浆体管道输送临界流速的影响因素及计算分析.pdf

收稿日期 2004- 05- 06 收修改稿日期2004- 06- 30 浆体管道输送临界流速的影响因素及计算分析 汪 东, 许振良, 孟庆华 辽宁工程技术大学资源与环境工程学院, 辽宁 阜新 123000 摘要 临界流速是浆体管道输送的一个重要因素, 目前尚无普遍的使用公式。例如杜兰德 Du - rand 、 格拉弗 Draf 、 托马斯 Thomas 等考虑的因素少, 而且还需要特定的条件。在前人试验研究的基 础上, 找出影响浆体管道临界流速的主要因素并进行分析, 再利用尖山铁精矿管道输送试验数据的实 测值与计算值进行比较, 找出一个比较适合管道输送的普遍临界流速公式。 关键词 临界流速; 影响因素; 浓度; 颗粒组成 中图分类号TD825. 6 文献标识码 A 文章编号 1004- 9614 2004 06- 0001- 02 Effect Factors and Calculating Analysis of Critical Flow Velocity in Slurry Pipeline Transportation WANG Dong, XU Zhen -liang, MENG Qing -hua College of Resources Influence Factor; Concentration; Composing of Grain 1 引言 在浆体管道输送中, 正确确定一个安全经济的输 送流速 临界流速非常重要。临界流速无统一定 义。国外浆体界著名学者杜兰德 Durand 、 格拉弗 Draf 、 托马斯Thomas 等分别以/ 极限淤积流速0、 / 临 界淤积流速0和/ 最小输送流速0作为临界状态下流速 的定义。虽然国内外许多学者对此进行了大量试验 研究, 提出了不同形式的临界流速的经验公式。但 是, 这些经验公式由于因素考虑欠缺仅仅适用于某些 特定条件, 而且实测值与计算值的误差很大。 2 临界流速影响因素分析 影响浆体管道临界流速的因素很多, 包括固体颗 粒的粒径、 密度、 形状和粒度级配以及浆体浓度、 输送 管径、 外界温度等因素。但主要因素是固体物料密 度、 浆体浓度、 输送管径以及颗粒组成。 2. 1 固体密度对临界速度的影响 固体颗粒密度对临界速度的影响非常明显, 固体 颗粒密度越小, 越易于形成均匀悬浮, 浆体流动中用 于支持固体颗粒的均匀悬浮的能量就越小, 阻力降 低, 临界流速越小; 反之, 则相反。在管道输送中, 一 般强调固体颗粒密度比液体大, 但是也得考虑固体的 密度比液体小的情况。Duckworth 等采用比水轻和比 水重的物质进行试验, 当固体颗粒比水重时, 随着固 体密度的加大, 临界流速越来越大; 当固体颗粒比水 轻时, 随着固体密度的减小, 临界流速也越来越大。 2. 2 浆体浓度对临界流速的影响 工业浆体作为一种浓度比较高的复合流, 浓度对 于临界流速具有特殊的影响。固体浓度的提高, 一方 面由于浆体黏性增加, 使其中颗粒沉速下降, 紊动对 颗粒的支持力可相应减小, 这说明浓度提高可以导致 临界速度降低; 另一方面, 在一定管径等条件下, 固体 输送浓度的提高抑制了紊动强度, 减弱了对颗粒的支 持力, 要求增加流速以维持一定的紊动强度。所以固 体输送浓度提高促使临界速度减小和加大两个因素 同时存在。当浓度较低时, 浓度的提高对抑制紊动起 主要作用, 临界速度随浓度提高而加大; 当浓度较高 时, 浓度提高对减小颗粒沉速起主要作用, 因而临界 流速随浓度提高而减小。但是, 浓度再高时, 浆体容 易形成层流状态, 阻力急剧增大。通过大量实验资料 分析绘制成图 1, 从图 1 可以看出 对于不同的管径, 浆体浓度大约为 60 时临界速度最低。因此, 在紊流 范围内, 当浆体浓度较高时, 更适合管道输送。 2. 3 管道直径对临界流速的影响 学者们对于管径对临界速度的影响程度的认识 相差甚远, 一些专家认为大型管道中管径对临界速度 影响不大, 例如 Bechtel 公司在进行煤浆管道设计时给 2004 年 第 6 期 管 道 技 术 与 设 备 Pipeline Technique and Equipment 2004 No16 图 1 尖山尾矿临界速度与浓度关系曲线 出了 vc K Q - QL QL 0 15 d95 G 0 125 e1 4 12 CV的临界流速 公式K 为有量纲系数, G为浆体刚度系数; 而另一些 专家认为有关系, 但程度不一样。例如最著名的杜兰 德公式中, 临界流速 vcWD1/3; 在瓦斯普 Wasp 的计算 方法里, vc与 D1/3成正比。卡赞斯基根据大量实验数 据总结出的经验公式 vc gD 0 125 1- Z 1 3 f CW , 表明 vc正比于 D1/4。结合前人实验, 对于一定条件下不同 管径的浆体临界速度进行实测, 得到一定的数据, 绘 制成图2, 可以看出, 当其他条件相同时, 临界速度与 管径的方次关系约等于 1/ 3。 图 2 管径对临界流速产生的影响 2. 4 浆体颗粒组成对管道临界流速的影响 联系自然界中泥石流的颗粒组成呈现出以粗大 颗粒为主体的/ 双峰0分布现象, 可知颗粒组成对临界 流速的影响是明显的。因为浆体中颗粒在合理比例 时, 细颗粒间容易形成絮网结构, 粗颗粒的沉速因阻 尼作用大幅度降低, 不易形成滑、 跳移状态, 降低阻力 损失, 同时, 级配改变能增加浆体的极限浓度, 降低浆 体的黏度, 使浆体更易流动。在工程上为方便计算, 常用中值粒径 级配曲线中 50 为小粒径, 以 d50表 示 、 平均粒径 一般在 d60 d65左右, 比中值粒径大 来表示。但是上述两种不能反映颗粒群的特性, 其大 小分布可能差别很大, 因此在工业浆体管道输送中, 因保证管道经济与安全运行的需要, 对固体颗粒的上 限粒径 指 d90或 d95 和颗粒群的细颗粒含量又要控 制比较严格。因此, 颗粒组成对于临界流速的影响不 容忽视。 3 临界流速的计算公式 通过对以上因素分析可知, 改进的 Bechtel 公司的 公式是解决浆体管道输送的一个比较合适的公式。 文献[ 5] 认为 Bechtel 公司公式前的系数 K 可能与粒级 组成、 管径、 密度以及浆体的浓度有关系, 而不是一个 常数。通过应用最小二乘法, 对众多的实测结果进行 处理, 求得系数 K 的计算公式 K K0 K1CV K2Sn0. 浆体管道输送的临界流速经验公式为 vc K0 K1CV K2S n 0 Qs- Q Q D 1 3 d95 G 1 4 e1 4 12CV 式中 S0为屈服切应力; CV为浆体的体积浓度; d95表 示小于此粒径的颗粒占有 95 ; Q, Qs分别为浆体、 颗 粒的密度; K0, K1, K2, n 为系数。 以尖山铁精矿管道输送试验数据进行验证。其 中铁精矿的体积质量 Cs 4176 t/ m3, 加权平均颗粒半 径为 01027 mm, - 01071 mm 占 95138 , - 01036 mm 占 8419 , 验算时, 取矿浆温度 t 20 e , 管壁的绝对 粗糙度 0。计算结果与实际测量结果见表 1。由 表1 可知, 该公式计算值与测量值比较接近, 基本符合 管道输送工程设计要求。 表 1 临界流速的计算值与实测值比较 管径 D /mm 质量浓度 Cw/ 体积浓度 CV/ 浆体体积 质量 Cm/ tm- 3 计算值/ ms- 1 实测值/ ms- 1 相对误差 / 50 1001174 71 16530 1774 1017503120 10064 1401275 32 10350 1933 8018499198 70 1301332 22 12491 1006 311012- 0156 50 1001174 71 16350 1894 001898- 01445 15465 1001280 82 10551 1102 711135- 2184 70 1001320 92 12371 1146 911263- 9119 49 1901172 91 16510 1977 611017- 3187 20365 1001280 62 10551 1209 011242- 2165 70 1201331 12 12451 1268 411385- 8140 25549 1401170 21 16401 1014 511132- 7190 62 1301258 01 19701 1274 51116610180 3 结束语 1 影响临界流速的主要因素是密度、 输送管径、 浆体浓度以及颗粒组成; 2 在紊流范围内, 浆体的输送浓度较高时更适 合管道输送; 3 浆体输送时应该具有合理的组成, 对固体颗 粒的上限粒径和颗粒群的细颗粒含量控制比较严格; 4 改进的 Bechtel 公司的公式计算值与测量值比 较接近, 基本符合管道输送工程设计要求。 参 考 文 献 [1] 费祥俊. 浆体与粒状物料输送水力学. 北京 清华大学出版社, 1994. [2] 李培芳. 尾矿管道输送临界流速计算. 水力采煤与管道运输, 1993 3 7- 12. [3] 瓦斯普E J. 固体物料的浆体管道输送. 北京 水利电力出版社, 1984. [4] 许振良. 非均质流速度分布与水力坡度的研究 [ 学位论文] . 阜 新 辽宁工程技术大学, 1998. [5] 邹伟生. 高浓度铁精矿管道输送参数研究 [ 学位论文] . 长沙 冶 金工业部长沙矿冶研究院, 1991. 2 Pipeline Technique and EquipmentDec12004