CN1003611B - 浆体管道输送设计参数的模拟方法及其装置 - Google Patents

Abstract

浆体管道输送设计参数模拟方法及其装置。本发明是用微型搅拌装置来模拟管道中的流态，测出若干种浆体产生淤积的悬浮临界转速ｎ和一定转速下的功率准数Ｎ，再与环管试验的淤积临界流速Ｖ和摩阻损失系数λ结果对比，定出相关式及其系数和指数，存入数据库待用。在此后的同类浆体管道设计时，只需作搅拌模拟试验利用存入的系数和指数就可预测出Ｖ和λ。本法较流变仪测定准确且应用范围广，比环管试验所用物料和所花时间大为减少，每次试验可省费用三至五万元。

Description

浆体管道输送设计参数的模拟方法及其装置

本发明涉及一种取得固体物料浆体管道输送主要设计参数的模拟试验方法及其试验装置。属于管道运输技术领域中的浆体管道设计范畴。

浆体管道输送的主要设计参数淤积临界流速和管道摩阻损失系数过去多用经验公式计算。但局限性和误差均较大、在工程设计实践中需进行半工业性的环管试验或流变仪试验。前者虽属可靠但规模较大。所需试料较多。试验时间较长，费用较昂贵;后者属于室内静态小型试验。但不能得出淤积临界流速，摩阻损失系数也是通过测定浆体粘度间接得出的，又不能防止浆体颗粒的沉降。结果偏差较大。

本发明给出了一种用少量物料，在较短时间内，可防止颗粒沉降的动态模拟试验方法，精度可满足可行性研究和初步设计计算要求，费用较省。

根据化工单元操作原理，浆体搅拌与管流的运动具有相似性，其搅拌悬浮临界转速n和功率消耗（以功率准数N表示）与管流淤积临界流速V和管道摩阻损失系数λ之间存在着对应的指数关系。

（一）、n和V的相关式：

文献一（“液体搅拌”，丁绪维、周理编著，化学工业出版社1983年出版）第77页给出了ZWIETERING的悬浮临界转速与浆体特性和装置尺寸间的一般关联式，当用搅拌容器内径T与叶轮直径D〈`;;n`〉之比为2倍，与叶轮到容器底距H₁之比为4倍的二叶平浆叶轮时，采用文献-78页图2-9C线所示的系数和指数可得

$n^{\beta }{\mathrm{=F}}_N\sqrt{{\mathrm{2gD}}_n{\mathrm{(\rho }}_S\mathrm{-\rho )/\rho }}$

F_N＝f₁（d，C_v，D_n） （1）

式中g为重力加速度，ρ_S为固体物料比重，ρ为水的比重，d为颗粒直径、C_V为浆体体积浓度。

文献二（“固体物料的浆体管道输送”，E.J.瓦斯普等著，水利出版社1980年出版）第131页给出了杜兰特的管流淤积流速关系式

${\mathrm{V=F}}_L\sqrt{{\mathrm{2gD(\rho }}_S\mathrm{-\rho )/\rho }}$

F_L＝f₂（d，C_V） （2）

式中D为管道内径，其他符号同前

当取D_n＝D进行模拟试验时，对比（2）式和（1）式

V＝K₂n^β （4）

式中K₂＝F_L/F_N＝f₃（d，C_V，D_n） （3）

（二）、N和λ的相关式：

管道输送的高浓度浆体多为非牛顿流体;其流动状态在过渡区运行。按文献二114～116页图6-6和6-7，管道摩阻损失系数λ与雷诺数N_Re间的关系与牛顿流体相似，可用布拉修斯式表示（文献二6-21，6-6式）

λ＝B·N_Re-b （5）

过渡区开始点N_Re＝2300

根据文献-54页2-4式亦可将非牛顿浆体搅拌功率准数N与叶轮雷诺数N_ReN用布拉修斯型关系式表示。

N＝A·N_ReN-G （6）

变换后N^α＝EN_ReN-b （7）

过渡区开始点N_ReN＝10，对比（5）或（7）式后

有λ＝K₁N^α （8）

式中K₁＝B/E（2300/10）-b

需注意管中流速V_i下的λ应与叶轮转速N_i下的N相对应

F_i=V_i/2300D_n （9）

本模拟试验方法的框图如图1，具体步骤如下：

（一）、建立系数K₁K₂和指数αβ数据库的准备工作：

（1）、环管试验

选择若干种（一般为5种以上）不同比重和粒径的物料制备成不同浓度的浆体进行常规环管试验。即用压差计测定一定管长（一般为30-59米）在不同流速下（一般为0.5～3米/秒）的阻力损失，换算成摩阻损失系数。观察并定出淤积临界流速。

如能收集到现有环管试验资料，则不需进行上述工作。

（2）搅拌模拟试验

制备与环管试验相同的浆体加注在搅拌模拟装置中可转动圆盘上的圆柱型有机玻璃容器内，进行试验。容器直径为2倍叶轮直径，内壁装四片垂直挡板，叶轮为二叶平浆式，直径与环管内径相等，加入浆体的高度应与容器直径相同。叶轮位于容器中心，其下端离容器，底距离为容器直径的1/4，按（9）式求模拟的流速相应叶轮转速，将调速电机调到该转速来搅拌浆体，测定容器带动可转动圆盘转动产生的圆周力。计算该力产生的转矩，并换算成所耗功率和计算功率准数。

与环管试验流速相对应地改变叶轮转速，测出多个不同转速下的功率准数数据。

当转速调慢时，观察容器底部电测淤积装置外接电路中电流的变化，定出电流急剧上升点，该时的转速即为悬浮临界转速。

（3）、求相关式中系数和指数

取多个环管试验流速V_i下的摩阻损失系数λ和淤积临界流速V与模拟试验中得到的相应的搅拌功率准数N和悬浮临界转速n，在双对数座标纸上点绘出关系图，按图上的直线关系相关分析出（4）和（8）式中的系数K₂、K₁和指数β、α。

将这些系数和指数分物料种类和粒径以及浆体浓度分别存入计算机建立数据库备用。

（二）、预测新设计浆体管道的主要设计参数：

当已存储相当数量的系数和指数后，对新设计的浆体管道就只需作搅拌模拟试验，而不需进行半工业性环管试验。当取得新浆体的悬浮临界转速n和功率准数N后，选取存储的搅拌叶轮直径D_n与设计管径D相同的同浓度同粒径的K₁、K₂和α、β值，用（8）和（4）式求出淤积临界流速V和摩阻损失系数λ。

本发明的搅拌模拟装置简图如图2所示，由下列各部件组成：

（1）转速计

（2）调速电机

（3）搅拌叶轮

（4）圆柱型容器 有机玻璃制造

（5）测转矩装置 由绕于轴承上可转动圆盘边的细线和弹簧秤组成。

（6）电动机调速装置 与调速电机配套

（7）转动轴承 轴承内圈定在底座上，外圈与上置的转动圆盘相连

（8）底座

（9）支持杆

（10）转动圆盘 在盘边刻有凹槽，安置测转矩细线之用。

（11）外接测电流电路 由直流电源（电池组）、可变电阻和电流表组成

（12）淤积电测装置 为本发明用来判别容器底部最初淤积发生时之装置。过去是用肉眼观察判断，但当浆体浓度很大，颜色很深时（如铁精矿、煤等），观察不能准确判断，用本装置电测，可根据电流变化情况来判断淤积的发生。

该装置为安装在容器（4）底部中心的两个同心铜园环组成，内环外径1.5公分，外环内径2.5公分，两环均宽1公分，分别用电线与外接电路连接。在未发生淤积时，两环之间由于有一定浓度的浆体存在，虽有较大电阻，但仍能通过不大的电流（图3中的I_A）当最初淤积发生时两环之间有一定淤积物，使电阻减少，电流上升，当底部有固定床淤积时，电阻减少到某一定值，电流也升到某定值（图3中的I_B），因此，用A点和B来分别判断最初淤积（临界）的产生和固定床淤积的产生。

本发明实施例如下：

预测淤积临界流速：

根据过去进行准备工作获得的试验数据，对于d＝0.07毫米，ρ_S＝2.75的石灰石粒料在D＝0.2米，C_V＝20%的条件下，已分析得出K₂＝0.3425，β＝1.0771。今用来预测d＝0.072毫米，ρ_S＝2.72的石灰石在D＝0.2米管道中以C_V＝20%输送的淤积临界流速V

搅拌模拟试验得到n＝310转/分＝5.17转/秒，故v的计算值为0.3425×5.17^1.0771＝2.00米/秒。为了验证结果，进行了环管试验，得V实测值1.95米/秒，相对误差为2.00-1.95/1.95＝2.56%，可满足设计要求。

预测摩阻损失系数：

由准备工作求得d＝0.05毫米，ρ_S＝4.7，C_V＝27% D＝0.15米铁精矿浆的K₁＝0.008984，α＝0.5875，

今用来预测d＝0.053毫米，ρ_S＝4.73，C_V＝27.3% D＝0.15米管道输送摩阻损失系数λ

V_i＝1.15米/秒，N_Re＝4600相应N_ReN＝20，测得N＝4.5预测计算λ＝0.02174，为了验证进行了环管试验得实测值λ＝0.0232，相对误差0.02174-0.0232/0.0232＝-6.3%，亦可满足设计要求。

本发明与现有技术相比有下列优点：

本方法与流变仪测定方法相比有较广的应用范围，前者可同时预测摩阻损失系数和淤积临界流速;后者仅可预测摩阻损失系数。此外前者是动态的运动形式相近似的模拟试验，误差较小，后者则是静态试验。在测定过程中不能防止浆体颗粒的沉降，且是间接利用公式计算，误差较大。

本方法与环管试验方法相比，不需要大量试验物料和设备，可节省大量费用，且有足够的准确度。一般只需环管试验物料的百分之一左右（几公斤到十几公斤），试验时间可缩短到环管试验的十分之一左右（3至5天），每次试验可节省费用3至5万元。

Claims (2)

1、本发明为一种取得固体物料浆体管道输送主要设计参数（摩阻损失系数λ和淤积临界流速V）的模拟试验方法，其特征是以浆体搅拌和管道输送的运动相似性为基础，利用搅拌悬浮临界转速n和一定叶轮转速下的功率消耗（以功率准数N表示）与同种浆体管流淤积临界流速V和一定流速下的摩阻损失系数λ之间存在着对应关系，λ＝K₁N^α，V＝K₂n^β，若事先用环管试验和用本专门搅拌装置试验结果对比，定出关系中的系数和指数，建立数据库，在以后设计管道输送***时，只需用该专门装置作模拟试验，即可预测得到所需的主要设计参数λ和V。

2、为实现上述固体物料浆体管道输送设计参数的搅拌模拟试验方法所采用的一种由（1）转速计（2）调速电机（3）搅拌叶轮（4）圆柱型容器（5）测矩用装置（6）电机调速装置（7）转动轴承（8）底座（9）支持杆（10）转动圆盘（11）外接测电流电路和（12）淤积电测园环等部分组成的专用装置，其特征是采用了容器（4）底部中心装有的两个与测电流电路（11）连接的同心铜园环电测淤积装置，根据淤积发生时引起环间电阻的下降和电路电流的上升来判断悬浮临界转速的发生点，以代替肉眼的观察。

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