Введение. Соотношение обеих составляющих частей цементной аэросмеси характеризуется несколькими количественными показателями, важнейшим из которых является пористость или газосодержание. В установках для перекачки цемента пневмокамерными насосами реализуется наиболее экономичный режим пневмотранспортирования потоками с высокими концентрациями материала и низкими скоростями. Установлено, что расходная концентрация уменьшается с увеличением дальности транспортирования [1, 2, 5].
Основная часть.
В таких потоках объемная концентрация материала может достигать значений, близких к насыпному состоянию
(1)
Такие высокие концентрации материала возникают на входе в цементопровод. Дальше по мере ускорения движения материала его концентрация снижается до уровня Массовые расходы воздуха и цемента в цементопроводе определяются соотношениями
(2)
(3)
где – площадь поперечного сечения трубопровода, м2;
– плотности воздуха и цемента, кг/м3;
– их скорости, усредненные по площади поперечного сечения трубы, м/с.
Загрузка цементопровода материалом характеризуется его действительной или мгновенной массовой концентрацией, равной отношению массы материала к массе воздуха в каком-либо выделенном отрезке трубопровода
(4)
Величина является локальной характеристикой потока цементной аэросмеси, которая меняется вдоль цементопровода. Пневмотранспортную установку в целом характеризует расходная концентрация материала, равная отношению массовых расходов цемента и воздуха
(5)
При ≥10 кг/кг концентрация цемента считается высокой, а при
≥60 кг/кг в цементопроводе устанавливается плотный слой материала.
Основные параметры потока цементной аэросмеси, скорости фаз, концентрация частиц и другие показатели непрерывно меняются как во времени, так и вдоль цементопровода, поэтому при описании процесса пневмотранспортирования часто используются скорости фаз, приведенные к поперечному сечению камеры насоса или трубопровода
(6)
(7)
где – объемные расходы воздуха и материала.
Приведенные скорости воздуха и материала
фиктивны. Реальные среднерасходные скорости, определяемые из формул (2, 3), всегда больше фиктивных, поскольку находящийся в аэросмеси материал приводит к уменьшению живого сечения цементопровода.
Показателями эффективности пневмотранспортного процесса является удельная нагрузка на поперечное сечение цементопровода
(8)
а также удельный расход сжатого воздуха на транспортирование
(9)
где – объемный расход воздуха, приведенный к нормальным условиям, м3/с.
Характерной особенностью двухфазных потоков является опережающее движение несущего воздушного потока относительно частиц материала. Отношение скорости транспортирующего воздушного потока к скорости цементных частиц, т.е. коэффициент скольжения можно оценить с помощью следующей эмпирической зависимости
(10)
Верхним пределом скорости воздуха в цементопроводе следует считать критическую скорость, при которой частицы не выпадают на дно трубопровода. Ее величину можно оценить с помощью эмпирического соотношения
(11)
При использовании пневмокамерных насосов надёжно транспортирующая скорость воздушного потока, исключающая завалы цементопровода, как правило, ниже критической, но ее величина подбирается опытным путем.
Протекание процессов пневмотранспортирования цемента в значительной мере зависит от свойств самого транспортирующего агента – сжатого воздуха.
Параметры сжатого воздуха, связаны между собой уравнением состояния идеального газа [3, 4]
(12)
где P –давление воздуха, Па; V – объем, занимаемый воздухом, м3; – масса воздуха, кг; T – абсолютная температура воздуха,
K (Т=273+t ºС); R - удельная газовая постоянная воздуха, R= 287,3 Дж/кг·К.
Из уравнения (2.37) следует зависимость плотности воздуха от давления и температуры
(13)
При нормальных условиях (P0 = = 1 атм = 101325 Па, t = 20 ºС, = 293 К) плотность воздуха ρ = 1,2 кг/м3, а в емкости пневмокамерного насоса (P = 0,6 МПа, t = 140 ºС) достигает ρ = 5,12 кг/м3.
Вязкость воздуха с увеличением температуры возрастает. Зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры имеет вид
(14)
Коэффициент кинематической вязкости воздуха зависит не только от температуры, но и от давления
(15)
При нормальных условиях = 15⋅10-6 м2/с, а в камере насоса снижается до 7,4⋅10-6 м2/с.
Приведение объемного расхода воздуха к нормальным условиям можно выполнить по формуле
(16)
где – давление, температура и объемный расход воздуха в рабочих условиях.
Давление включает в себя и атмосферное давление
(17)
где - избыточное давление, Па.
Скорость истечения воздушной струи через ограниченный слой дисперсной среды составляет от 10 до 50 % скорости звука в воздухе, которая определяется соотношением
(18)
где = 1,405,
,
– показатель адиабаты, давление и плотность воздушной фазы соответственно. Для струй, истекающих в цемент из сопел аэрационного устройства пневмокамерного насоса, скорость истечения может принимать значения от 80 до 130 м/с. При таких скоростях в толще цемента вблизи сопел возникают факелы (каверны), заполненные газовзвесью с газосодержанием
= 0,9–0,98. Длину факелов струй можно оценить с помощью эмпирического соотношения [2]
(19)
где – объемный расход струи, м3/с.
По мере затухания струй их скорость снижается, ее можно определить
(20)
где – скорость истечения струи, м/с;
– диаметр сопла, м; l – расстояние, м.
Выводы. Цементно-воздушная смесь, образуемая аэрационным устройством в нижней зоне камеры насоса, нагнетается сжатым воздухом в разгрузочный патрубок в виде пульсирующего газодисперсного потока, в котором сгустки (пробки) сильно концентрированной смеси перемещаются воздушными пузырями, в которых материал находится в виде газовзвеси. При переходе на горизонтальные участки цементопровода цемент выпадает на дно и перемещается в виде волн или гребней. Сильно выраженная неоднородность потоков цементной аэросмеси, создаваемых пневмокамерными насосами, исключает возможность применения для их расчета методов, разработанных для расчета пневмотранспорта во взвешенном (аэрозольном) состоянии.
