浆体的物理特性与管道输送流速

浆体的物理特性与管道输送流速

费祥俊

清华大学水电系北京市100084

=摘要>浆体管道的输送流速直接影响管道运输的安全与经济。以往由于没有把浆体的物理特性(即固体颗粒组成及浆体粘性)作为一个影响管道输送参数的重要因素来考虑,所以迄今为止,很多管道不淤流速公式未能摆脱纯经验性质而缺乏普遍的实用意义。本文通过分析及大量试验资料验证,系统研究了影响管道不淤流速的各项因素及浆体粘性的明显作用,因而阐明了一定条件下浆体浓度的提高,有利于降低管道输送流速,从而可以进一步提高管道输送浆体的综合效益。

关键词:浆体管道粘性不淤流速固体浓度

The Physical Property of S lu rry and its Velocity of Pip eline T ransportation

Fei Xiangjun

Tsing hua Uni versity,Beiji ng100084

A bstract:T he velocity of sl urry in pipe effect the economy and safety of transportati on.In recent years many formulas of nonsettling velocity for slurry were developed without considering the characteristic of slurry as an important parameter,hence the application of these formulas is limited.In thi s paper based on the theory of suspension rheology and by using a great amount of ex-perimental material,a new expression of nonsettling velocity i s developed.the i nfluence of slurry viscosity,solid concentration and the diameter of pipe on the nonsettling velocity is analysed in detail.T he results of study indicate that in a given condition the in-crement of solid concentration and slurry will bring to decrease the critcal velocity i n pipe.and It i s favourable to increase the com-prehensive efficiency of slurry transport by pipeline.

Key Words:Slurry Pipelin,Viscosity,Nonsettling Velocity,Solid Concentration

1引言

浆体管道输送以其经济效益高于传统的运输方式, 70年代开始已应用于燃料(煤)及原材料(精矿、建材等)的远距离输送。此外各类选矿厂的尾矿,电厂粉煤灰等工业固体废料以及河道的泥沙清淤,采用管道输送也以其工艺较简单,符合环保要求,在我国早已普遍应用。但这类浆体管道一般距离较短,对输送工艺参数的选择不够重视因而输送能耗及水耗较大,其效益明显偏低,据我国20个较大选矿厂1983年统计,管道输送尾矿总量4300万吨,输送的重量比浆体平均浓度14.2%,每吨干矿输送耗水量达6m3,而国外一般为1m3,输送能耗也远大于国外。这对资源相对缺乏的我国,不能不说是一种浪费。近年来情况有所改善,但仍然存在很大差距,更突出的问题是设备及管壁的磨损十分严重,这不仅增加运行费用,还会影响正常生产及对环境的污染,至于河道清淤的管道输送,其工艺更加粗放,效益也更低,造成以上原因是多方面的,其中对输送参数缺少研究是重要原因。

2浆体在管道中的流动状态与临界流速

工业浆体管道绝大部分属于非均质流输送,即垂向固体浓度分布存在一定梯度,管道输送最重要的参数是/不淤流速0,浆体由固体颗粒与水组成,输送流速太低,固体颗粒将分选沉降,以致堵塞管道,输送流速过高,虽可使颗粒充分悬浮,但将使一定管径的阻力随流速的平方成比例而上升,图1所示为一定管道内径下不同粒径d,按流速U而区分的几个流区。

在(1)区内,由于流速太低,固体颗粒沉在管底,基本不动,实线表示的是颗粒起动流速与粒径的关系。在(2)区内流速较高,颗粒开始运动。因为水流脉动的随机性,即使是均匀颗粒,也有不同的运动状态,即一部分颗粒沿管道底部作推移运动,一部分颗粒在管道中悬起作悬移运动,图中虚线表示的是绝大部分颗粒

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第1期#设计与研究#

图1 管道中流动状态分区示意图

作悬移运动时的下限流速,亦称/不淤流速0,该线以上的(3)区流速进一步提高,全部颗粒作充分的悬移运动。由图可见按不同粒径选用实线所示的管道流速显然是不安全的,选用(3)区以上(虚线以上)的流速,虽然安

全,但因流速过高管道阻力大,输送能耗大,因而是不经济的,所以管道的输送流速U 从安全和经济角度考虑应选用略大于虚线所示的不淤流速U C 或

U =k U C

(1)

式中系数k =1.05~1.10取决于U C 计算的可靠程度,图1只是定性的示意一定管径下U C 与粒径d 的关系,50年代以来有人试图通过试验建立不淤流速公式的关系式,其中最著名的是Durand 公式为

U C =F L 12gD(Q s -Q Q

)21

2

(2)

式中F L 与粒径及固体浓度S V 有关,如图2所示,由图2可见,当粒径d >2mm 以后,F L 为一常数,表明粒径大于2m m 以后不淤流速U C 与粒径无关,图2也表明,只有当d 较小时,固体体积浓度S V 对F L 才有影响。稍晚shook 采用一定管径下流速与能坡关系线的最低处流速,定义为管道不淤流速,通过Durand 阻力公式的求导,得出

U c =

2.

432gD (Q s -Q

Q )S V 13

C 1/4D

(3)

图2 系数F L 与粒径及S V 的关系

式中C D 为沉降阻力系数,由于Durand 阻力公式是在

浓度较低,固体颗粒较粗条件下试验得出的,C D 值变幅很小,因此式(3)不淤流速公式也不适用固体浓度较高、颗粒很不均匀的近代工业浆体管道。如何能反映不同粗细颗粒组成对不淤流速的影响,克罗诺兹把非均匀的颗粒组成粗略地以平均粒径不同分为三组,分别给出相应的不淤流速公式,即

(1) d [0.07mm 时,

U C =0.2(1+3.4

3

C W

D 0.75)B

(4)(2) 0.07mm < d [0.15mm 时, U C =0.255(1+2.48

3

C W

4

D )B

(5)(3) 0.15mm < d [0.4mm 时, U C =0.85(0.35+1.363

C W

D 2)B

(6)

以上各式中 B =

C s -1

1.7

(7)

C W 为重量比固体浓度,以百分数计,由以上各式可

见U C 都随C 1/3

W 的

增加而加大,这与实际情况不符(详见后述)。

由于影响浆体管道不淤流速的因素较复杂,直到最近不断有人提出浆体管道不淤流速的计算公式,但绝大部分都根据各自环管试验观测结果得出的经验公式,忽视对U C 有重要影响的浆体颗粒组成及流变特性,因此这些公式存在较大的局限性。在我国有关部门甚至还在应用克罗诺兹的公式。

3 浆体的物理特性

工业浆体的固体颗粒组成范围很广,特别是含有相当一部分的细颗粒,对浆体流动性有重要影响,因此浆体管道设计的可靠性有赖于对浆体物理特性的正确评价,这种物理特性集中地表现为其粘度随固体浓度的增加而迅速提高的变化规律,图3是两种铁尾矿(酒泉与昆钢大红山)固体比重及中值粒径基本相同(d =0.026~0.028mm),但颗粒组成不同,其浆体相对粘度(与同温度清水粘度之比)与固体体积比浓度的关系的流变试验结果。由图可见,颗粒组成不同对浆体粘度有明显的影响。

图3 两种铁尾矿L r ~S V 关系

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管道技术与设备

2000年