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浆料气力提升系统性能研究 ① 李 策， 胡 东， 王 舒， 杨陈浩 湖南人文科技学院 能源与机电工程学院,湖南 娄底 417000 摘 要 为进一步研究气力提升装置各项参数对排水量、排沙量的影响规律,以河沙为实验颗粒,研究了气流量、浸入率、供沙量对 装置提升性能的影响。 结果表明,气流量和浸入率对提升能力有重要影响,气流量存在一个最优值和一个临界值,达到最优值后继 续增加气流量提升效果变化不明显；小于临界值时水和河沙都不能被提升。 浸入率较高时,排沙量在气流量较小时就可以达到最 大值,高浸入率下排水量下降的趋势要比低浸入率时晚。 本文研究成果对海底采矿、河道清淤、石油开采等具有一定指导意义和设 计建议。 关键词 气力提升； 气流量； 供沙量； 浸入率； 排沙量； 排水量 中图分类号 TD807文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2019.04.007 文章编号 0253-6099201904-0031-04 Perance of Air Lift System with Mineral Slurry LI Ce, HU Dong, WANG Shu, YANG Chen-hao College of Energy and Mechanical Electrical Engineering, Hunan University of Humanities, Science and Technology, Loudi 417000, Hunan, China Abstract In order to further study the influences of various parameters of air lifting equipment on the water displacement and sediment discharge, an experiment was conducted with river sand to investigate the effects of gas flow rate, immersion rate and sediment supply on the lifting capacity. Results show that gas flow rate and immersion rate have great influences on the lifting capacity. There is an optimal value and a critical value for the gas flow rate. Once reaching the optimal value, a further increase in the gas flow rate won′t cause any obvious change in the lifting effect. While if the gas flow rate is less than the critical value, neither the water nor the sand can be lifted. The sediment discharge can reach the maximum value at a lower gas flow rate with the higher immersion rate, and the water displacement begins to fall later than in the case with a lower immersion rate. The research output may provide some reference and guidance for the research and designing of seabed mining, river dredging and oil extraction. Key words air lifting； gas flow rate； sediment supply； immersion rate； sediment discharge； water displacement 管道提升法包括气力提升、水力提升等,气力提升 泵也称气举是一种以压缩空气为源动力的管内运 输物料的输送设备［1］,与其他传统的机械提升装置相 比,气举装置简单,无任何运动部件,不必考虑润滑及 磨损问题,不受水深限制及空化效应带来的危险,具有 生产成本低、操作简单、维护方便、能较长时间运转等 优点,是较为安全可靠的流体机械［2-4］,常用于海底采 矿、输送危险化工液体、河道清淤、污水处理以及油田 开采等各种工程实际问题［5］。 特别在采矿中,可提升 出海底 3 000～6 000 m 处的锰结核。 对于一些结构不 规则的深井,传统机械装置无法完成作业,而气举装置 则可以完成。 综上,气举装置在工程问题中具有较好 的经济优势和应用前景。 早期以 Kato 等人［6］和 Weber 等人［7］为代表的学者就对气举的输送性能做过 研究,从两相流和能量守恒的角度进行分析,通过试验 分析出气举的工作特性受气流量、管径尺寸大小、提升 高度等参数影响,但未考虑其他物理特性对结果产生 的影响,故其理论值与试验值存在较大差异。 为进一 步探究提升装置的结构参数对排水量、排沙量的影响 规律,本文选用平均粒径 3 mm 左右的常见河沙为实 ①收稿日期 2019-02-23 基金项目 湖南省自然科学基金2018JJ2195 和 2018JJ3253；湖南省教育厅重点科研项目18A419；娄底市重点研发计划高效自振气力 泵清淤技术 作者简介 李 策1995-,男,天津静海人,主要研究方向为流体机械。 通讯作者 胡 东1980-,男,湖南澧县人,副教授,博士,主要从事高效射流与特殊用途泵方面的研究与教学工作。 第 39 卷第 4 期 2019 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №4 August 2019 ChaoXing 验对象,设计了一套小型吸沙装置,进行了气举提升实 验,通过实验进一步研究了气举提升固体的能力,结合 理论对提升装置的参数进一步精确分析,得出了供沙 量、浸入率、进气量对系统性能的影响规律。 1 工作原理 提升过程主要在吸沙管中完成,其提升原理如图 1 所示,空压机所产生的高压气流经气力泵进入到气 举装置的吸沙管道中,在吸沙管内压缩空气与液体发 生强烈碰撞进行动量交换产生较多的气泡,生成了平 均密度小于水的气-液两相混合流。 通过浮力作用气- 液两相混合流沿管道做上升运动,上升过程中,小气泡 会聚集生成大气泡,当大气泡的横截面积与吸沙管直 径相近时大气泡则会破裂,分散成较多小气泡,小气泡 在做上升运动过程中又会继续聚集成大气泡。 在提升 过程中,大小气泡会反复交替出现,气泡的上升运动带 动了液体的运动,由于压缩气体的不断进入,这种运动 是一种加速度变大的加速运动［8-9］。 高压气流在吸沙 管的高速运动使得进气处的吸沙管口附近形成相对负 压区,在压力作用下吸沙管附近的液体和河沙被吸入 吸沙管中随气流一起运动,当拖曳力运动流体对河 沙的摩擦阻力大于河沙自重时就会达到提升的目 的［10］。 因此,气泡的上升是气举提升装置的动力源。 △ △ △ △ Vw4 Va4 V Va4 Vw4 Vs Vw Ws Vs Vs a w s 流量 气体 液体 固体 图 1 气举装置提升原理图 2 实验系统 2.1 实验装置 根据实验条件,结合工程实际,选用中等粒径平 均 3 mm 左右的常见河沙模拟水下采矿。 图 2 为气 力提升实验装置。 该装置主要由供沙系统、供气系统、 提升系统、测量系统 4 部分组成。 供沙系统有供沙箱、 漏斗、输沙管、电动搅拌机等,供气系统有空压机、气流 计、储能器、压力计、控制阀等,提升系统有吸沙管、气 举泵等,测量系统有集沙槽、集水槽、液体流量计等。 为防止供沙箱发生堵塞现象,在其上方布置了一个电 动搅拌机以保证有持续的供沙量。 实验前保证搅拌机 正常工作和供沙箱底部阀门泄沙通畅,实验时开启空 压机,通过控制阀使气流量从 0 递增,直到集水槽中出 现液体,此时气流量为排水临界值；增加进气量,供沙 箱底部阀门也同步打开,观察到河沙出现立刻关闭控 制阀,此时气流量为排沙临界值；继续增大气量,实现 气-液-固三相的提升。 为测量出排水量和排沙量,提 升上来的河沙收集到集沙槽中,水收集到带有刻度的 集水槽中测量。 为得到稳定的排沙量,实测停止后延 时 5～8 s 进行反向开启和关闭阀门,目的是使排沙量 平稳后再采集数据。 采样结束后进行河沙测量。 设定 采样时间为 7 s。 吸沙管总长 1.5 m,内径 40 mm。 △ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 16 15 13 12 14 3 4 5 6 7 8 9 10 11 图 2 实验装置图 1 集水槽支架； 2 集水槽； 3 固液输送管； 4 储物箱； 5 电动搅拌机； 6 供沙箱； 7 进水管； 8 气流计； 9 储 能器； 10 控制阀； 11 空气压缩机； 12 配气管； 13 固体 输送管； 14 吸沙管； 15 多功能水箱； 16 U 型压力计 图 3 为喷射器结构,气管接头通过配气管实现与 空压机的连接。 气举工作原理为空气经压缩后接入 气管接头,然后流入环形缝隙,喷出后由于速度较高会 1 23 4 8 5 6 7 图 3 喷射器结构 1 输送管； 2 法兰； 3 喉管； 4 混合室； 5 环形缝隙； 6 气管接头； 7 吸入管； 8 扩散管 23矿 冶 工 程第 39 卷 ChaoXing 造成局部真空,水箱中的混合物在气压作用下依次流 进吸入管和混合室中,到达混合室后混合物与空气混 合进行能量交换,进而流入喉管,实现三种物体的混 合,三相充分混合后进入到扩散管,便可达到动能向压 力能转化的目的［11］。 2.2 实验方法 由于实际提升出的为湿沙,而工程实际需要干沙, 故将其烘干转化为干沙质量。 经试验测得干湿沙质 量,绘制干湿沙质量对照表,通过拟合湿沙与干沙对应 的函数方程为 Y - 12.17 0.871 2X1 式中 Y 为干沙质量；X 为湿沙质量。 根据已测得数据, 可得河沙的质量流量关系式为 Qs 0.871 2m - 12.17 Δt 2 式中 Qs为固体质量流量,g/ s；m 为采集的沙子质量,g； Δt 为采样时间,s。 启动空压机,通过调节控制阀,控制气体流量,等 到气流量达到某一稳定值时,开始供沙,当出口处有稳 定的水流量与沙流量时,便进行采样,设 Δt 为采样时 间,当 Δt 为 0 时,立刻将输送管放入水槽；当采样时间 为 Δt 时,将输送管拿离水槽,采样过程结束。 为减小 误差,水槽要与地面平行。 通过钢尺测量出水槽中水 面高度 Hl和水槽底部尺寸,因此水流量方程为 Ql XYHl Δt 3 式中 Ql为水流量,L/ min；X 和 Y 均为水槽底部尺寸,m； Hl为水槽中的水面高度,m；Δt 为采样时间,s。 3 实验结果与分析 3.1 供沙量对气力提升性能的影响 供沙量会直接影响提升性能,气流量存在一个最 优值会使供沙量和排沙量近似相等,也就是吸沙管口 处的河沙刚好都被提升出装置外。 若气流量小于最优 值,就会出现供沙量大于排沙量的情况；若不断供沙, 会使吸沙管管口下的河沙慢慢堆积,出现堵塞提升装 置的情况使提升能力大大下降。 若气流量大于最优 值,就会出现供沙量小于排沙量的情况,此时吸沙管口 处的河沙会被全部提升,从效率角度来看,若气流量过 大,排水量增加,会造成河沙浓度下降使效率降低。 定义气流量为 Qgm3/ h,气流量最优值为 Qg0,供 沙量为 Qs1g/ s,排水量为 QlL/ min,排沙量为 Qsg/ s,浸入率为 γ。 γ0.61、Qs1分别为 24、88、180 和 320 g/ s 时,排水 量和排沙量随气流量的变化情况分别见图 4 和图 5。 Qg/m3 h-1 ■ ■ ■ ■ ■ ■ 100 80 60 40 20 0 4.02.46.17.28.08.8 Ql /L min-1 ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ● ● ● ● ● ● Qs1 24 g/s Qs1 88 g/s Qs1 180 g/s Qs1 320 g/s ■ ▲ ● 图 4 排水量随气流量变化规律 Qg/m3 h-1 100 80 60 40 20 0 4.02.46.17.28.08.8 Qs /g s-1 ▲ Qs1 24 g/s Qs1 88 g/s Qs1 180 g/s Qs1 320 g/s ■ ▲ ● ■ ■ ■ ■ ■ ■ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ● ● ● ● ● ● 图 5 排沙量随气流量变化规律 由图 4 可知,气流量增大过程中水流量也不断增 加,图线呈指数关系,不同供沙量下变化规律类似。 气 流量存在临界值,到达临界值时才能被提升,排水量 Ql最大时对应的气流量为 8.8 m3/ h,其他学者通过实 验和分析得出气流量不断增大,排水量曲线会有下降 走势,并不是图中指数关系,分析后发现是由于实验所 用空压机不能达到其他学者实验时的气量值。 同一气 流量下,对比不同的供沙量可知,供沙量越大排水量越 小,这是因为提升能力恒定,河沙浓度增加导致水的占 比减少。 由图 5 可知,排沙量随气流量增大而增大,当气流 量超过某一值时排沙量趋于稳定增加。 气流量未达到 临界值时排沙量为零,说明气流量较小时液体对泥沙 产生的摩擦阻力不足以克服河沙自身重力。 增加气流 量,排沙量开始出现递增,初始阶段迅速递增,排沙量 最大时对应的气流量为 8.8 m3/ h。 此外,分析供沙量 为 24 g/ s 的这组数据可以看出,受供沙量限制时排沙 量增加并不明显。 观察供沙量较大的两组数据其排沙 量均小于供沙量,说明供沙量过大时由于提升能力固 定,多余的河沙在吸沙管口产生堆积,发生了堵塞。 从 实际考虑,后续实验均取供沙量为 88 g/ s。 3.2 浸入率对气力提升性能的影响 浸入率对提升能力起到很重要的影响,本次实验 选择供沙量为 88 g/ s,测量浸入率 γ 分别为 0.3、0.4、 33第 4 期李 策等 浆料气力提升系统性能研究 ChaoXing 0.5、0.6、0.7 时进气量的改变对排水量和排沙量的影 响,结果分别见图 6 和图 7。 Qg/m3 h-1 100 80 60 40 20 0 6.02.47.28.810.010.8 Ql /L min-1 γ 0.3 γ 0.4 γ 0.5 γ 0.6 γ 0.7 ● ▲ ◆ ▲ ● ◆ ▲ ● ◆ ▲ ● ◆ ▲ ● ◆ ▲ ● ◆ 图 6 排水量随浸入率变化规律 Qg/m3 h-1 100 80 60 40 20 0 6.02.47.28.810.010.8 Qs /g s-1 γ 0.3 γ 0.4 γ 0.5 γ 0.6 γ 0.7 ● ▲ ◆ ▲ ● ◆ ▲ ● ◆ ▲ ● ◆ ▲ ● ◆ ▲ ● ◆ 图 7 排沙量随浸入率变化规律 由图 6 可知,不同浸入率下,随着气流量增加排水 量显著增加,上升到一峰值后便趋于缓慢下降,即存在 最优气量值。 当气流量较小时排水能力较差,这是由 于此时吸沙管中流型为泡状流,泡状流提升液体能力 极差。 随着气流量不断增加,排水能力显著提高,这是 因为吸沙管中含气量增多,分散的小气泡融合后形成 弹状流或搅拌流,此时气泡产生的振动较小,提升能力 较高［12］。 气流量为8.8 m3/ h 时排水量达到最高峰值, 继续增加气流量,排水量呈下降趋势,这是因为管中流 型已变化为环状流,其对液体提升能力一般,这种变化 规律正好符合流型理论。 相同气流量下,随着浸入率 增加液体提升能力明显增加,这是由于吸沙管管口至 水面距离变短,使液体更容易提升。 对比几组曲线可 知,高浸入率下排水量下降的趋势要比低浸入率时晚, 并且曲线峰值大多在 8.8 m3/ h 附近,因此浸入率对排 水量有重要影响。 由图 7 可知,排沙量随气流量的曲线走势与排水 量类似,同样存在一个最优气量值。 气流量较小时无 排沙量,增加气流量后逐渐出现排沙,初始阶段排沙量 增加较为明显,达到峰值后排沙量呈下降趋势。 实际 上,管内流型也对排沙能力起重要影响,在气流量增加 过程中,管中流型依次为泡状流、弹状流、搅拌流和环 状流状态［13-14］。 并且固、液混合流体只有在弹状流或 者搅拌流情况下才能大量提升。 因此,找到气流量的 最优值十分重要。 在浸入率为 0.6 与 0.7 的情况下,当 气流量达到 6 m3/ h 后排沙曲线上扬并不明显,当气流 量达到 8.8 m3/ h 时两组的排沙量基本相同,通过分析 可知在气流量与浸入率较高的情况下,所供给的河沙 差不多完全提升出装置外,相同气流量下排沙量随浸 入率增加逐渐增加,这是由于浸入率的增加缩短了水 面与排沙出口的距离,减少了气体与液体在上升过程 中的能量消耗,多出的能量作用于管中的河沙,也减少 了河沙在提升过程中所做的功。 由于输入提升系统的 能量有限,故排沙量会增加。 4 结 论 1 排水量随气流量增大明显增加,随着供沙量增 加,河沙浓度也大幅增加,导致水量占比减少,使得同 一气流量下,供沙量越大排水量反而越小。 同一气流 量下,随着供沙量增加,初始阶段排沙量会迅速增加, 当排沙量增加到一定值时,供沙量继续增加排沙量变 化不明显。 2 气流量存在最优值,到达此值时排水量和排沙 量最大,气流量大于此值后排水量和排沙量不会继续 提高反而会有下降的趋势。 气流量存在临界值,小于 此值时河沙和水都不能被提升到装置外,排水量的临 界值小于排沙量的临界值。 3 较高浸入率下排水能力较强,高浸入率下排水 量下降的趋势要比低浸入率时晚,并且曲线峰值大多 在气流量 8.8 m3/ h 附近。 4 相同气流量下浸入率较高时排沙量较大,浸入 率的增加缩短了水面与排沙出口的距离,减少了气体 与液体在上升过程中的能量消耗,并且也减少了河沙 在提升过程中所做的功。 由于输入提升系统的能量是 恒定的,故排沙量会增加。 参考文献 ［1］ Hatta N, Omodaka M, Nakajima F, et al. 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