Гидротранспорт

Гидротранспорт – это процесс перемещения частиц твердого материала различной крупности потоками жидкости [7].

На движение гидросмеси влияют ее физико-химические свойства, геометрические параметры пульповода, режим гидротранспортирования и другие факторы.

Гидротранспортирование может быть подразделено на два основных вида:

• Безнапорное (самотечное).

• Напорное.

Характеристика гидросмеси

Гидросмесь (пульпа) – это механическая смесь воды и измельченных до определенной крупности твердых частиц. При движении гидросмеси твердые частицы под действием силы тяжести стремятся вниз, и при прекращении движения выпадают на дно. Таким образом, гидросмесь может существовать только в движении.

Гидросмесь характеризуется типом, крупностью, удельным весом и содержанием твердых частиц, а так же плотностью и вязкостью жидкости.

Перемещаемый твердый материал по своим физико-химическим свойствам отличаются значительным разнообразием.

Твердая фракция гидросмеси может быть представлена различными породами и отложениями; это могут быть: дробленая руда, уголь, аллювиальные и морские отложения и т.д. Каждый тип имеет свои определенные особенности, влияющие на свойства соответствующей гидросмеси: абразивность, степень дезинтегрированности, стойкость к измельчению и т.д.

Следует особо отметить, что микрочастицы с размером менее 0,050,074 мм (частицы мела, каолина, глин) образуют при растворении в воде суспензию [15]. Характер гидротранспортирования таких частиц отличается от гидротранспортирования более крупных частиц, тем, что движение образованной ими суспензии рассматривается как движение однородной жидкости с определенной плотностью и вязкостью. Движение более крупных частиц (песков, супесей, лесса, гравия, валунов и т.д.) рассматривается с точки зрения совместного движения твердых тел под воздействием обтекающего эти тела турбулентного потока жидкости.

Под концентрацией твердого в гидросмеси (или концентрацией гидросмеси) понимают степень ее насыщенности твердым веществом. Концентрация бывает объемной (S) и весовой (С).

Объемная концентрация, или объемное содержание, твердого в плотном виде в гидросмеси выражается отношением объема твердых частиц в плотном виде (V_т) к объему гидросмеси (V_г):

Весовая концентрация представляет собой отношение веса твердых частиц (W_т) к весу всего объема гидросмеси (W_г) [15]:

Где: _г, _т и _ж – плотность гидросмеси, твердой фазы и жидкости соответственно.

Концентрация выражается в долях единицы или в процентах.

Так как плотность твердой фазы гидросмеси больше плотности жидкой фазы то весовая и объемная концентрации не равны: S < С.

Плотностью гидросмеси (кг/м³ равная по значению Нс²/м⁴) является отношение ее массы к занимаемому объему и выражается через объемную концентрацию и плотность компонентов:

Крупность частиц твердого в гидросмеси играет значительную роль и характеризуется гранулометрическим составом. Согласно последнему гидросмеси подразделяются по преимущественному содержанию определенного класса на:

• коллоидные – с размером частиц не более 1мкм;

• структурные – с размером частиц 150мкм;

• тонкодисперсные – с размером частиц 50150мкм;

• грубодисперсные – с размером частиц 150мкм2мм;

• неоднородные грубодисперсные – с размером частиц более 2мм;

• полидисперсные – с частицами различной крупности.

Часто для более точной характеристики гидросмеси называют согласно входящим в них основным фракциям: песчано-гравийные, песчано-глинистые, гравийно-валунистые, глинистые, каолинизированные и т.д.

Вязкостью гидросмеси называют ее свойство оказывать при движении сопротивление относительному сдвигу своих частиц и слоев и развивать внутренние касательные напряжения. Благодаря силам трения быстродвижущиеся слои увлекают слои, движущиеся медленнее с преобразованием механической энергии в тепловую. Вязкость характеризуется динамическим коэффициентом вязкости () или его отношением к плотности гидросмеси, называемым кинематическим коэффициентом вязкости:

Кинематический коэффициент вязкости характеризует внешнее трение гидросмеси в границах потока и поэтому применяется при определении гидравлических сопротивлений.

Динамический коэффициент вязкости выражают в Нс/м² равный по значению Пас; кинематический коэффициент вязкости выражается в м²/с.

При гидротранспорте полидисперсных материалов суспензии, а также тонкодисперсные составляющие гидросмеси (частицы с d<0,15 мм) при S>0,10,2, благодаря более высоким значениям плотности и вязкости, выполняют функции движущей среды повышенной несущей способности.

Более просто данный процесс может быть описан так: в гидросмеси, где твердая компонента представлена частицами различной крупности, мелкие частицы в смеси с водой образуют суспензию, течение которой аналогично течению однородной жидкости. Плотность и вязкость такой среды (суспензии) выше чем у воды. Присутствующие здесь же более крупные частицы твердого взвешиваются не в воде, а в образовавшейся суспензии.

Общая или эффективная вязкость (_с) такой несущей среды включает в себя две составляющие:

где _н – нормальная (ньютоновская) вязкость;

_ст – структурная вязкость.

Нормальная вязкость среды пропорциональна вязкости несущей жидкости и зависит от объемной концентрации и дисперсности твердого – чем меньше размер частиц и их окатанность, тем вязкость среды выше [15].