Сухарев Илья Сергеевич. Повышение энергетической эффективности грунтонасосных установок земснарядов при разработке илистых грунтов с использованием аэратора

Краткое описание

Сухарев Илья Сергеевич. Повышение энергетической эффективности грунтонасосных установок земснарядов при разработке илистых грунтов с использованием аэратора: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.08.05 / Сухарев Илья Сергеевич;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Волжский государственный университет водного транспорта»], 2020

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
Волжский государственный университет водного транспорта
ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
На правах рукописи

УДК 627.748:621.879.45:621.65-213.32
СУХАРЕВ ИЛЬЯ СЕРГЕЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРУНТОНАСОСНЫХ
УСТАНОВОК ЗЕМСНАРЯДОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ИЛИСТЫХ ГРУНТОВ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЭРАТОРА
Специальность 05.08.05 Судовые энергетические установки и их элементы
(главные и вспомогательные)
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Арефьев Н.Н.
Нижний Новгород
2019
Содержание
ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1. Аналитический обзор методов повышения энергетической эффективности грунтонасосных установок земснарядов при разработке илистых грунтов 10
1.1. Илистые донные отложения и сапропель. Физико-механические и реологические
характеристики илистых грунтов естественной влажности 10
1.2. Анализ энергетической эффективности грунтонасосных установок землесосных
земснарядов при разработке илистых донных отложений 19
1.3. Способы снижения вязкости вязкопластичных грунтов 27
1.4 Двухфазные течения жидкость-газ. Водо-воздушные смеси 34
1.5 Анализ проблем двухфазных течений вязкопластичная жидкость-газ.
Цели и задачи исследования 40
1.6 Выводы по главе 52
Глава 2. Модель процесса аэрации вязкопластичной жидкости.
Функциональные эксперименты 53
2.1 Критический радиус пузырька газа в вязкопластичной жидкости 53
2.2 Математическая модель процесса аэрации вязкопластичной жидкости 56
2.3 Исследование влияния сферических частиц на предельное напряжение сдвига
вязкопластичной жидкости 59
2.4 Исследование процесса формирования пузырька газа в вязкой жидкости 72
2.5 Выводы по главе 79
Глава 3. Аэрация вязкопластичной жидкости при гидротранспорте 80
3.1 Математическая модель и планирование эксперимента 80
3.2 Экспериментальная установка системы аэрации вязкопластичной жидкости 82
3.3 Результаты эксперимента процесса аэрации вязкопластичной жидкости 91
3.4 Выводы по главе 102
Глава 4. Инженерная методика расчета снижения удельных энергетических затрат грунтонасосных установок земснарядов с использованием аэратора вязкопластичной жидкости 103
4.1 Постановка численного эксперимента использования системы аэрации в
грунтонасосных установках 103
4.2 Результаты численного эксперимента 107
4.3 Решение задачи оптимизации параметров системы аэрации в составе грунтонасосных
установок по гидравлическому уклону 110
4.4 Алгоритм и инженерная методика расчета параметров системы аэрации
грунтонасосных установок 112
4.5 Экономический эффект внедрения системы аэрации в грунтонасосных установках .118
4.6 Выводы по главе 124
Заключение 125
Список литературы 127
ПРИЛОЖЕНИЯ 141

Список литературы

Заключение
Результаты исследований по теме диссертации и могут быть сформулированы следующим образом:
1) . Наиболее целесообразным методом повышения энергоэффективности грунтонасосных установок, как элементов СЭУ землесосных земснарядов, при разработке илистых является аэрация. Предложена схема земснаряда с системой аэрации;
2) . Разработана методика определения реологических свойств жидкостей и двухфазных смесей в лабораторных и полевых условиях с использованием нестандартных комплектов воспринимающих элементов;
3) . Разработана физическая модель процесса аэрации и на основании пи-теоремы определены основные критерии подобия, характерные для исследования газожидкостных смесей вязкопластичная жидкость - воздух. Границы факторного пространства приняты на основании качественных функциональных экспериментов по исследованию влияния сферических частиц на реологические свойства вязкопластичной жидкости и процесса формирования пузырька газа в жидкости;
4) . Разработана экспериментальная установка для исследования реологических свойств и потерь напора при гидротранспорте газожидкостной смеси вязкопластичная жидкость- воздух, включающая аэратор вязкопластичной жидкости, защищенный патентом на полезную модель;
5) . Экспериментально определены критические параметры перехода структуры течения газожидкостной смеси вязкопластичной жидкости и воздуха от пузырьковой к снарядной и пробковой: переход в пробковую структуру течения наблюдался при концентрации более 28% вне зависимости от условий входа газа и скорости течения исходной жидкости; переход к снарядной структуре в связи каолесценцией пузырьков газа происходит при относительном воздухосодержании 16% и наблюдался при использовании газоподающих трубок различного калибра; мелкодисперсная пузырьковая структура течения сохраняется до относительного объемного газосодержания 12%;
6) . Получены уравнения расчета реологических параметров газожидкостной смеси вязкопластичной жидкости и воздуха для формирования пузырьковой структуры течения смеси, обладающей минимальными реологическими характеристиками;
7) . Предложен алгоритм и сформулирована методика инженерного расчета с помощью параметров оптимизации процесса аэрации по гидравлическому уклону при гидротранспорте илистых донных отложений по напорным грунтопроводам грунтонасосных установок землесосных земснарядов;
8) . Внедрение системы аэрации вязкопластичной жидкости позволило увеличить производительность грунтонасосной установки в составе СЭУ землесосных земснарядов на 20%, дальность транспортирования илистых донных отложений более чем в 2 раза, снизить удельные энергетические затраты на разработку грунтов в среднем на 26 %;
9) . Определены основные показатели экономического эффекта при внедрении разработанной автором системы аэрации вязкопластичной жидкости по сравнению с существующими проектами грунтонасосных установок;
10) . Разработанная методика расчета и аэратор вязкопластичной жидкости внедрены при проектировании концептуального проекта земснаряда для очистки Таганрогского подходного канала в ООО «Минибот-Техфлот» и учебный процесс ФГБОУ ВО ВГУВТ.
Выносимые на защиту основные положения диссертационной работы по повышению эффективности гидротранспорта илистых донных отложений и методики расчета системы аэрации вязкопластичной жидкости позволяют применять
технологические и конструктивные решения при создании грунтонасосных установок землесосных земснарядов.
Автором дополнительно выполнены опыты по оценке сходимости значений гидравлического уклона при гидротранспорте буровых растворов на основе бентонитовых глин с предельным напряжение сдвига 15..20 Па»с известной методикой расчета потерь напора с помощью модифицированного числа Re и Генки-Ильюшина И. Расчетные значения перепада давлений не превысили экспериментальных данных на величину доверительного интервала, поэтому целесообразно использовать известные модели расчета для вязкопластичных жидкостей путем модификации числа Генки-Ильюшина И или иного критерия подобия вязкопластичных свойств жидкости параметрами процесса формирования газожидкостной смеси.
На основании проведенных экспериментов по исследованию формирования пузырьков воздуха в вязкой жидкости, например, воде установлены границы возникновения струйного режима истечения, наступающего при числах Re > 2200 в отверстии истечения газа и относительном перепаде давления п = 0,82..0,93.
Сходимость результатов качественных экспериментов с использованием растворов полимеров с процессом аэрации илистых донных отложение показывает потенциальную практическую значимость полученных результатов и целесообразность их внедрения для различных типов бингамовских пластиков: гудроны, мазуты, высокопарафинистые сорта нефти, полимеры и их растворы, расплавы металлов, различные пищевые продукты и биомедицинские жидкости, сточные воды и жидкие отходы различной природы.