Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния и изученности вопроса приготовления и гидравлического транспорта водоугольных суспензий
1.1. Общая характеристика систем трубопроводного транспорта водоугольных суспензий 29
1.2. Классификация водоугольных суспензий и их характеристики 15
1.3. Технология приготовления водоугольных суспензий 18
1.4. Опытная эксплуатация магистрального трубопровода ВУС 22
1.5. Классификация гидросмесей по крупности транспортируемого материала 26
1.6. Обзор методов расчета течений неньютоновских жидкостей
1.6.1. Реологические модели неньютоновских жидкостей 33
1.6.2. Анализ многопараметрических реологических моделей 35
1.6.3. Принципы выбора реологичесской модели для вязкопластичных смесей
1.6.4. Особенности проявления реологических свойств дисперсных систем47
1.7. Обобщение результатов анализа
2. Теоретические исследования сотавов и гидравлического транспорта водоугольных суспензий 52
2.1. Анализ физической модели течения реологических жидкостей
2.2. Природа возникновения и механизм проявления вязкопластических свойств водоугольных суспензий
2.3. Закономерности изменения реологических свойств водоугольных суспензий и реологические модели
2.4. Реологические параметры водоугольных суспензий по модели Шведова-Бингама
2.5. Изменение концентрации и вязкости в кольцевой 73
области потока водоугольной суспензии
2.6. Потери напора и коэффициент гидравлических сопротивлений
2.7. Результаты теоретических исследований 78
2.8. Выводы по разделу
3. Экспериментальные исследования гидравличекого транспортирования водоугольных суспензий 92
3.1. Основные задачи экспериментальных исследований
3.2. Лабораторные стенды и методика экспериментальных исследований
3.3. Характеристика угольных частиц 90
3.4. Результаты экспериментальных исследований на вискозиметре Энглера
3.5. Результаты экспериментов на гидравлическом стенде
3.5.1.Реологические характеристики гидросмесей на основе экспериментов на трубопроводах
3.5.2. Начальное напряжение сдвига, безразмерное напряжение и концентрация в ядре потока 106
3.5.3. Пластическая вязкость и коэффициент структуры потока 111
3.5.4. Коэффициент гидравлических сопротивлений
3.6. Обобщение результатов экспериментальных исследований и основные выводы 122
4. Технико-экономическая эффективность магистрального гидротранспора водоугольных суспензий 122
4.1. Технология и оборудование для приготовления водоугольной суспензии
4.2. Гидравлический транспорт ВУС по магистральному трубопроводу
4.3 Выбор насосного оборудования
Заключение
Литература
- Технология приготовления водоугольных суспензий
- Природа возникновения и механизм проявления вязкопластических свойств водоугольных суспензий
- Лабораторные стенды и методика экспериментальных исследований
- Гидравлический транспорт ВУС по магистральному трубопроводу
Введение к работе
Развитие энергетики, а также повышение энергетической безопасности России в значительной степени зависят от широкого и эффективного использования угля в качестве энергетического топлива. Для этого необходимо, в первую очередь, улучшить потребительские свойства угля как энергетического топлива, а также освоить получение на основе угля альтернативного топлива при замене дефицитных природных ресурсов: газообразного и жидкого нефтяного топлива. Для решения вышеуказанной проблемы весьма перспективны проводимые как в России, так и за рубежом работы по технологии получения и использованию угольной суспензии, которая представляет собой композиционную дисперсную систему, состоящую из твердой фазы в виде мелкодисперсного угля и жидкой среды (вода, спирты, углеводороды, продукты переработки нефти). Такая топливная система рассматривается как суспензионное угольное топливо. Наиболее изученной и перспективной в энергетике угольной суспензией является водоугольная суспензия (ВУС), в которой основную часть жидкой среды составляет вода. При высокой концентрации твердой фазы ВУС называется высококонцентрированной водоугольной суспензией (ВВУС).
За последние десятилетия во многих странах мира проведено большое количество работ по получению ВУС и его использованию в энергетике. В России и за рубежом разработан ряд технологий по приготовлению ВУС, его транспортировке и хранению на длительный период, сжиганию ВУС. Кроме того, проведены исследования по сжиганию (газификации) ВУС на действующих энергоустановках различного типа. Результаты этих работ опубликованы в научно-технических журналах, сборниках, трудах конференций (симпозиумов, семинаров), отчетах и др. отечественных и зарубежных изданиях Краткие сведения об этих публикациях приведены в информационных изданиях, реферативных сборниках и журналах, в каталогах библиотек и т. д.
Водоугольные суспензии относятся к классу искусственных композиционных топлив, свойства и характеристики которых зависят как от технологии их получения, так и от технологий доставки потребителям и
использования на энергетическом объекте. Основными варьируемыми
параметрами ВУС
являются:
состав и концентрация твердой фазы ВУС;
дисперсность твердой фазы, ее гранулометрический состав, содержание жидкой фазы;
концентрация и тип добавок в жидкой среде ВУС;
степень обогащения твердой фазы (содержание минеральных примесей).
магистральный трубопроводный транспорт; закономерности проявления и формирования реологических характеристик ВУС.
Первые 4 параметра относятся к стадии приготовления ВУС, а последний
параметр характеризует возможности эффективного гидравлического
транспортирования суспензий от пункта приготовления до терминалов потребителей энергетического топлива.
Таким образом, проблема широкого внедрения ВУС в энергетическом комплексе страны сводится к двум основным положениям:
1. Приготовление водоугольных суспензий с заданными энергетическими
характеристиками, для условий сжигания их в энергетических установках.
2. Гидравлический транспорт водоугольных суспензий на дальние
расстояния.
Этим вопросам посвящено большое количество научных разработок специализированных и опубликованных научных трудов, перечень которых приведен в Приложении 1.
Несмотря на определенный теоретический и экспериментальный задел по технологиям приготовления, транспортирования и использования водоугольного топлива проблема в настоящее время еще далека до полного решения. Спроектированный и построенный в конце 80-х годов первый опытно-промышленный трубопровод ВУС «Белово-Новосибирск», так и не введен в промышленную эксплуатацию. Кроме экономических и политических причин неработоспособности трубопровода ВУС имеются и чисто научно-технические
7 нерешенные задачи. К ним, в первую очередь относятся вопросы по
приготовлению ВУС на стадии обогащения исходного энергетического угля марок
Г и Д. Несмотря на то, что качество приготовленных ВУС по технологии,
разработанной институтом ВНИПИ «Гидротрубопровод» совместно с
итальянскими специалистами, практически отвечало энергетическим показателям,
транспортабельность такой суспензии оказалась недостаточной. В связи с чем, при
опытной эксплуатации произошло осаждение угольных частиц на дне
трубопровода, что привело к полной забивке и остановке всей трубопроводной
системы. Неоднократные попытки возобновить перекачку суспензии не привели к
положительному результату.
Из сказанного следует, что актуальность разрабатываемой темы диссертационной работы весьма значительна, а разработка ее будет способствовать скорейшему переходу ряда предприятий энергетики на относительно дешевое и экологически чистое водоугольное топливо.
Тема диссертации непосредственно связана с федеральной целевой программой развития энергетического комплекса России на 2000-2020 годы (ФЦП "Энергетика") по направлению "Производственные энергосберегающие технологии ".
Научная идея заключается в том, что водоугольные суспензии, приготовленные из мелкоизмельченных углей, сохраняют свои свойства при весьма низких скоростях движения, в том числе и при ламинарном течении, позволяя существенно уменьшить энергетические затраты на их транспортирование при повышенной стабильности структуры и заданной производительности по углю на режимах близких к ламинарному. Основные научные положения, выносимые на защиту:
1.Математическая модель течения водоугольных суспнензий по промышленным трубопроводам, описывает изменение объемного расхода, как суммы расходов образующихся концентрических зон течения в виде функции двух аргументов - коэффициента структуры и относительного напряжения сдвига, при линейном законе изменения концентрации твердой фазы в поперечном
8 сечении трубопровода и соответствующем изменением вязкости гидросмеси в
зонах течения.
2. Установлено что, коэффициент гидравлических сопротивлений, при ламинарном режиме течения водоугольной суспензии, является однозначной функцией числа Рейнольдса и относительного напряжения сдвига, величина которого пропорциональна отношению радиуса ядра течения к радиусу трубопровода.
Обоснованность и достоверность подтверждается достаточным количеством экспериментальных данных и удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке и выводе новых теоретических закономерностей формирования реологических свойств и течения водоугольных суспензий по промышленным трубопроводам, включая:
1. Установление зависимости реологических свойств водоугольных
суспензий от концентрации угольных частиц и связи их с удельными потерями
напора и энергоемкостью системы гидравлического транспорта ВУС.
2. Обоснование кинематических и динамических характеристик, в виде
предельного напряжения сдвига, коэффициента гидравлических сопротивлений и
удельных потерь напора, как критериев эффективности гидравлического
транспортирования водоугольной суспензии по магистральным трубопроводам.
Практическое значение работы:
разработана инженерная методика расчета параметров гидравлического транспорта ВУС высокой теплотворной способности для выбора трубопроводов и насосного оборудования при оптимальном соотношении массового расхода и энергетических затрат.
предложен способ приготовления водоугольной суспензии, основанный на замене 2-стадийного измельчения на 1-стадийное с использованием в схеме цепи аппаратов тонкослойного сгустителя;
Реализация результатов работы:
9 - разработанная методика расчета гидравлического транспортирования
высококонцентрированных ВУС переданы ЗАО "Механобр инжиниринг" для
использования при проектировании гидротранспортных систем с высокими
концентрациями твердого материала на горно-обогатительных предприятиях.
Апробация работы. Отдельные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых СПГГИ(ТУ) в 2004 г., 2005 г., 2006 г.; на Международной конференции по проблемам гидравлики, СПбГТУ, 2004 г.; на Международной конференции по проблемам горной промышленности, г. Любин (Польша), ноябрь 2005 г.
Публикации, научные результаты, полученные в диссертационной работе, опубликованы в 4 научных работах.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы; изложена на 150 страницах, содержит 45 рисунков, 30 таблиц, 90 наименований использованной литературы.
Автор выражает благодарность проф. В.И. Александрову, проф. Б.С. Маховикову, проф. К.Г. Асатуру, доц. О.В. Кабанову, доц. А.Б. Незаметдинову и другим сотрудникам кафедры РСУ СПГГИ (ТУ) за неоценимую помощь и консультации в процессе выполнения работы.
Технология приготовления водоугольных суспензий
Водоугольные суспензии характеризуются следующими основными параметрами и технологическими признаками; гранулометрическим составом, в том числе максимальной крупностью угольных частиц в суспензии, массовой долей твердой фазы, зольностью угля в суспензии, реологическими характеристиками, наличием или отсутствием реагентов-пластификаторов, способностью сохранять свойства при хранении и транспортировании.
В соответствии с граничными значениями диапазонов изменения максимальной крупности частиц и их долей в суспензии предлагается следующая классификация ВУС по группам, табл. 1.5 [13].
При гидравлической и механогидравлической добыче угля образуются низко концентрированные угольные пульпы с максимальной крупностью частиц до 100 мм. Гидротранспорт угольных пульп осуществляется, как правило, на небольшие расстояния (до 10-15 км) с помощью высоконапорных насосов по трубопроводам в турбулентном режиме.
Для магистрального гидротранспорта на расстояние 100 км и далее наиболее приемлемыми являются грубодисперсные средне концентрированные и тонкодисперсные высококонцентрированные водоугольные суспензии (трубопровод «Блэк Месса» и опытно-промышленный углепровод «Белово-Новосибирск»).
Высоконцентрированные водоугольные суспензии являются готовым энергетическим топливом, максимальная крупность частиц твердой фазы в котором соответствует при пылевидном сжигании угля (от 200 до 500 мкм). Крупность частиц в водоугольных суспензиях, предназначенных для сжигания в тепловых двигателях, должна быть значительно меньше (не более 10 мкм), для того чтобы обеспечить максимальное выгорание топлива при малом времени пребывания в активной зоне горения.
Вода в суспензии является инертным материалом, снижающим теплотворную способность топлива. Поэтому в процессе приготовления необходимо добиваться максимального значения массовой концентрации твердой фазы, при обеспечении необходимой текучести суспензии. Эффективными способами для достижения оптимального с точки зрения теплотворных свойств и транспортабельности водоугольных суспензий является управление гранулометрическим распределением частиц твердой фазы и применение реагентов-пластификаторов.
Одной из важнейших характеристик водоугольных суспензий является их зольность, определяемая содержанием негорючих минеральных компонентов в рабочей массе водоугольной суспензии, а фактически в исходном угле. Повышение зольности угля в водоугольной суспензии, также как и влажности приводит к снижению энергетической ценности топлива. Наибольшая эффективность использования и экологическая чистота топлива обеспечивается естественно при сжигании ультрачистых и малозольных суспензий, но при этом резко повышается стоимость приготовления суспензии. Отметим, что в настоящее время процесс глубокого обогащения углей, для обеспечения зольности рабочей массы угля в диапазоне 1-2,5%, находится в стадии разработки.
Важнейшими характеристиками водоугольных суспензий, как искусственного энергетического топлива, определяющими теплотворную способность и транспортабельность, являются реологические параметры и стабильность т.е. способность сохранять внутреннюю структуру и длительное время не расслаиваться на жидкую и твердую фазы. Характерные свойства ВУС формируются на стадии приготовления суспензии из исходного энергетического угля марок Г (газовый) или Д (длиннопламенный). Исходная крупность угля может быть класса: крупный (К) - 50... 100 мм; орех (О) - 25.. .50 мм; мелкий (М) 13...25 мм. Могут быть и более мелкие классы исходного угля, например, штыб (Ш) - 6 мм. Исходная крупность угля в конечном итоге определяет себестоимость водоугольной суспензии. Основная доля затрат приходится на дробильные и измельчительные операции технологического процесса приготовления ВУС.
Природа возникновения и механизм проявления вязкопластических свойств водоугольных суспензий
Для построения физической модели течения (в общем случае деформации) реальных смесей с высокой концентрацией твердой фазы рассмотрим течение вязкой жидкости между двумя параллельными пластинами [81]. Под действием силы F, приложенной к подвижной пластине, вследствие сил вязкости, действующих между слоями жидкости, ее объем, заключенный между подвижной и неподвижной пластинами, деформируется в направлении движения. Сила F уравновешивается сопротивлениями сдвигу, и в этом случае можно записать равенство F dv А ау где А - площадь, на которую воздействует сила F; х- сила сопротивления, r dv обусловленная касательным напряжением в отдельных слоях жидкости; — = у dy изменение скорости в направлении перпендикулярном сдвигу или градиент скорости сдвига; ц, - коэффициент пропорциональности или вязкость жидкости. Численное значение вязкости жидкости определяется тангенсом угла сдвига, т то есть \х = tgq = —; ср - угол скоса. У
Как известно, уравнение (2.1) является частным случаем обобщенного закона Ньютона для касательных напряжений, возникающих при простом сдвиге в объеме вязкой (ньютоновской) жидкости. В связи с этим все жидкости, подчиняющиеся уравнению (2.1), являются ньютоновскими.
В случае объемной деформации жидкости и с учетом того, что касательное напряжение есть компонент общего тензора напряжений, можно, по аналогии с (2.1), описать деформационное состояние этой жидкости по каждой из координатных плоскостей с учетом первого закона Гельмгольца, откуда следует, что общий тензор напряжений есть сумма нормальных и касательных напряжений, обусловленных сдвигом в данной плоскости, а также касательными напряжениями обусловленными вращением данного объема.
При отсутствии вязкости в жидкости действуют только нормальные напряжения. В соответствии с законами вязкого трения в жидкостях, они подразделяются на жидкости идеальные - паскалевские, вязкие - ньютоновские и высших порядков - неньютоновские.
Отметим, что рассмотренная модель деформации объема жидкости справедлива для ламинарного потока, когда силы сопротивления определяются вязким трением, а коэффициент вязкости не зависит или мало зависит от скорости деформации. Отсюда можно сделать важный, с нашей точки зрения, вывод о переносе твердой фазы взвесенесущим потоком.
В гидросмесях, твердая фаза которых представлена частицами крупных фракций с относительно невысокими концентрациями, закон вязкого трения действует только для жидкой составляющей потока. Твердая составляющая в значительной своей части не участвует в вязком трении. При ламинарном режиме течения движение твердой фазы практически отсутствует, а сопротивления движению жидкой фазы определяются лишь ее вязкостью. С увеличением скорости до критических значений ламинарный режим переходит в турбулентный, при котором вязкость несущей среды уже не является определяющим фактором течения. Если рассматривать данную гидросмесь как континуум (непрерывную среду), то ее следует отнести к аномальным ньютоновским жидкостям. Под аномальностью понимается справедливость закона вязкого трения Ньютона только для жидкой составляющей потока гидросмеси.
С уменьшением размеров фракций твердых частиц и увеличением их концентрации в объеме смеси последние более значимо влияют на величину вязкости и начинают участвовать в вязком трении. Такая гидросмесь при условии, что вся твердая ее компонента участвует в вязком трении, должна быть отнесена к классу ньютоновских жидкостей, и ее можно транспортировать в ламинарном режиме течения.
Таким образом, важнейшим параметром, определяющим сопротивление течению ньютоновских жидкостей, является вязкость. График изменения вязкости в функции градиента скорости деформации приведен на рис. 2.1, из которого следует, что в широком диапазоне изменения градиента скорости сдвига, при изменении режимов течения вязкость имеет соответствующие значения.
Лабораторные стенды и методика экспериментальных исследований
Эксперименты по истечению подготовленных водоугольных суспензий через капиллярные отверстия вискозиметра Энглера были проведены на 5 массовых концентрациях угольных частиц: ср=0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,4. Для этого отмеренная и взвешенная на весах порция угольных частиц смешивалась с водой. Объем проливаемой суспензии на всех экспериментах был равен Wcycn=100 мл (см).
Измерялась температура суспензии, которая была равна приблизительно 0оусп=17С. Время истечения фиксировалось секундомером. Каждый опыт повторялся не менее 7 раз. Результаты измерений времени истечения суспензий приведены в табл. 3.3.
Предварительный анализ результатов экспериментов показывает, что с увеличением массовой концентрации от 20 % до 35 % время истечения на обоих отверстиях вискозиметра равномерно уменьшается. При концентрации 40 % время истечения резко увеличивается на обоих отверстиях, что косвенно свидетельствует об изменении закономерностей течения водоугольной суспензии. Таблица 3.3
Время истечения экспериментальных суспензий из калиброванных отверстий прибора Энглера № опыта,N №Измеренияп Концентрация угольных частиц,СР Время истечения t (с) из отверстий с диаметрами d (мм) 2,7 3,2 I 12 3 4 5 6 7 0,2 36 34 35 33 32 37 38 tcp = 35 17,6 17,3 17,5 17 16,8 17,2 18,4 tcp =17,4 II 891011121314 0.25 32 34 31 35 31 34 34 t =33lcp - 16 16,5 16,217161516 tCp =16Д III 15 16 17 18 19 20 21 0.3 28 32 31 29 33 28 29 top = зо 14,1151413 15,21513,8tcp =14,3 IV 22 23 24 25 26 27 28 0.35 29 3028 27 28 26 28 tcp = 28 13,7 13,5 12,5 12,8 13,2 12,6 13,4 tcp =13Д V 29 30 31 32 33 34 35 0.4 42 38 43 39 41 38 39 top = 40 20,1 19,5 19,6 20 20,2 19,4 19,8tcp =19,8 Кроме этого замечания, видим, что с увеличением концентрации до 35 % скорость истечения суспензии увеличивается, что свидетельствует об уменьшении влияния вязкости. Такой вывод, на первый взгляд, может показаться неверным, если не учитывать особенности формы угольных частиц. В большинстве своем частицы имеют форму пластинчатую, и при истечении каждая угольная пластинка ориентируются в нисходящем потоке по вертикальному измерению. При малом содержании угольных частиц ориентация их может быть случайной, а с увеличением содержания частиц их ориентация становится все более устойчивой, что и приводит к уменьшению времени истечения.
При достижении максимального значения концентрации (в опытах эта концентрация равнялась 35 %) угольные частицы практически полностью заполняют проходное сечение капилляра и утрачивают естественную ориентацию в нисходящем потоке, в связи с формированием некоторой пространственной структуры. Течение при этом сопровождается в основном взаимным трением частиц одна о другую, что и способствует увеличению времени истечения.
Общие выводы по данным табл. 3.3 можно свести к следующему заключению: с увеличением концентрации угольных частиц от нуля (чистая жидкость) до некоторого значения вязкость суспензии уменьшается. При достижении некоторого предельного значения вязкость суспензии резко возрастает.
Для определения величины вязкости исследованных суспензий и определении ее зависимости от концентрации угольных частиц воспользуемся моделью Оствальда - де Валлея, устанавливающую связь напряжения сдвига от величины кажущейся вязкости, градиента скорости и структурного числа.
Аналогичными расчетами получим и для структурного числа п в других опытах: Пц(ср) = 0,82; пш(срШ)=0,75; nlv(cplv)-0,69; nv(cpV)=0,88. Полученные значения величины структурного числа пв формуле зависимости напряжения сдвига степенной реологической модели от изменения концентрации водоугольной суспензии в графическом виде приведены нарис. 3.7. 1,1 т График изменения структурного числа п при изменении концентрации угольных частиц водоугольной суспензии Из диаграммы следует, что при уменьшении концентрации угольных частиц до нуля водоугольная суспензия превращается в обычную вязкую жидкость, а структурное число п(ср =о)=1 (на графике левая пунктирная линия). Увеличение концентрации до некоторого предельного значения ср 0,4 = 0,44 также приводит к структурному числу n(cp 0,44) = 1. Следовательно, в исследованных пределах изменения концентрации угольных частиц водоугольная суспензия изменяет свои реологические свойства. С точки зрения качественных характеристик степенная реологическая модель трансформируется в модель вязкой жидкости (модель Ньютона) и при увеличении концентрации возможен переход к модели Шведова-Бингама, характеризующейся наличием начального напряжения сдвига. Это последнее заключение должно быть проверено экспериментально.
Полученные результаты по величине структурного числа позволяют определить значение кажущейся вязкости (параметр к в формуле (2.20)). Для этого перепишем формулу в виде к Р 7Г-П-Г Q-(3n + l) -gd и подставим соответствующие значения структурного числа, рассчитанные по результатам вискозиметрических измерений. Так для опыта I, в котором ср = 0,2 и п = 0,9, получим: 0,9 -(3-0,9 + 1) Pi К П Г Qr(3n,+l) gdi 71-0,9-0,00135 0,0001 35 9,81 0,0027 = 0,9062 10"5 м2/сХ Для остальных значений концентрации в опытах II-V (табл. 3.3) получим следующие значения динамического коэффициента кажущейся вязкости: = 1,5186-10-5 м2/с1Л8; = 2,3289-10-5 м2/с 25; Рн Pin = 3,4266-10-5 м2/с1 31; = 1,1736-10-5 м2/с1,12. Piv Pv Расчетные значения динамического коэффициента кажущейся вязкости показывают, что с увеличением концентрации происходит увеличение вязкости до предельного значения в области ср = 0,4 и затем резкое ее повышение. Графическая к- / \ зависимость — = f(cpj приведена на рис. 3.8. Аналогичный вид будет иметь кривая { чР зависимости кажущейся вязкости от структурного числа (п). При известной плотности водоугольнои суспензии, определяемой концентрацией угольных частиц, можно рассчитать и динамический коэффициент кажущейся вязкости. Так для исследованных концентраций плотности суспензий были следующие: cv) = 0,15, Pi =1060 кг/м3; cv„ =0,192, рп =1076 кг/м3; cv,„ =0,254, рП =1102 кг/м3; cv,v =0,28, Piv =Ш2 кг/м3; cvV =0,32, pv =1128 кг/м3.
Выполненные экспериментальные исследования по определению параметров реологической модели позволяют рассчитать значения числа Рейнольдса Ren коэффициента гидравлических сопротивлений X по формулам (см. раздел 2):
Гидравлический транспорт ВУС по магистральному трубопроводу
Выполненные экспериментальные исследования показали, что водоугольные суспензии, приготовленные из энергетических угле марки Г и Д проявляют свойства неньютоновских жидкостей, реологические свойства которых на концентрациях до cv 30 % можно описать степенной моделью, а на концентрациях описываются уравнением Бингама.
Эксперименты, выполненные на вискозиметре Энглера показали, при уменьшении концентрации угольных частиц до нуля водоугольная суспензия превращается в обычную вязкую жидкость, а структурное число n(cp = 0J = 1.
Увеличение концентрации до некоторого предельного значения ср 0,4 = 0,44 также приводит к структурному числу n(cp 0,44)=1. Следовательно, в исследованных пределах изменения концентрации угольных частиц водоугольная суспензия изменяет свои реологические свойства. С точки зрения качественных характеристик степенная реологическая модель трансформируется в модель вязкой жидкости (модель Ньютона).
Для практического использования водоугольных суспензий в качестве жидкого энергетического топлива наибольший интерес имеют суспензии с концентрациями угольных частиц большими 30%. В связи с этим, вторая часть экспериментальных исследований была связана с исследованием реологических свойств водоугольных суспензий с объемными концентрациями угольных частиц в пределах от 30 до 50 %. При этом рассматривалась линейная по параметрам модель Шведова-Бингама, рассмотренная в разделе 2. Динамический коэффициент вязкости в этом уравнении есть среднее по сечению потока значение вязкости, являющейся функцией средней концентрации твердых частиц в объеме гидросмеси.
Эффективная вязкость выражается тангенсом угла наклона реологической кривой на графикет = ґ(у). То есть, под эффективной вязкостью понимается условная вязкость гидросмеси, если бы свойства этой смеси описывались законом вязкого трения.
Течение гидросмеси происходит под влиянием пластической вязкости. Пластическая вязкость составляет некоторую часть эффективной вязкости и пропорциональна величине коэффициента структуры, значение которого определяется отношением эффективной и пластической вязкостей.
В центральной части потока образуется уплотненная структура - ядро течения, характеризующаяся структурной вязкостью, значение которой постоянно по сечению ядра. Формирование ядра течения обусловливает появление начального напряжения сдвига.
Значения вязкостей зависят от концентрации твердых частиц. Для эффективной вязкости концентрация частиц равна средней объемной концентрации. Пластическая вязкость определяется концентрацией частиц в кольцевой области потока. Структурная вязкость зависит от концентрации частиц в ядре потока и относительного напряжения.
Экспериментальная проверка математической модели течения гидросмесей высокой концентрации показала удовлетворительную сходимость теоретических и экспериментальных результатов. Математическая модель устанавливает функциональную связь напряжений сдвига и градиента скорости деформации в сечении потока.
Определяющим параметром математической модели является относительное напряжение, выражающее собой отношение начального напряжения сдвига на границе ядра течения к напряжению на периферии потока (на стенке трубопровода). Относительное напряжение можно рассматривать как критерий деформационного состояния потока суспензии, так как от его величины зависят значения всех остальных характеристик потока: радиуса ядра потока, напряжения сдвига, градиента скорости деформации, структурной и пластической вязкости.
Полученная экспериментальная формула показывает, что относительное напряжение сдвига зависит от средней концентрации угольных частиц и градиента скорости. Значения относительного напряжения сдвига заключены в интервале 1 -0.
С увеличением средней скорости потока относительное напряжение уменьшается. Предельное значение относительного напряжения сдвига соответствует граничной скорости перехода режима течения из ламинарного в турбулентный.
Задачей дальнейших исследований является определение зависимости граничной скорости vrp перехода ламинарного режима течения суспензии в турбулентный от значения концентрации угольных частиц. Предварительная оценка значений граничной скорости показывает, что эта зависимость может быть представлена выражением [91] vrp=Kc-D-exp(kIcv).M/c (3.14) где Кс и kj - коэффициенты, зависящие от концентрации твердых частиц в объеме суспензии. Формула (3.14) вытекает из анализа реологических кривых течения гидросмесей разных концентраций (рис. 3.12) и является функцией только двух параметров, что весьма важно для определения оптимального диаметра трубопровода и скорости движения смеси при критическом значении числа Re, соответствующем ламинарному режиму. До некоторого значения концентрации cv 30%, водоугольная суспензия является обычной вязкой жидкостью без начального напряжения сдвига, течение которых описывается или моделью Ньютона или степенной моделью Оствальда - де Валлея.
При критическом значении концентрации в процессе течения суспензии начинает формироваться ядро потока и кольцевая область течения, а также проявляется эффект начального напряжения сдвига. С увеличением средней скорости размеры ядра потока уменьшаются, а концентрация в ядре потока увеличивается. При достижении граничной скорости размеры ядра потока и концентрация твердых частиц в нем принимают предельные значения. С дальнейшим увеличением скорости выше граничного значения ядро потока исчезает, а ламинарный режим течения переходит в турбулентный.
