ZESZYTY NAU KOWE P O LI TE CH N IKI ¿LASKIEJ ____________________________________1987
seria: ENERGE T YK A z. 99 Nr kol. 918
Jacek KAMIŃSKI
Ośrodek d s. Eksploatacji Górniczej - Zakład Technologii Podsadzki Głównego Instytutu Górnictwa
BADANIA PRZEPŁYWU MIESZANINY PODSADZKOWEJ W RUROCIĄGACH NACHYLONYCH
Streszczenie. W toku badań przepływów mieszaniny podsadzkowej piaskowo-wodnej na stanowisku poligonowym wykonano w rurociągach podsadzkowych pomiary jednostkowych spadków ciśnienia wraz z odpo
wiadającymi im parametrami: prędkością przepływu, gęstością miesza
niny i nachyleniem rurociągu. Dobrano funkcje najlepiej aproksymują- ce wyniki pomiarów dla zależności Jednostkowych spadków ciśnienia od prędkości i gęstości mieszaniny dla rurociągu 0 - 0,150m 1 0 « 0,185m. Uzyskano dla poszczególnych nachyleń rurociągów zależności różniące się wartością współczynnika proporcjonalności "k".
Obliczono funkcję aproksymującą zależność współczynnika "k" od na
chylenia rurociągów.
1. Vstęp
tf Zakładzie Technologii Podsadzki Głównego Instytutu Górnictwa prowa
d z o n e są między Innymi prace z zakresu hydrotransportu ziarnistych ciałf4J
stałych. Główną instalacją przeznaczoną do tego celu jest stanowisko pomia
rowe ZIP-1 f 3 J będące częścią Zespołu Instalacji Pbmlarowych służącego
do b a d a ń podsadzki hydraulicznej i parametrów jej przepływu.
S t a n o w i s k o ZIP-1 jest modelem kopalnianej instalacji podsadzkoweJ.Zbudo
wane j e s t z dwóch pętli rurociągów pomiarowych o średnicach nominalnych
0 « 0,150m 1 0 = 0,185m. Jeden z krańców pętli jest podnoszony wciągarką elektryczną. Dzięki temu istnieje możliwość uzyskania dowolnego nachylenia rurociągów względem poziomu w zakresie 0° do 90°. Każda z pętli posiada d w a o d c i n k i pomiarowe, z których Jeden jest nachylony w dół, a drugi w górę.
Długość pojedyńczego odcinka pomiarowego wynosi 10m.
Przepływ mieszaniny w rurociągach jest wymuszony dwiema pompami wirowy
mi. M o ż n a także uzyskać spad grawitacyjny wykorzystując w tym celu układ
r u r o c i ą g ó w i pomocniczy zbiornik przelewowy ulokowany na szczycie wieży
o w y s o k o ś c i 15m. W dotychczasowych badaniach możliwość ta nie była wyko
r z y s t y w a n a : m i e s z a n i n ę kieruje się z pomp wprost do wybranej pętli ruro
c i ą g ó w pomiarowych, gdzie przepływa wielokrotnie w obiegu zamkniętym.
N a aktualnym etapie rozwoju instalacji ZIP-1 prędkość przepływu miesza
ni n y r e g u l u j e się zaworami. Zakres uzyskiwanych prędkości przepływu zawie
ra się w granicach T m /0 ♦ 10/ m/s i zależy od gęstości mieszaniny podsa
dzkowej. Dla maksymalnej gęstości ^ « 1800 kg/m^ prędkość przepływu ogra
nicza się do v » /3 ■# 6,5/ m/s.
82 J. Kamiński Aparatura pomiarowa zainstalowana na stanowisku tworzy zestaw składają
cy się z gęstościomierza izotopowego, przepływomierza indukcyjnego,komple
tu manometrów
[
6J
i skanera izotopowego. Zestaw ten w bieżącym roku połączony został w system sterowany mikroprocesorem,co umożliwia systematy
czną rejestrację danych pomiarowych i ich wstępną "obróbkę".
Aparaturę pomocniczą stanowią upusty do pobierania prób gęstości miesza
niny, zwężki Venturiego, waga, naczynia miarowe, termometry itp.
Przed wprowadzeniem do pomiarów nowego typu urządzeń testuje się je i ocenia z punktu widzenia dokładności i niezawodności działania, a zatem przydatności do badań i ewentualnego zastosowania w praktyce przemysłowej / 5 7.
2. Badania przepływu mieszaniny podsadzkowej piaskowo-wodne.1
Badania przepływu [ 4
J
mieszaniny podsadzkowej piaskowo-wodnej prowadzone na instalacji ZIP-1 zmierzają do określenia zależności pomiędzy pod
stawowymi parametrami przepływu w rurociągach podsadzkowych, a zwłaszcza zależności między jednostkowym spadkiem ciśnienia a prędkością przepływu i gęstością mieszaniny. Uzyskane wyniki powinny umożliwió zarówno weryfi
kację zależności określonych w GIG w latach pięćdziesiątych /l,£/, jak też rozszerzenie zakresu tych zależności.
W latach od 1982 do 1984 na stanowisku ZIP-1 prowadzono pomiary w ruro
ciągach 0 = 0,15m 1 0 » 0,185m przy nachyleniach CC » ±0,° ±15°, ±30°,
±45°, ±60° na mieszaninie piaskowo-wodnej o gęstości f »/1200 •» 1750/kg/m^.
Dla zadanej gęstości mieszaniny i nachylenia wybranego rurociągu oraz możliwego do uzyskania zakresu prędkości przepływu wykonano serie pomiarów polegające na odczytywaniu wskazań przyrządów dla kilku lub kilkunastu wartości prędkości przepływu.
Każdorazowo przeprowadzano dwa pomiary /pomiar podstawowy - a 1 pomiar pomocniczy - b/ następujących wielkości fizycznych:
- prędkości przepływu - za pomocą:
a/ przepływomierza elektromagne tyczne go,
b/ zwężki Venturiego z różnicowym manometrem rtęciowym,
- ciśnienia panującego na końcach odcinków pomiarowych /wznoszącego i opada
jącego/ - przy użyciu manometrów:
a/ rtęciowych,
b/ prężnych z nadajnikami potencjometrycznymi, - gęstości mieszaniny - za pomocą
a/ gęstościomierza izotopowego j b/ metody objętościowo-masoweJ.
W celu kontrolowania warunków przepływu mierzono temperaturę mieszaniny na początku i na końcu serii pomiarów. Po przekroczeniu temperatury miesza
niny t m 40°C pomiary przerywano.
Na podstawie zmierzonych różnic ciśnień pomiędzy punktami pomiarowymi, obliczono jednostkowe spadki ciśnienia.
Badania przepływu mieszaniny.. 83
W przeprowadzonych pomiarach uzyskano około 1,5 tysiąca wartości Jedno»
stkowych spadków ciśnienia wraz z odpowiednimi wartościami prędkości prze
pływu, gęstości mieszaniny i nachylenia rurociągu, Do ostatecznych obli
czeń pozostawiono około 30% danych odrzucając wyniki pomiarów wstępnych wykonanych na wodzie czystej oraz na mieszaninie podczas "szlifowania"
rurociągów.
Dane pomiarowe pogrupowano wg nachylenia rurociągu i obliczono dla każdej z tych grup wartość współczynnika "k", w oparciu o zależność
2
»;\w ■ \ ’s ♦ k ł . / i S - p y /1/
gdzie:
- jednostkowe spadki ciśnienia /Pa/q7j
- bezwymiarowy współczynnik oporów przepływu wody. Wg wzoru Lees'a /lw - 0,00714 + 0,6104 Re- 0 '35
Re - liczba Reynolds'a
dla średnich warunków instalacji ZIP-1 wynosi:
dla 0 - 0,150 m ^ w - 0,0127 dla 0 - 0,185 m - 0,0123 v, - prędkość przepływu [n/ą/
g - przyspieszenie ziemskie /iin/s D - średnica wewnętrzna rurociągu /ą/j f mi - gęstość mieszaniny A g / m ^
- gęstość wody /kg/m3/.
Poszukiwaną wartość współczynnika "k" obliczono, obliczając minimum funkcji: n
s - i r - 1 ^ E i - JE <vi ’ Ti)/'2 /2/
Po podstawieniu do wzoru /2/ wyrażenie /1/ i zróżniczkowaniu względem
"k" uzyskujemy
" 2 { ? mi _ f w } fJEL “ JE (vi ’ ? i ^ /3/
Po przyrównaniu ? ^ ■- 0 oraz po wykonaniu przekształceń zależności 1 3 1 otrzymujemy wzór umożliwiający obliczenie współczynnika "k".
/o ^ / t /lw • Pw „ 2
I / f » l - f w / Ł 1J E1 - 2D V 1
* ■ “ “ £i= I p w - f . --- / 4 /
84 3. Kaalrtekl
Obliczono wartość współczynnika "k" dla nachyleń = 0°, -30°, ^45°, -60°
dla rurociągu 0 = 150 m oraz o(= 0°, -15°, - 3 0 ° , ±45°, ±60° dla rurociągu 0 = 0,185 m.
Dla rurociągu 0 = 0,150 m wartość współczynnika "k" skorygowano z uwzględ
nieniem różnej chropowatości rurociągów (wznoszącego i opadającego), dla rurociągu o 0,185 m korygowanie nie było konieczne.
Pomimo znacznego rozrzutu wartości współczynnika "k" widoczna jest pew
na zależność dająca się aproksymować prostą:
k = A + B m
dla rurociągu 0 = 0,150 m, A = 0,63 B = 0,0039 dla rurociągu 0 = 0,185 m, A = 0,55 B = 0,0026
Obliczone proste aproksymujące wrysowano w wykresy k = f( ).
J
*ea ■ ' 45* ■
• 30'
' 0'
- 4 3 '
- 3 0 ' ■
Zależność k = f(o0 dla 0 = 0,185 m
k
• 1--- 1--- 1--- 1--- 1 "1--- 1---
- 0 ¿ 0 OZ 0 ,4 Q6 08 4 ,0 4 2
R y s . 2. Zależność k = f(<X) dla 0 = 0,1 50 m
Rys.1.
3. Wnioski
1. Z wykresów wynika, że współczynnik "k" nie jest wartością stałą dla da
nej średnicy rurociągu.
2. Wartości współczynnika "k" dla rurociągów poziomych są mniejsze niż dla rurociągów wznoszących i większe niż dla rurociągów opadających.
3. Wartości współczynnika "k" dla rurociągu 0 = 0,150 m są większe niż dla rurociągu 0 = 0,185 m, tym większe im większe nachylenie rurociągu w zakresie ( - 6 0 + +60).
Badania przepływu eleezanlny.. 85
Literatura
1. f Adamek Wpływ Jakości materiału podsadzkowego na efekty podsadzania wyrobisk górniczych, Prace GIG.Komunikat nr 447, Katowice 1968, 2. Lisowski A., Groyeckl A., Sołtysek K . , Wyszomirski J., Prymula J ,,
Starzyński S., Palka L . : Możliwość opracowania emlprycznych równań przepływu oraz wyznaczenie za ich pomocą optymalnego ciężaru właści
wego mieszaniny podsadzkowej i wydajności rurociągów podsadzki hydra
ulicznej, Prace GIG, Komunikat nr 380, Katowice 1965
3. Kamiński J . : Instalacje do badania hydrotransportu ciał stałych w ruro
ciągach, Przegląd Górniczy nr 11/12 1982
4. Bąk E . , Kamiński J . ; Badania przepływu mieszanin ciał stałych i wody zrealizowane na stanowisku ZIP-1, V Seminarium Transport i Sedymentacja Cząstek Stałych, Wrocław 1984
5. Bąk E., Wikllk A.: Ocena aparatury pomiarowej dla przemysłowych insta
lacji hydrotransportu, V Seminarium Transport i Sedymentacja Cząstek Stałych, Wrocław 1984
6. Kamiński J . : Ouecksilbermanometer mit elektronischem Wandler und Druckfernable3ung, Hydromechanisation 4, Karl-Marx-Stadt 1985
Recenzent : P r ó f . dr hab. lnż. Oan Palarski
Wpłynęło do Redakcji 19B7.02.23
HCCJIEHOBAHHfl I10T0KA 3AKJLAH0ąH0ił rnHPOCHECH B HAKJI0HEHHHX T P y E O U P O B O M *
P e 3 o u e
B npeflnpaHTKH 3aKzaAOHHo8 TezHozorHH DiaBHoro HHCTHTyia ropHoro zeza b r. KaioBHue Bezyicz paćo iu no rHApoTpaHcnopiy 3epHHCTmc T B e p A m zez.
H cczezoBaHnz hbzhiotch npozozjceHHeM BezeHHux b TiaBHou HHCTHTyie ropHo- ro fleaa c hozobhhh naTajecaTmc rozoB pafioz Haz, rHApoTpaacnopTou yraa h saKJiaAoaHfcDC uaTepHazoB.
B H a d o a m e e Bp eu a rari pacnozaraeT CocTaBou H3MepHTezbHHx yciaHOBOK (CHy) , cocToamaz H3 necKOJibKHZ HCCxefloBaiezbCKHX uect, na Koiopux no nopy- n e h h b Kpoue saKJiaaoHHoft necnaHO-BOflHHofi rHflpocuecH HcczezynTCH cwecH co- AepaaąHe: ntUH H3 azeKTpocTaHięaft, npoH3Bo^ciBeHHue otxoau neweBTa h zpyrHe TBepAbie Teza KaK Hanp. aKKyuyzHTopHuJi z om.
rzaBHofl HCCzezoBaiezbCKoa yciaHOBKoft "CHy" HBZneTCa M ecio I? 1 (C H y-l) npeAHa3HaneHHoe azjł H3MepeHHH n ap aiieip o B noioK a mzpaBZHHecKoft saitzazK H . yciaHOBKa ocaaneH a TpySonpoBOflaMH AHaiieTpoM bs (J) = 0 ,1 0 u , <j> = 0 ,3 2 m h 3aiuiaA0HHbiMH TpyfionpoBOzaMHi
<p
= 0 ,1 5 m a $ - 0 ,1 8 5 m. 3aKxaAOHHiie T py- ConpoBOAH n o d p o e H H b $opue neiezb c o o to h u h z H3 AByx H3MepHTezbHHX oTpes- kob AZHHofl no 10 nor. u . , Moryz OuTb Haiut OHeHHue no a zbĆloi yrzou k ypoBHB,86 8. Kamiński
yciaH O B K a ooHanieHa cociaBO M ii3MepHTeJn>HHx odopyA O B aH nâ, npeAOCTaBjiiuoiHKii B03M0acH00Ti> aBi OMamqecicoro z3MepeHHa h 3anx.cH ^aHHHX.
B xofle oyneûTByronHx r o aux nop aacjie^oBaHHÜ saKxaflouBoit necqaao-BOAJiHoa r x^pocMecH 6 m a H3BJieaeHa ctohmoctb ©.^hhhbhhx naseHHii ^asjieHKa, iijiothocth CMeca a HaxjioHa ipySonpoBo^oB.
O SpaSoïKy pe3yibTaT0B BunoJiHeHO no HecKOJiBKHM c iynenaM c noMoniBio ueio^a OBepeAHHX npHÔJiHaceHH2, Hooaeaya CBH3B K3BecTHux no n m e p a i y p e o6pa3D,oB a pe3yjibTaTaMH H3MepeHH2. B m o r e 6hji no soSpaH ynpomeHHNfl oâpa3en, yBHThmajo- mn 8 h3uepeHHfcie napaueipH, a laxxe 6hjih n oscaHiaHH BUCTynaraqne b H eM o h h t- aae KoajtÿaaaeHTa.
HacneflOBaHaa hotokob 3aiuia^oaHo2 ra^pocMeca b tom nacjie OMeca, co nepaa- mefi nocjieyrojiBHhie otxoah, fiyflyi npoAOJixaTBca nooJie O K O H n a m w MoaepHH3aimH M e o i a CHy-1. Mo^epHH3aiiHH oxBaiüBaei yflBoeHHyio MaKCHMajiBHy» cicopocTB noioxa a ee âeociyneHtiaToe peryjraposaHHe, aeiapexapaTaoe yBejiaaeHHe sonycTHMoft Be- jihbhhh 3ëpeH iBepaoro Tejia a aoojiesyeMo2 caeca, a Taiace BBe^eaae npojiyKTHB- Hofi ,no3HpoBKH iBepaoro Te;ia a ero ycxpaH e Hz e H3 caeca nocne HCoae^oBaHaa,
T ES TS ON H Y D R A U L I C M I X TU R E FLOW IN DIP PI NG PI PE LINES
S u m m a r y
The Establis hm en t for Stowing! T e c h n o l o g y of the Cent r al M i n i n g Insti
tute in Katowice carries out res ea rc h on h yd raulic h andling of grainy: so
lids. The in ve stigations are c o n t i n u a t i o n of studies on hy dr au li c h an d
ling of stowing materials p er formed by the Central M i n i n g Institute since mid fifties.
At present the Institute employs a set of meas ur em e nt i nstallations ("ZIP") in corporating several test stands; apart from sand-water stowing mixtures, testing involves m ixtures contai n in g dust from power plants, w aste m at erials from cement plants and other solids, eg. batt er y waste.
The pr in cipal unit of ZIP is test stand N o 1 (ZIP-1) for measurement of hy d raulic pi pe lines of <p = 0,1 0 m and (p = 0,32 m in d i ameter and s towing p i pe li ne s of
<p
- 0.15 m and Ip = 0,185 m in diameter. Stowing p ipelines, cons tr uc te d in the loop shape, incor p or at e two 10 m measurement sections and may be inclined at any angle against the h or i zo nt al level.The i ns t allation is provided with a set of me a surement units ena bl i ng au
tomatic m o n it or in g and data recording.
So far, the performed tests r e s ul te d in data on pre ss ur e de crease in the function of flow ve lo c i t y of sand- wa t er stowing mixture, den si ty of the mixture, as well as i nc lination of the pipeline.
Data were p r o c e s se d by m u lt i - s t a g e method of s ubsequent a p p r ox im a ti on s and c o rrelating the formulae known from l iterature wit h the actual test results. This e ffected in s el e ction of a si mp l i f i e d formula, taking into account the m e a s ur ed parame te rs and c al cu l a t i o n of the o c c u rr i ng e x pe r i
mental coefficients.
Badania przepływu mieszaniny.. 87
Te9ts on flow of stowing n l x t u r e s , Including mixtures containing coal waste, will be continued on completion of ZIP-1 stand modernization.
This Is to introduce double maximum flow v e l o c it y and Its stepless adju- s t n e n t , four-fold increase of the possible grain size of solids in the tested mix tu re and to inpleaent an efficient system for solids dosage and removal from mixture after testing.
