Д.т.н., профессор Андрийчук Н. Д., Пилавов М.В.

Восточноукраинский национальный университет им. В.Даля, г. Луганск

Д.т.н., доцент Гусенцова Я. А., Пастушкова И.Д., Чередниченко Г.Е.

Луганский национальный аграрный университет

 

СЖИМАЕМОСТЬ ВОДОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ ДЛЯ ГИДРОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

 

В ближайшей перспективе прогнозируется повышение роли угля в топливно-энергетическом балансе страны, что обусловлено его крупными запасами. Однако экологические ограничения (особенно после ратификации Киотского протокола) требуют разработки и внедрения, новых экологически чистых угольных технологий, обеспечивающих высокую полноту использования топлива при максимально низкой вредной нагрузке на окружающую среду.

Применение суспензионного угольного топлива является реальной возможностью замены не только «грязного» угля и малоэффективных методов его сжигания в слоевых топках, но и дефицитных жидких и газообразных видов топлива. Учитывая, что в себестоимости вырабатываемой тепловой энергии стоимость топливной составляющей составляет от 40 до 70%, снижение стоимости топлива или его удельного расхода является важным фактором получения экономического эффекта.

Водоугольное топливо (ВУТ) представляет дисперсную систему, состоящую из тонкоизмельченного угля, воды и реагента-пластификатора:

·                     состав ВУТ: уголь (кл. 0-500 мкм) - 59-70%, вода - 29-40%, реагент-пластификатор - 1% температура воспламенения - 450-650°C; температура горения - 950-1050°С;

·                     обладает всеми технологическими свойствами жидкого топлива: транспортируется в авто - и железнодорожных цистернах, по трубопроводам, в танкерах и наливных судах, хранится в закрытых резервуарах;

·                     сохраняет свои свойства при длительном хранении и транспортировании;

·                     взрыво - и пожаробезопасно.

 

 

Трубопроводный транспорт в нашей стране по темпам роста гру­зооборота намного опередил другие виды транспорта. Его доля в об­щем объеме перевозок достигла в настоящее время трети общего гру­зооборота страны. При гидротранспортировании твердых полезных ископаемых в виде суспензий в качестве источника энергии используется поршневой насос. Исследование и совершенствование рабочего процесса таких насосов на математической модели [1, 2] требует знания свойств перекачиваемой среды, в частности ее сжимаемости.

Изменение объема водоугольной суспензии VСМ при изменении давления р определяется зависимостью

где ,  - соответственно объем воды и угля в смеси.

Используя понятия объемного модуля упругости смеси воды Е  угля Ет массовой концентрации к, определяемой как отношение массы угля к массе смеси, можно получить выражение, определяющее модуль упругости смеси

                                                                        (1)

В этом выражении - отношение плотности воды  ρ  к плотности угля ρт ;  - отношение объемного модуля упругости воды Е к модулю упругости угля  Е т .

Объемный модуль упругости тесно связан со скоростью распро­странения возмущений давления в среде. На практике его величина чаще всего определяется по экспериментальным значениям скорости распространения возмущений [3]

 

                                                                                             (2)

Плотность водоугольной суспензии

                                                                                    (3)

тогда с учетом (1), уравнение (2) можно привести к виду

где с - скорость распространения возмущений давления в воде.

Анализ полученного выражения показал, что при  <  0,1 в области массовых концентраций 0 ≤ к < 0,6 (эти значения ти­пичны для водоугольных суспензий, транспортируемых по трубопро­водам) скорость распространения возмущений давления в среде практически не зависит от  значения  и может быть представлена линей­ной зависимостью

                                                                    (4)

коэффициенты которой получены из условия минимума мак­симальной ошибки аппроксимации.

В реальных условиях гидротранспорта в водоугольной суспен­зии находится небольшая часть нерастворенного воздуха, количество которого обычно не превышает 1% общего объема смеси. Однако даже такое незначительное количество воздуха ввиду его малой упругости может существенно изменить модуль упругости смеси.

При изотермическом сжатии нерастворенного воздуха изменение его объема

где , -  текущий и начальный объемы нерастворенного       воздуха в смеси при давлении .

Плотность водоугольной суспензии, содержащей нерастворенный воздух,

                                                                (5)

Здесь относительное давление и газосодержа­ние смеси  и находим по формуле

С учетом полученных выражений для трехкомпонентной водоугольной суспензии объемный модуль упругости и скорость распространения возмущений давления определяется следующим образом

         

           (6)

 

 

            (7)


Для упомянутых выше значений Е и к  формула (7) может быть значительно упрощена

                                                            (8)

В этом выражении  - поправочный коэффициент, учиты­вающей влияние воздухосодержания в смеси на скорость распростра­нения возмущений давления:

 

 

Таким образом, в области массовых концентраций водоугольных суспензий 0 ≤ к < 0,6  для определения скорости возмущений давления и объемного модуля упругости среды можно использовать формулу (4), погрешность которой не превышает 1,9% для  и 3,6% для .

Для трехкомпонентной среда расчет модуля упругости и скорости распространения возмущений давления следует производить по фор­муле (8), с максимальными погрешностями 1,4% и 2%.

 

Литература

1.Рисухин Л.И. Совершенствование насосного оборудования систем промышленного гидротранспорта/ Рисухин Л.И, Коваленко А.А., Соколов В.И. – Луганск: изд-во ВНУ им. В. Даля, 2010. – 356 с.

2. Рисухин Л.И. Рациональный выбор оборудования и проектировании промышленных гидротранспортных систем/ Рисухин Л.И., Чернецкая Н.Б., Коваленко А.А. - Луганск: изд-во ВНУ им. В. Даля, 2010. – 92 с.

2. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмоситем/ Д.Н. Попов. – М.: Машиностроение, 1987. – 464 с.