Средства для управления реологическими свойствами закладочных смесей

Бесприводные гидродинамические активаторы

Анализ зависимости реологического состояния Л ТС показал, что смеси из промышленных отходов, приготовленные в шаровых мельницах с содержанием твердого от 40,1 до 54,9 %, при течении в зазоре вискозиметра проявляют качества, свойственные ньютоновским средам, и характеризуются линейной реограммой - зависимостью градиента среза от сопротивления сдвига.

Начиная с концентрации около 55 % характер течения меняется и движение смеси наступает только после приложения определенной силы, характеризующей начальное напряжение сдвига. Вместе с тем транспорт по трубам твердеющих смесей, обладающих тиксотропными свойствами, может быть обеспечен при влагосодержании до 22-24 %. Это достигается путем механической активации потока смеси гидродинамическими аппаратами, позволяющими снизить вязкость и порог текучести смеси. Работа гидродинамических активаторов основана на генерировании возмущений в закладочной смеси с образованием поля переменных скоростей и давлений.

Традиционная технология трубопроводного транспорта Л ТС требует существенного усовершенствования. Важной задачей является создание способов и средств управления реологическими свойствами закладочных смесей. Это позволит повысить надежность трубопроводного транспорта, увеличить расстояние самотечного транспортирования и сохранить технологически необходимые реакционные свойства Л ТС до твердения в выработанном пространстве.

Средствами эффективного управления реологическими свойствами могут являться гидродинамические бесприводные активаторы и активаторы напорного действия, рассмотренные далее.

Гидродинамический активатор (рис. 8.6) осуществляет интенсивное механическое воздействие на ЛТС, используя энергию ее потока [141]. Механическое воздействие производится импульсами, преобразующими часть энергии струи смеси в энергию акустических волн. Работа беспри- водных гидравлических генераторов основана на генерировании возмущений в среде ЛТС некоторых полей скоростей и давлений при взаимодействии потока смеси с резонирующими устройствами. Возмущения оказывают обратное действие на основание потока у сопла, способствуя установлению автоколебательного режима и генерированию ультразвука, в поле которого возникают пондеромоторные силы - совокупность сил, действующих на вещество или тело, помещенное в ультразвуковое поле.

Гидродинамические активаторы могут быть размещены в трубах, по трассе движения смеси, в одном или нескольких местах. Активатор содержит конические выступы 7, в районе которых сечение трубопровода уменьшается. Со стороны меньшего основания конического выступа размещены упругие лепестки, которые установлены консольно на крестовине 3, закрепленной в канале трубопровода с помощью разрезного кольца 4, и обращены в сторону выступа.

При движении высокоскоростной струи по трубопроводу (учитывая, что его вертикальная длина 500-1 000 м) происходит ее набегание на выступ 7 и скачкообразное увеличение давления в смеси за счет уменьшения диаметра трубопровода. При этом скорость движения струи возрастает. На выходе из сужения трубопровода ускоренная струя закладочной смеси взаимодействует с упругими лепестками 2. Учитывая значительную турбулентность струи за выступом и ее высокую скорость, лепестки 2 начинают колебаться и, дополнительно воздействуя на струю закладки, активируют ее.

Упругие лепестки 2 могут быть установлены радиально по сечению трубопровода. Лепестки 2 изготавливаются из низкоуглеродистой стали и могут иметь различную форму, например, площадь их сечения может увеличиваться по направлению потока смеси, что обеспечивает повышение надежности устройства за счет уменьшения изгибающих усилий в месте закрепления лепестков. С целью снижения сопротивления движению смеси разрезное кольцо 4 может быть утоплено в стенке трубопровода.

Рис. 8.6. Активатор безнапорного действия

Зазор между стенками трубопровода и консольным участком лепестков 2 принимают равным величине конического выступа по его большему основанию. Перед выступом 1 в трубопроводе может устанавливаться пневмоврезка для увеличения скорости струи при ее проходе через активатор.

На пондеромоторные силы оказывают влияние переменное звуковое давление, пропорциональное амплитуде звука, и квадратичные эффекты - радиационное давление, силы Бьеркнеса, а также гидродинамические силы, обусловленные движением Л ТС в ультразвуковой волне, вызывающие диспергирование, кавитацию и акустические течения в смеси. При этом сила, действующая на элемент объема ЛТС, AV равна /AV, где / - объемная плотность некоторого поля скоростей и давлений, определяется изменением импульса Av в единицу времени, равным импульсу, втекающему в объем через его поверхность. Если тензор плотности потока импульса л ft, то i - отдельная компонента силы, действующей на объем АТ, определяется выражением

где dS— элемент поверхности объема, а п_к - внешняя по отношению к объему нормаль.

Соответственно этому сила, действующая на элемент поверхности dS, равна потоку импульса через него и определяется выражением nfaS. В частности, на поверхность единичной площади действует сила, i-я компонента которой F- = nfa_k. Тензор плотности потока импульса звуковой волны

где Р - звуковое давление; v— компонента колебательной скорости частиц; д_{к - символ Корнекера (5_гА: = 1 при / = к и 5_г& = 0 при / ^ к); v_tk - тензор вязких напряжений; р - плотность среды.

Если поверхность жесткая, то скорость частиц среды, прилегающих к ней, равна нулю, и силы, действующие на единицу ее плотности, равны

то есть в поле воздействия пондеромоторных сил возникают большие градиенты скоростей и значительные внутренние чередующие напряжения, разрушающие агрегаты несущей среды, частицы заполнителя и вяжущего, способствующие гомогенизации смеси, поддержанию ее в состоянии активности и текучести.

В соответствии со свойствами смеси и режимами эксплуатации генераторов разработаны различные конструкции, способы и методики их применения.

Для конструкции активатора, представленной на рис. 8.6, определено, что настройка пластин в резонанс с колебаниями струи осуществляется регулировкой скоростей истечения струи и изменением расстояния между соплом и пластинами, а также их упругостью. Колебания генерируются при давлении струи 0,2 МПа и выше, при этом наблюдаются частоты в пределах 2-35 кГц в зависимости от скорости истечения струи.

Излучение акустической энергии в основном идет в направлении, перпендикулярном плоскости пластин. При этом частота колебания пластин равна

где а - коэффициент пропорциональности, зависит от способа крепления пластин а= 0,162-2,82; Е - модуль упругости; р - плотность материала, из которого изготовлена пластина.

В текущей пульпе возникают автоколебания с частотой

где v - скорость истечения струи, м/с; h - расстояние между соплом и пластиной, м; к - коэффициент пропорциональности, зависящий от v и h .

Для возбуждения интенсивных колебаний необходимо совпадение /_пл и /_п. Результаты исследований показали, что после прохождения гидродинамического генератора смесь представляет собой хорошо гомогенизированную пульпу раствора с повышенными реакционными свойствами и текучестью (табл. 8.3).

Таблица 8.3

Влияние давления в трубопроводе на вязкость, предельное напряжение сдвига и текучесть ЛТС после обработки в бесприводном гидродинамическом активаторе

Бесприводной гидродинамический генератор приведен на рис. 8.7 [142]. Механизм выполнен в виде набора скоб, закрепленных на выдвижных стержнях по длине корпуса, которые установлены в плоскости пластин-резонаторов с боковых сторон с возможностью зажима скобами краев пластин при выдвижении стержней. Упругие пластины-резонаторы закреплены в корпусе консольно и снабжены механизмом регулирования собственной частоты колебаний.

Гидродинамический генератор состоит из корпуса 7, в котором имеются смотровые окна 2 и размещены резонирующие пластины 3, жестко закрепленные в стационарном узле крепления 4 болтами.

Рис. 8.7. Активатор жидких сред

Резонирующие пластины 3 имеют скобы-фиксаторы 5 для регулирования жесткости резонирующих пластин относительно стационарного узла крепления 4. С двух сторон корпуса установлены крышки корпуса 6. В верхней крышке корпусов имеется струеформирующая насадка 7 с узлом ее установки 8 и фиксирующей шайбой 9. Узел фиксации жесткости резонирующих пластин 3 может быть выполнен в виде червячного механизма.

При транспортировке жидкой среды, например литой закладочной смеси, в подземные горные выработки самотеком гидродинамический генератор устанавливают в нижней части вертикального става трубопровода или на горизонтальном его участке. При движении высокоскоростной струи по трубопроводу происходит ее набегание в калибрированные отверстия 7, где скачкообразно увеличивается давление в смеси за счет уменьшения диаметра слива.

При этом скорость прохождения возрастает, и на выходе из калибрированного отверстия смесь взаимодействует с резонирующими пластинами 3.