ЗАГРУЗОЧНО-ОБМЕННАЯ ЕМКОСТЬ УСТАНОВКИ ДЛЯ ГИДРОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК B65G53/30 

Изобретение относится к областям горной промышленности, строительства, металлургии, сельского хозяйства. Преимущественное применение при гидротранспортировании минерального сырья на обогащение при разработке россыпных и рудных месторождений открытым и подземным способами, ископаемого угля, хвостов обогащения к местам складирования, при транспортировании закладочного материала и в гидротехническом строительстве.

Известна загрузочно-обменная емкость установки для гидротранспортирования сыпучих материалов, корпус которой выполнен с цилиндрической поверхностью и полусферическими днищем и крышкой [1] В верхней центральной части крышки коаксиально один внутри другого смонтированы патрубок слива замещаемой технологической жидкости, патрубок загрузки твердого материала, патрубок подачи нисходящего напорного потока воды и в центре патрубок восходящей разгрузки гидросмеси. Торцевые отверстия патрубков слива замещаемой технологической воды и подачи твердого материала расположены не ниже границы полусферической крышки емкости, а торцевое отверстие патрубка подачи нисходящего потока напорной жидкости и восходящей разгрузки гидросмеси не выше границы полусферического днища.

Существенным недостатком работы установки с такими загрузочно-обменными емкостями является пульсационное изменение плотности образуемой и нагнетаемой гидросмеси в течение цикла разгрузки, обусловленное периодическим образованием и обрушением сводов твердого материала в камере в процессе пульпоприготовления. Это приводит к резкому изменению плотности материала в потоке при выходе из емкости от максимальных значений в начале цикла разгрузки до минимальных в завершающей стадии. Кроме того, после завершения разгрузки в днище емкости остается постоянный объем невымываемого материала в виде "мертвых зон", что также отрицательно влияет на эффективность работы установки. К недостаткам данной емкости следует отнести также значительную длину патрубка подачи нисходящего напорного потока жидкости, что повышает действующие в кольцевом зазоре с патрубком восходящей разгрузки гидросмеси гидравлические сопротивления напорному потоку воды, протекающему по этому зазору. Такая же большая длина патрубка восходящей разгрузки гидросмеси повышает вероятность его закупорки при внезапных сбоях в работе установки в процессе разгрузки, что, в свою очередь, снижает надежность работы установки.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявленной является загрузочно-обменная емкость установки для гидротранспортирования сыпучих материалов [2] корпус которой выполнен, в частности, с цилиндрической боковой поверхностью и полусферическими днищем и крышкой. В крышке емкости закреплены патрубок слива замещаемой жидкости и установленные коаксиально с ним и один внутри другого патрубок подачи твердого материала, патрубок подачи нисходящего потока жидкости, сообщаемый с напорным водоводом, и патрубок восходящей разгрузки гидросмеси, сообщаемый с магистральными пульповодом. В данной емкости осуществляется закручивание нисходящего кольцевого потока жидкости. Основным средством для этого является боковое подведение со смещением оси напорного водовода к патрубку подачи жидкости в нисходящем потоке, так называемый тангенциальный подвод: в кольцевом зазоре между патрубками подачи жидкости и восходящей разгрузки могут быть установлены средства дополнительного закручивания напорного потока либо в виде винтовой канавки, либо в виде механического лопастного завихрителя.

Загрузочно-обменная емкость такого типа позволяет значительно интенсифицировать процесс пульпоприготовления, обеспечить большую плотность нагнетаемой и образуемой гидросмеси за счет создания локальной области действия высокотурбулентных закрученных вихрей. Интенсивность действия этих вихрей позволяет также снизить периодичность образования и обрушения сводов твердого материала в процессе разгрузки, а также уменьшить размеры "мертвых зон". Однако ближе к концу цикла разгрузки по мере снижения давления вышележащих слоев твердого материала в емкости локальная область пульпоприготовления начинает увеличивать свои размеры, что соответственно обуславливает плавное снижение величины плотности нагнетаемой и образуемой гидросмеси. При этом прохождение в кольцевом зазоре большой протяженности напорного потока жидкости увеличивает действующие гидравлические сопротивления, а также обуславливает для закручивания потока необходимость использования механических завихрителей, что также снижает эффективность работы устройства. К тому же повышается вероятность закупорок патрубка восходящей разгрузки гидросмеси при внезапных остановках в процессе цикла разгpузки из-за его значительной длины, что снижает надежность работы установки для гидротранспортирования в целом.

Изобретение направлено на повышение эффективности работы установки за счет создания в загрузочно-обменных емкостях условий подачи материала в транспортный трубопровод с максимальной и равномерной плотностью в течение большей части цикла разгрузки, а также за счет исключения остающихся в емкостях к концу цикла разгрузки "мертвых зон" неразгруженного в пульповод материала. Изобретение способствует и повышению надежности в работе за счет исключения закупорки патрубка восходящей разгрузки гидросмеси при внезапных остановках в процессе разгрузки. Кроме того, предложенная форма корпуса емкости обуславливает снижение металлоемкости конструкции.

Указанные технические результаты достигаются следующими конструктивными решениями.

Днище корпуса состоит из двух сопряженных частей, где периферическая часть, сопряженная с боковыми стенками корпуса, выполнена с криволинейной поверхностью, касательная плоскость в любой точке которой составляет с продольной осью емкости угол α < 90^°-β, где β угол внутреннего трения транспортируемого материала в водонасыщенном состоянии. При этом центральная часть днища выполнена с геометрией поверхности, ограничивающей вихревую зону рециркуляционных токов, например, в виде части поверхности сферы с центром на продольной оси емкости, совпадающим или находящимся ниже вершины конуса, образующие которого определяют угол g раскрытия нисходящего закрученного потока жидкости по его крайним рециркуляционным линиям тока в установившемся квазистационарном режиме, или в форме конической поверхности, образующие которой составляют с продольной осью емкости угол, не превышающий , причем торец патрубка восходящей разгрузки гидросмеси отстоит от нижней точки днища на расстоянии, не превышающем величину где k коэффициент формы патрубка, D диаметр патрубка восходящей разгрузки гидросмеси.

Такая геометрия днища позволяет локализовать область пульпоприготовления, предотвратить растекание рабочего потока по объему камеры по мере уменьшения количества твердого материала в ней и тем самым повысить однородность нагнетаемой и образуемой гидросмеси практически до конца цикла разгрузки.

Крутизна криволинейной поверхности днища емкости, выбираемой с учетом угла β, обеспечивает равномерное поступление опускающегося под действием сил гравитации твердого материала в зону пульпоприготовления, исключает образование в емкости сводов с последующим их обрушением, что позволяет устранить пульсационный характер изменения плотности нагнетаемой и образуемой в емкости гидросмеси в течение цикла разгрузки. Этим обеспечивается также исключение образования на периферийных участках донной части емкости "мертвых зон" невытесненного в пульпопровод материала. Уменьшается и металлоемкость конструкции за счет меньшей площади донной части при предложенной ее геометрии.

Исключение образования "мертвых зон" в центральном участке днища емкости и оптимизация границ локализации зоны пульпоприготовления обеспечиваются также размещением торца патрубка восходящей разгрузки гидросмеси на расстоянии от днища корпуса, не превышающем величину b. Патрубки могут быть выполнены с возможностью их соосного перемещения относительно друг друга и относительно дна емкости по ее оси.

Предложенная загрузочно-обменная емкость отличается также тем, что патрубки гидросмеси выполнены изогнутыми в виде двух отводов нижнего и верхнего, при этом нижний отвод расположен вертикально по продольной оси емкости, а верхний выведен через боковую стенку емкости под углом к оси, равным или большим 90^°-β,. Это исключает возможность закупорки патрубка восходящей разгрузки гидросмеси при внезапных остановках в период цикла разгрузки. Благодаря тому, что в кольцевом промежутке между этими патрубками установлен герметизирующий элемент с тангенциальными проточками, усиливается эффект закрутки нисходящего кольцевого потока жидкости, что повышает плотность нагнетаемой и образуемой гидросмеси.

Днище загрузочно-обменной емкости может быть выполнено согласно изобретению разъемным по линии сопряжения его центрального и периферийного участков, а также съемным полностью. Данное отличие позволяет в зависимости от конкретного технологического режима транспортирования сыпучих материалов и характера этих материалов подобрать оптимальную геометрию поверхности днища емкости и тем самым повысить эффективность работы установки.

На фиг. 1 изображен общий вид загрузочно-обменной емкости установки для гидротранспортирования сыпучих материалов в разрезе; на фиг. 2 часть продольного сечения емкости, на котором изображен узел разгрузки; на фиг. 3 и фиг. 4 формы днища корпуса емкости.

Согласно изобретению в общем виде загрузочно-обменная емкость выполнена по форме, показанной на фиг. 1. Корпус емкости состоит из трех частей: полусферической крышки 1, цилиндрической боковой поверхности 2 и днища 3. В крышке соосно корпусу смонтирован патрубок 4 отвода технологической воды, замещаемой в процессе заполнения емкости твердым материалом, имеющий в верхнем торцевом отверстии заглушку 5 и сообщенный с трубопроводом 6 слива. В заглушке 5 коаксиально патрубку 4 установлен патрубок 7 подачи в емкость транспортируемого твердого материала, сообщенный с трубопроводом 8, если твердый материал подается в емкость в виде гидросмеси. В случае реализации в устройстве сухой загрузки твердого материала патрубок 7 должен быть сообщен с приемной воронкой через специальное дозирующее устройство.

В нижней части загрузочно-обменной емкости установлен разгрузочный узел 9 (фиг. 1). Он содержит патрубок подачи нисходящего закрученного потока жидкости, выполненный изогнутым, нижний отвод 10 которого расположен по продольной оси емкости, а верхний 11 выведен через боковую поверхность 2 емкости под углом α_п≥ 90^°-β к ее оси, и расположенный внутри этого патрубка патрубок восходящей разгрузки гидросмеси, также содержащий два отвода 12 и 13. В кольцевом промежутке между патрубками разгрузочного узла вмонтирован герметизирующий элемент 14 в форме цилиндрического вкладыша, внутри которого выполнены проточки 15.

В общем виде днище 3 емкости имеет коническую поверхность, касательная плоскость которой образует с продольной осью емкости угол α < 90^°-β,, где β угол внутреннего трения транспортируемого материала в водонасыщенном состоянии. В оптимальном варианте предельное значение этого угла составляет величину α ≅ 90^°-1,17β.
Коническая поверхность при вершине 16 может быть скруглена либо сопряжена с плоской поверхностью небольшой площади по сравнению с диаметром входного отверстия на торце 17 нижнего отвода 12 патрубка восходящей разгрузки гидросмеси. Отводы 10 и 12 могут быть выполнены с возможностью соосного перемещения относительно друг друга и относительно днища 3 емкости для регулирования взаимного положения торцов 17 и 18 патрубков и их расстояния от днища. Для рассматриваемого варианта найдено оптимальное положение торцов, согласно которому торец 17 отвода 12 патрубка восходящей разгрузки гидросмеси отстоит от нижней точки днища (вершина 16) на расстоянии, не превышающем величину b, определяемую из выражения

где D диаметр нижнего отвода патрубка восходящей разгрузки гидросмеси;
k коэффициент формы этого отвода.

Согласно изобретению предложены два варианта форм днища загрузочно-обменной емкости, решающие задачу стабилизации зоны пульпообразования и исключения возникновения "мертвых зон" на периферийных придонных участках емкости. Эти варианты объединяет то, что днище содержит две сопряженные части: центральную под торцами 17 и 18 патрубков разгрузочного узла 9 и периферийную. Вне зависимости от формы центральной части периферийная с криволинейной поверхностью, в частности конусной, должна удовлетворять вышеприведенному условию, а именно касательная плоскость в любой точке этой криволинейной поверхности составляет с продольной осью емкости угол α ≅ 90^°- β.
На фиг. 3 представлен первый вариант формы центральной части 19 днища емкости, который выполнен в виде полости, форма поверхности которой повторяет в некотором приближении форму зоны 20 рециркуляционных токов жидкости, образованной патрубком нисходящего закрученного потока жидкости, т.е. в виде частиц поверхности сферы с центром на продольной оси емкости, совпадающим или находящимся ниже вершины 21 конуса, образующие 22 которого определяют угол раскрытия нисходящего закрученного потока жидкости по его крайним рециркуляционным токам в установившемся квазистационарном режиме разгрузки материала из емкости.

Центральная часть днища может быть выполнена в виде полости с конической поверхностью 23, касательная плоскость к которой составляет с продольной осью емкости угол (фиг. 4). Коническая поверхность при вершине 24 также может быть скруглена либо сопряжена с плоской площадкой.

По существу вариант выполнения днища в виде единого конуса является частным случаем данного варианта, по которому днище образовано двумя конусами, при
Оптимальным с точки зрения решаемой изобретением задачи является такой подбор размеров и геометрии центрального участка днища и высоты расположения торцов 17 и 18 патрубков, чтобы окружность, по которой сопряжены центральная 19 и периферийная 25 части днища (точки 26 на фиг. 3 и 4), не находилась внутри корпуса, образующие 22 которого определяют угол γ.
С тем, чтобы можно было подбирать геометрию центральной части днища емкости или геометрию днища в целом, оно выполнено разъемным по линии сопряжения его центрального и периферийного участков или съемным полностью. Этим обеспечивается также доступ внутрь емкости для проведения профилактических работ по чистке емкости и для регулирования взаимного положения торцов 17 и 18 и их расстояния относительно дна емкости, если не предусмотрено какого-либо механизма для такого регулирования. Подвижность отводов 10 и 12 патрубков может быть обеспечена, например, выполнением их телескопическими.

Предложенная загрузочно-обменная емкость функционирует следующим образом.

Исходный твердый материал, предназначенный для транспортирования в напорном потоке, в сухом виде или в виде гидросмеси подают в заполненную водой загрузочно-обменную емкость по патрубку 7. Поступая в верхнюю часть емкости, твердый материал распределяется по сечению емкости и начинает осаждаться под действием сил гравитации, вытесняя технологическую воду по патрубку 4 отвода воды и далее по трубопроводу 6 слива в зумпф грунтового загружающего насоса или в заранее определенные отстойники. После заполнения емкости твердым материалом подачу пульпы (сухого твердого) прекращают.

Затем по напорному водоводу подают под давлением воду в кольцевой зазор между патрубками разгрузочного узла 9. При прохождении через тангенциальные проточки 15 герметизирующего элемента 14 обеспечивается закручивание до определенной степени нисходящего напорного потока. Для создания более высокой степени закрутки напорный поток жидкости по необходимости пропускают через установленные в нижней части отвода 10 патрубка механические завихрители.

При поступлении в емкость закрученный поток образует локализованную зону 20 рециркуляционных токов жидкости (область пульпоприготовления) (фиг. 3), в которой происходит интенсивный процесс смешения твердой и жидкой фаз за счет работы замкнутых высокотурбулентных вихрей, отрывающих твердые частицы от массива и вытесняющих их под высоким давлением в отвод 12 патрубка восходящей разгрузки гидросмеси и далее по отводу 13 за пределы емкости в магистральный пульпопровод на значительные расстояния. Постоянное поступление под действием сил гравитации твердых частиц из находящейся в емкости массы на границу локализованной зоны 20, обусловленное углом наклона боковых стенок конусообразного днища, способствует получению стабильных значений плотности нагнетаемой и образуемой гидросмеси на протяжении практически всего цикла без периодического образования и обрушения сводов над областью пульпоприготовления. Выполнение днища емкости с геометрией, представленной в вышеприведенных вариантах, характеризующейся большей крутизной, позволяет исключить периферийные придонные участки емкости, в которых материал не вымывается в магистральный пульпопровод, образуя "мертвые зоны". Данный результат существенно сказывается на повышении эффективности работы установки для гидротранспортирования, снижает вероятность засорения емкости.

Отвод из камеры образованной гидросмеси из области в придонной части, имеющей высоту b, позволяет осуществлять выгрузку твердого материала в полном объеме без остатка.

Отведение образованной гидросмеси по отводу 13 патрубка восходящей разгрузки гидросмеси под углом к оси камеры, большим либо равным величине α, при внезапных остановках не дает возможности из-за сил трения опуститься основной массе находящегося в этой ветви твердого материала обратно в емкость и тем самым закупорить разгрузочный узел 9. Кроме того, меньшая при таком взаимном расположении длина патрубка подачи нисходящего кольцевого закрученного потока напорной жидкости позволит снизить действующие в узле разгрузки гидравлические сопротивления.

Изобретение позволяет повысить эффективность работы загрузочно-обменной емкости при гидротранспортировании сыпучих материалов за счет создания в емкости условий подачи материала в транспортный трубопровод с максимальной и равномерной плотностью и исключения остающихся в емкостях к концу цикла разгрузки "мертвых зон" неразгруженного в пульпопровод материала и может быть использовано в областях горной промышленности, строительства, металлургии, сельского хозяйства. Загрузочно-обменная емкость установки для гидротранспортирования сыпучих материалов содержит корпус с днищем, патрубки, установленные в верхней части емкости, подсоединяемые соответственно к трубопроводам подачи транспортируемого материала и слива замещаемой в емкости жидкости, а также подсоединяемый к напорному водоводу патрубок подачи нисходящего потока жидкости со средствами закручивания потока и установленный коаксиально внутри него подсоединяемый к магистральному пульпопроводу патрубок восходящей разгрузки гидросмеси, торцы которых размещены в нижней части, причем днище состоит из двух сопряженных частей, где периферийная часть, сопряженная с боковыми стенками корпуса, выполнена с криволинейной поверхностью, касательная плоскость в любой точке которой составляет с продольной осью емкости угол α < 90^°-β,, где β - угол внутреннего трения транспортируемого материала в водонасыщенном состоянии, а центральная - с геометрией поверхности, ограничивающей вихревую зону рециркуляционных токов, например, в виде части поверхности сферы с центром на продольной оси емкости, совпадающим или находящимся ниже вершины конуса. 4 ил.

1. Загрузочно-обменная емкость установки для гидротранспортирования сыпучих материалов, содержащая корпус с днищем, патрубки, установленные в верхней части емкости, подсоединяемые соответственно к трубопроводам подачи транспортируемого материала и слива замещаемой в емкости жидкости, а также подсоединяемый к напорному водоводу патрубок подачи нисходящего потока жидкости со средствами закручивания потока и установленный коаксиально внутри него подсоединяемый к магистральному пульпопроводу патрубок восходящей разгрузки гидросмеси, торцы которых размещены в нижней части, отличающаяся тем, что днище состоит из двух сопряженных частей, где периферийная часть, сопряженная с боковыми стенками корпуса, выполнена с криволинейной поверхностью, касательная плоскость в любой точке которой составляет с продольной осью емкости угол α<90^°-β, где β угол внутреннего трения транспортируемого материала в водонасыщенном состоянии, а центральная с геометрией поверхности, ограничивающей вихревую зону рециркуляционных токов, например, в виде части поверхности сферы с центром на продольной оси емкости, совпадающим или находящимся ниже вершины конуса, образующие которого определяют угол g раскрытия нисходящего закрученного потока жидкости по его крайним рециркуляционным линиям тока в установившемся квазистационарном режиме, или в форме конической поверхности, образующие которой составляют с продольной осью емкости угол, не превышающий при этом торец патрубка восходящей разгрузки гидросмеси отстоит от нижней точки днища на расстоянии, не превышающем величину

где k коэффициент формы патрубка,
D диаметр патрубка восходящей разгрузки гидросмеси. 2. Емкость по п. 1, отличающаяся тем, что коническая поверхность при вершине центральной части днища скруглена либо сопряжена с плоской площадкой. 3. Емкость по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что днище корпуса выполнено разъемным по линии сопряжения его центрального и периферийного участков. 4. Емкость по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что днище корпуса выполнено съемным. 5. Емкость по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что патрубки подачи нисходящего потока жидкости и восходящей разгрузки гидросмеси выполнены изогнутыми и содержат нижний и верхний отводы, при этом нижний отвод расположен по оси емкости, а верхний выведен через боковую поверхность корпуса под углом к оси емкости, равным или больше величины 90^°-β.
6. Емкость по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что патрубки нисходящего потока жидкости и восходящей разгрузки гидросмеси выполнены с возможностью регулировки расстояния их торцов от днища корпуса.