文摘
强烈的轴向振动的粘贴和回流使交通系统损伤和延迟运输进展。分析了轴向振动的粘贴通过建立振动系统的模型根据工作情况。然后回流分享的数量估计的基础上形成的轴向振动模型。逆流的估计进行计算解压粘贴在特定的时间,这是相对于位移振动的数值在一个单一的过程。逆流的估计的煤泥粘贴在特定的交通条件下给出了比较结果基于波速的方法。很明显,引入轴向振动模型研究的管道运输系统是可行的和合理的,也补充了理论依据致密粘贴在管道运输系统振动的分析及其对系统的影响。
1。介绍
使用高密度的担忧,增厚尾矿在矿业最近显著增强。这些尾矿和其他类似的工业废弃物或副产品被称为“密集粘贴”在本文中提出一种材料,包括高固体含量和细纹,显示高粘度与固体和流体之间的某种状态。这类材料,即密集粘贴,广泛处理矿业区在澳大利亚,南非,加拿大,等等;说,矿业颗粒固体废物再利用表面和地下充填在节约用水的要求,减少灾难性故障的风险,并可能引人入胜的最终关闭矿业甚至减少总体成本的采矿项目1- - - - - -4]。
典型的致密贴从选煤煤炭尾矿,红泥从铝行业,从乙炔电石渣生产,从市政废水处理污泥,等等(5]。每年全世界输出密贴的是巨大的。人们一直在寻找有效的处置对这种浪费考虑能源节约和环境保护。在中国,大约有6390万吨的煤泥已经发送到循环流化床(循环流化床锅炉)部分替代煤炭燃料从2002年到2008年,导致经济效益约101亿元6]。在此背景下,如何运输这些大量的密集粘贴在不同的处置是最基本的工程问题之一。管道运输系统由泵被介绍给这个地区根据其特点如清洁(避免暴露在露天),效率高,节省劳力。在真实的应用程序中,沿管道运输距离是通常接近或超过1000;使用的管道通常有直径300毫米;和最大泵送压力系统20 MPa (5]。
追求更高的效率,管道运输系统采用双泵的s形管阀。双缸泵有两个材料室连接到管道或者通过切换之间的“s管阀泵和管道。工作过程如下:活塞在气缸1号向后移动到吸入密集粘贴从存储,当活塞在气缸2号推进驱逐密集的粘贴到通过s形管阀管;然后阀门开关;两个气缸活塞然后向前或向后移动,分别继续推动粘贴在管道内流动。有一个短的动态与开关完全停顿。注意,密集的粘贴在管道的身体显示在压力下粘弹性,这是非常不同的在正常情况下稀浆流动。它导致的现象在短时刻的压力泵消失的身体密度粘贴试图恢复并形成一个力对它的两个终端。
郝et al。5)进行了测试,结果表明,煤泥的弹性恢复对实际流量具有重要影响。在s形管的开关阀,压缩的弹性回复粘贴导致部分粘贴在管道流回泵的饲料室,即回流。逆流不仅实际流量大大减少,也会导致强烈的轴向振动的密集的膏体和管道,损坏运输设备,尤其是料斗,在运输(5,7,8]。
逆流和振动会增强随着运输距离或泵送压力的增加。本文旨在研究身体的轴向振动的密集的粘贴和分析逆流。通过建立的轴向振动模型密度粘贴粘贴的字符流在长管道、失去动力时,产生的回流是可以预测在体积和讨论基于实验和理论指导。
在下面几节中,振动模型推导和解释第一,紧随其后的是预测的逆流体积比根据振动模型和系统的工作条件。最后,实验观测提出了保留流的比较数值估计。
2。材料和方法
2.1。粘贴在管道流动时的状态
摘要相对实验煤泥,例如。煤泥的主要尾矿选煤;它由煤、岩石,和粘土。最初的煤泥(没有与其他材料混合)具有高粘度、低流动性、伟大的粘性和是一个典型的非牛顿流体。煤泥的固体浓度通常范围从56%到77%的体重,这是衡量缝匠肌MA145实验室;表观粘度范围从几十到数百Pa·s [5]。它表现为平推流在管道在运输时,如图1水份,薄层形成在管道内壁在流动。煤泥的固体浓度用于本文59% w / w,当煤泥的密度克/厘米3。使用煤泥的屈服应力是64.9 Pa,由叶片式流变仪测试。
2.2。轴向振动测量方法
2.2.1。密集的粘贴在管道的力学模型
密集的粘贴表现为非牛顿液体的固体和液体之间的状态,并且展示了粘度和弹性压力管道;因此,身体被视为粘弹性力学模型。正如前面提到的,密集的粘贴在活塞流的形式,从而形成了一个假设的身体密度粘贴在管道可能被视为粘弹性杆,如图2。基于开尔文粘弹性杆模型(7,9- - - - - -12),管道的粘弹性杆的受力情况进行了分析。本文旨在简化估计长管道的振动,振动模型的边界条件简化。制定以下假设是:(1)密集的粘贴在管道被视为粘弹性杆模型中,长度和一个截面。(2)材料阻尼的密集的粘贴被忽略和粘贴和管道之间的摩擦也忽略了在振动。(3)密集的贴注入持续的压力在实验的过程。
2.2.2。轴向振动分析
在图2粘贴的左端杆泵的出口,右端是放电的退出。密集的粘贴被视为开尔文粘弹性杆,被认为是平行弹簧钩和牛顿粘锅。粘贴杆的几何图如图3。杆定位在设在分为microunits,每一个都拥有的轴向长度。单位在左端应该与泵的出口。
假设上的力mini-element在这杆横截面积: 在哪里局部应力分量在吗方向和是管道的截面积。是粘贴的杨氏模量,粘度。是当地的应变分量方向。如果振动位移沿设在在时刻microunit位于在图3的轴向应变单元。用(2),到(1)收益率的表达力: 另一方面,根据力平衡microunit的位置得到以下方程: 在哪里是粘贴的密度。通过推导(3),然后结合(4),轴向振动微分方程的某些microunit粘贴杆可以得到: 轴向压力(左端)的推力杆取决于驱动泵和设置。因为杆的右端是开放的在空气中,当地的外压力为零(13]。这个振动杆的边界条件进行了总结 密集的粘贴杆的初始位移和速度可以被写成以下形式: 在短时刻的s形管阀开关、压力突然消失,这意味着转向泵的压力;粘弹性杆,然后解压缩像弹簧振动沿管道,导致回流。假设粘贴杆执行自由振动泵的压力消失时,振动的振幅也会减少运动仍在继续。逆流的数量与粘贴杆的位移在振动作用越来越弱。
根据自由轴向振动的研究,5)可以解决使用给定的边界条件。方程(5)可以改写下列形式: 在哪里表示粘弹体的弛豫时间;;压力波的速度。解决(9),应用分离变量设置;因此,(9)是 解决方案(10)发现并提出了以下形式: 根据(11)和(12),某些单位在粘贴杆的位移 在哪里和和和是待定系数取决于初始条件和边界条件,分别;衰减系数和吗的圆频率轴浆杆的振动。和相关系数和定义如下: 当泵停止工作时,泵的出口压力()改变为零;再一次,(6)给出了边界的例子: 通过得到以下方程: 从(16),很明显,。替换到(11)给然后可以表达的 方程(17)提出的自由轴向振动致密粘贴在管道。
同样,使用在(7)给 方程(17)和(18)导致以下结果: (在哪里19)的圆频率方程自由粘贴杆的轴向振动管道,和 然后,和可以得到: 在哪里是最大的整数不到:。
的叠加密集的粘贴的主要自由振动,基于(自由振动方程可以写11)和(12);轴向振动位移的表达式可以开发 在哪里意味着待定系数之间的关系主要频率;是振动的数量订单。在(23)系数,,,根据初始条件是常数,后面部分介绍了2。3。(23),一旦压力泵缺席,粘贴上的每个microunit的自由轴向振动棒可以评估;在粘贴杆单元的位移计算。基于这样的考虑,逆流相当于microunits向后移动的结果,它是合理的预测逆流的百分比份额根据位移的参考microunit粘贴杆。
2.3。自由振动的初始扰动
当泵压力突然消失,这意味着没有粘贴杆上施加压力,所以初始轴向位移 最初的时候速度为零,也提出了 介绍了初始位移和速度条件下,也就是说,(24)和(25),到主振动方程(23)给下面的表达式: 选择弛豫时间作为一个小的,然后振动的数量。方程(26)可以被视为傅里叶余弦级数展开和的时间间隔约: 系数,,,可以计算(27),(28),(29日)和(30.),分别。通过引入这些系数回(23),粘贴杆的振动方程,当泵压力突然获得最终改变为零。
3所示。结果与讨论
3.1。逆流结果通过轴向振动模型
当密贴运输管道稳定在某一活塞旅行,轴向压力等于径向压力(14),使贴被视为线性弹性体。杨氏模量之间的关系、体积弹性模量和泊松比如下: 在哪里粘贴的体积弹性模量和泊松比。
郝et al。5)计算真正的体积弹性模量的煤泥管道运输。虽然煤泥的真实体积弹性模量是2.98的绩点,泵的压力MPa的实验。煤泥由固体颗粒和液体水,给了泊松比为0.34;然后杨氏模量平均绩点。作为煤泥的浓度从55%增加到75%,表观粘度增加从25 Pa·470 Pa·年代(15]。
用固定值的参数到(22的圆频率),粘贴的轴振动棒,五个主要的频率计算如表所示1。自然粘贴杆的轴向振动频率是0.705赫兹,和第一个订单5都低于3.524赫兹。
很明显,,所以(27),(28)和(30.)可以写成 用(32)(23),煤泥粘贴在管道的轴向振动位移。轴向振动位移曲线的microunit粘贴杆画在图4。
图4需要的位移响应单元在左端(例如,煤泥的杆。因为驱动的泵,在特定的时期,这个单位移动到的位置米管。的位置0.64是由新煤泥压入泵的管道。如果这一刻设置初始时间(),因此有关单元的初始位置m。在这个过程中,“s管阀停留0.7分钟然后在0.7秒内快速开关,这意味着0.7秒的停顿的压力。在这短暂的一刻,有关单位从位置变化米至0.03米。这个旅行米至0.03米的长度可以视为等效圆柱形成的回流。换句话说,理论粘贴杆的长度,导致回流 显然,逆流份额的比例等于获得位移的比值(11活塞旅行的总长度。活塞行程的长度是1.20米;然后 逆流体积的比例会有所不同,如果密贴或运输条件变化。为了确定轴向振动模型的可行性,浆在管道的运输条件也分析了基于波速法解释部分3.2。
3.2。逆流份额根据波速估计方法
在管道运输,流量被认为是每个活塞的排放体积的乘积旅行和活塞旅行的时候在某些时间: 在哪里是理论容积流量;泵的效率;泵的直径。活塞的冲程长度和吗中风的频率在给定的时间。
如何计算文献详细介绍了反向流量(5]。以下是总结说:如果所有的压缩粘贴在管道流回饲料室时,泵的压力消失,回流率可以由以下公式计算: 在哪里是容积回流率,管道的直径,管道的长度,是流体和管道的复合模量,然后呢是沿着管道的压力。是沿粘贴microunit杆的长度。
研究[5]表明,沿管道压力分布可以表示为(13): 在哪里从泵的出口的距离,由。根据手册指南,泵的理论流量是15.90米3/ h;计算回流体积是9.64米3/小时的实验。因此逆流体积的百分比 这个值(38)由散装弹性分析计算结果接近轴向振动的基础上,提出了(34)。
这两种方法估计逆流体积都是可行的密集的粘贴在管道中的应用,虽然使用的概念和参数完全不同,如果样品和实验系统的变化从一个情况,如果研究人员想要研究所有情况还需要大量的实验;这个振动模型来简化实验过程。
尽管这两个结果之间有小的差异,考虑到在工程领域,获得的结果是他们可以接受,可以满足工程的需要。有很多因素影响测试结果,如管道的斜率和材料的均匀性。此外,波速测量过程中存在一个错误,例如,位移传感器测量误差和测量气缸容积变化包括粘贴体积,变形,并粘贴测试缸泄漏。因为这两种方法都是基于数值估计和真正的回流率是很难衡量完全在实验中,相信基于轴向振动的计算模型仍然是应用的煤泥管道运输项目。
4所示。结论
根据流动密集的粘贴在管道的行为为平推流,一起浓密的粘贴在压力下的现象显示了粘弹性的特点,建议治疗身体致密粘贴在直管的粘弹性杆的轴向振动进行了分析粘贴在运输和回流。杆的轴向振动模型制定基于力平衡流动杆的管道。然后,初始条件的轴向振动精制根据工作情况下泵的管道运输系统,主要解决条款的自由杆的轴向振动,包括振动模型函数,microunits在杆的位移,并在订单的主要振动频率。这项工作通过引入轴向振动模型的分析膏体的振动强度及其影响长途管道运输系统是独特的比其他类似的研究在这个领域。
再进一步,使用结果粘贴上的microunit杆的位移在振动、位移反应是策划,之间的关系推导了振动和产生的回流数值和简单。通过实例,煤泥贴在管道运输,逆流份额估计为50.8%,而在工程应用被认为是接近60.6%,获得了基于波速法在管道运输。
此外,一些相对的结论在分析煤泥粘贴杆轴向振动的总结如下:(1)煤泥粘贴杆的自然振动频率非常低。压缩的弹性回复粘贴,这是建模为一个粘弹性杆的振动过程中本文主要形式的回流管腔的泵。(2)杆的位移振动期间身体取决于弹性模量、粘度、密度的粘贴,像的距离和交通条件,额定泵压,等等。(3)运输煤泥粘贴在应用程序中,对轴向振动的影响表观粘度的煤泥粘贴可以忽略不计;材料的振动位移在泵的出口减少粘贴的弹性模量增加;当延长系统的运输距离,材料的相应的振动位移在泵的出口和整个煤泥的平均位移粘贴在同一尺度杆上升。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是支持的国家自然科学基金项目(51075389和51075389)和研究基金中国高等教育的博士项目(20100023110006)。