不同颗粒物料管道水力输送不淤临界流速的确定

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第34卷第1期矿冶工程Vo1．34№12014年02月MININGANDMETALLURGICALENG眦ERⅡGFebinary2014不同颗粒物料管道水力输送不淤临界流速的确定①秦德庆，曹斌，夏建新(中央民族大学生命与环境科学学院，北京100081)摘要：在理论分析及对现有不淤临界流速公式比较的基础上，结合前人的试验数据拟合出了一个新的不淤临界流速计算公式，并利用前人的试验数据对这一新公式进行了验证，与其他不淤临界流速公式进行了对比。结果表明，该公式的平均误差在15％以下，满足不淤临界流速预测的要求。关键词：不淤临界流速；粒径；管道水力输送中图分类号：0359文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．0253—6099．2014．01．003文章编号：0253-6099(2014)01-0009-03StudyonNon-depositingVelocityofDifferentParticleMaterialsinPipelinebyHydraulicTransp0rtati0nQINDe—qing，CAOBin，XIAJian—xin(CollegeofLifeandEnvironmentalSciences，MinzuUniversityofChina，Beijing，100081，China)Abstract：Basedontheoreticalanalysisandcomparison，anewexpressionofnon—depositingcriticalvelocitywasproposedandhasbeenverifiedwiththosepublishedexperimentaldatabycomparisonwithotherexistingformulas．Itisfoundthatthenewformulacanbeusedforpredictingnon—depositingcriticalvelocitywithanaverageerrorlessthan15％．Keywords：non—depositingcriticalvelocity；particlesize；hydraulicpipelinetransportation随着我国工业的快速发展，矿石和煤炭等社会经1不淤临界流速影响因素分析济发展的基础性物质资源的开发力度越来越大，迫切需要将这些资源从偏远的矿山输送到冶炼厂或电厂。颗粒在管道中输送时的运动状态和输送流速与受利用管道水力输送这些固体物料具有经济、高效、环保力条件密切相关。当流速超过不淤临界流速，颗粒可等无可比拟的优点_1J。在进行管道水力输送系统设以保持连续输送，维持悬浮或推移状态；当流速低于不计时，不淤临界流速的确定是一个难点。不淤临界流淤临界流速时，固体颗粒保持静止或断续运动状态。速是确保物料在管道中不会沉积、可以安全运行的经颗粒在水平管道中运动时，垂直方向上受到重力和浮济速度。近年来，由于输送物料组成、物料大小等越来力作用。颗粒密度越大，粒径越大，越容易下沉淤积，越复杂，对浆体管道输送系统的运行参数提出了更高需要越大的输送流速，颗粒的不淤临界流速与其在浆的要求，如何确保输送系统安全，同时节省能源，必须体中的沉降速度呈正相关。单颗粒在静水中的沉降速合理的确定不淤临界流速。度W可用下式计算：众多学者均对不淤临界流速进行了研究，也基于。。：～／4lgd(s一一11))各自的试验物料得到了不同的不淤临界流速计算公．，。式。但这些计算公式结构形式和涉及的参数均有颗粒在一定浓度浆体中的沉降速度不同于在纯介较大差别，至今没有统一的公式，给管道输送系统设计质中的沉降速度，与固体颗粒的浓度呈负相关，其颗粒造成很大困难。本文基于理论分析，结合已有的研究沉速W可用下式计算：成果，通过比较拟合，以期提出一个适用不同物料的不W=W0(1一C)·(2)淤临界流速的计算公式。从上面分析可以看出，不淤临界流速V与固体颗①收稿日期：2013-09—23基金项目：国家自然科学基金项目(51179213，51339008)；国家自然科学基金青年基金项目(51209238)作者简介：秦德庆(1984-)，男，江苏人，硕士研究生，主要研究方向为固液两相流。 10矿冶工程第34卷粒浓度C颗粒阻力系数、固体颗粒密度P与介质2不淤临界流速公式分析密度p(s=p／p)、颗粒粒径d等因素密切相关。利用量纲分析原理，引入重力加速度g和管道直径D两个由于不同学者在各自条件下所得的不淤临界流速参数，可以得到下式：公式的结构形式和参数相差较大，由此得出的不淤临界流速也相差较大，对工程应用造成不便。下面对现一．-drfc，．__，三-’rCD—)l(f3)l~／gD(s一1D有的具有代表性的公式进行分析比较，见表1。表1浆体管道输送的不淤临界流速公式注：为固体颗粒的密度；c为固体质量比浓度；／3=()'s-1)／1．7；”为颗粒在混合浆体中的沉速；p为液体粘度。2．1现有公式结构和参数比较指数有正值，也有负值。下面利用Yotsukura⋯和由表l可以看出，不同学者的公式基本都类似于Graf[12的相关试验数据具体分析粒径对不淤临界流式(3)的结构特征，但各参数的指数和系数相差较大。速的影响，见图1。如大多数公式有：[gD(s一1)]，与固体浓度关系为：。cC(m为非负数)。但与粒径的关系情况则有所不同：Shook公式中不含粒径参数，即没有考虑粒径对不淤临界流速的影响；WaspJ、Newitt以及Turian_8的公式中不淤临界流速与粒径成正比关系；而Mehmet的公式中不淤临界流速与粒径成反比；克诺兹则把粒径看作分界条件，根据颗粒粒径的大小，将不淤临界流速公式用分段函数表达。由此可见，不淤I}缶界流速与粒径的关系比较复杂。d／mm2．2不淤临界流速公式参数确定图1颗粒粒径对不淤临界流速的影响试验结果对于需要输送的某种物料而言，其密度一般是确定的，可变和可控的参数为固体浓度和粒径。多数学从图1中可以看出不淤临界流速随粒径变化的情者研究了浓度对不淤临界流速的影响。。，但粒径对况，即随着粒径增大，不淤临界流速也在相应加大。这临界流速的影响不明确。从表1中可以看到，粒径的表明，在一定浓度下，输送粗颗粒需要较大的输送速 第1期秦德庆等：不同颗粒物料管道水力输送不淤临界流速的确定度，这也与颗粒在管道中的受力特点一致，粒径越大，人的试验数据拟合出了一个新的不淤临界流速的计算越容易沉降淤积。公式，并利用前人的试验数据对这一新公式进行了验综合以上分析，不淤临界流速公式应具有下列形式：证，与其他不淤临界流速公式进行了对比。结果表明，该公式的平均误差在15％以下，满足不淤临界流速预-~／gD(s一11KCvm㈢＼D／nc(4)测的要求。其中为系数；m、、为指数；且K、m、为正数。参考文献：用Yotsukura~”]、Mehmet~’和Durand㈣的相关试验数据对式(4)进行拟合分析得：[1]费祥俊．浆体与粒状物料输送水力学[M]．北京：清华大学出版社，1994．11．3527~／gD(s-1)Cy“。∞ttC蝴。[2]DurandR．Basicrelationshipsofthetransportationofsolidsinpipesexperiment[C]∥ResearchPineInternAssocHydrRes，5Congr(5)Minneapolis，1953：89—93．将式(5)的计算值和实测值进行比较，见图2。比[3]费祥俊．浆体管道的不淤流速研究[J]．煤炭学报，1997，22(5)：较结果表明，计算值与实测值的平均误差为12．0％0532—536．因此，式(5)的计算值与实测值比较吻合，可以满足设[4]ShookCA．PipeliningSolids：Thedesignofshortdistancepipelines计的应用要求。[c]∥Proc，SympOnPipelineTransportofSolids，CanadianSocChemEngin，1969．[5]WaspEJ，KennyJP，GandhiRL．Solid·liquidflow-Slurrypipelinetransportation[M]．TransTechPubl，Rockport，MA，1977．[6]NewittDM，RichardsonJF．Hydraulicconveyingofsolidsinhorizontalpipes[J]．TransInstChemEngrs，1955，33(4)：149—呈163．士[7]MehmentAK，MustafaG．Criticalflowvelocityinslurrytransportinghorizontalpipelines[J]．JHydrEng，2001，127(9)：763-771．[8]TurianRM．Estimationofthecriticalvelocityinpipelineflowofslurries[J]．PowderTechnology，1987，51：35-47．[9]KaushalDR，YujiTomim，DighadeRR．Concentrationatthepipe接／(m‘’)bottomatdepositionvelocityfortransportationofcommercialslurries图2计算值与实测值比较throughpipeline[J]．PowderTechnology，2002，125：89—101．[10]费祥俊．高浓度煤浆与中浓度煤浆管道输送的比较分析[J]．煤炭学报，1996，21(1)：79-84．3结论[11]YotsukuraN．SomeefectsofbentonitesuspensionsOnsandtransport不淤临界流速是浆体管道输送的重要参数，一直inasmoth4-inchpipe[D]．PhDdissertation，ColoradoStateUniversity，FortCollins，Colo，1961．是许多学者所关注的焦点。虽然众多学者基于各自的[12]GrafWH，RobinsonMP，YOcel0．Criticalvelocityforsolid-liquid试验数据得出了不同的不淤临界流速计算公式，但各mixtures[R]．TheLehighExperiments，LehighUniversity，1970．个公式差异较大，在实际运用中难于甄别。本文通过[13]DurandR．Thehydraulictransportationofcoalandothermaterialsin理论分析及对现有不淤临界流速公式的对比，结合前pipes[c]∥CollegeofNationalCoalBoard，London，1952：39—52．