'ємний витратний газовміст водоповітряного потоку.

Інтегрування рівняння (6) для ділянки піднімальної труби ерліфта довжиною zi (де 0 ? zi? H+h) приводить до виразу, подібному (4).

Середня об'ємна витрата емульсійної водоповітряної суміші на ділянці труби довжиною zi визначається залежністю (5), в якій замість дійсного газовмісту (z) використовується вираз для об'ємного витратного газовмісту (z) .

По аналогії з математичною моделлю робочого процесу ерліфта зі снарядною структурою водоповітряної суміші, для моделі з емульсійною структурою добуток Qсрi на відповідний тиск pУi, pmpi , pускi і pgi також дозволяє визначати значення потужностей Ni, Nmpi, Nускi i Ngi при русі водоповітряного потоку на ділянці піднімальної труби довжиною zi. Підведена до піднімальної труби потужність дорівнює сумі Nподi = N  + Ni , причому Nподi = Ni із-за прийнятої моделі гомогенної течії, що припускає відсутність втрат потужності на ковзання фаз Nускi =0.

Не виявлено в літературних джерелах рекомендацій і кількісних залежностей для обчислення коефіцієнтів опору двофазних потоків з емульсійною структурою. Варіанти рішення задачі про кількісне значення коефіцієнта опору, що рекомендуються для гомогенних потоків, зокрема використання постійного значення коефіцієнта опору ?см - const, часто не приводять при аналізі емульсійних сумішей до задовільних результатів.

Для можливості використання при розрахунках відомого критеріального рівняння см (Reсм,)(,Frсм), [де =f(Reсм,) - коефіцієнт опору однофазного потоку для критерію Рейнольдса водоповітряної суміші Reсм і відносній шорсткості труби ?; ? - поправочний коефіцієнт] виконана чисельна обробка експериментальних даних з використанням рівняння (6) і обчисленням величини =f(Reсм,) за формулою Альтшуля, яка дозволила отримати емпіричний вираз для значення поправочного коефіцієнта ? водоповітряного потоку з емульсійною структурою

ln = 6,67 0,891ln Frсм + 21,92ln (7)

у діапазоні значущих чинників ? = 0,738?0,995, Frсм = 12,7?171,0. Відносна середньоквадратична помилка рівняння регресії складає 3,12%.

Порівняння розрахункових і експериментально визначених подач з використанням математичної моделі робочого процесу газорідинного підйомника з емульсійною структурою водоповітряного потоку виконані чисельним методом за розробленою програмою на ПЕВМ для ерліфтів з піднімальними трубами діаметрами D = 50?624 мм, довжинами H+h = 2,1?192,0 м і відносними зануреннями змішувачів ? = 0,100?0,664.

При виконанні кількісних розрахунків коефіцієнт опору ?см визначався як виходячи з рекомендацій (для гомогенних сумішей) постійності його значення по довжині піднімальної труби в діапазоні ?см = 0,02?0,14, так і обчислювався по критеріальному рівнянню з використанням виразу (7). Причому, при обчисленні коефіцієнта опору ?см з використанням виразу (7) найбільш задовільні результати отримані в діапазоні відносних занурень змішувача ? = 0,100?0,290. Використання моделі ?смconst виявилось прийнятно в діапазоні відносних занурень змішувача ? = 0,318?0,664.

Відхилення розрахункових подач ерліфтів в оптимальних режимах і режимах максимальних подач (24 режими роботи) від експериментально отриманих даних при емульсійній структурі водоповітряної суміші не перевищують 25%, що є задовільним результатом для даних умов і підтверджує адекватність розробленої моделі.

Розроблена математична модель робочого процесу ерліфта з емульсійною структурою водоповітряної суміші і програма для її вирішення на ПЕВМ дозволяють визначати ті ж гідродинамічні параметри і залежності, що і у разі моделі для снарядної структури, проте з урахуванням гомогенності (однокомпонентності) газорідинного потоку.

При відносних зануреннях змішувачів ? > 0,3 ерліфтів з піднімальними трубами діаметрами D = 50?624 мм в режимі максимальної подачі як відносний тиск, так і відносні потужності, знаходяться в межах: обумовлені силою тяжіння ? ? 50?54%, тертям ? ? 39?47%, прискоренням .

Шостий розділ “Модель робочого процесу ерліфта з кільцевою структурою водоповітряного потоку”. Фізична модель кільцевої структури водоповітряного потоку у вертикальній піднімальній трубі ерліфта прийнята такою, при якій плівка рідини завтовшки ?(z) рухається по внутрішній стінці, а газ з краплинними і близькими до них включеннями рідини утворює гомогенне ядро потоку. Між газорідинним ядром потоку і плівкою, що складається тільки з рідини, має місце масообмін за рахунок винесення і осадження крапель.

Рівняння нерозривності руху і кількості руху роздільного водоповітряного потоку з кільцевою структурою у вертикальній піднімальній трубі ерліфта представлені системою залежностей:

Wв = (z)c(z)w(z)c(z) = const; (8)

Wэс(z) |0zi = Wэ??(z) |0zi = 0?zi Jfc(z)?dz - 0?zi Jcf (z)?dz; (9)

Wэf(z) |0zi = Wэ?[1 - ?(z)] |0zi = 0?zi Jcf (z)?dz - 0?zi Jfc (z)?dz; (10)

рсм?zi/(H+h) = 2??0?zi[R - ?(z)]??v(z)/?c(z)?dz + 0?zi{[Jcf (z) - Jfc(s) (z)] wc(z) –

- [Jfc (z) - Jfc(s) (z)]?w'v(z)}/?c(z)?dz + { ?"(z)? ?c(z) + ?' ?[1 - ?c(z)] }? (11)

?{[Qв(z) + Qэ(z)? ?(z)]/ ?c(z)}2|0zi + g ?0?zi{ ?"(z)? ?c(z) + ?' ?[1 - ?c(z)] }?dz;

рсм?zi/(H+h) = - 2??0?zi[R - ?(z)]?v(z)/?f(z)?dz - 0?zi{[Jcf (z) - Jfc(s) (z)] wc(z) –

- [Jfc (z) - Jfc(s) (z)]w'v(z)}/?f(z)?dz + ??R??'?0?ziCw(z)?[w'f (z)]2/ ?f (z) ?dz + (12)

+ { ?'?[w'f (z)]2 + ?'?g?z}|0zi,

де Wв, Wэс(z), Wэf(z) - масові витрати відповідно повітря, води в ядрі газорідинного потоку і води в пристінній плівці; c(z) - витратний об'ємний повітровміст ядра газорідинного потоку; c(z), f(z) - площа перетину відповідно гомогенного ядра і пристінної плівки; (z) - масова частина рідини, що переноситься газом в ядрі кільцевого потоку; Jfc(z), Jcf (z) - інтенсивність відповідно винесення крапель з поверхні рідинної плівки і осадження крапель на плівку; - інтенсивність ударного бризковинесення; R – радіус піднімальної труби; v(z) - дотична напруга на поверхні розділу фаз; wc(z), wf (z), wv(z) - швидкість відповідно гомогенного ядра газорідинного потоку, води в пристінній плівці і води в плівці на міжфазній межі; Cw(z) - коефіцієнт тертя між плівкою і стінкою труби.

Рівняння (11) і (12) можливо перетворити до вигляду

рсм?zi/(H+h) = ??R??'/ ? ?0?zi Cw(z)?[w'f(z)]2?dz + { ?c(z)? ?"(z) +

+ [1 - ?c(z)] ??'}?[wc(z)]2? ?c(z) + ?'?[w'f (z)]2? ?f (z)/?|0zi + (13)

+ g/??[0?zi{ ?c(z)? ?"(z) + [1 - ?c(z)] ??'}? ?c(z)?dz + ?'?0?zi ?f (z)?dz],

який, у свою чергу, відповідає виразу (4) і дозволяє визначати значення тисків pУi, pmpi , pускi и pgi .

Середня об'ємна витрата водоповітряної суміші на ділянці труби довжиною zi

Qсрi = (Wв + Wэ)/zi ?0?zi dz/{?* (z)??"(z) + [1 – ?* (z)] ??'}, (14)

де *(z) - розрахунковий газовміст водоповітряного потоку.

Значення потужностей Ni, Nmpi, Nускi, Ngi, Nскi, N , Ni і Nподi визначаються по методиці, аналогічній застосованій в математичній моделі робочого процесу ерліфта зі снарядною структурою водоповітряної суміші.

Вирішення системи рівнянь (8) - (12) з урахуванням масообміну між гомогенним ядром і пристінною плівкою кільцевої структури двофазного потоку для ерліфтів з піднімальними трубами діаметрами D = 20?400 мм і довжинами H+h = 5?50 м при відносних зануреннях змішувачів ? = 0,05?0,20 знайти не вдалося. Пояснити це можливо обмеженим діапазоном використання існуючих емпіричних залежностей для визначення інтенсивності краплинного масообміну між ядром газорідинного потоку і пристінною плівкою.

Для можливості кількісної оцінки робочого процесу ерліфта з кільцевою структурою водоповітряної суміші розрахунки виконані при допущенні відсутності масообміну між ядром потоку і пристінною плівкою і умові постійності товщини плівки по всій висоті піднімальної труби.

Відхилення розрахункових подач ерліфтів з піднімальними трубами діаметрами D=100?250 мм, довжинами H+h=11,7?31,2м і відносними зануреннями змішувачів ?=0,070?0,205 в оптимальних режимах і режимах максимальних подач (8 режимів роботи) від експериментально отриманих даних при кільцевій структурі не перевищують 30%, що підтверджує адекватність розробленої моделі навіть при зневазі масообміном між ядром потоку і пристінною плівкою.

Обчислення гідродинамічних параметрів по висоті кільцевого водоповітряного потоку при заданих витратах повітря і побудова витратної характеристики ерліфта за допомогою розробленої математичної моделі і програми для її вирішення на ПЕВМ виконується також при допущенні відсутності масообміну між ядром потоку і пристінною плівкою рідини.

Для ерліфта з піднімальною трубою діаметром D = 150 мм, довжиною H+h = 11,7 м і відносним зануренням змішувача ? = 0,205 відносний тиск, обумовлений силою тяжіння, в режимі максимальної подачі складає ? 96,5% від сумарного перепаду тиску на піднімальній трубі pУ, обумовлений тертям - ? 2,1%, обумовлений прискоренням - ? 1,4%.

У режимі максимальної подачі ерліфтів з піднімальними трубами діаметрами D = 100?250 мм при кільцевій структурі водоповітряного потоку відносний тиск, обумовлений прискоренням, складає < 3%. Решта значення сумарного перепаду тиску на піднімальній трубі pУ розподіляється між складовими тиску, обумовленими силами тяжіння pg і тертя pmp в пропорціях, достовірно класифікувати які складно із-за обмеженого числа аналізованих прикладів.

Відповідно відносна потужність, що компенсує втрати на ковзання, для розглянутих випадків знаходиться в межах = 75?95%, а залишок підведеної потужності витрачається на подолання сили тяжіння , компенсацію втрат на тертя і компенсацію втрат на прискорення .

Сьомий розділ “Кількісна оцінка впливу виду структури водоповітряного потоку на енергетичну ефективність ерліфта”. Кількісний розподіл потужності снарядного, емульсійного і кільцевого водоповітряних потоків по витратних складових визначає енергетичну ефективність транспортування рідини газорідинним підйомником залежно від структури двофазної суміші.

Як відомо, складність в порівнянні енергетичної ефективності ерліфтів з різними структурами потоків полягає в неможливості реалізації в конструктивно одному і тому ж підйомнику (з однаковими діаметрами і довжинами піднімальних труб D, H+h і труб подачі d, l), за одних і тих же технологічних умов (при однакових геометричних h і відносних ? зануреннях, тиску в змішувачі рсм) і при одних і тих же витратах повітря Qв різних структур водоповітряної суміші (снарядної, емульсійної і кільцевої).

Проте, при деякій некоректності в рівноцінності порівнюваних варіантів, очевидно (табл. ), що в загальному випадку ККД ерліфтів