Čerpací systémy s dávkovačem

VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA

Čerpací systémy s dávkovačem

JAROSLAV JANALÍK

OSTRAVA 2014

Janalík,J.: Čerpací systémy s dávkovačem

VŠB TU Ostrava, fakulta strojní

OBSAH str. Úvod........................................................................................................................................................................ 3 1. Princip činnosti dávkovačů ............................................................................................................................. 4 1.1 Charakteristika dávkovačů ........................................................................................................................ 4 1.2 Komorový dávkovač - princip činnosti ..................................................................................................... 4 1.3 Trubkové komorové dávkovače - TKD – princip činnosti........................................................................ 5 1.4 Časový diagram ........................................................................................................................................ 6 2. Některé vybrané zásady pro volbu TKD a jejich důležitých částí ................................................................... 8 2.1 Volba varianty dávkovače ......................................................................................................................... 8 2.2 Počet komor dávkovače ............................................................................................................................ 9 2.3 Použité armatury ....................................................................................................................................... 9 2.4 Řízení armatur......................................................................................................................................... 11 2.5 Provedení dávkovače souproudé či protiproudé ..................................................................................... 11 2.6 Rozhraní mezi kapalinami (suspenzí a vodou) v komoře ........................................................................ 11 2.7 Obtokové armatury ................................................................................................................................. 12 2.8 Průměr a provedení komory .................................................................................................................... 15 2.9 Způsoby plnění komory TKD ................................................................................................................. 17 2.10 Optimální délka – objem komory ...................................................................................................... 17 2.11 Statická průtočná charakteristika dávkovače ...................................................................................... 18 2.12 Řešení dynamiky – hydraulického rázu dávkovače ............................................................................ 27 2.13 Hydraulický obvod pro otevírání a uzavírání armatur ........................................................................ 27 2.14 Charakteristika čerpadla a potrubí u TKD ......................................................................................... 32 2.15 Sériové nebo paralelní řazení TKD .................................................................................................... 35 3. Dávkovače pro hydraulickou dopravu........................................................................................................... 39 3.1 Stručná historie vývoje dávkovačů ......................................................................................................... 39 3.2 Dávkovač se dvěma komorami ............................................................................................................... 47 3.3 Dávkovač se třemi komorami ................................................................................................................. 54 3.4 Dávkovač pro hydraulickou dopravu na automobilovém podvozku ....................................................... 60 3.5 Dávkovač pro hydraulickou dopravu na sacím bagru ............................................................................. 61 4. Dávkování kontejnerů do potrubí .................................................................................................................. 62 4.1 Pístový dávkovač .................................................................................................................................... 62 4.2 Rotační dávkovač .................................................................................................................................... 62 4.3 Komorový dávkovač s vodorovnou komorou ......................................................................................... 64 4.4 Způsoby přívodu kontejnerů a jejich dávkování do plnícího potrubí ...................................................... 65 4.5 TKD se svislou komorou stejného průměru jako je dopravní potrubí .................................................... 70 4.6 TKD se svislou komorou většího průměru než je dopravní potrubí ........................................................ 72 5. Doprava studené vody nebo ledu pro centrální klimatizaci hlubinného dolu ................................................ 77 5.1 Klimatizace dolů ..................................................................................................................................... 77 5.2 Doprava studené vody do dolu s využitím TKD ..................................................................................... 79 5.3 TKD pro dopravu studené vody pro klimatizaci dolů ........................................................................... 80 5.4 Tříkomorový TKD v protiproudém provedení – dvě armatury řízené .................................................. 82 5.5 Tříkomorový TKD v protiproudém provedení – všechny armatury řízené ............................................ 85 5.6 Sériové řazení dvou TKD ....................................................................................................................... 88 5.7 Suspenze voda - led ................................................................................................................................ 90 5.8 Přestup tepla trubkou .............................................................................................................................. 92 6. Transformace tlaku a průtoku mezi dvěma kapalinami ................................................................................. 96 LITERATURA.................................................................................................................................................... 102 PROGRAMY ...................................................................................................................................................... 102 POUŽITÁ OZNAČENÍ ...................................................................................................................................... 102

2



Úvod Pro klasické čerpání kapalin nebo i suspenzí se používají objemová nebo odstředivá čerpadla, obecně pro vysoké tlaky a menší průtoky se používají čerpadla objemová (pístová apod.), naopak pro menší tlaky a vysoké průtoky se používají čerpadla odstředivá (hydrodynamická). Při čerpání kapalin nebo suspenzí se v technické praxi vyskytuje požadavek na změnu tlaku (transformaci) čerpané kapaliny, pro tyto účely je možné použít zařízení, tzv. komorový dávkovač. Tento se dá použít v následujících technických aplikacích: 1. Hydraulická doprava suspenzí – technické možnosti čerpání suspenzí jsou pro kalová odstředivá čerpadla limitovány velikostí tlaku (p < 1,2 MPa], u kalových čerpadel objemových pak velikostí dopravovaných částic (d < 0,1 mm). Použitím komorových dávkovačů, kdy se jeho komora plní suspenzí pod nízkým tlakem a následně se komora proplachuje čistou kapalinou – vodou o vysokém tlaku se rozšiřuje oblast čerpání suspenzí až pro tlaky 16 MPa i více, při čemž nevzniká omezení z hlediska tlaku, ale i velikosti dopravovaných částic a koncentrace suspense. 2. Doprava studené vody nebo suspenze voda - led pro klimatizaci dolů – studená voda dopravovaná do dolu se nemůže vzhledem ke svému vysokému statickému tlaku přímo použít pro chlazení důlních větrů ve výměníku voda - vzduch. Nejdříve se musí snížit její tla na velikost 1 až 3 MPa. Transformaci tlaku z vysoké hodnoty na nízkou bez ztráty tlakové energie vody je výhodné provést komorovým dávkovačem. 3. Hydraulická doprava kontejnerů ve vodě – by se tato doprava dala průmyslově realizovat, musí se použít vhodný systém, který umožní do dopravního potrubí s vysokým tlakem 10 až 20 MPa vhodně dávkovat kontejnery. Jeden z možných způsobů jak tento problém řešit je použití TKD, v takovém případě by se hydraulická doprava kontejnerů mohla realizovat na vzdálenost i několika stovek kilometrů. 4. Transformace tlaku mezi dvěma kapalinami – transformaci tlaku lze realizovat s využitím komorového dávkovače. Jedná se např. o transformaci tlaku vody a oleje, tlaku olejové emulze a oleje, tlaku vody a kejdy, tlaku louhu sodného a bauxitu při výrobě hliníku bebo tlaku vody a koncentrátu při odsolování vody včetně vody mořské Jsou možné i další kombinace nejrůznějších kapalin a suspenzí.

3



1. Princip činnosti dávkovačů 1.1 Charakteristika dávkovačů Prakticky všechny významnými vlastnostmi:

konstrukce

dávkovačů

lze

charakterizovat

následujícími

1. Z hlediska čerpání kapalin nebo i suspenzí je dávkovač možné definovat jako hydrostatický hydraulický objemový stroj připomínající např. pístové čerpadlo s velmi malým počtem zdvihů. Je-li např. u pomaluběžných pístových čerpadel počet otáček (zdvihů) n = 60 1/min., potom u dávkovačů je počet cyklů výrazně menší a činí cca n = (0,2 až 2 ) 1/min. a je tedy až o dva řády menší než u pístových hydrostatických čerpadel. 2. Dávkovač je hydrostatický hydraulický stroj, který má schopnost transformovat (měnit) tlak kapaliny nebo i suspenze a to jak z menšího tlaku na větší tak i naopak, při stejném objemovém průtoku, za jistých okolností i z rozdílného objemového průtoku. Při čerpání suspenzí u hydraulické dopravy se její malý tlak ( cca 0,5 MPa) zvyšuje na vyšší, tento může činit 16 MPA i více. Naopak při čerpání studené vody např. při klimatizaci dolů o tlaku až 16 MPa se její tlak snižuje na cca 0,5 až 3 MPa. 3. Dávkovač je hydraulický stroj který má schopnost transformovat tlak jedné kapaliny na stejný případně i jiný tlak jiné kapaliny, např. tlak vody na tlak oleje, nebo tlak emulze na tlak oleje, jsou však možné i jiné varianty. 4. Transformace tlaku ve všech výše uvedených případech a to jak při zvyšování tlaku tak i při snižování tlaku kapaliny probíhá obvykle při konstantní průtoku obou kapalin ( Q1 = Q2 = konst. nebo i rozdílném Q) a uskutečňuje se s vysokou celkovou účinností systému, která dosahuje velikosti η → 1. Z velkého množství různých konstrukcí dávkovačů (jako např. komorové, trubkové, šnekové, rotační, pístové a jiné) se průmyslově uplatnily pouze dávkovače trubkové a komorové, a proto budou stručně popsány pouze tyto dvě skupiny dávkovačů. V každé z těchto skupin existuje celá řada různých řešení a variant - [ 1 ].

1.2 Komorový dávkovač - princip činnosti Největší předpoklady pro průmyslové využití mají dávkovače komorové, které umožňují dávkovat do potrubí suchý nebo i odvodněný materiál. Jedno z možných provedení uvádí schematicky obr. 1.1. Dávkovač je tvořen svislou komorou, tato má průměr výrazně větší než je průměr dopravního potrubí. Komora je opatřena vhodným počtem armatur (min. 4) a šnekovým vynášečem pro vyprazdňování materiálu z komory do dopravního potrubí (šnekový vynašeč není podmínkou, umožní však dosažení rovnoměrné koncentrace pevných částic v potrubí). V horní části svislé válcové komory je plnící otvor uzavíraný obvykle klapkou větší světlosti - A, přes tento otvor se plní komora materiálem z odměrného zásobníku, před plněním se však voda z komory vyprazdňuje pomocí armatury B. Armaturou C se provádí vyrovnání tlaku při zapojení a odpojení komory s dopravním potrubím. Jsou možné i jiné varianty osazení komory dávkovače armaturami. Armatura D a E slouží k odpojení komory dávkovače od dopravního potrubí a ke spojení zdroje tlakové vody s dopravním potrubím po dobu plnění komory materiálem. Všechny použité armatury pro komorový dávkovač jsou ovládány hydraulickým válcem, uzavírání se provádí podle vhodně sestaveného časového diagramu. Aby činnost dávkovače byla plynulá, má tento obvykle dvě nebo tři komory, které se střídavě plní a vyprazdňují.

4


Obr. 1.1


Schéma komorového dávkovače s jednou komorou a šnekovým vynašečem

1.3 Trubkové komorové dávkovače - TKD – princip činnosti Tyto dávkovače umožňují jak dopravu nejrůznějších kapalin tak i suspenzí, což je jejich velká přednost, která předurčuje tyto dávkovače k průmyslovému použití. Dávkovače trubkové jsou charakterizovány provedením komory, která bývá zhotovena obvykle z horizontálně položeného potrubí, jehož průměr může být stejný jako je průměr dopravního potrubí. Komory však mohou mít i odlišný průměr, jako má dopravní potrubí. Komora může být i vertikální. Aby provoz dávkovače byl plynulý, bývají komory dvě, častěji tři.

Obr. 1.2A Komorový trubkový dávkovač v souproudém provedení

5



Obr. 1.2B Komorový trubkový dávkovač v protiproudem provedení Trubkový komorový dávkovač - TKD je schematicky s jednou komorou uveden na obr. 1.2. Princip činnosti spočívá ve střídavém plnění komory např. suspenzí nebo jinou kapalinou nízkotlakým čerpadlem a proplachováním komory jinou kapalinou obvykle čistou vodou vysokotlakým čerpadlem do dopravního potrubí. Tuto činnost umožňují čtyři armatury, kterými je komora opatřena. TKD může být proveden jako souproudý - obr. 1.2A, nebo protiproudý - obr. 1.2B. V další části práce budou podrobně popsány pouze trubkové komorové dávkovače, jejich aplikace v průmyslové praxi je nejčetnější.

1.4 Časový diagram Časová posloupnost otevírání nebo uzavírání musí být navržena tak, aby se komora ve zvoleném čase stačila naplnit nebo propláchnout, rychlost otevírání či uzavírání musí být volena s přihlédnutím na velikost tlakových pulzací. Jednokomorový TKD pro souproudé i protiproudé provedení má možný časový sled otevírání a uzavírání armatur podle obr. 1.3, odkud je zřejmé, že provoz plnícího i vysokotlakého čerpadla je přerušovaný. Označení armatur odpovídá obr.1.2. Jsou uvedeny dvě možné varianty kreslení časového diagramu – obr. 1.3A nebo obr. 1.3C. Časový průběh průtoku suspenze, vody a tlaku v komoře je uveden na obr 1.3B. Aby se přerušovaný provoz TKD odstranil je nutné volit dvě nebo lépe komory tři.

6



Obr.1.3 Časový diagram TKD s jednou komorou a časová závislost průtoku a tlaku A- časový diagram, B-průběh průtoku a tlaku v komoře, C-časový diagram. t1 – doba plnění nebo proplachování komor, t2 – doba přestavování armatur, t3 = t1 + t2 je celková doba plnění nebo proplachování komory včetně přestavování armatur, T – je doba jednoho cyklu, pro jednokomorový a dvoukomorový TKD T = 2.t3 , pro třikomorový TKD je doba jednoho cyklu T = 3.t3 . Za dobu t3 se musí komora naplnit nebo propláchnout kapalinou, proto platí

t3  kde

L  .D 2 .L V   v Q Q

 L  v.t 3 ,

(1.1)

L - délka komory v - rychlost proudění při plnění nebo proplachování komory D - průměr potrubí V - objem komory Q - objemový průtok při plnění nebo proplachování komory

V případě, že t1 = 0, potom t2 = t3 , v tomto případě bude mít TKD min. délku komory, pro kterou platí

Lmin  v.t2 .

(1.2)

7



2. Některé vybrané zásady pro volbu TKD a jejich důležitých částí Nejdůležitějším parametrem, který ovlivňuje volbu varianty a konstrukčního provedení dávkovače je dopravovaná kapalina (např. čistá kapalina, voda, suspenze, olej, emulze apod.), její fyzikální vlastnosti, teplota, tlak a objemový průtok.

2.1 Volba varianty dávkovače a) hydraulická doprava - při výběru vhodné varianty dávkovače pro hydraulickou dopravu bude nutné přihlédnout k následujícím skutečnostem - [ 2 ]: 1) dopravovaný materiál - druh dopravovaného materiálu - granulometrické složení (průměr částic) - nasákavost materiálu - pevnost - náchylnost k degradaci částic - abrazivnost materiálu - složení materiálu (přítomnost jílovitých složek) 2) koncentrace suspenze 3) teplota suspenze 4) výkonové parametry - provozní tlak - průtok suspenze, rychlost proudění suspenze - průměr potrubí - dopravní vzdálenost - nosné médium (voda apod.) 5) navazující technologie - vstupní uzel -

výstupní uzel

-

suchý materiál materiál ve formě suspenze technologie vyžaduje odvodněný materiál (relativní vlhkost  15 %)

Při zvážení všech výše uvedených parametrů bude možné zvolit vhodný typ hlavních i obtokových armatur, definovat délku (objem) i průměr komory, provést optimální návrh časového diagramu otevírání či uzavírání armatur, stanovit statickou průtočnou charakteristiku včetně vyřešení dynamiky TKD a rovněž provést návrh řízení TKD a tomu odpovídající hydraulický obvod ovládání armatur. b) doprava čistých kapalin – v porovnání s hydraulickou dopravou suspenzí bude výběr varianty dávkovače u čistých kapalin ovlivněn menším počtem parametrů, mezi tyto patří: 1. druh dopravované kapaliny 2. teplota čerpané kapaliny 3. výkonové parametry - provozní tlak - objemový průtok - průměr potrubí - průměr komory S přihlédnutím k těmto parametrům lze definovat vhodný typ TKD a jeho jednotlivých hlavních uzlů, obdobě jako u suspenze c) doprava kontejnerů - zvolit vhodný TKD pro hydraulickou dopravu kontejnerů musí vycházet z následujících skutečností: 1. průměr potrubí , rozměry a geometrický tvar kontejneru - průměr kontejneru - d

8



- délka kontejneru - L - průměr potrubí – D a poměr d/D - hustota kontejnerů - poloměr oblouků – R v zhledem k poměru d/D a L/d 2. výkonové parametry - provozní tlak - objemový průtok nosné kapaliny (vody) - objemový průtok kontejnerů – objemová koncentrace - fyzikální vlastnosti nosné kapaliny 3. navazující technologie - příprava kontejnerů na začátku (vstupu) systému – vstupní uzel - výstupní uzel – separace kontejnerů Volba vhodné varianty dávkovače ve všech aplikacích musí vycházet : - z ekonomické rozvahy, která zohlední všechny vhodné způsoby čerpání kapaliny nebo suspenzí - koncepční a technické řešení dávkovače musí především splnit požadované výkonové parametry, a to provozní tlak a průtok čerpané nosné kapaliny.

2.2 Počet komor dávkovače -

volit dle možností vždy tři komory, aby průtok u plnicího a proplachovacího čerpadla i dopravního potrubí byl nepřetržitý dvě komory volit pouze v těch případech, kdy není na závadu, že plnicí čerpadlo pracuje pro krátký čas s průtokem Q = 0 dvě komory je možné volit u dávkovače se svislou komorou, když tato je plněna suchým materiálem, tři komory jsou však z hlediska dynamiky výhodnější jednu komoru volit ve speciálních zdůvodněných případech ve speciálních případech lze volit i více než tři komory – doprava kontejnerů

2.3 Použité armatury Pro potřebu TKD se mohou používat následující armatury: - šoupátko nejrůznějších konstrukcí, má příznivou závislost  = f (z) - ventil nejrůznějších konstrukcí, má příznivou závislost  = f (z), jsou reálné varianty s přívodem tlakové kapaliny pod i nad kuželku - kohout, má nepříznivou závislost  = f (z) v porovnání se šoupátkem nebo ventilem - zpětný ventil nebo zpětná klapka, jejich použití výrazně zjednodušuje řízení dávkovače - vícecestné armatury jsou výhodné, konstrukčně jsou náročnější hlavně pro vysoké tlaky, snižuje se spolehlivost dávkovač, výrazně se ale snižují nároky na řízení dávkovače Čerpání suspenzí: - šoupátko, pro materiál zrnitosti d < 0,2 mm lze použít šoupátko se symetrickým klínem – obr. 2.1F, pro větší zrnitost d  10 mm bude výhodnější šoupátko s nesymetrickým klínem – obr. 2.1G , oba typy šoupátek mají příznivou závislost  = f (z) - kohout kulový není vhodný - obr. 2.1A, lze použít kohout s válcovým rotorem uloženým na ložiskách, tento kohout byl úspěšně vyzkoušen pro hydraulickou dopravu materiálu větší zrnitost, má však nepříznivou závislost  = f (z) - ventil je vhodný pro suspenze a to pouze pro materiál zrnitosti d  0,1 mm, snad i d  1 mm. Jsou reálné varianty s přívodem tlakové kapaliny pod i nad kuželku – ventil má rovněž příznivou závislost  = f (z) - vícecestné armatury jsou výhodné, konstrukčně jsou náročnější, snižuje se spolehlivost dávkovač, výrazně se snižují nároky na řízení dávkovače, armatury 9


-


byly úspěšně použity u komorového dávkovače se svislou komorou pro hydraulickou dopravu uhlí zpětný ventil – obr. 2.1J,K nebo zpětnou klapku – obr. 2.1H – použití výrazně zjednodušuje řízení dávkovače, vhodný pouze pro suspenze d  0,1 mm ve speciálních případech uvažovat o oplachování dosedací plochy armatur čistou vodou, tato varianta platí pro hydraulickou dopravu materiálu s zrnitostí d  0,2mm

Obr. 2.1 Vybrané typy armatur vhodných pro použití u PKD –(barevné obr. dle IBC Praha) A - kulový kohout, B – kohout s válcovým rotorem- [ 8 ], C – ventil, D – deskové šoupátko. E – deskové šoupátko, F – šoupátko, G – šoupátko s jednostranným klínem, H – zpětná klapka, J – zpětný ventil, K – zpětný ventil

10



Čerpání čistých kapalin: - šoupátko, lze použít všechny varianty šoupátek, jako nejvhodnější se jeví deskové šoupátko podle obr. 2.1D nebo obr. 2.1E, oba typy šoupátek mají příznivou závislost  = f (z) - kohout kolový - obr. 2.1A lze použít, má nepříznivou závislost  = f (z) - ventil – obr. 2.1F, jeho použití je velmi výhodné. Jsou reálné varianty s přívodem tlakové kapaliny pod i nad kuželku – ventil má rovněž příznivou závislost  = f (z) - zpětný ventil – obr. 2.1J,K nebo zpětnou klapku – obr. 2.1H lze použít – použití výrazně zjednodušuje řízení dávkovače - pokud jedna z kapalin při čerpání bude olej, potom se okruh možných použitých armatur rozšiřuje i o armatury používané v olejové hydraulice

2.4 Řízení armatur -

-

-

-

-

ovládání armatur je téměř vždy realizováno pomocí přímočarých hydromotorů (hydraulických válců), použití pneumatických nebo el. pohonů je méně vhodné řízení je obvykle odvozeno od koncových poloh armatur, řízení je možné také odvodit od rozhraní obou použitých kapalin nebo suspenzí, např. od polohy plováku nebo pístu, u dopravy studené vody lze řízení odvodit od teploty vody v komoře dávkovače rychlost uzavírání a otevírání armatur ( nebo též doba otevírání či uzavírání armatur), a to jak hlavních armatur či obtoků volit s přihlédnutím na dynamiku dávkovače nebo dle dovolené velikosti tlakových pulzací použití neřízených ventilů použít pro suspenze s zrnitosti d  0,1 mm a pro čisté kapaliny jako např. studená voda, emulze, olej apod., řízení dávkovače se výrazně zjednoduší rychlost uzavírání armatur volit konstantní, tato varianta je z hlediska řízení dávkovače nejjednodušší pokud rychlost uzavírání armatur není konstantní, v tomto případě je hydraulický obvod pro řízení dávkovače složitý, tato varianta však může být z hlediska dynamiky dávkovače příznivější vhodným matematickým modelem simulovat dynamiku dávkovače, u postaveného zařízení dynamiku dávkovače ověřit měřením tlaku při přestavování armatur, v případě tlakových pulzací překračujících doporučenou velikost prodloužit dobu otevírání nebo uzavírání armatur

2.5 Provedení dávkovače souproudé či protiproudé -

protiproudé provedení je třeba volit vždy, když jsou obě kapaliny (např. suspenze a voda) navzájem odděleny plovákem či pístem v ostatních případech je možné volit jak souproudé, tak i protiproudé provedení souproudé provedení je vhodnější u hydraulické dopravy kusového materiálu d  10 mm. Dá se zajistit, že přes obtokové armatury nebude proudit suspenze, ale pouze čistá voda

2.6 Rozhraní mezi kapalinami (suspenzí a vodou) v komoře -

může, ale také nemusí být mechanicky odděleno - obr. 2.1 pomocí vhodného oddělovacího elementu. u svislé komory se toto snadno provede plovákem, jehož hustota je stejná jako hustota suspenze – obr. 2.3. TKD s oddělovací prvkem a to jak pro komoru vodorovnou tak i svislou je možné realizovat pouze jako protiproudé provedení.

11


-

-


u vodorovné komory oddělovací element může mít tvar krátkého válečku s vhodně navrženým těsněním, toto však není ve všech případech nutnou podmínkou – obr. 2.3. užití oddělovacích elementů je již vyřešeno u dálkových naftovodů, odkud je možné čerpat zkušenosti a tyto převést na projekt dávkovačů. oddělení volit pouze ve zdůvodněných případech. Do řízení dávkovače nutno vřadit i koncové polohy oddělovacího prvku (plovák, píst, apod.) dle možností připustit definovaný malý průtok čisté kapaliny do suspenze okolo plováku či pístu a naopak

2.7 Obtokové armatury - dávkovač s větším provozním tlakem bude výhodné opatřit na každé komoře řízenými obtokovými armaturami menší světlosti než mají hlavní armatury. Tímto řešením se výrazně sníží síly potřebné pro otevírání či uzavírání hlavních armatur. - obtokové armatury při vhodně navrženém časovém diagramu snižují tlakové špičky při přestavování armatur a přispívají výrazně ke zlepšení dynamiky dávkovače. Pro souproudé a protiproudé provedení TKD, za předpokladu, že obtoková armatura je paralelně připojena k hlavní řízené armatuře ( není připojena ke zpětnému ventilu), existuje celkem 24 variant zapojení dvou obtokových armatur na jedné komoře – obr. 2.2. Ne všechny varianty jsou však reálné. Paralelní připojení obtoku na neřízenou armaturu – zpětný ventil dává dalších šest variant a to jak pro souproudé tak i protiproudé provedení TKD. V dalším textu tato řešení nejsou popsána, jsou sice technicky proveditelná, zdá se však, že nebudou používána. Pro hydraulickou dopravu suspenzí je výhodná taková varianta, při které přes obtokovou armaturou při jejím uzavírání neproudí přes tuto armaturu suspenze, při proudění čistých kapalin – vody tento problém nevzniká.

12



Obr. 2.2A Možné varianty použití obtokových armatur u souproudého dávkovače

13



Obr. 2.2B Možné varianty použití obtokových armatur u protiproudého dávkovače

14



Dávkovač může mít všechny čtyři armatury řízené např. pomocí přímočarých hydromotorů, pro souproudé provedení - obr. 2.2A, nebo pro protiproudé proveden podle obr. 2.2B. Dávkovač může mít také řízené pouze dvě uzavírací hlavní armatury a dva neřízení zpětné ventily. Pro dvě řízené a dvě neřízené armatury existuje rovněž celkem šest variant zapojení, pro souproudé provedení – obr. 2.2A a obr. 2.2B pro protiproudé provedení. Reálné varianty uvádí tabulka 8.1 a to pro případ, že kapalina plnící má menší tlak než kapalina proplachovací - pplnící < pproplach (tato varianta je reálná u hydraulické dopravy suspenzí) a naopak - pplnící > pproplach –(tato varianta je reálná u dopravy studené vody pro centrální klimatizaci dolů). První varianta se uplatní např. u hydraulické dopravy, druhá varianta je využívána u dopravy studené vody, případně dalších kapalin. Kombinace hlavních a obtokových armatur – reálnost variant Reálné varianty Všechny armatury řízené A,B,C,D Nereálné varianty E,F Reálné varianty Souproudé pplnící < pproplach A,C řešení dávkovače Dvě armatury Nereálné varianty Obr. 8.26A řízené B,D,E,F Reálné varianty pplnící > pproplach C Nereálné varianty A,B,D,E,F Reálné varianty Všechny armatury řízené A,B,C,D Nereálné varianty E,F Protiproudé Reálné varianty řešení dávkovače pplnící < pproplach A,E obr.8.26B Dvě armatury Nereálné varianty řízené B,C,D,F Reálné varianty pplnící > pproplach B Nereálné varianty A,C,D,E,F Tabulka 2.1

2.8 Průměr a provedení komory Čerpání suspenzí : - průměr komory TKD pro suspenze kineticky nestálé ( d > 0,1 mm) bude shodný s průměrem dopravního potrubí s ohledem na kritickou rychlost suspenze. Provedení komory vodorovné. - u suspenzí časově stálých ( d < 0,1 mm) nebo když je kritická rychlost značně menší než potřebná provozní rychlost, je možné volit průměr komory TKD stejný, nebo i větší než je průměr dopravního potrubí. Provedení komory u této varianty může být vodorovné nebo svislé. Čerpání čistých kapalin : - průměr komory je možné volit stejný nebo větší než je průměr dopravního potrubí. Provedení komory vodorovné (výhodné pro důlní podmínky) nebo svislé. Na obr. 2.3 pro souproudé provedení TKD jsou uvedeny dvě varianty řešení a to pro komoru vodorovnou i svislou, každá z těchto variant je pak dále řešena pro čtyři hlavní 15



armatury řízené včetně řízeného obtoku u dvou hlavních armatur - [ 2 ]. Pro oba druhy komor je pak řešena varianta, že dvě hlavní armatury jsou řízené a dvě neřízené, včetně dvou řízených obtokových armatur.

Obr. 2.3 Vodorovné nebo svislé (vertikální) provedení komory dávkovače bez oddělovacího prvku nebo plováku pro souproudé provedení TKD Obr. 2.4 uvádí analogické řešení TKD pro protiproudé provedení s oddělovacím elementem, jeho provedení se musí navrhnou s příhlédnutím k vlastnostem dopravované kapaliny Jak již bylo uvedeno použití oddělovacího elementu je možné pouze pro TKD v protiproudé provedení. Protiproudé provedení TKD se může realizovat i bez oddělovacích elementů, potom řešení TKD je stejné jak uvádí obr. 2.4.

Obr. 2.4 Vodorovné nebo svislé (vertikální) provedení komory dávkovače s oddělovacím prvkem nebo plovákem pro protiproudé provedeni TKD - [ 5 ]

16



Použití dvou zpětných ventilů u dávkovače je velmi výhodné, podstatně se sníží nároky na řízení TKD, tato varianta se dá použít pouze pro suspenze s velikostí částic d  0,1 mm, nebo pro čisté kapaliny jak již bylo dříve uvedeno – obr. 2.3 a obr. 2.4. Pro řízení armatur, tj. pro jejich otevíraní a uzavírání v přesně definovaném časovém diagramu se osvědčilo použití přímočarých hydromotorů (hydraulických válců), řízení může být odvozeno od koncových poloh pístu hydraulického válce. Pracovní kapalinou v dávkovačích bývá obvykle voda, olej, emulze vody s olejem a pod., dopravovanou kapalinou bývá nejčastěji suspenze vody a pevných částic, olej, studená voda nebo jiné kapaliny.

2.9 Způsoby plnění komory TKD

Obr. 2.5 Plnění komory TKD z gravitační nádrže a stlačeným vzduchem, protiproudé provedení Plnění komory pro čisté kapaliny se nejčastěji provádí pomocí odstředivého čerpadla, pro suspenze pak pomocí kalového čerpadla - obr. 1.1, komoru je také možno plnit z gravitační nádrže - obr. 2.5A nebo pomocí stlačeného vzduchu - obr. 2.5B.

2.10

Optimální délka – objem komory

Objem nebo délka komory je důležitým parametrem každého dávkovače a má velký vliv na jeho provozní i investiční náklady. Je-li délka malá, musí se armatury často přestavovat, tím ovšem klesá jejich životnost a rostou provozní náklady. Je-li naopak délka komory velká, je počet přestavování armatur malý, provozní náklady však rostou, poněvadž jsou velké odpisy z komor dávkovače a roste i spotřeba energie. Existuje tedy optimální délka komory, která

17



odpovídá vzhledem k životnosti potrubí i armatur minimálním provozním nákladům - [1], pro které platí zjednodušená rovnice

pN  kde

A

A B  C L , L  vT2 

(2.1)

T Ik v n

B - provozní náklady na jeden metr komory dávkovače za rok C - provozní náklady na energii na jeden metr komory dávkovače za rok v - rychlost suspenze v komoře T - doba provozu dávkovače za rok T2- doba přestavování armatur – viz časový diagram Ik- investiční náklady na armatury n - přípustný počet otevření nebo uzavření armatury Tato rovnice má minimum, pro které platí

d pN A  BC L  vT2  dL

.

(2.2)

Toto minimum odpovídá optimální délce nebo objemu komory, pro kterou platí

L

A vT2 BC

(2.3)

   A V  D 2  vT2  . 4  BC  Podle dosavadních zkušeností leží optimální délka komory v rozmezí 100 - 400 m.

2.11

Statická průtočná charakteristika dávkovače

Jak vyplývá z časových diagramů všech možných variant dávkovačů, je jejich provoz vždy přerušovaný, proto při návrhu je třeba důsledně dbát na omezení velikosti hydraulického rázu, především vhodnou konstrukcí a uspořádáním uzavíracích armatur. V opačném případě může hydraulický ráz negativně ovlivnit funkci celého zařízení čerpání suspenze nebo jiné kapaliny s využitím TKD - [ 4 ]. Zjednodušené schéma dávkovače jak pro plnění komor suspenzí bagrovacím čerpadlem, tak i pro vyplachování komor vysokotlakým čerpadlem je na obr. 2.6. Jestliže se při plnění komory např. armatury A1 a B1 na komoře 1 otevírají, pak na komoře 2 se armatury A2 a B2 uzavírají a naopak. Stejná situace platí i pro proplachování komory, armatury A, B se ale nahradí armaturami C, D. Poněvadž ztrátový součinitel u žádné armatury není lineární funkcí zdvihu nebo úhlu pootočení, dojde při této manipulaci ke změně průtoku a tím ke vzniku hydraulického rázu. Aby se dala stanovit jeho velikost, je výhodné znát tzv. průtočnou charakteristiku dávkovače.

18



Obr. 2.6 Zjednodušené schéma TKD

Obr. 2.7 Charakteristika čerpadla

Každá komora TKD z pohledu jejího plnění nebo proplachování podle obr. 2.6 má dvě armatury hlavní a může mít jednu armaturu menší světlosti tzv. obtok. Pro komoru TKD s obtokem a pro všechny armatury řízené lze uvést celkem sedm variant řešení časového otevírání nebo uzavírání armatur – obr. 2.8A. Varianta „2“ je pro praktické aplikace nevýhodná, protože se hlavní armatura i obtok otevírají současně. TKD s jednou armaturou řízenou a jednou neřízenou – zpětný ventil jsou reálné pouze varianty „1“ a „3“, protože zpětný ventil kopíruje otevírání nebo uzavírání hlavní armatury. Pro TKD bez obtoků jsou varianty dvě – obr. 2.8B. Při sestavování časového diagramu TKD lze aplikovat všechny uvedené varianty případně jejich kombinace, o jejich použití bude hlavně rozhodovat velikost tlakových pulzací při přestavování armatur. Čas otevírání či uzavírání armatur se musí volit tak, aby tlakové pulzace nepřesahovaly dohodnutou velikost (např. 0,1MPa).

Obr. 2.8 Možnosti uzavírání nebo otevírání armatur na jedné komoře TKD – všechny armatury řízené A – komora s obtokovou armaturou; B – komora bez obtokových armatur

19



Otevírání či uzavírání armatur na dvou komorách TKD – obr. 2.6 může byt řešeno prakticky ve čtyřech variantách – obr. 2.9, armatury při otevírání a uzavírání pracují synchronně, nebo se opožďují či předbíhají. Způsob spolupráce armatur má podstatný vliv na průtočnou charakteristiku – viz obr. 2.10. Má-li TKD průtočnou charakteristiku při synchronní práci armatur – křivka 1, potom pro armatury, které se opožďují platí křivka 2, pro armatury, které se předbíhají platí křivka 3. Křivka 4 platí pro armatury které se předbíhají, ale po jistou dobu pracují paralelně, v tomto případě může průtočná charakteristika ležet nad hodnotou q = 1. Další podrobnosti i příklady řešení uvádí . Rozdílná rychlost uzavírání nebo otevírání hlavních armatur rovněž ovlivňuje průběh průtočné charakteristiky. Podle provedených výpočtů - [2] největší změnu průtočné charakteristiky vykazují kohouty, výrazně menší pokles mají šoupátka a ventily.

Obr. 2.9 Možné varianty otevíraní nebo uzavírání hlavních armatur na dvou komorách TKD 1 – uzavírání armatur na komoře „1“ probíhá synchronně s otevíráním armatur na kom „2“; 2 – otevírání armatur na komoře „2“ se opožďuje za uzavíráním armatur na komoře „1“; 3 – otevírání armatur na komoře „2“ předbíhá uzavírání armatur na komoře „1“; 4 – uzavírání armatur na komoře „1“ začíná až po úplném otevření armatur na komoře „2“

Obr. 2.10 Schematicky znázorněná průtočná charakteristika TKD při otevírání a uzavírání armatur na dvou komorách podle obr. 2.9 – označení křivek odpovídá obr. 2.9.

20



Obr. 2.11 Ztrátový součinitel kohoutu, šoupátka a ventilu - [4] Obr. 2.11 uvádí experimentálně zjištěnou závislost   f( z / D ) pro kohout, šoupátko a ventil, z tohoto obr. je patrné, že kohout bude mít s velkou pravděpodobností největší vliv na tvar průtočné charakteristiky a tím i největší změnu objemového průtoku. Protože konstrukčních řešení armatur je velké množství, pro výpočet průtočné charakteristiky dávkovače bude nutná znalost ztrátového součinitele použité konkrétní armatury. Zjednodušené analytické řešení statické průtočné charakteristiky TKD - při přestavování armatur – obr. 2.6 - A1 , B1 na komoře „1“ a A2 , B2 na komoře „2“ TKD dochází ke změně objemového průtoku v dopravním potrubí a tím i ke změně tlaku, jehož přesný výpočet je závislý na průtočné charakteristice dávkovače. Předpokládejme, že armatura A1 a B1 se otvírá a armatura A2 a B2 se zavírá, pak objemový průtok v komoře 1 bude

Qv1 

So 2 p  p1  ,   T 1  2 1

(2.4)

a objemový průtok v komoře 2

Qv 2 

So  T 1  2 2

2 p  p1 



.

(2.5)

Celkový objemový průtok v dopravním potrubí

Qv Qv1 Qv 2 

So 2 p1 ,  T  2 T 1 

(2.6)

21



kde

L D

L D

 T 1   1 ;  T   ; L  L1  L2 . Označení délek viz obr. 2.6. Řešením těchto tří rovnic dostaneme

p1 B

 A p  p1 ,

(2.7)

kde

1 1  ;  T 1  2 1  T 1  2 2

A

B   T   T1 ,

kde  - ztrátový součinitel armatury je stanoven měřením. Pro válcový kohout, šoupátko a ventil výsledky uvádí obr. 2.11. Ztrátový součinitel šoupátka, ale především ventilu je ovlivněn jeho konstrukcí (geometrickým tvarem). Při aplikaci u TKD by bylo nutné tento ztrátový součinitel pro danou zvolenou armaturu stanovit měřením. Je-li použito pro proplachování komor odstředivé čerpadlo, můžeme jeho charakteristiku aproximovat podle obr. 2.7 parabolu

pmax  p0 2 Q  p0 . 2 Qmax

p

(2.8)

Z posledních dvou rovnic určíme objemový průtok

Q

p0 .  1   2  B A   pmax  p0 2 2S0 Qmax

(2.9)

Je-li průtok v ustáleném stavu určen rovnicí

Qmax 

S0 2 pmax  B

,

(2.10)

potom pro poměr okamžitého a ustáleného průtoku, tzv. průtočnou charakteristikou dávkovače platí

kde

q

Q  Qmax

bB

b

p0 dle obr. 2.7. pmax

1  bB A2

,

(2.11)

Znalost průtočné charakteristiky dávkovače umožňuje určit velikost hydraulického rázu a volit optimální dobu T, potřebnou pro přestavování armatur. Obr. 2.12 uvádí průtočnou charakteristiku trubkového dávkovače vypočtenou podle rov. (2.11). Průtočné charakteristiky při použití šoupátek (ventilů) jsou příznivější než u kohoutů, z obr. 2.12 je patrný i velký vliv délky potrubí na průběh průtočné charakteristiky. 22



Obr. 2.12 Průtočná charakteristika dávkovače - [ 4 ] Řešení statické charakteristiky TKD s využitím hydraulických odporů – analogicky s elektrotechnikou lze řešení hydraulických obvodů provádět s využitím sečítáním odporů. Pro turbulentní proudění je průtok kapaliny určen rovnicí

p  R.Q 2 ,

(2.12)

kde R je hydraulický odpor, jeho rozměr je [Pa.s2.m-6] Při řešení hydraulických obvodů se využijí pravidla pro součet odporů při sériovém a paralelním řazení – obr. 2.13 .

Obr. 2.13 Sériové a paralelní řazení hydraulických odporů Výsledný odpor dvou sériově řazených odporů je

R  R1  R2 ,

(2.13)

pro paralelní řazení dvou odporů lze odvodit rovnici 23



1 1 1   . R R1 R2

(2.14)

Pro tlakovou ztrátu třením v přímém dlouhém potrubí při proudění vody se může hydraulický odpor odvodit z Darcy-Weisbachovy následovně:

p

L v2 , D 2

rychlost definujeme z objemového průtoku

4.Q v  .D 2

16.Q 2  v  2 4,  .D 2

po dosazení tohoto výraz do předcházející rovnice dostaneme

p

L v2 8.L.    2 5 Q 2  R.Q 2 , D 2  .D

odkud pro hydraulický odpor platí

R

8.L. .  2 .D 5

(2.15)

Další definice hydraulického odporu pro místní ztrátu a tlakovou ztrátu v potrubí při proudění vody i suspenze uvádí tabulka 2.2. Tabulka 2.2

Rovnice pro hydraulické odpory

Poř. č.

Ztráta

Rovnice

Poznámka

1

Místní ztráta

2

Třecí ztráta pro vodu

R

8. .L.  2 .D 5

  f(Re,  )

3

Třecí ztráta pro suspenzi

R

8. .L. v 1   .cv   2 .D 5

  Durandova funkce

R 

8.  2 .D 4

24

 - ztrátový součinitel



Obr. 2.14 Blokové schéma TKD vyjádřené pomocí hydraulických odporů Náhradní schéma TKD vyjádřené pomocí hydraulických odporů uvádí obr.2.14 , indexy u jednotlivých odporů mají následující význam: k - komora po - odpor odpadního potrubí při plnění komory pp - odpor přívodního potrubí od čerpadla k dávkovači při plnění komory dp - odpor dopravního potrubí ppr -odpor přívodního potrubí od čerpadla k dávkovači při proplachu komory 1 - odpor armatury na komoře 1 2 - odpor armatury na komoře 2 Při výpočtu celkového odporu dávkovače se nejdříve sečtou odpory na obou komorách – obr. 2.14A

R k 1 R1  Rk  R1 R k 2  R2  Rk  R2

.

(2.16)

Tyto odpory jsou řazeny paralelně a sečtou se podle rov.(2.14), tím se získá celkový odpor obou komor dávkovače RK – obr. 2.14B

1  RK

1 1  . Rk 1 Rk 2

(2.17)

25



Celkový odpor dávkovače je dán součtem tří sériově řazených odporů – obr. 2.14C, pro plnění komory platí rovnice

R  Rpp  RK  Rpo ,

(2.18)

podobná rovnice platí i pro celkový odpor PKD při proplachování komory

R  Rppr  RK  Rdp .

(2.19)

Průtok vody nebo suspenze protékající dávkovačem se vypočítá z rovnice (2.12)

p  R.Q 2

 Q

p . R

(2.20)

Statická charakteristika TKD se pak vypočítá z rovnice (2.11)

q

Q . Qmax

(2.11)

Obr. 2.15 Statická průtočná charakteristika dávkovače při proplachování komory vypočtená metodou hydraulických odporů - [11] Lk =100m, Ld =1500m, Lppr = 1000m, ζk =10, ζd =20, ζppr =5 Podle předcházejících rovnic byl autorem vypracován software s názvem „Dávkovac.xls“ pomocí kterého lze snadno vypočítat statickou charakteristiku PKD. Program je sestaven tak, že pro závislost ztrátového součinitele armatur   f( z ) a pro zadané parametry TKD včetně parametrů proudění vody nebo suspenze si program spočítá velikosti odporů všech potrubí TKD a z nich pak stanoví celkový odpor TKD. U jednotlivých potrubí je možné vedle třecí ztráty zadat i velikost ztrát místních. Program může statickou charakteristiku řešit pro současné otevírání či uzavírání armatur v následujících variantách: - dvou armatur na každé komoře - jedné armatury na každé komoře - otevírání či uzavírání dvou rozličných typů armatur, např. šoupátko a zpětný ventil - otevírání či uzavírání dvou rozličných typů armatur s časovým zpožděním či předstihem - otevírání či uzavírání jedné nebo dvou armatur opatřených obtokovou armaturou Na obr.2.15 je uvedena průtočná charakteristika TKD vypočtená podle metodiky hydraulických odporů a programu „Dávkovac.xls“, parametry viz obr. 2.15.

26



Řešení dynamiky – hydraulického rázu dávkovače

2.12

Při přepínání armatur na komorách TKD dochází podle předcházející kapitoly ke změně průtoku, v důsledku čehož dochází ke změně tlaku (vznikají tlakové špičky), které je způsobeno zpomalováním nebo urychlením hmoty kapaliny nebo suspenze v samotných komorách, v přívodním i odpadním (dopravním) potrubí a také vyrovnáváním tlakového rozdílu mezi komorami. Pro modelování těchto jevů lze pohyb sloupce kapaliny popsat rovnicemi jednorozměrného proudění stlačitelné kapaliny (vlnová rovnice).

p a 2 Q  .  0; t S x

p  Q   R .Q .Q  0 . x S t

(2.21)

Rychlost zvuku je korigována o vliv pružnosti stěny potrubí 

1

  1 1 D  2  . a      K E s s 

(2.22)

Hydraulický odpor turbulentního proudění pro třecí ztrátu v potrubí je (L = 1 m) – viz Tab. 2.2

R

8. .L.  2 .D 5

,

(2.23)

8. .  2 .D 4

(2.24)

a pro místní ztrátu

R 

Hydraulický odpor armatury je časově proměnný v závislosti na otevření armatury a platí pro něj následující empirická rovnice

1 1 1 R  2  2 , 2 S h ,t  S

(2.25)

kde S(h,t) je okamžitý průřez armatury závislý na jejím zdvihu h a čase t. Pro řešení rovnice (2.21) se může použít grafická metoda SchnyderovaBergeronova, nebo se rovnice může řešit numericky např. metodou charakteristik, okrajové podmínky budou definovány podle použitých armatur u TKD. Řešením získáme časovou závislost tlaku a průtoku v libovolném místě TKD a potrubního systému při různém režimu (rychlosti) otevírání či uzavírání armatur. Výpočty časového průběhu tlaku pro jednotlivé případy ukazují na značný přínos obtokových armatur ke snížení tlakových špiček. Kromě tohoto efektu obtokové armatury také výrazně snižují otevírací síly hlavních armatur, které se otevírají až po vyrovnání tlaku přes obtokové armatury. Takto provedený výpočet umožňuje zvolit optimální časový diagram práce armatur TKD z hlediska minimalizace dynamických účinků v systému.

2.13

Hydraulický obvod pro otevírání a uzavírání armatur

Ovládání hlavních i obtokových armatur se s ohledem na relativně velké síly a krátký čas provádí zásadně hydraulickými válci. Řízení rychlosti otevírání nebo uzavírání armatur lze provádět škrcením, což je nejjednodušší řešení, lze také použít proporcionální rozvaděč nebo servoventil, hydraulický obvod je však v tomto případě složitější. Velikostí hydraulického rázu při otevírání nebo uzavírání lze snížit vhodně volenou rychlostí otevírání nebo uzavírání hlavních armatur. Není složité navrhnout hydraulický obvod. který bude uzavírání nebo otevírání provádět s různou rychlostí. U armatur pracujících současně lze 27



provést otevírání s malým předstihem oproti uzavírání, čímž by se rovněž omezila velikost hydraulického rázu. V dalším textu budou uvedeny zjednodušené hydraulické obvody pro otevírání a uzavírání vybraných typů armatur včetně obtoků. Klasické šoupátko Šoupátko s normálním – obr. 2.1F nebo jednostranným klínem – obr. 2.1G lze použít prakticky pro všechny čerpané kapaliny, bude však nejčastěji používáno pro suspenze a to jako armatura hlavní tak i pro obtok – hydraulický obvod uvádí obr. 2.16. Diferenciální zapojení je voleno z toho důvodu, že síla pro otevírání šoupátka F2 je větší než síla F1 potřebná pro uzavření šoupátka.

Obr. 2.16 Hydraulický obvod pro řízení klasického šoupátka v diferenciálním zapojení A – průběh sil při otevírání nebo uzavírání šoupátka, B - hydraulický obvod Schematicky je průběh síly při uzavírání a otevírání šoupátka uveden na obr. 2.16A, předpokládá se, že tlak před a za armaturou je stejný (jsou vyrovnány tlaky např. pomocí obtoku). V tomto případě síla při uzavírání šoupátka je v rovnováze pouze s odporovou v šoupátku. Tato síla je relativně malá, na konci uzavírání, kdy je klín zatlačován do drážky tato síla výrazně stoupne a má velikost

F1  p.( S1  S2 )  p.S 3 ,

(2.26)

kde p - tlak v hydraulickém obvodu nastavený na pojistném ventilu S1 – plocha pístu S2 – plocha mezikruží S3 – plocha průřezu pístnice Úhel klínu a drážky je malý, zařízení je obvykle samosvorné, proto v důsledku statického tření je síla F2 potřebná na vytažení klínu z drážky při vyrovnaném tlaku před a za šoupátkem bude větší než síla F1 –(cca F2 = 2. F1). Protože je použito diferenciální zapojení hydraulického válce, síla F2 potřebná na vytažení klínu z drážky má velikost

28



F2  p.S 2 a platí tedy, že

(2.27)

F2  F1

Vhodným poměrem ploch S2 /S1 lze volit v širokém rozsahu i poměr sil F2 /F1 . Je třeba si však uvědomit, že v tomto případě dochází i ke změně rychlosti uzavírání nebo otevírání šoupátka. Pro poměr S2 /S1 = 2/1 je pohyb šoupátka v obou směrech stejný. Hydraulický obvod je navržen s regulací rychlosti uzavírání nebo otevírání šoupátka škrcením na vstupu se stabilizací tlakového spádu, toto řešení umožňuje nastavit rychlosti tak, aby odpovídaly navrženému časovému diagramu. Pokud pracují dvě armatury současně, potom toto řešení umožňuje i synchronní chod těchto armatur. Když obtoková armatura bude rovněž šoupátko (menší světlosti), potom navržený hydraulický obvod bude stejný jako u hlavních armatur. Řízení armatur TKD podle navrženého časového diagramu bude odvozeno od koncových spínačů na hlavních i obtokových armaturách.

Obr. 2.17 Hydraulický obvod pro řízení deskového šoupátka v diferenciálním zapojení A – řízeny hlavní i obtokové armatury, B - řízeny pouze hlavní armatury Deskové šoupátko Deskové šoupátko – obr. 2.1D, E lze použít pouze pro čerpaní čistých kapalin, může být použito jak pro armatury hlavní tak i pro obtok – jedno z možných řešení hydraulického obvodu uvádí obr. 2.17. Obr. 2.17A uvádí případ, kdy jsou ovládány od koncových spínačů jak hlavní tak i obtokové armatury. Protože síla při manipulaci s obtokovou armaturou je menší než síla u hlavních armatur, je možné u obtoků vynechat koncové spínače, vhodný hydraulický obvod uvádí obr. 2.17B. Řízení rychlosti je v obou případech provedeno škrcením na vstupu do hydraulického válce, hydraulické zámky zajišťují, že šoupátko v krajních polohách je jištěno proti posunutí, obvod však bude pracovat i bez hydraulických zámků.

29



Ventil – kapalina přivedena pod kuželku Ventil – obr. 2.1C lze použít pouze pro čerpaní čistých kapalin, ve vyjímečných případech i pro jemnozrnné suspenze. Jedno z možných řešení hydraulického obvodu uvádí obr. 2.18. Protože kapalina je přivedena pod kuželku, není zapotřebí použití obtoků. Velikost hydraulického válce musí být navržena tak, aby vyvodil sílu, která je větší než síla působící na kuželku od tlaku dopravované kapaliny. Hydraulický válec bude mít v tomto případě relativně velký průměr, proto použití této varianty bude omezené. Hydraulický obvod musí mít hydraulický zámek, který zaručí, že při uzavření armatury nedojde v důsledku tlaku kapaliny na kuželku k jejímu pohybu. Řízení rychlosti uzavírání nebo otevírání je provedeno škrčením v přívodu do hydraulického válce se stabilizací tlaku

Obr. 2.18 Hydraulický obvod pro řízení ventilu – kapalina přivedena pod kuželku A – průběh sil, B – hydraulický obvod Ventil – kapalina přivedena nad kuželku Jak již bylo uvedeno, ventil – obr. 2.1C lze použít pouze pro čerpaní čistých kapalin, ve vyjímečných případech i pro jemnozrnné suspenze. Jedno z možných řešení hydraulického obvodu uvádí obr. 2.19A pro obtokovou armaturu ventil, nebo obr. 2.19B pro obtokovou armaturu deskové šoupátko. Protože kapalina je přivedena nad kuželku, je zapotřebí použití obtoků. Obtoková armatura může být ventil menšího průměru nebo i šoupátko. Řízení rychlosti uzavírání nebo otevírání je provedeno škrčením v přívodu do hydraulického válce se stabilizací tlaku. Hydraulický obvod má hydraulický zámek, který zajistí aretaci uzavíracích elementů v koncových polohách, jeho použití je vhodné pro každý případ uvážit.

30



Obr. 2.19A Hydraulický obvod pro řízení ventilu – kapalina přivedena nad kuželku, obtok ventil

Obr. 2.19B Hydraulický obvod pro řízení ventilu – kapalina přivedena nad kuželku, obtok deskové šoupátko

31


2.14


Charakteristika čerpadla a potrubí u TKD

Provozní bod systému čerpání kapalin nebo suspenzí pomocí TKD leží stejně jak u čerpadel v průsečíku charakteristiky čerpadla a charakteristiky potrubí. Při čerpání čisté vody za předpokladu konstantních otáček je pouze jedna charakteristika čerpadla a jedna charakteristika potrubí. Proto existuje pouze jeden provozní bod čerpadla. Čerpá-li se suspenze, mění se charakteristika čerpadla i charakteristika potrubí v závislosti na velikosti objemové koncentrace čerpané suspenze [1]. Tím nastává i změna provozního bodu čerpadla, to znamená, že se hlavně mění objemový průtok suspenze. U hydraulické dopravy se tlakový spád při proudění suspenzí is velmi často vyjadřuje (počítá) [ m.v.sl./m ]. Tyto výše uvedené skutečnosti je zapotřebí si dobře uvědomit při grafickém vyjádření charakteristiky čerpadla a potrubí. Hustota suspenze je větší než voda ρs > ρv, pokud budeme energii dodanou čerpadlem suspenzi vyjadřovat jako dopravní výšku – H , potom jsou dvě možnosti v jakých jednotkách vyjádřit tuto dopravní výšku čerpadla. V prvním případě lze výšku vyjádřit v metr sloupce suspenze [ m.sl. susp.], ve druhém případě v metrech sloupce vody [ m.v.sl./m ] . Samozřejmě místo výšky H může být použita měrná energie Y, tato má rozměr [ J/kg ] , nebo dopravní tlak pd , tento má rozměr [ Pa ] Skutečná charakteristika odstředivého čerpadla při čerpání vody se stanoví zpravidla měřením na zkušebně výrobního závodu. Všechny poznatky uvedené pro čerpání čistých kapalin – vody pochopitelně platí i pro čerpání suspenzí, složitější je ovšem stanovení charakteristiky kalového čerpadla. Suspenze má větší hustotu v porovnání s vodou, pevné částice se v suspenzi chovají pasivně, v důsledku čehož jsou při proudění suspenze větší ztráty než při proudění vody. Prakticky žádný výrobce těchto čerpadel nemá k dispozici zkušebnu na které by mohl měřit charakteristiku každého vyrobeného kalového čerpadla při čerpání suspenzí o různých koncentracích nebo suspenzí tvořených různými materiály charakterizované křivkou zrnitosti, případně středním průměrem zrna – dstř nebo d50 . Většina výrobců kalových čerpadel proto uvádí pouze charakteristiku H = f(Q) jako i ostatní důležité závislosti P = f(Q), η = f(Q), Δy = f(Q) pouze při čerpání čisté vody. Z praktických důvodů vzniká potřeba přepočítat charakteristiky čerpadla stanovené měřením při čerpání čisté vody na čerpání suspenzí. Je experimentálně potvrzeno, že nelineární pokles měrné energie a účinnosti čerpadla souvisí s rostoucí koncentrací nebo též hustotou suspenze, obě tyto veličiny u čerpání suspenze vzhledem k vodě rostou. U hydraulické popravy suspenzí je nutné si uvědomit, že pojem dopravní výška H nebo její změna ΔH je veličina vyjadřující měrnou energii předanou čerpadlem nebo spotřebovanou dopravním systémem, vztaženou na 1kg, vyjádřenou v metrech sloupce této suspenze o hustotě ρs . Protože celý problém výrazně ovlivňují hydraulické ztráty, které jsou při proudění suspenzí větší než při proudění čisté vody, dá se očekávat, že když výšku H vyjádříme v [ m.sl. susp.], potom charakteristika kalového čerpadla při čerpání suspenze leží pod charakteristikou při čerpání vody, naopak pro výšku H vyjádřenou v [ m.v.sl.], potom charakteristika kalového čerpadla při čerpání suspenze leží nad charakteristikou pro čistou vodu. Z fyzikálního hlediska bude výhodné u čerpání suspenzí při konstrukci charakteristiky čerpadla a spolupráce čerpadla s potrubím místo dopravní výšky používat veličinu měrná energie Y- [J/kg]. V tomto případě bude charakteristika pro suspenzi ležet pod charakteristikou pro vodu. U hydraulické dopravy pomocí dávkovače je zapotřebí rozlišit stav plnění komory suspenzí obvykle kalovým čerpadlem a její proplachování vodou vysokotlakým čerpadlem. Při čerpání čistých kapalin pomocí TKD toto rozlišení nevzniká.

32



Plnění komory TKD suspenzí nebo čistou kapalinou Suspenze - spolupráce plnícího (kalového) odstředivého čerpadla s dávkovačem je uvedena na obr. 2.20. Předpokládejme, že při zahájení provozu TKD komora dávkovače, odpadní i přívodní potrubí jsou zaplněny vodou. Při spuštění bagrovacího čerpadla toto čerpá suspenzi a jeho provozní stav je určen bodem A1 nebo A2 , podle toho jaké jsou otáčky čerpadla. Charakteristika kalového čerpadla pro suspenzi jak již bylo uvedeno na začátku této kapitoly, leží pod charakteristikou pro vodu. Čerpadlo dále čerpá suspenzi, kterou se postupně zaplní přívodní potrubí k dávkovači, zvyšuje se velikost třecí ztráty a charakteristika potrubí se posune směrem k menším průtokům (na obrázku je označena jako „začátek proplachování“) provozní stav je určen bodem B1 nebo B2 . Nyní se začíná plnit suspenzí komora dávkovače a charakteristika potrubí se stále posouvá směrem k menším průtokům, jakmile je komora celá naplněna suspenzí, potom provozní stav bagrovacího čerpadla je určen bodem C1 nebo C2. V odpadním potrubí proudí po celou dobu plnění komory voda. V dalším cyklu je již přívodní potrubí zaplněno suspenzí a proto provozní stav bagrovacího čerpadla leží ve vybarvené oblasti určené body B1 ,B2, C1 , C2 . Pokud je objemová koncentrace suspenze malá, nebo komora TKD je krátká, potom body B a C splynou, což se při plnění komory TKD obvykle předpokládá. Vzhledem k tomu, že bagrovací čerpadlo čerpá suspenzi, potom v důsledku abraze se může zmenšit průměr oběžného kola, což se projeví poklesem měrné energie (dopravní výšky) a tedy změnou charakteristiky čerpadla. Zmenšení průměru oběžného kolo se projeví při plnění komory TKD stejně jako snížení otáček – obr. 2.20. Voda - spolupráce plnícího odstředivého čerpadla s TKD při plnění komory čistou kapalinou – vodou je rovněž uvedena na obr. 2.20. Pro čerpání čistých kapalin je pouze jedna charakteristika potrubí a pro otáčky n = konst., i jedna charakteristika čerpadla. Provozní stav pak pro otáčky n1 leží tedy v bodě „D1“ a pro snížené otáčky n2 pak v bodě „D2“. Provozní bod se tedy pohybuje po charakteristice potrubí mezi body „D1“ a „D2“.

Obr. 2.20 Spolupráce plnícího kalového čerpadla s dávkovačem při proměnných otáčkách čerpadla pro cv = konst. - [12] Proplachování komory TKD čistou kapalinou U hydraulické dopravy pomocí dávkovače čerpá vysokotlaké odstředivé čerpadlo stále čistou vodu i při změně objemové koncentrace, tj. i při změně hustoty suspenze. Charakteristika čerpadla je tedy pouze jedna, a to pro čistou vodu a provozní bod leží proto 33



na této charakteristice. Pro proplachování komory dávkovače je možné použít jak čerpadla objemová tak i odstředivá. Odstředivé čerpadlo - na obr. 2.21 je uvedena spolupráce odstředivého vysokotlakého čerpadla a potrubí při proplachování komory TKD. Čerpadlo může být vybaveno pohonem s proměnnými otáčkami. Předpokládejme, že celý potrubní systém včetně komory a dopravního potrubí je zaplněn vodou. V tomto případě provozní stav systému je určen body A1 nebo A2 podle zvolených otáček čerpadla. Je-li dopravní potrubí na začátku činnosti čerpacího systému naplněno vodou a komora suspenzí, potom provozní stav systému leží na charakteristice potrubí určené body B1 a B2 . Za normálního provozu čerpacího systému, kdy je v celém dopravním potrubí suspenze a začíná se proplachovat komora, která je rovněž celá zaplněna suspenzí, potom provozní stav systému je určen body C1 a C2 . Jakmile se začne postupně proplachovat komora, ve které se postupně suspenze nahrazuje vodou, potom se provozní stav systému postupně přesouvá do bodů D1 a D2 . Pracovní oblast při proplachování komory TKD leží tedy v oblast C1, D1, C2, D2 . Vzdálenost mezi body C a D se bude snižovat s rostoucí délkou dopravního potrubí, obvykle je malá, proto ji lze zanedbat. Při ukončení činnosti dopravního systému se popsaný děj bude opakovat, bude však zrcadlově obrácen. Pro dlouhé dopraví potrubí splynou bodem B, C a D, provozní stav vysokotlakého čerpadla bude určen body C1 nebo C2 podle velikost otáček čerpadla. Pokud otáčky čerpadla budou konstantní, pak provozní stav systému bude ležet na křivce A1, C1 .

Obr. 2.21 Spolupráce vysokotlakého – proplachovacího odstředivého čerpadla při proměnných otáčkách s dávkovačem pro cv = konst - [12] Objemové čerpadlo - na obr. 2.22 je uvedena spolupráce objemového vysokotlakého čerpadla při proplachování komory TKD. Čerpadlo může být vybaveno pohonem s proměnnými otáčkami. Situace je prakticky stejná jako u odstředivého čerpadla, vliv komory na proplachování je malý a není zakreslen. Za normálního provozu čerpacího systému, kdy je v celém dopravním potrubí suspenze a začíná se proplachovat komora, která je rovněž celá zaplněna suspenzí, potom provozní stav systému je určen body C1 a C2 . Jakmile se začne postupně proplachovat komora, ve které se postupně suspenze nahrazuje vodou, potom se provozní stav systému postupně přesouvá do bodů D1 a D2 . Pracovní oblast při proplachování komory TKD leží tedy v oblast C1, D1, C2, D2 . Vzdálenost

34



mezi body C a D se bude snižovat s rostoucí délkou dopravního potrubí, obvykle je malá, proto ji lze v mnoha případech zanedbat. Návrh potrubí, výpočet tlakové ztráty a charakteristiky potrubí pro proudění vody nebo suspenze, výpočet charakteristiky plnícího i proplachovacího vysokotlakého čerpadla a jeho spolupráce s potrubím, návrh plnícího – kalového i vysokotlakého proplachovacího odstředivého čerpadla pro oba okruhy lze provést podle programu autora „Hydraulicka doprava.xls“. Program obsahuje databanku čerpadel ze které je možné čerpadlo vybrat, uživatel programu může databanku doplňovat o další čerpadla různých výrobců podle svého výběru. K programu je zpracován podrobný návod.

Obr. 2.22 Spolupráce vysokotlakého - proplachovacího objemového čerpadla s dávkovačem pro cv = konst - [12]

2.15

Sériové nebo paralelní řazení TKD

Zdrojem tlaku a průtoku při aplikaci TKD je obvykle odstředivé ve speciálních případech i objemové čerpadlo. Protože čerpadla je možné řadit sériově nebo paralelně, stejná možnost proto platí i pro TKD. Sériové řazení TKD - sériové řazení dvou TKD ( je pochopitelně možné řadit do série i více TKD) uvádí pro souproudé i protiproudé provedení TKD obr. 2.23. U prvního TKD je plnění komory provedeno klasickým způsobem a to odstředivým čerpadlem pro čistou kapalinu, u suspenzí pak kalovým odstředivým čerpadlem. U druhého případně dalších TKD pro plnění komory jsou možná dvě varianty řešení. V prvním případě je dopravní potrubí prvního TKD zapojeno přímo do plnění druhého TKD, druhá varianta předpokládá, že dopravní potrubí prvního TKD je zavedeno na jeho konci do akumulační nádrže, odkud jsou plněny jeho komory dalším plnícím čerpadlem. Obě varianty jsou technicky proveditelné, první varianta by vyžadovala regulaci průtoku tak, aby u obou TKD byl průtok stejný, varianta druhá je z hlediska spolehlivosti provozu výhodnější. Sériová zapojení dvou a více TKD umožňuje dosažení většího provozního tlaku, situování druhého TKD bude asi výhodnější v polovině dopravní vzdálenosti, realizovat dva sériově řazené TKD na začátku trasy se jeví jako méně výhodné. Sériové řazení TKD je možné realizovat i pro dávkování kontejnerů do dopravního potrubí. Na obr. 2.23 je uvedena čára tlaku pro variantu, že druhý TKD je v polovině trasy potrubí, čára tlaku je stejná pro souproudé i protiproudé provedení TKD.

35



Obr. 2.23 Sériové řazení TKD v souproudém i protiproudém provedení A – bez akumulační nádrže, B – s akumulační nádrží

36



Spolupráce dvou i více sériově řazených TKD s potrubím lze řešit jako klasickou úlohu sériové řazení dvou nebo více čerpadel. Vznikají následující možné varianty s přihlédnutím na použitá čerpadla a dopravovanou kapalinu: 1. plnění komory TKD suspenzí kalovým odstředivým čerpadlem (např. u hydraulické dopravy). V tomto případě bude použito jedno kalové čerpadlo. Tato úloha je podrobně popsána v kap. 2.14, obr. 2.20. 2. plnění komory TKD čistou kapalinou (např. u centrální klimatizace dolů), v tomto případě se jedná o klasickou úlohu spolupráce čerpadla a potrubí. Tato úloha je rovněž podrobně popsána v kap. 2.14, obr. 2.20. 3. proplachování komor každého TKD samostatným vysokotlakým odstředivým čerpadlem. Čerpadlo čerpá čistou kapalinu, obvykle vodu, v dopravím potrubí proudí suspenze, spolupráce čerpadla a potrubí je podrobně popsána v kap. 2.14, obr. 2.21. Pokud v dopravním potrubí je dopravována čistá kapalina (např. pro klimatizaci dolů) potom podrobné řešení je v kap. 2.14, obr. 2.21 4. proplachování komor každého TKD samostatným vysokotlakým objemovým čerpadlem. Čerpadlo čerpá čistou kapalinu, obvykle vodu, v dopravím potrubí proudí suspenze nebo čistá kapalina – voda, i tato varianta je podrobně řešena v kap. 2.14, obr. 2.22. Pokud v dopravním potrubí je dopravována čistá kapalina, potom použití objemových hydrostatických čerpadel asi není technicky zajímavá

Obr. 2.24 Paralelní řazení TKD A – souproudé provedení, B – protiproudé provedení 37



Paralelní řazení TKD – paralelní řazení dvou TKD ( je pochopitelně možné řadit paralelně i více TKD) uvádí pro souproudé i protiproudé provedení TKD obr. 2.24.. Obě varianty jsou technicky proveditelné. Paralelní zapojení dvou a více TKD umožňuje dosažení většího průtoku. Plnění komory každého TKD bude výhodné provést samostatným odstředivým čerpadlem a to jak pro plnění suspenzí nebo čistou kapalinou, tato úloha je podrobně popsána v kap. 2.14, obr. 2.20. TKD jsou sice zapojeny paralelně, plnící čerpadla však pracují každé samostatně. Podle obr. 2.24 má každé plnící čerpadlo svou samostatnou jímku, je možná i varianta společné jímky pro všechna plnící čerpadla. Čerpadla zajišťující proplachování komory TKD jsou v tomto případě řazena paralelně, s velkou pravděpodobností budou použita čerpadla stejná, jejich spolupráci s dopravním potrubím uvádí obr. 2.25. Čerpadla jsou stejná a mají charakteristiku C1 = C2. Jejich součtem se získá výsledná charakteristika C1 + C2. Provozní bod při čerpání čisté kapaliny – vody leží v průsečíku výsledné charakteristiky čerpadel a charakteristiky potrubí – bod „2“, pro suspenzi pak bod „2´“. Více podrobností uvádí např. [12].

Obr. 2.25 Charakteristika dvou paralelní řazených odstředivých čerpadel a potrubí při čerpání suspenze nebo čisté kapaliny - vody- [ 12,13 ]

38



3. Dávkovače pro hydraulickou dopravu Průchod dopravovaného materiálu přes bagrovací čerpadlo je pochopitelně spojen s určitými provozními i technickými potížemi. Především trpí abrazí samotné oběžné kolo a některé další části bagrovacího čerpadla. Šířkou kanálu oběžného kola je omezena maximální velikost zrna dopravovaného materiálu, částečně je omezena i velikost objemové koncentrace a u materiálu dochází k degradaci. Nejzávažnějším problémem při používání bagrovacích čerpadel je však omezená velikost jejich dopravního tlaku. Uvedené nedostatky se dají odstranit použitím dávkovačů, které umožňují rovnoměrný přechod materiálu do dopravního potrubí, ve kterém proudí kapalina pod potřebným tlakem, jehož hodnota může být několikrát větší než dopravní tlak všech známých kalových čerpadel. Z velkého množství různých konstrukcí dávkovačů (jako např. komorové, trubkové, šnekové, rotační, pístové a jiné) se průmyslově uplatnily pouze dávkovače trubkové a komorové, a proto budou stručně popsány pouze tyto dvě skupiny dávkovačů. V každé z těchto skupin existuje celá řada různých řešení a variant - [1].

3.1 Stručná historie vývoje dávkovačů V uhelném hornictví prakticky po celém světě se v 50-tých letech minulého století začalo uplatňovat rozpojování uhlí vysokotlakým vodním paprskem s následnou hydraulickou dopravou takto vytěženého uhlí – tzv. hydromechanizace. Tato technologie výrazně přispěla k rozvoji hydraulické dopravy, protože tato byla součástí celého technologického komplexu hydromechanizace. Hydraulická doprava pro tlaky do 1MPa byla realizována pomocí kalových čerpadel, v případě jejich sériového řazení se daly zvládnout tlaky až 3MPa. V této době byla realizována hydraulická doprava černého energetického uhlí v USA na vzdálenost 173 km, k čerpání suspenze byla použita pístová kalová čerpadla. Vedle uhlí se hydraulická doprava uplatnila i při dopravě jiných materiálů jako např. písek, hlušina, gilsonit, niklová ruda, měděné koncentráty, uranová ruda, drcený vápenec, kaolin, fosfátová ruda, železná ruda, popílek apod. V celé řadě státu jako např. Austrálii, Čína, Japonsko, Německo, Francie, Polsko, ČSSR apod. se začala intenzivně rozvíjet hydromechanizace s hydraulickou dopravou. Největšího rozmachu pak bylo dosaženo především v bývalém Sovětském svazu, kde bylo vybudováno několik hydromechanizovaných uhelných dolů, včetně vertikální hydraulické dopravy vytěženého uhlí z dolu na povrch. Hydraulická doprava uhlí byla realizována pomocí jednostupňových i dvoustupňových kalových čerpadel, často zapojených do série. Kalová čerpadla měla při aplikaci celou řadu omezení, zde bych jmenoval především omezenou dopravní výšku a malou životnost. Byly proto hledány nové systémy čerpání suspenzí, pro tato nová zařízení se vžil název dávkovač. V uvedeném období bylo publikováno několik desítek návrhů dávkovačů, často formou patentu. V mnoha státech světa se vedl intenzivní výzkum těchto zařízení, ne ve všech případech se podařilo výzkum dávkovačů dovést do průmyslové aplikace - [1]. V roce 1960 bylo ve Francii na dole Devillainne v St. Etienne uvedeno do provozu zařízení pro hydraulickou dopravu uhlí z dolu na povrch a to z hloubky 180 m, výkon dopravy 45 až 54 tun/hod. což představuje roční kapacitu 500 000 tun/rok. Hydraulická doprava byla realizována pomocí dvoukomorového dávkovače a U trubice s odstředivým čerpadlem umístěným na povrchu dolu, uzavírací armatury byly hydraulicky ovládané klapky. Na tomto projektu je zajímavé asi první užití dávkovače a U trubice pro vertikální dopravu. Ve Skotsku na dole Woodend byl okolo roku 1960 postaven asi první tříkomorový TKD - [7] pro dopravu uhlí z dolu na povrch – obr. 3.1. Průměr komory 200 mm, výkon doprava 80 tun/hod., délka komory 26 m. Doba uzavření nebo otevření hlavních armatur 3 s, obtoků pouze 1 s.

39



Obr. 3.1 Schéma tříkomorového dávkovače [7] 1 – jímka pro směs, 2 – jímka pro čistou vodu, 3 – plnící čerpadlo, 4 – vysokotlaké čerpadlo, 5 – čerpadlo odpadní vody, 6 – dopravní potrubí, A,B,C,D,E – armatury Pro hydraulickou dopravu uhelných kalů byl v Anglii postaven TKD [50] se dvěma vertikálními komorami, zařízení mělo kapacitu 28tun/hod., průměr potrubí 75mm, délka dopravy 1100m, geodetická výška 25m, suspenze měla objemovou koncentraci 0,4 – obr. 3.2.

Obr. 3.2 Hydraulická doprava uhelných kalů na skládku pomocí dávkovače [8] 1 – přívod kalů, 2 – zahušťovač, 3 – kalové čerpadlo, 4 – zásobník, 5 – dávkovač, 6 – uzavírací armatury, 7 – tlakové čerpadlo, 8 – filtr, 9 – dopravní potrubí, 10 – čerpadlo odpadní vody, 11 – snímač výšky hladiny, 12 – kontrolní měřící přístroj

40



V bývalém SSSR bylo navrženo snad i realizováno několik různých variant dávkovačů. Bylo realizováno zajímavé řešení dvoukomorového dávkovače s objemem komory 60m3, komora byla vyražena přímo v hornině jako šibík,výztuž komory železobeton s ocelovým pláštěm – obr. 3.3. Dopravní tlak 6,5 MPa, armatury byly umístěny v důlních chodbách nad a pod dávkovačem, výkon dopravy činil 35 tun hlušiny/hod, průměr potrubí 200 mm. Obdobné návrhy uvádí literatura i z Austrálie.

Obr. 3.3

Velkokomorový dávkovač typ UBP - [1]

V Polsku byl prováděn na přelomu padesátých a šedesátých let intenzivní výzkum dávkovačů, výsledkem tohoto výzkumu byl komorový dávkovač s označením GIG 3, tento byl provozován na několika šachtách [1]. Tento dávkovač měl svislou komoru průměru cca 1000mm, komora byla sestavena ze segmentů spojovaných šrouby, její objem se dal proto vhodně měnit. Dávkovač GIG 3 odpovídá obr. 1.1.

Obr. 3.4 Dávkovač GIG 3 – axonometrický pohled

41



Obr. 3.5 Dávkovač GIG 3 – uspořádání dávkovače v šibiku

Obr. 3.6 Dávkovač GIG 3 1 – komora, 2 – šnekový vynašeč, 3 – armatura pro suspenzi, 4 – odměrný zásobník, 5 – zásobník uhlí

42



Obr. 3.7 Dávkovač GIG 3 A – pohled na model dávkovače, B – komora dávkovače ve výrobní hale, C – detail šnekového vynašeče ve spodní části komory Na šachtě Andaluzia byla pomocí tohoto dávkovače realizována vertikální doprava suchého uhlí v jámě o svislé výšce 340m, výkon dopravy činil 120 tun/hod., při průměru potrubí 200mm – obr. 3.5, situování dávkovače v šibíku – obr. 3.6, pohled na dávkovač uvádí obr. 3.7. Na šachtě Děmbinsko byl dávkovač GIG 3 rovněž užit pro vertikální dopravu uhlí z hloubky 232 m, byl využit systém U trubice, kapacita dopravy činila 140 tun/hod., průměr potrubí byl 250 mm. V obou případech měly dávkovače dvě komory v jejich spodní části pak byl šnekový vynašeč, tento zajišťoval rovnoměrnou koncentraci suspenze v dopravním potrubí. Na úrovni projektů byly rozpracovány komorové dávkovače s výkonem 100 až 600 tun/hod, počet komor dvě nebo tři, provozní tlak 7, 12 a 16 MPa, objem komory se dal upravit vhodným počtem segmentů. Dávkovače byly navrženy s odměrným zásobníkem i s přímým plněním komory pomocí šnekového podavače. Umístění těchto dávkovačů v dole bylo v tzv. šibíku výšky cca 2O m. Byly rovněž navrženy dávkovače s vodorovnou komorou až průměru 2 m, tyto dávkovače měly dva šnekové podavače, jeden sloužil pro rovnoměrné rozložení uhlí v komoře, druhý plnil funkci vynašeče. Umístění těchto dávkovačů se dalo realizovat ve vodorovném důlním díle, jeho vybudování je výrazně levnější než u šibíku. Na přelomu padesátých a šedesátých let se v ČSSR vedl relativně intenzivní výzkum v oblasti hydromechanizace na uhelných šachtách. Na stávajících šachtách byly budovány hydromechanizované úseky, a to na dolech v Kladně a Ostravě, kde se hydromechanizace realizovala na několika šachtách, z různých důvodů se nakonec hydromechanizace včetně vertikální hydraulické dopravy provozovala pouze na dole Trojice.

43



Výzkum hydromechanizace i hydraulické dopravy byl podporován v té době velmi moderní zkušebnou postavenou v Opavě v areálu fa Ostroj. Asi do roku 1960 výzkum v této oblasti zastřešovala fa Ústav důlní mechanizace se sídlem v Praze. Tato firma byla v uvedené době zrušena a nástupnická fa vznikla v Ostravě s názvem OKD Závod automatizace a mechanizace. U této firmy pak pokračoval výzkum nejen hydromechanizace ale i hydraulické dopravy cca dalších 15 let. Výzkum v oblasti hydraulické dopravy byl řešen komplexně, vedle výzkumu hydraulických ztrát řešených ve spolupráci s Akademií věd – Ústavem pro hydrodynamiku, byl výzkum zaměřen na řešení kalových čerpadel 250 NBA, vysokotlakých čerpadel 200 CDR ve spolupráci s fa Sigma, hydromonitorů, trysek pro hydromonitory, multiplikátorů tlaku a podstatná část výzkumu byla zaměřena na vývoj dávkovačů a to jak dávkovačů se svislou tak i vodorovnou komorou. Dávkovač se svislou komorou byl řešen podle holanského patentu, jeho vývoj nebyl úspěšný. Od roku asi 1962 se pokračovalo pouze na vývoji dávkovače s vodorovnou komorou TKD, tento nesl označení VD 100. Dávkovač byl postaven na 6. patře dolu Trojice a dopravoval uhlí těžené hydromechanizací z dolu na povrch do úpravny. Dávkovač měl dvě komory délka asi 200m a průměr komory 200mm, tento byl stejný jako průměr dopravního potrubí, průtok suspenze 6m3/min, jmenovitý tlak 4 MPa. Uzavírací armatury byly kohouty s válcovým rotorem uloženým na válivých ložiskách ovládaných hydraulickým válcem. Řízení dávkovače provedeno pomocí reléové automatiky a koncových spínačů na armaturách, hydraulické válce ovládány pomocí elektrohydraulických rozvaděčů. Svislá výška hydraulické dopravy byla 209,5m, délka dopravního potrubí 65Om, max průměr zrna 60mm a výkon dopravy činil 54 tun/hod. – obr. 3.8.

Obr. 3.8 Technologické schéma hydraulické dopravy na dole Trojice – [1] 1 – přívod suspenze, 2 – jímka, 3,4 – kalová čerpadla 200NUD, 5 – dopravní potrubí, 6 – kalová čerpadla 200 NUD na 3. patře, 7 – dopravní potrubí, 8 – plnící čerpadlo TKD, typ 250 NBB, 9 – plnící potrubí, 10 – dávkovač VD 100, 11 – vysokotlaké čerpadlo BVA 6, 12 – jímka odpadní vody z TKD, 13 – odpadní potrubí z TKD, 14 – dopravní potrubí v jámě, 15 – úpravna uhlí na povrchu dolu 44



Dávkovač VD 100 - [1] byl postaven v blízkosti jámy na 6 patře, zde bylo také vysokotlaké čerpadlo Sigma typ BVA 6 včetně potřebné elektroinstalace. Plnící čerpadlo Sigma typ 250 NBB bylo instalováno v hydroúseku cca 1000m od dávkovače. Zkoušky dávkovače proběhly úspěšně, dávkovač byl používán pro hydraulickou dopravu uhlí dobývaného hydromechanizací na dole Trojice až do skončení činnosti hydromechanizovaného úseku. Na základě zkušeností s vývojem dávkovače VD 100 byl vyprojektován, vyroben a postaven dávkovač s označením VD 140 pro hydraulickou dopravu kamene – výpěrku z úpravny koksovny Šverma v Ostravě na odval, systém začal pracovat asi v r. 1964. Do vývoje dávkovačů v ČSSR zasáhlo rozhodnutí RVHP v roce 1965, jehož rozhodnutím byl delimitován vývoj dávkovačů do Maďarska. Hydraulická doprava byla řešena na Vysoké škole v Miškolci a u fa Melyeptev v Budapešti. V Závodě automatizace a mechanizace OKD v Ostravě byla shromážděna kompletní výkresová dokumentace PKD a tato byla poslána do Maďarska. Zde pokračoval vývoj i výroba TKD, bylo vyrobeno asi 8 ks TKD, tyto byly hlavně používány pro hydraulické odstruskování na tepelných elektrárnách v Maďarsku, dva dávkovače s průměrem komory 200mm byly dodány na elektrárnu Nováky na Slovensku, kde úspěšně pracovaly asi 10 let, snad i déle. Jeden dávkovač byl také dodán do Německa, kde pracoval na uhelném dole Hansa. Původní TKD dodaný z Maďarska byl použit pro vertikální hydraulickou dopravu uhlí,později byl použit pro dopravu studené vody pro centrální klimatizaci dolu. Okolo roku 1980 se hydraulická doprava v ČSSR využívala především pro dopravu popelovin na tepelných elektrárnách, kde se spalovalo vysocepopelnaté hnědé uhlí, dopravované množství popelovin bylo cca 10 až 15 mil.tun /rok. Na mnoha elektrárnách byla kapacita složiště již vyčerpána, další složiště se nacházela ve větší vzdálenosti od elektrárny, k zvládnutí hydraulické dopravy pomocí kalových čerpadel bylo zapotřebí dvou i více kalových čerpadel zapojených do série. Firma Melyeptev měla situaci s hydraulickou dopravou na elektrárnách v ČSSR podrobně zmapovanou a začala proto nabízet použití TKD ovšem za ceny, které v této době byly neúměrně vysoké a proto prakticky neakceptovatelné. Na tuto situace zareagoval Výzkumný ústav Sigma, který do této doby nikdy hydraulickou dopravu neřešil a prosadil vznik úkolu s názvem „komponenty pro hydraulickou dopravu“ v rozsahu cca 5O mil. Kč, což byl na tuto dobu z hlediska financí velmi rozsáhlý úkol. Úkol byl sice za tři roky vyřešen,

45



Tabulka 3.1 Přehled zařízení hydraulické dopravy podle [ 6 ].

výstupem však nebyl TKD, pouze jeho komponenty jako vysokotlaká a kalová čerpadla, armatury, řízení, dynamika TKD apod. Po roce 1990 na tyto výsledky navázala nově vzniklá firma Hydrosystem Olomouc a realizovala cca 8 ks TKD pro hydraulickou dopravu bauxitu a popelovin. Několik příkladů hydraulické dopravy z posledních let podle fa Siemag uvádí tabulka 3.1 - [ 6 ]. 46



3.2 Dávkovač se dvěma komorami Aby proudění v dopravním i plnicím potrubí bylo plynulé, je nutné volit u TKD dvě nebo tři komory. Na obr. 3.9 je TKD se dvěma komorami v souproudém provedení, včetně jeho časového diagramu..

Obr. 3.9 Časový diagram dvoukomorového TKD v souproudém provedení – T = 2.t3 a průběh průtoku a tlaku v čase 47



Tento je sestaven tak, že hlavní armatury se otevírají nebo zavírají za 4s, obtokové armatury se otevírají nebo uzavírají za 2s, jsou samozřejmě možná i jiná řešení časového diagramu. Provoz dvoukomorového TKD je plynulý s výjimkou časového intervalu t2, kdy se přestavují armatury. V této fázi činnosti dochází k zastavení průtoku u bagrovacího čerpadla, naopak u vysokotlakého čerpadla je provoz z hlediska průtoku vody plynulý. Pro hydraulickou dopravu lze volit TKD v souproudém i protiproudém provedení, oddělení vody od suspenze v komoře není nutné Dvoukomorový TKD podle předcházejícího obrázku byl realizován na dole Trojice v Ostravě - [8], kde zajišťoval vertikální hydraulickou dopravu uhlí těžené hydromechanizací z dolu na povrch do úpravy, TKD nesl označení VD 100. Byl to první dávkovač vyvinutý v ČSSR a současně i průmyslově nasazený. Dávkovač byl postaven na 6. patře dolu Trojice, měl dvě komory délka asi 200m a průměr komory 200mm, tento byl stejný jako průměr dopravního potrubí, průtok suspenze 6m3/min, jmenovitý tlak 4 MPa – obr. 3.Y Svislá výška hydraulické dopravy byla 209,5m, délka dopravního potrubí 650m, max. průměr zrna 60mm a výkon dopravy činil 54 tun/hod.

Obr. 3.10 Dávkovač VD 100 na dole Trojice A – výstupní část dávkovače s kohouty na dole Trojice, B,C,D – detail armatur – kohoutů s koncovým vypínačem Uzavírací armatury byly kohouty s válcovým rotorem uloženým na válivých ložiskách ovládaných hydraulickým válcem – obr. 3.11, zjednodušený řez kohoutem uvádí obr. 2.1B. Volba použití kohoutu místo šoupátka jako uzavírací armatury byla volena z toho důvodu, že v té době se jeho výroba dala relativně rychleji realizovat. Kohout měl relativně tuhou

48



konstrukci, rotor byl uložen na válivých ložiskách, z těchto důvodů se otevírání nebo uzavírání při rozdílu tlaku 4 MPa dalo realizovat hydraulickým válcem o průměru 100 mm při tlaku oleje do 12 MPa. TKD byl v prvním návrhu opatřen obtokovou armaturou, tato však byla z výše uvedených důvodů později vypuštěna. Kohout nebyl z pochopitelných důvodů absolutně těsný, objemová netěsnost však byla přijatelná. Řízení dávkovače provedeno pomocí reléové automatiky a koncových spínačů na armaturách – obr. 3.10 B,C,D, hydraulické válce – obr.3.10 B,C ovládány pomocí elektrohydraulických rozvaděčů.

Obr. 3.11 Kohout s válcovým rotorem Dávkovač VD 100 byl postaven v blízkosti jámy na 6 patře, zde bylo také vysokotlaké čerpadlo Sigma typ BVA 6 – obr.3.10 C včetně potřebné elektroinstalace. Plnící čerpadlo Sigma typ 250 NBB bylo instalováno v hydroúseku cca 1000m od dávkovače – obr. 3.12 A,B.

Obr.3.12 Plnící a vysokotlaké čerpadlo dávkovače VD 100 na dole Trojice A,B – plnící kalové čerpadlo Sigma 250NBB, C – proplachovací vysokotlaké čerpadlo Sigma BVA Plynulého chodu plnícího kalového čerpadla se dá dosáhnout použitím další armatury E – obr. 3.13, která v okamžiku, kdy je skončeno plnění komory přepouští čerpanou suspenzi zpět do jímky nebo do speciálního zařízení, tzv. zahušťovače (tento není v obr. 8.30 zakreslen), čímž je zajištěn nepřerušovaný režim i bagrovacího čerpadla – obr.8.30B. Na základě zkušeností s vývojem dávkovače VD 100 byl vyprojektován, vyroben a postaven dávkovač s označením VD 150/40 pro hydraulickou dopravu kamene – výpěrků z úpravny koksovny Šverma v Ostravě na odval, systém začal pracovat asi v r. 1964 - [1]. Průměr potrubí byl 150 mm, délka dopravy asi 1500 m, geodetická výška asi 15 m, dopravní výkon 60 tun/hod., plnící kalové čerpadlo Sigma 250 NBB, proplachovací čerpadlo Sigma BVA 6. Parametry zařízení uvádí tabulka 3.2. 49



Obr. 3.13 Schéma dvoukomorového TKD v souproudém provedení s obtokovou armaturou „E“ a časový diagram

50



Tabulka 3.2 Parametry zařízení TKD na koksovně Šverma v Ostravě Veličina Výkon dopravy Objemový průtok suspenze Rychlost proudění suspenze Objemová koncentrace Délka dopravy Průměr dopravního potrubí Max. průměr částice Dopravní výška kalového čerpadla Dopravní výška vysokotlakého čerpadla

Rozměr tun/hod. m3/s m/s Cv m mm mm m m

Velikost 60 3 3,73 0.13 1500 150 60 22 220

Obr. 3.14 Dávkovač VD 140 na koksovně Šverma v Ostravě A – čerpací stanice s dávkovačem VD140, B – komory dávkovače, C – kohouty na komorách dávkovače, D – výstup z dávkovače,v pozadí vertikální odstředivá čerpadla

Obr.3.15 Dávkovač VD 140 na koksovně Šverma v Ostravě A – detail kohoutu s koncovým spínačem, B – hydraulické agregáty pro otevírání kohoutů, C – výtok suspenze na odvalu, D – zařízení pro měření hydraulického rázu [4] 51



Podle obr. 3.9 při uzavírání armatur A1 nebo A2 proudí těmito armaturami suspenze, což má podstatný vliv na spolehlivou funkci i životnost. Úpravou časového diagramu podle obr. 3.16 se dá tento nedostatek řešit.

Obr. 3.16 Časový diagram TKD s opožděným uzavíráním armatur v souproudém provedení Dvoukomorové dávkovače s vícecestnými armaturami - Armatura – kohout se dá řešit jako dvoucestná, třícestná nebo čtyřcestná, příkladem čtyřcestných armatur pro čtyři typy rotorů uvádí obr. 3.17. Z těchto čtyřcestných armatur se dají snadno odvodit armatury třícestné nebo dvoucestné. Dvoukomorový TKD se dají řešit i s použitím vícecestných armatur, jak uvádí obr. 8.32, jsou však možné i další kombinace – [ 2 ]. Tyto armatury umožňují realizovat TKD 52



s menším počtem armatur. Ačkoliv vícecestné armatury podstatně zjednodušují TKD, jejich praktické použití naráží na problém konstrukce a výroby takových armatur. Pro praktické aplikace bude nutné TKD doplnit obtokovými armaturami podle výše uvedených zásad, v opačném případě při otevírání nebo uzavírání armatur bude zapotřebí velkých sil, což by se rovněž projevilo ve velikosti hydraulického obvodu dávkovače.

Obr. 3.17

Přehled variant vícecestných armatur

Obr. 3.18 Dvoukomorový dávkovač s vícecestnými armaturami 53



3.3 Dávkovač se třemi komorami Další možné řešení, jak prakticky zcela eliminovat časovou ztrátu, je použití dávkovače se třemi komorami. Zde se naskýtá celá řada možností, jak uspořádat činnost jednotlivých armatur, jedno z možných řešení v souproudém provedení s obtokovými armaturami je na obr. 3.19, časový diagram uvádí obr. 3.20, stejný dávkovač v protiproudém provedení je na obr. 3.21. Časový diagram pro obě provedení je stejný a je uveden na obr. 3.20.

Obr. 3.19 TKD se třemi komorami a obtokovými armaturami v souproudém provedení

54



Obr. 3.20 Časový diagram TKD se třemi komorami pro souproudé i protiproudé provedení včetně časové závislosti průtoku a tlaku v jednotlivých komorách

55



TKD se třemi komorami má plynulý provoz jak bagrovacího, tak i vysokotlakého čerpadla. Zajímavé řešení vychází z předpokladu, že vždy jedna z armatur je v činnosti. Podle časového diagramu na obr. 3.22 platí, že t1 = 0, potom doba přestavení armatur t2 = t3. Při této variantě má TKD minimální délku komory, doba jednoho pracovního cyklu je zkrácená na minimum - obr. 3.22 – viz kap. 1.4. V tomto případě je rovněž zajištěna plynulá funkce obou čerpadel, jsou však kladeny vyšší nároky na řízení chodu dávkovače i na spolehlivost a životnost uzavíracích armatur.

Obr. 3.21 TKD se třemi komorami a obtokovými armaturami v protiproudém provedení

Obr. 3.22 Časový diagram TKD se třemi komorami a min. délkou cyklu, včetně funkce obtokových armatur – t1 = t2 = t3 Jedno z dalších možných řešení tříkomorového TKD uvádí obr. 3.23A. Aby se snížila síla potřebná pro přestavení armatur, jsou armatury B a D opatřeny řízeným obtokem, tj. paralelně zapojenou armaturou b, d menší světlostí ( podle obr. 2.2 jsou však možné i jiné kombinace ke kterým armaturám bude přiřazen obtok). Toto řešení je výhodné i z toho důvodu, že výrazně snižuje tlakové pulsace při přestavování armatur. Plnění komory suspenzí provádí bagrovací čerpadlo 5 z jímky 4, vysokotlaké čerpadlo 6 z jímky 7 proplachuje komory dávkovače do dopravního potrubí 8. Časový diagram uvádí obr. 3.23B, na obr. 3.23C je další varianta kreslení časového diagramu. Časový diagram byl sestaven

56



pro otevírání nebo uzavírání hlavních armatur za čas 10s, pro obtokové armatury pak 5s, volba jiných časů je pochopitelně možná, bude závislá na velikosti tlakových pulzací při přestavování armatur.

Obr. 3.23 Tříkomorový TKD s obtokovou armaturou v protiproudem provedení a jeho časový diagram – [ 5 ] Tříkomorový TKD v protiproudém provedení se svislou komorou a oddělovacím elementem – plovákem podle fa Hydrosystem uvádí obr. 3.24. TKD má na jedné komoře dvě hlavní armatury řízené (šoupátko) a dvě neřízené (zpětný ventil). Dávkovač jde navržen pro hydraulickou dopravu suspenze bauxitu, proplachování není provedeno vodou ale louhem sodným – NaOH. Jedno z možných řešení časového diagramu je na obr. 3.25. Na obr. 3.26 až obr. 3.28 jsou uvedeny dávkovače zpracované podle obr. 3.24 použité pro hydraulickou dopravu bauxitu nebo popelovin. 57



Obr. 3.24 Schéma TKD se třemi vertikálními komorami pro hydr. dopravu bauxitu, kapaliny odděleny plovákem – fa Hydrosystem, hlavní armatura i obtok šoupátko

Obr. 3.25 Časový diagram a schéma TKD se třemi vertikálními komorami pro hydraulickou dopravu bauxitu – fa Hydrosystem,q hlavní armatura i obtok šoupátko 58



Obr. 3.26 Foto TKD se třemi vertikálními komorami pro hydr. dopravu bauxitu, kapaliny odděleny plovákem – fa Hydrosystem

Obr.3.27 TKD se třemi komorami pro hydraulickou dopravu bauxitu, Nikolajevo Ukrajina – fa Hydrosystem

Obr.3.28 TKD se třemi komorami pro hydraulickou dopravu popelovin a produktů odsíření z elektrárny na složiště, Starobeševo, Ukrajina – fa Hydrosystem 59



3.4 Dávkovač pro hydraulickou dopravu na automobilovém podvozku Dávkovač pro hydraulickou dopravu suspenzí nebo i pro čerpání jiných kapalin lze realizovat i v mobilním provedení, dávkovač namontovaný na automobilovém podvozku včetně všech potřebných armatur a ostatních zařízení je schématicky znázorněn na obr. 3.29. Pohon obou čerpadel a hydraulického agregátu může být proveden elektromotorem, možné je i použití spalovacího motoru.

Obr. 3.29 Dávkovač se třemi vertikálními komorami namontovaný na automobilovém podvozku 1 – dávkovač; 2 – plnící čerpadlo; 3 – proplachovací čerpadlo; 4 – hydraulický olejový agregát pro řízení a ovládání dávkovače;, 5 – automobilový podvozek S ohledem na omezené prostorové možnosti u této varianty by byl použit třikomorový dávkovač s vertikální komorou většího průměru než je dopravní potrubí. Dávkovač může být realizován v souproudém nebo protiproudém provedení. Ovládání armatur bude standartní pomocí hydraulických válců, řízení dávkovače je odvozeno od koncových poloh použitých armatur. Hydraulický agregát vzhledem k malému příkonu může být poháněn i stejnosměrným elektromotorem z akumulátoru 12 nebo 24 voltů, to stejné platí i pro elektromagnetické rozvaděče. Řídící systém dávkovače s ohledem na povětrnostní podmínky bude vhodné umístnit do zadní části kabiny automobilu. Toto řešení umožní provozovat zařízení při nižších teplotách případně za deštivého počasí. Na automobilovém podvozku bude rovněž namontováno plnící a proplachovací čerpadlo. Jejich pohon může být realizován spalovacím motorem nebo elektromotorem. V případě použití elektromotoru bude nutné použít pohon s možností regulace otáček obou čerpadel např. frekvenčním měničem, takové provedení je univerzálnější a snadněji se přizpůsobí rozdílným podmínkám při čerpání. Dá se očekávat, že proplachovací čerpadlo odstředivé nebo objemové bude muset být navrženo s přihlédnutím na délku dopravního potrubí nebo jinak řečeno na velikost potřebného dopravního tlaku. Použití pohonu s možností regulovat otáčky odstředivého proplachovacího čerpadla umožní využít navržený systém čerpaní s dávkovačem pro široký rozsah délky dopravního potrubí, v případě čerpání suspenzí umožní tuto suspenzi čerpat s širokým rozsahem objemové koncentrace. Stabilita podvozku při čerpání bude zajištěna pomocí standardního opěrného zařízení. Vzhledem omezenému objemu automobilového podvozku, není možné na něj namontovat sací nádrže pro plnící a proplachovací čerpadlo. Tyto nádrže bude vhodné situovat mimo podvozek v jeho blízké vzdálenosti, s přihlédnutím na sací schopnost použitých čerpadel.

60



3.5 Dávkovač pro hydraulickou dopravu na sacím bagru Plovoucí sací bagr s hydraulickou dopravou vytěženého materiálu na pevninu tuto hydraulickou dopravu zajišťuje bagrovacím čerpadlem, které současně ze dna vodní plochy materiál i těží. Bagrovací čerpadla pro tyto účely lze realizovat pouze jako jednostupňová, z toho důvodu je vzdálenost hydraulické dopravy omezená. Při těžbě zeminy ze dna vodní nádrže je obtížné dosáhnout vysoké objemové koncentrace, při které je hydraulická doprava nejekonomičtější, plovoucí sací bagry proto čerpají velké objemy suspenze s malou objemovou koncentrací.

Obr. 3.30 Plovoucí sací bagr s dávkovačem pro hydraulickou dopravu vytěženého materiálu na pevninu 1 – sací bagr – plavidlo; 2 – bagrovací čerpadlo sacího bagru; 3 – proplachovací čerpadlo; 4 – dávkovač; 5 – plnící kalové čerpadlo; 6 – zařízení pro zahuštění suspenze Odstranit uvedené nedostatky sacích bagru lze provést tak, že sací bagr bude opatřen dávkovačem, který bude zajišťovat hydraulickou dopravu vytěžené zeminy a bagrovací čerpadlo bude pouze zajišťovat těžbu zeminy ze dna vodní nádrže – obr. 3.30. Bagrovací čerpadlo v tomto případě bude mít menší dopravní tlak, tomu bude odpovídat i menší příkon a menší velikost pohonu čerpadla. Použitý dávkovač by byl tříkomorový, s komorou vodorovnou stejného průměru jako má dopravní potrubí, provedení dávkovače může být souproudé i protiproudé, ovládání armatur hydraulickým válcem, řízení dávkovače odvozeno od koncových poloh uzavíracích armatur. Délka komory dávkovače bude srovnatelná s délkou plavidla, může však být i delší. Vytěžená suspenze klasickým bagrovacím čerpadlem by se čerpala do zařízení – zahušťovače, kde se zvýší objemová koncentrace na velikost 10 až 20%, zařízení může rovněž odseparovat zrna materiálu většího průměru, pokud těžená zemina bude vykazovat nevhodné granulometrické složení. Podstatnou výhodou sacího bagru s dávkovačem je hydraulická doprava vytěžení zeminy s větší objemovou koncentrací suspenze. Výhoda se projeví tím, že dopravní potrubí hydraulické dopravy ze sacího bagru na pevninu bude mít menší průměr, pontony nesoucí potrubí na hladině vodní nádrže mohou mít menší nosnost, toto se velmi příznivě projeví v celkové ekonomice těžby zeminy. Další nezanedbatelnou výhodou použití dávkovače je prodloužení délky dopravy, tato je závislá na dopravním tlaku proplachovacího čerpadla. Protože toto čerpadlo čerpá čistou vodu, jeho dopravní tlak není limitován jako u bagrovacího čerpadla, nevzniká opotřebení funkčních částí a oběžného kola čerpadla, použité čerpadlo může být proto vícestupňové. Pohon plnícího i proplachovacího čerpadla bude s ohledem na univerzálnost řešení vhodné volit s regulací otáček, což při použití spalovacího motoru je splněno.

61



4. Dávkování kontejnerů do potrubí Pro potřebu hydraulické dopravy kontejnerů a jejich vkládání do potrubí je možné použít zařízení - dávkovač následujících konstrukcí: 1. 2. 3. 4. 5.

pístový dávkovač rotační dávkovač komorový dávkovač s vodorovnou komorou komorový dávkovač se svislou komorou stejného průměru jako je dopravní potrubí komorový dávkovač se svislou komorou většího průměru než je dopravní potrubí

Při řešení dávkovače pro dopravu kontejnerů musí být mimořádná pozornost věnována obloukům a odbočkám, tyto elementy musí být navrženy tak, aby kontejner přes ně spolehlivě procházel.

4.1 Pístový dávkovač Tento dávkovač pracuje podobně jako pístové čerpadlo, komora dávkovače musí být opatřena min. jednou, lépe však dvěma armaturami. Po vložení kontejneru do válce je tento pístem vytlačen do dopravního potrubí, pohon pístu lze realizovat mnoha způsob ( pneumaticky, hydraulicky nebo mechanicky), zjednodušené schéma je na obr. 4.1.

Obr. 4.1 Zjednodušené schéma pístového dávkovače

4.2 Rotační dávkovač Dávkovač má v tělese těsně uložený rotor s komorami, rotor se otáčí a v průběhu jedné otáčky nabere kontejnery do komory, v každé komoře může být jeden nebo i více kontejnerů. Komora se plní gravitačně kontejnery při nízkém tlaku, při pootočení o úhel mezi dvěma komorami se kontejner vloží do dopravního potrubí, ve kterém je tlak větší než na straně plnění. Celý tento cyklus se opakuje, tzn. že za jednu otáčku rotoru se do potrubí vloží jeden kontejner, má-li rotor pouze dvě komory, nebo se vloží více kontejnerů, když má rotor více komor. Osa rotace může být vodorovná nebo svislá, případně i šikmá. Rotační dávkovač je schematicky uveden na obr. 4.2 pro komoru svislou, na obr. 4.3 pak pro komoru vodorovnou. Je reálné provedení dávkovače se šesti nebo i osmi komorami. Objem vody, který je stejný jako objem dopravovaných kontejnerů se bude odvádět do pomocné nádrže přes přepad. Pohyb rotoru může být i nerovnoměrný, s prodlevou v čase kdy osa kontejneru je stejná jako osa potrubí a kontejner je mechanicky zasunován do potrubí. Pro vysoké tlaky u tohoto typu dávkovače vzniká problém provedení těsnění rotoru ve statoru.

62



Bokorys na obr. 4.3 je omezen pouze na rotor, uspořádání kontejnerů v zásobníku nad rotorem může být v jedné nebo i více řadách, viz i obr. 4.23.

Obr. 4.2 Zjednodušené schéma rotačního dávkovače se čtyřmi svislými komorami

Obr. 4.3 Zjednodušené schéma rotačního dávkovače se čtyřmi vodorovnými komorami Příklad: pro níže definované parametry stanovit objem dopravovaných kontejnerů (výkon) rotačním dávkovačem. délka kontejneru L = 0,4 m, vzdálenost mezi kontejnery ΔL = 0,1 m průměr potrubí D = 0,2 m rychlost proudění kontejnerů v = 2 m/s počet komor v rotoru i = 8 Nejdříve se určí čas potřebný pro dávkování jednoho kontejneru z rotoru dávkovače do potrubí

t

L  L  0,4  0,1  0,25s . v

2

63



Počet otáček rotoru

1 i 1.8 n .   1s 1 , t 2 0,25.2 počet dopravovaných kontejnerů

N

n.i 1.8   4 kontejnery za sekundu . 2 2

Dopravovaný objem kontejnerů

Qvk  N .





D 2 .L  4 .0,22.0,4  0,05m3 / s  180m3 / hod  1,585mil. m3 / rok 4 4

4.3 Komorový dávkovač s vodorovnou komorou Tento dávkovač má průměr komory stejný jako průměr dopravní potrubí. Z hlediska volby použitého dávkovače je možné užít jak dávkovač v provedení souproudém tak i protiproudém. Pro dosažení kontinuity dopravy by měl mít dávkovač dvě, lépe však tři vodorovné komory, jejich průměr jak již bylo řečeno musí být stejný jako je průměr dopravního potrubí. Stejný průměr musí mít na každé komoře i ty dvě hlavní armatury přes které procházejí kontejnery. Zbývající dvě armatury tuto podmínku nemusí splňovat, protože přes ně protéká pouze čistá voda a mohou být i menší světlosti. Armatury pro vyrovnání tlaku obvykle výrazně menší světlosti než jsou armatury hlavní mohou být použity stejně jako při řešení dávkovače dopravujícího suspenzi. Při řízení dávkovače bude asi velmi užitečné kontrolovat kolik kontejnerů bylo do komory dávkováno a zda stejné množství kontejnerů také bylo z komory propláchnuto do dopravního potrubí. Plnění kontejnerů do komory dávkovače je možné provádět následujícím způsobem: a) - gravitační samospádové plnění komory b) - plnění komory s využitím mechanických systémů vřazených do výtlačného potrubí za plnícím čerpadlem c) - ostatní varianty Gravitační samospádové plnění komory - na obr. 4.4 je uvedeno schéma dávkovače v provedení souproudém i protiproudém s plněním komory kontejnery samospádem. Je celkem pochopitelné, že toto gravitační řešení vyžaduje, aby mezi začátkem a koncem potrubí byla jistá geodetická výška, která bude dostatečná k tomu, aby voda s kontejnery proudila zvolenou rychlostí do komory dávkovače. Voda z komory dávkovače při jejím plnění může být sváděna do jímky, odkud je čerpána zpět do plnícího zařízení.

64



Obr. 4.4 Dávkovač s plněním vodorovné komory kontejnery samospádem Při výpočtu geodetické výšky u gravitačního plnění je možné postupovat následujícím způsobem: komora dávkovače má délku Lk a tlakový spád při proudění kontejnerů ik, délka přívodního a odpadního potrubí je Lp, v potrubí je tlakový spád při proudění vody, tento se vypočítá standartním způsobem. Tlakový spád při proudění kontejner ik se musí stanovit měřením. Pro geodetickou výšku platí rovnice

hg 

ik .Lk  iv .Lp  

 v .g

v2 2g

,

(4.1)

kde  je ztrátový součinitel místních ztrát

4.4 Způsoby přívodu kontejnerů a jejich dávkování do plnícího potrubí A. Gravitační plnění kontejnerů do komory dávkovače: a) nálevka Kontejner podle obr. 4.5 ze zásobníku (tento není zakreslen) je ve svislé poloze přisunován k nálevce s vodou, která jej pak dopravuje do komory dávkovače. Jedno zařízení může plnit všechny komory, nebo každá komora má své samostatné plnící zařízení. Toto zařízení je asi nejjednodušší způsob, jak plnit komoru dávkovače kontejnery.

65



Obr. 4.5 Nálevka s potrubím b) šikmá plošina se zarážkou Systém uvedený na obr. 4.6 předpokládá, že kontejnery budou ze zásobníku (není kreslen) přisunovány na šikmou plošinu, ze které budou v pravidelných intervalech např. pomocí zarážky vypouštěny samospádem do nádrže s vodou, odkud budou dopravovány do komory dávkovače. Pro snadnější zajíždění kontejnerů do potrubí, je toto navrženo jako šikmé, úhel sklonu se volí tak, aby pohyb kontejnerů byl plynulý,

Obr. 4.6 Řízené spouštění kontejnerů do nálevky pomocí zarážky B. Mechanické zasouvání kontejnerů do komory dávkovače:

Obr. 4.7 Řízené spouštění kontejnerů do nálevky pomocí zarážky a jejich dávkování do potrubí mech. systémem, např. pneumatickým. nebo hydraulickým válcem Pro mechanické zasouvání kontejnerů do potrubí lze volit několik způsobů: a) zasouvání pístem: 1. krátký zdvih – píst zasouvá pouze jeden kontejner 2. dlouhý zdvih – píst zasouvá dva nebo více kontejnerů do komory při jednom zdvihu

66



b) c) d) e)

řetězový dopravník válečkový dopravník lineární el. motor kombinace : 1. píst a řetězový dopravník 2. lineární motor a řetězový dopravník 3. další kombinace Varianta podle obr. 4.7 předpokládá, že kontejnery budou do nádrže vkládány stejným způsobem jako u obr. 4.6, z nádrže jsou pak kontejnery do potrubí pravidelně zasunovány pomocí mechanického, hydraulického nebo pneumatického systému s válcem.

Obr. 4.8 Spouštění kontejnerů do nálevky svislým řetězovým dopravníkem Zařízení podle obr. 4.8A je navrženo tak, že kontejnery jsou přisunovány (není nakresleno) k nádrži s vodou, kde pomocí svislého např. řetězového dopravníku jsou kontejneru spouštěny na dno nádrže, odkud jsou unášeny do plnícího potrubí samospádem a pak dále dopravovány do komory dávkovače. Kontejnery mohou být do potrubí také zasunovány mechanickým, hydraulickým nebo pneumatickým způsobem podle obr. 4.8B.

Obr. 4.9 Rotační komůrkový podavač pro dávkování kontejnerů do plnícího potrubí

67



Pro rovnoměrné dávkování kontejnerů do plnícího potrubí se může uplatnit rotační komůrkový podavač – obr. 4.9. Protože tento je situován na začátek plnícího potrubí, kde je minimální tlak vody, proto nevznikají žádné problémy s těsností tohoto rotačního komůrkového podavače. Pro snadnější zajíždění kontejnerů do potrubí, je toto navrženo jako šikmé, úhel sklonu se volí tak, aby pohyb kontejnerů byl plynulý. Zařízení podle obr. 4.10 je stejné jako v předcházejícím případě, pouze plnění kontejnerů do potrubí je provedeno mechanickým systémem, zařízení podle obr. 4.11 plní do potrubí mechanickým systémem současně dva nebo i více kontejnerů.

Obr. 4.10 Rotační komůrkový podavač v kombinaci s mechanickým dávkováním kontejnerů do plnícího potrubí

Obr. 4.11 Rotační komůrkový podavač v kombinaci s mechanickým dávkováním současně dvou nebo více kontejnerů do plnícího potrubí C. Tlakové plnění komory Na obr. 4.12 je uvedeno schéma dávkovače v provedení souproudém i protiproudém s tlakovým plněním komory kontejnery s využitím mechanického systému a čerpáním vody do komory čerpadlem. Plnící zařízení proto musí být provedeno tak, aby bylo těsné, protože plnění se uskutečňuje pod jistým tlakem. Pro tento účel je vhodný rotační komůrkový podavač s osou vodorovnou podle obr. 4.13A nebo s osou svislou podle obr. 4.13B. Pro tlakové plnění je možné použít i pístový dávkovač podle obr. 4.1, případně další systémy.

68



Obr. 4.12 Dávkovač s plněním komory kontejnery využívající mechanický systém

Obr. 4.13 Rotační komůrkový podavač pro plnění kontejnerů do potrubí

69



4.5 TKD se svislou komorou stejného průměru jako je dopravní potrubí Pro dopravu kontejnerů bude možné použití dávkovače se svislou komorou, tato bude štíhlá a její průměr bude stejný jako u dopravního potrubí. Bude možné použití dávkovače v provedení souproudém i protiproudém, výhodnější asi je provedení souproudé – obr. 4.14A. Plnící zařízení může být společné pro všechny komory – obr. 4.14, výhodná je i varianta, kdy každá komora má svoje samostatné plnící zařízení – obr. 4.15.

Obr. 4.14 Schéma dávkovače se svislou komorou a s jedním plnícím zařízení pro všechny komory

Obr. 4.15 Schéma dávkovače se svislou komorou se samostatným plnícím zařízení pro každou komoru Minimální výška komory: Pro dávkovač se svislou komorou bude nezbytně nutné volit komoru s minimální výškou (délkou), aby tato z hlediska stavebního byla snadno i racionálně proveditelná. Zde se uplatní již popsaný problém podle obr. 4.16, kdy min. délka komory je navržena tak, že vždy dvě armatury se otevírají a druhé dvě uzavírají. Předpokládejme. že dávkovač je navržen pro následující parametry: L1 = 0,5 m – délka kontejneru včetně mezery 70



t3 = 10 s – doba cyklu podle obr. 4.16 t1 = 5 s - doba uzavíraní ( otevírání ) armatury ( viz obr. 4.16) vp = 2 m/s – rychlost pohybu kontejneru v dopravním potrubí S přihlédnutím k časovému diagramu na obr. 4.16 se budou komory střídat v činnosti po 5 ti sekundách, tzn. že při zvolené rychlosti 2 m/s musí komora pojmout 20 kontejnerů a její výška pak činí 20 m. Je možné tvrdit, že takto vysoká komora se dá stavebně i technicky realizovat. Snížení výšky komory dávkovače se dá provést snížením rychlosti kontejnerů a také zmenšením mezery mezi kontejnery. Pro výše navržené parametry dávkovače bude zajímavé definovat dopravní kapacitu, která pro průměr dopravního potrubí D = 0,2 m činí cca 230 m3/hod. což při hustotě kontejneru ρ = 2000kg/m3 je 460 tun/hod. Při snížení rychlosti kontejneru na vp = 1 m/s při dodržení ostatních parametrů dávkovače, by se snížila kapacita dopravy na polovinu, tj 230 tun/hod. = 2 mil. tun/rok, výška komory dávkovače by bylo pouze 10 m, což je výška naprosto snadno realizovatelná. Počet komor dávkovače: Z hlediska plynulosti dávkování kontejnerů do komory dávkovače i plynulosti proudění vody i kontejnerů v dopravním potrubí je určitě optimální použití dávkovače se třemi komorami. Dávkovač se dvěma komorami při vhodné volbě časového diagramu je rovněž reálně použitelný. Z hlediska rychlosti plnění komory kontejnery a s přihlédnutím na možnosti plnícího zařízení by bylo možné i použití dávkovače s více než třemi komorami. Podle časového diagramu dle obr. 4.16 je čas potřený pro přípravu vlastního plnění jedné komory t4 = 15 s, po tuto dobu je možné připravovat kontejnery na plnění komory. Čas přípravy t4 je možné prodloužit použitím dávkovače s více komorami, což je technicky snadno proveditelné, na obr. 4.16 je uveden časový diagram pro 6 komor.

Obr. 4.16 Časový diagram dávkovače se šesti komorami ( i – počet komor), nejsou zakresleny obtokové armatury – T = 6.t3

71



Následující tabulka 4.1 uvádí vztah mezi časem t4 a dobou uzavření(otevření) armatury t1 pro různý počet komor “i“. Tabulka 4.1 t4 Počet komor

3.t1 3

5.t1 4

7.t1 5

9.t1 6

Armatury pro TKD: pro dávkování kontejnerů do dopravního potrubí lze použít pro dvě hlavní armatury přes které prochází kontejner šoupátko, kulový nebo i válcový kohout, průměr těchto armatur musí být stejný jako je průměr dopravního potrubí. Pro zbývající armatury je možné vedle výše jmenovaných použít i ventil, jejich průměr může být menší než je průměr dopravního potrubí. Pro obtokové armatury je možné použít ventil nebo šoupátko. Všechny použité armatury budou otevírat nebo uzavírat pouze čistou vodu. Schéma TKD: Z možných 24 kombinací – obr. 2.2 lze použít TKD v souproudém nebo protiproudém provedení a to pouze se všemi armaturami řízenými, nelze použít TKD se zpětným ventilem, možných kombinací je v tomto případě 12.

4.6 TKD se svislou komorou většího průměru než je dopravní potrubí Pro plnění kontejnerů do dopravního potrubí lze využít i komorových dávkovačů se svislou komorou, která má výrazně větší průměr než má samotné dopravní potrubí. Má–li být tento dávkovač použit pro plnění kontejnerů, musí být komora vybavena tzv. „vestavbou“, která umožní při plnění kontejnerů do komory jejich vhodné ukládání v komoře a při vyprazdňování komory pak musí vestavba vhodně dávkovat kontejnery do potrubí. Samotná vestavba bude asi mechanický systém, který musí být navržen tak, aby vhodně spolupracoval s armaturami dávkovače, zařízení musí pracovat pod vodou a to při plném provozním tlaku hydraulické dopravy (10 MPa i více). Ložiska zařízení musí být schopna pracovat pod vodou nebo musí být vodou mazatelná. Pohon zařízení bude asi vyveden mimo vnitřní objem komory, toto však není technicky náročný problém. Zařízení však musí být velmi spolehlivé s malou pravděpodobností výskytu poruchy či závady. Komora dávkovače musí být upravena tak, aby se „vestavba“ dala snadno do komory namontovat a v případ poruchy se tato dala rychle odstranit např. výměnou celé „vestavby“. Pro plnění komory kontejnery lze použít následující způsoby: - gravitační plnění, kontejnery jsou do komory dopravovány - svisle - šikmo - vodorovně - mechanickým způsobem - zasouvání pístem (hydraulicky,pneumaticky) - řetězový dopravník - válečkový dopravník - lineární el. motor - kombinace předcházejících způsobů Některé varianty a kombinace plnění kontejnerů do komory dávkovače jsou podrobně popsány včetně obrázků v kapitole 4.3, většina těchto variant je použitelná i pro plnění kontejnerů do svislé komory dávkovače. Pro vyprazdňování kontejnerů z komory dávkovače do dopravního potrubí lze použít následující způsoby: - gravitační vyprazdňování - mechanické vyprazdňování - pístem (hydraulicky, pneumaticky) - řetězový dopravník - klikový mechanismus nebo excentr - lineární el. motor 72



- další varianty a různé kombinace Gravitační vyprazdňování se jeví jako nejjednodušší, z mechanických systémů vyprazdňování bude asi nejvhodnější použití hydraulického válce. Pro počet komor dávkovače platí stejná pravidla uvedená v předcházejících kapitolách, je jistě možná varianta dvou komor, z hlediska kontinuity proudění bude určitě nejvhodnější tří komorový dávkovač.

Obr.4.17 Dávkovač se svislou komorou – plnění i vyprazdňování komory gravitační Při výběru vhodných armatur pro tento komorový dávkovač se pro potrubí kterým proudí kontejnery může použít pouze šoupátko nebo kulový kohout, jejich průměr musí být stejný jako je průměr potrubí. Pro potrubí, kde proudí pouze voda lze použít ventil, šoupátko nebo kulový kohout, jejich světlost může být menší než je průměr dopravního potrubí. Pro obtokové armatury lze použít ventil nebo šoupátko – viz také kapitolu 2.3. U tohoto typu dávkovače se nedají použít zpětné ventily, proto musí být řízeny všechny armatura na komoře. Ovládání armatur hydraulickým válcem bude určitě nejvýhodnější varianta. U dávkovače s velkým průměrem komory nelze hovořit o souproudém nebo protiproudém provedení. Časový diagram pro dvě nebo tři komory musí být navržen tak, aby proudění v přívodním i dopravním potrubí bylo plynulé, při návrhu časového diagramu lze využit poznatků uvedených v kapitole 3.2 nebo 3.3. Kombinací různých systémů plnění komory kontejnery a jejich vyprazdňování do dopravního potrubí lze teoreticky realizovat několik desítek variant, několik možných variant řešení je schematicky uvedeno na obr. 4.17 až obr. 4.22.

73



Obr.4.18 Dávkovač se svislou komorou – plnění komory gravitační, vyprazdňování mechanické

Obr.4.19 Dávkovač se svislou komorou – plnění komory gravitační, vyprazdňování mechanické

74



Obr. 4.20 Dávkovač se svislou komorou – plnění i vyprazdňování komory gravitační

Obr. 4.21

Dávkovač se svislou komorou – plnění komory i vyprazdňování mechanické

Obr. 4.22

Dávkovač se svislou komorou – plnění komory komory mechanické, vyprazdňování komory gravitační

75



Obr. 4.23 Uspořádání válcových kontejnerů při jejich plnění do komory dávkovače Při gravitačním plnění komory dávkovače kontejnery se tyto uspořádají do mřížky podle obr. 4.23A, varianta B je nepravděpodobná. Při vypouštění kontejnerů z komory do dopravního potrubí se bude asi obnovovat mřížka tak, že ve spodní řadě bude o jeden kontejner více než v řadě nad ní.

76



5. Doprava studené vody nebo ledu pro centrální klimatizaci hlubinného dolu 5.1 Klimatizace dolů Klimatizací v hornictví nazýváme úpravu důlních větrů, při níž se dosahuje na důlních pracovištích vylepšení mikroklimatických podmínek, které výrazně zlepšují pracovní prostředí v dole. Důlní klimatizace má ve světovém hornictví již dlouholetou tradici a používá se především v hlubinných dolech, kde hloubka překračuje 1000 m. V důlní klimatizaci se převážně používá strojní chlazení s vypařováním chladiva v parním oběhu. Pro větší výkony se používá chladící systém stacionární, vybudované na povrchu dolu, jeho výkon může být 10 až 50 MW. Umístnit chladící systém o uvedených výkonech přímo v dole je technicky neproveditelné z toho důvodu, že se nedá jednoduchými prostředky odvést odpadní teplo. Z chladícího systému se ochlazená voda dopravuje do chladiče důlních větrů, oteplená voda se vrací zpět do chladícího systému [ 3 ]. Zvýšení chladícího systému se dá dosáhnout také tím, že se místo studené vody použije suspenze voda – led. Pro chlazení se u tohoto způsobu využije i skupenské teplo vody, pro stejný výkon chlazení bude proto zapotřebí menší objemový průtok vody suspenze. Potrubí v jámě bude mít proto menší průměr, toto se příznivě promítne do jeho ceny, na druhé straně však se musí čerpat suspenze voda led, což může být v porovnání s čerpáním čisté vody nepatrně složitější [ 3 ]. Pro velké výkony se chladící stanice obvykle buduje na povrchu dolu. Pro dopravu studené vody se využívá systém U trubice, ochlazená voda se jámou dopravuje do dolu, naopak oteplená voda se vrací zpět na povrch. Pro hluboké doly vzhledem k vysokému statickému tlaku nelze ochlazenou vodu přímo použít v chladiči důlních větrů. V dole je proto zapotřebí provést rekuperaci (snížení) tlaku vody.

Obr. 5.1 Schéma centrální klimatizace dolu s výměníkem 1 – chladící zařízení na povrchu, 2 – oběhové čerpadlo, 3 – výměník voda - voda, 4 – oběhové čerpadlo v dole,5 – oběhové čerpadlo v dole, 6 – chladič důlních větrů Toto může být provedeno prakticky třemi způsoby:

77


-


v dole je vybudován výměník vodo – voda ke snížení tlaku studené vody je využita vodní turbína pro snížení tlaku je použito dávkovací zařízení

Systém s výměník voda-voda je schematicky znázorněn na obr. 5.1. Tento způsob transformace tlaku studené vody má však jednu podstatnou nevýhodu spočívající v tom, že voda na nízkotlaké straně výměníku je cca o 4 - 5oC teplejší než vstupující studená voda do výměníku. Využitelný teplotní rozdíl pro výměník obvykle nepřesahuje 15oC, toto je jeho velký nedostatek. Další nevýhodou výměníku je jeho velká hmotnost a tedy i cena. Na druhou stranu je výměník jednoduché zařízení, pracuje prakticky bez obsluhy, při jeho provozu nedochází ke změnám průtoku nebo tlaku, účinnost transformace tlaku je vysoká. Pro snížení vysokého hydrostatického tlaku lze použít vodní turbínu – obr. 5.2. Studená voda čerpaná z povrchu do dolu je přivedena na vodní turbínu, kde se potenciální energie vody přemění na energii mechanickou. Tato je využita k pohonu čerpadla, které dopravuje vodu ohřátou v klimatizaci zpět na povrch. Protože turbína nemá 100% účinnost, je do systému ještě vložen elektromotor, tento kompenzuje ztráty vzniklé ve vodní turbíně. Celková účinnost tohoto systému čerpání dosahuje cca 75%, což je jeho velká nevýhoda a proto se pro hornictví tento čerpací systém prakticky nepoužívá. Pro snížení – transformaci tlaku studené vody při centrální klimatizaci dolů se v poslední době využívá dávkovač, jeho podstatnou výhodou je dosažení téměř 100% účinnosti při transformaci tlaku a oproti výměníku je větší i teplotní rozdíl, tento dosahuje 18 až 20 oC. Na druhou stranu je dávkovač složitější zařízení v porovnání s výměníkem, vyžaduje při provozu obsluhu, zanedbatelná není rovněž jeho cena. Nevýhody dávkovače jsou vyváženy jeho téměř 100% účinností a vysokým teplotním rozdílem. V další části textu bude podrobně popsáno použití dávkovače pro centrální klimatizaci dolů.

Obr. 5.2 Schéma centrální klimatizace dolu s výměníkem 1 – chladící zařízení na povrchu, 2 – oběhové čerpadlo, 3 – nádrž na studenou a teplou odu, 4 – oběhové čerpadlo v dole,5 – oběhové čerpadlo v dole, 6 – chladič důlních větrů, T – turbína, Č – čerpadlo, M – elektromotor

78



5.2 Doprava studené vody do dolu s využitím TKD Při dopravě studené vody nebo ledové tříště pro potřebu centrální důlní klimatizace pro rekuperaci tlaku je s výhodou možné použít dávkovače, jak je schematicky uvedeno na obr. 5.3.

Obr. 5.3 Schéma centrální klimatizace dolu s dávkovačem 1 – chladící zařízení na povrchu, 2 – oběhové čerpadlo, 3 – dávkovač, 4 – oběhové čerpadlo v dole,5 – oběhové čerpadlo v dole, 6 – chladič důlních větrů Z chladícího zařízení na povrchu dolu je ochlazená voda o teplotě 1oC oběhovým čerpadlem dopravena do dolu, v letním období se tato voda v jámě nepatrně oteplí na teplotu 1,5oC, s touto teplotou voda vstupuje do TKD, zde v dávkovači dojde k rekuperaci tlaku. Na výstupu z dávkovače se získá studená voda o nízkém tlaku cca 0,5 až 2 MPa a teplotě cca 2oC. Oteplení vody v TKD podle provedených měření nepřekračuje 0,5oC, vzniká částečně mísením na rozhraní studené a teplé vody v komoře TKD, ale hlavně proto, že studená voda je zavedena do komory, ve které v předcházejícím cyklu byla voda teplá - [52].

Obr. 5.4 Objemový průtok chladící vody v závislosti na výkonu a teplotním rozdílu

79



Voda o této teplotě 2oC je oběhovým čerpadlem v dole čerpána do chladičů důlních větrů, na výstupu z chladiče důlních větrů má voda teplotu cca 19.5 oC, velikost této teploty závisí na jakou teplotu se budou chladit důlní větry. Tato oteplená voda je odváděna zpět do TKD, jeho prostřednictvím je dopravována zpět na povrch dolu, kde se znovu ochladí a může být vedena zpět do dolu. Potrubí v jámě tvoří U trubici, proto se při čerpání studené vody nemaří potenciální energie vody. Oběhové čerpadlo pouze překonává hydraulické ztráty v potrubí a ztráty v chladícím zařízení. Teplotní rozdíl mezi vstupem studené vody do dávkovače a jejím výstupem je v tomto případě pouze 0,5oC, toto je podstatná výhoda použití dávkovače pro klimatizaci v porovnání s výměníkem, využitelný teplotní rozdíl tedy činí t  18 až 20o C . Obr. 5.4 uvádí závislost objemového průtoku chladící vody na výkonu chlazení a teplotním rozdílu chladící vody. Návrh potrubí, výpočet tlakové ztráty a charakteristiky potrubí, výpočet charakteristiky čerpadla a jeho spolupráce s potrubím, návrh odstředivého čerpadla pro oba okruhy lze provést podle programu autora „Klimatizace čerpadlo.xls“. Program obsahuje databanku čerpadel ze které je možné čerpadlo vybrat, uživatel programu může databanku doplňovat o další čerpadla různých výrobců podle svého výběru. K programu je zpracován podrobný návod.

5.3 TKD pro dopravu studené vody pro klimatizaci dolů Při volbě varianty TKD pro dopravu studené vody pro centrální klimatizaci dolů lze využít všechny reálné varianty TKD podle obr. 2.2 a tabulky 2.1. Jako optimální varianta se jeví TKD v protiproudém provedení podle obr. 5.2, toto provedení dávkovače umožňuje regulovat průtok studené vody dopravované do dolu aniž při přepínání komor dochází ke ztrátě tepla mísením studené a teplé vody v komorách TKD. Pro dobrou funkci dávkovače je důležité, aby objemový průtok při plnění i proplachování komory byl stejný. Pokud u protiproudého provedení dávkovače není při plnění komory studenou vodou využívána celá délka komory, potom neodchází část studené vody zpět na povrch, nebo neodchází část teplé vody zpět do nízkotlakého okruhu. Když tedy dochází k nevyužívání celého objemu komory při stejných objemových průtocích při plnění i proplachování, pak není snižována účinnost, ale dochází ke snížení tepelného výkonu dávkovače a dochází k častějšímu přestavování armatur. Pro případ, že v obou okruzích nejsou objemové průtoky stejné, dá se tolerovat malé přeplňování komory studenou vodou za cenu snížení účinnosti, část studené vody je pak odváděna zpět na povrch. Přeplňování komory teplou vodou je nežádoucí, protože část teplé vody se dostane do nízkotlakého okruhu a k chladičům důlních větrů je dopravována teplejší voda, výkon těchto chladičů se proto zmenšuje, což není žádoucí. Pro zajištění optimální činnosti klimatizace bude užitečné řešit pohon oběhových čerpadel s možností změny otáček. Touto úpravou se dá snadno dosáhnout stejných objemových průtoku ve vysokotlakém i nízkotlaké okruhu a tím operativně reagovat na změny délky potrubí v nízkotlakém okruhu. Dávkovač v protiproudém provedení se z hlediska řízení použitých armatur dá technicky realizovat ve dvou provedeních, a to všechny armatury řízení – obr. 5.5A, nebo jsou na jedné komoře řízené pouze dvě armatury, zbývající dvě armatury jsou pak zpětné ventily nebo klapky – obr. 5.5B. Pro potřeby klimatizace v dole je možné volit dávkovač s vodorovnou i svislou komorou. Protože náklady na vybudování i provoz vodorovného důlního díla budou menší než na důlní dílo svislé, je výhodnější použít dávkovač s vodorovnou komorou. Samotná komora může mít průměr komory větší než je průměr dopravního potrubí studené vody z povrchu. Tato varianta je z ekonomického hlediska výhodnější, jsou menší kapitálové náklady na vybudování důlního díle pro umístění TKD v dole. Studenou vodu v komoře od teplé vody lze oddělit vhodným elementem, např. pístem, protože ztráty tepla mísením jsou malé, lze použít dávkovač i bez tohoto rozhraní.

80



Obr. 5.5 Schéma dávkovače v protiproudém provedení A – všechny armatury řízené, B – dvě armatury řízené U dávkovače je možné volit armatury a to šoupátko, ventil, kohout, zpětný ventil nebo klaku, přes armatury neprotéká suspenze jako u hydraulické dopravy, ale pouze čistá voda, proto volba druhu armatury je širší – viz kap.2.3. Použité armatury mohou mít světlost stejnou jako je průměr dopravního potrubí v jámě, je výhodné volit armatury i menší světlosti, což se příznivě projeví ve snížení kapitálových nákladů na pořízení TKD. Pro obtokové armatury (vyrovnání tlaku v komoře) se budou hlavně používat ventily nebo šoupátka přiměřeně menší světlosti. Pro otevírání nebo uzavírání hlavních i obtokových armatur se s výhodou použije hydraulických válců, řízení armatur podle zvoleného časového diagramu bude odvozeno od koncových poloh armatur, řízení lze doplnit případně o snímání teploty v komoře dávkovače. Při plnění a proplachování komory studenou a teplou vodou se komora střídavě ochlazuje a následně otepluje. Je-li komora plněna studenou vodou, jsou stěny komory z předcházejícího proplachování teplejší, teplotní rozdíl činí cca 18 až 20 oC, proto se studená voda při plnění komory otepluje, naopak teplá vody při proplachování komory se ochlazuje. Podle měření toto oteplení dosahuje asi 0,5 oC. Největší možné oteplení vody by nastalo v případě, že se celá hmotnost komory ochladí na teplotu vody při plnění, pro oteplení vody za těchto předpokladů platí rovnice. Podrobnější výpočet oteplení vody uvádí lit. [10].

tv 2  Kde

cFe .mFe .t  t v1 , cv .mv

(5.1)

cv - měrná tepelná kapacita vody cFe - měrná tepelná kapacita oceli mv - hmotnost vody v komoře mFe - hmotnost komory t teplotní rozdíl vody při plnění a proplachování komory tv1 - teplota vody na vstupu do komory při plnění tv2 - teplota vody na výstupu z komory při plnění

Z energetického hlediska nelze teplo odebrané studené vodě a využité na ohřátí stěny komory dávkovače považovat za ztrátu, protože prakticky stejná velikost tepla se následně při proplachování komory předá vodě. To prakticky znamená, že voda dopravovaná na povrch dolu má menší teplotu než má voda odcházející z chladičů důlních větrů k dávkovači. Jinak řečeno, na povrchu dolu se ochlazuje voda k dalšímu použití pro klimatizaci s menším teplotním rozdílem.

81



Při provozování důlní klimatizace s dávkovačem vznikají ještě ztráty odvodem tepla – konvekcí z povrchu dávkovače a mísením studené vody s teplou na jejich rozhraní. Obě tyto ztráty jsou v porovnání s oteplením studené vody od teplé stěny komory dávkovače výrazně menší a lze je prakticky zanedbat.

5.4 Tříkomorový TKD v protiproudém provedení – dvě armatury řízené

Obr. 6.6 Schéma TKD v protiproudém provedení s obtokovými armaturami – dvě armatury řízené 82



Dávkovač v protiproudém provedení se z hlediska řízení použitých armatur dá technicky realizovat ve dvou provedeních, a to všechny armatury řízení – obr. 5.5A, nebo jsou na jedné komoře řízené pouze dvě armatury, zbývající dvě armatury jsou pak zpětné ventily nebo klapky – obr. 5.5B. Tato varianta je pro dopravu studené vody nejvýhodnější, samotný dávkovač a jeho řízení je velmi zjednodušeno, hydraulický obvod pro ovládání armatur je pouze ne jedné straně dávkovače, zanedbatelné z hlediska ceny je i použití zpětných ventilů, jejich cena je výrazně menší než u hydraulicky ovládaných armatur. Jedno z možných řešení dávkovače pro klimatizaci dolů v protiproudém provedení uvádí obr. 5.6. Hlavní armatura je ventil menší světlosti než je dopravní potrubí v jámě, tlaková voda je přivedena nad kuželku, obtoková armatura je deskové šoupátko.

Obr. 5.7 Časový diagram TKD v protiproudém provedení s obtokovými armaturami – dvě armatury řízené – hlavní armatura ventil, obtok deskové šoupátko nebo ventil Na obr. 5.7 je jedno z možných provedení časového diagramu dávkovače pro tuto kombinaci armatur. Diagram je navržen tak, že hlavní armatury se uzavírají a otevírají za 2 s, pomocné vyrovnávací armatury se otvírají a uzavírají se za 1s. Rychlost otevírání či uzavírání armatur musí být však navržena tak, aby tlakové pulsace byly v doporučených 83



hodnotách. Časový diagram je zpracovaný ve dvou podobách, je také vyznačen časový průběh teplé i studené vody a tlaku v komoře. Stejný časový diagram bude platit i pro variantu kdy hlavní armatura i obtok jsou ventily. Na obr. 5.8 je uveden obdobný časový diagram pro TKD u kterého hlavní armatura i obtok jsou desková šoupátka.

Obr. 5.8 Časový diagram TKD v protiproudém provedení s obtokovými armaturami – dvě armatury řízené – hlavní armatury i obtok deskové šoupátko 84



Hydraulický obvod pro otevírání nebo uzavírání armatur může být řešen podle obr. 5.9, řízení může být odvozeno od koncových poloh hlavních armatur. Protože obtokové armatury mají menší světlost a tím i menší potřebnou sílu na jejich otevírání, budou se proto otevírat dříve než armatury hlavní.

Obr. 5.9 Hydraulický obvod TKD v protiproudém provedení s obtokovými armaturami – dvě hlavní armatury a obtoky řízené- hlavní armatura ventil, A- obtok ventil, B – obtok deskové šoupátko

5.5 Tříkomorový TKD v protiproudém provedení – všechny armatury řízené Jedno z možných řešení dávkovače pro klimatizaci dolů v protiproudém provedení uvádí obr. 5.10. Oběhové čerpadlo vysokotlakého okruhu zajišťuje dopravu ochlazené vody z hladící stanice na povrchu do dolu k dávkovači, kde je provedena rekuperace tlaku. Do vysokotlakého okruhu je na povrchu vřazena otevřená nádrž, tato plní i funkci otevřené expanzní nádrže a současně kryje i případné objemové netěsnosti. Oběhové čerpadlo nízkotlakého okruhu zajišťuje dopravu studené vody od dávkovače k jednotlivým chladičům důlních větrů. Na obr. 5.11 je jedno z možných provedení časového diagramu dávkovače, tento je navržen tak, že hlavní armatury se uzavírají a otevírají za 9 s, pomocné vyrovnávací armatury se otvírají za 3s a uzavírají se za 6s. Jsou pochopitelně možné i jiné časy pro otevírání nebo uzavírání armatur, časový diagram musí být však navržen tak, aby tlakové pulsace byly v doporučených hodnotách. Stejný časový diagram, ale zpracovaný v jiné podobě je na obr. 5.12, zde je také vyznačen časový průběh teplé i studené vody a tlaku v komoře. Hlavní armatury u dávkovače mohou mít světlost menší než je průměr dopravního potrubí.

85



Obr. 5.10 Časový diagram TKD v protiproudém provedení s obtokovými armaturami – všechny armatury řízené

Obr. 5.11 Schéma dávkovače v protiproudé provedení a jeho časový diagram, všechny armatury řízené 86



Obr. 5.12 Časový diagram dávkovač v protiproudém provedení a časový průběh průtoku a tlaku v jednotlivých komorách - všechny armatury řízené

Obr. 5.13 TKD pro centrální klimatizaci dolů – fa Siemag 87



Provedení TKD pro centrální klimatizaci dolů uvádí obr. 5.13, jedná se o dávkovač se třemi vodorovnými komorami, jejich průměr je větší než je průměr dopravního potrubí v jámě.

5.6 Sériové řazení dvou TKD Jak již bylo uvedeno v kap. 2.15 je možné TKD řadit sériově, protože zdrojem tlaku jsou čerpadla a tato je možné řadit sériově nebo paralelně, stejná možnost proto platí i pro TKD. Sériové řazení dvou TKD ( je pochopitelně možné řadit do série i více TKD) lze s výhodou aplikovat i pro centrální klimatizaci dolů – obr. 5.14. Tato varianta umožňuje dopravu studené vody i do hlubokých dolů ( hloubka 2000 m i více), při čemž hydrostatický tlak se rozdělí na dvě menší (asi poloviční) velikosti. Jeden TKD je postaven na patře které je asi v polovině celkové hloubky dolu, druhý TKD je pak postaven na spodním patře – obr. 5.14. U prvního TKD je plnění komory studenou vodou provedeno klasickým způsobem a to odstředivým oběhovým čerpadlem „2“ situovaným na povrchu dolu. Oběhové čerpadlo „4“ na tomto patře pak čerpá studenou vodu do TKD na spodním patře. Oběhové čerpadlo „5“ na spodním patře čerpá studenou vodu k chladičům důlních větrů „6“.Teplá voda z chladičů důlních větrů je přiváděna potrubím zpět k TKD a ze spodního patra pomocí TKD a U trubice dopravována na vyšší patro a dále druhým TKD je dopravována na povrch dolu, zde se opět ochladí a je dopravována popsaným způsobem zpět do dolů.

Obr. 5.14 Sériové řazení dvou TKD 88



Sériové řazení dvou TKD lze provést tak, že dopravní potrubí studené prvního TKD zapojeno přímo do plnění TKD na spodním patře. Teplá voda ze spodního patra může být zapojena přímo na vstup TKD na vyšším patře, podle obr. 5.15 je mezi oběma TKD vřazena akumulační nádrž „7“, tato varianta je schopna kompenzovat změny objemu v důsledku změny teploty vody a také kompenzovat rozdílné průtoky oběhových čerpadel „2, 4 a 6“. Na výstupu z TKD na vyšším patře se získá teplota studené vody 2oC, tato voda je dále jámou dopravována na spodní patro do druhého TKD, voda se proto ohřeje o 1oC, proto za TKD na spodním patře je teplota studené vody 3oC. V případě dopravy suspenze voda – led by teplota vody byla 0oC. Čára tlaku a osa potrubí jednoho TKD je uvedena na obr. 5.16.

Obr. 5.15 Sériové řazení dvou TKD pro centrální klimatizaci hlubokých dolů 1 – chladící zařízení na povrchu, 2 – oběhové čerpadlo, 3 – dávkovač, 4 – oběhové čerpadlo v dole, 5 – oběhové čerpadlo v dole, 6 – chladič důlních větrů, 7 - nádrž na studenou vodu na 1.patře 89



Obr. 5.16 Čára tlaku a osa potrubí při použití TKD pro centrální klimatizaci hlubokých dolů

5.7 Suspenze voda - led Je-li pro potřeby klimatizace dolu používána suspenze voda – led, potom se pro klimatizaci využije i skupenské teplo ledu, které činí l = 336 kJ/kg, čímž se sníží množství suspenze v porovnání s vodou, zmenšení průtoku má za následek zmenšení průměru dopravního potrubí i komor dávkovače a zvýší se výkon chladiče důlních větrů. Pro chladící výkon platí rovnice

P  c.Qmp  Qmv .t  l.Qmp

kde

(5.2)

Q mp - hmotnostní průtok ledu

kg/s

Q mv - hmotnostní průtok vody c l

kg/s J/kg ( c = 4175,5 J/kg) J/kg, ( l = 336 kJ/kg)

- měrná tepelná kapacita vody - skupenské teplo ledu

Definujeme –li hmotnostní konzistenci jako poměr

km 

Qmp Qmv

,

potom pro chladící výkon se předcházející rovnice upraví

P  Qmv c.km  1.t  l.km 

(5.3)

Navržený systém umožňuje i dopravu vody s ledem, v tomto případě při stejném chladícím výkonu je menší objemový průtok vody a z toho vyplývající menší průměr potrubí i komory dávkovače. Teplota vstupující i vystupující vody z dávkovače je v tomto případě 0oC, což je o 3,5 oC menší hodnota než při použití pouze studené vody. Suspenzi voda-led je 90



možní čerpat odstředivým čerpadlem, šířku kanálu oběžného kola je však nutné volit přiměřeně větší než je zrnitost dopravovaného ledu. Obr. 5.17 uvádí závislost výkonu klimatizace na konzistence suspenze voda – led, obr. 5.18 uvádí závislost hmotnostního průtoku suspenze voda – led jako funkce výkonu klimatizace, z obrázku je vidět, že hmotnostní průtok vody je cca o 25% větší než průtok suspenze voda – led.

Obr. 5.17 Korelace mezi výkonem klimatizace pro 1kg suspenze a konzistencí při teplotním rozdílu t  19,5o C

Obr. 5.18 Korelace hmotnostního průtoku suspenze a výkonu klimatizace Je-li isolace dopravního potrubí v jámě provedena tak, že oteplení studené vody při její dopravě do dolu činí 0,5oC, v TKD se voda podle stávajících zkušeností oteplí rovněž o 0,5oC, potom celkové oteplení vody je 1oC. Vratná voda před vstupem do TKD má teplotu 19,5oC, potom využitelný teplotní rozdíl v chladiči důlních větrů je prakticky 17,5oC 91



(teoretická hodnota by činila 18,5oC). Z tohoto pohledu je účinnost dopravy studené vody 94.28 %. Pro 1kg dopravené studené vody činí ztráta tepla v potrubí a TKD při teplotním rozdílu t  1o C 4175,5 J/kg. Při teplotním rozdílu t  17,5o C a 1 kg dopravené vody se za TKD dodá 73,071 kJ/kg chladu. Je-li dopravována suspenze voda – led , potom v potrubí jámě i TKD dojde k odvodu tepla, teplota vody však bude stále 0oC, odvedené teplo se projeví tak, že se část ledu přemění na vodu, čímž se sníží konzistence (koncentrace) suspenze km . Za TKD bude tedy teplota vody 0oC a využitelný teplotní rozdíl je 19,5oC a je tedy o 2oC větší než při použití pouze vody.

5.8 Přestup tepla trubkou Potrubí studené vody vysokotlakého okruhu v jámě bude nutné isolovat, ostatní potrubí se budou isolovat podle uvážení. Množství tepla, které se odvede povrchem trubky do okolního vzduch je dáno rovnicí

Q  k .S.t ,

(5.4)

kde t - účinný střední teplotní rozdíl teplot Z hlediska proudění vody v potrubí v jámě, je možné odvod tepla řešit jako souproudý nebo protiproudý výměník – obr. 5.18.

Obr. 5.19 Průběh teplot tekutiny v souproudém a protiproudém ohříváku

92



K rozlišení obou tekutin se v dalším textu použije následující označení: pro ohřívanou tekutinu (teplejší) označení indexem 1, pro ohřívanou (chladnější) tekutinu označení indexem 2, a dále pro počáteční teplotu označení „a“ a pro konečnou teplotu označení „b“ – obr 5.19. Níže uvedené rovnice uvádí např. lit. [ 9 ]. U souproudu pro střední teplotní rozdíl platí rovnice

t 

ta  tb t1a  t2 a  t1b  t2 b .  ta     ln t  t  ln t  t 1 a 2 a 1 b 2 b ln tb

(5.5)

Označení veličin odpovídá obr. 5.19. Konečná teplota se vypočítá z rovnice

 k .S  W 1  1 1  exp     W1  W2 t1b  t1a  t1a  t2 a  W 1 1 W2

   

 k .S  W 1  1 1  exp    W W 1  2 W1  t2 b  t2 a  t1a  t2 a  W W2 1 1 W2

   

.

(5.6)

Pro protiproud je střední teplotní rozdíl definován rovnicí

t 

tmax  tmin t ln max tmin

.

(5.7)

Pro konečné teploty platí rovnice

 k .S  W  1  1  1  exp    W  W 1  2    t1b  t1a  t1a  t2 a   W k .S  W1  1  1 exp   1   W2  W1  W2   k .S  W  1  1  1  exp    W  W 1  2  W1   t2 b  t2 a  t1a  t2 a  W2   W k .S  W1  1  1 exp   1   W2  W1  W2  kde

W1  Qm1.c1 ; W2  Qm 2 .c2 .

93

,

(5.8)



Pro přestup tepla jednoduchou válcovou stěnou podle obr. 5.20 platí rovnice

Q

 .t1  t2 

 k .t1  t2  ,

1 1 D 1  ln 2  1.D1 2 D1  2 .D2

(5.9)

kde součinitel prostupu tepla pro trubku délky 1 metr

k

 1 1 D 1  ln 2  1.D1 2 D1  2 .D2

.

(5.10)

Povrchové teploty válcové stěny definuje rovnice - označení viz obr. 5.18

D2 1 D1 t s1  t 1  ; t s 2  t s1  . 1. .D1 2. . ln

Obr. 5.20

(5.11)

Prostup tepla jednoduchou a složenou válcovou stěnou

Pro vícevrstvou válcovou stěnu podle obr. 5.20 je součinitel prostupu tepla určen rovnicí

k

kde

 1 1 D2i 1   ln i  1.D1 2 D1  2 .D2

,

(5.12)

D1i - vnitřní průměr jednotlivých vrstev

D 2i - vnější průměr vrstev  - tepelná vodivost materiálu jednotlivých vrstev 94



Z rovnice (5.11) je možné vypočítat teploty na styčných plochách mezi vrstvami podobně jako u jednoduché válcové stěny.

1

Součinitel přestupu tepla z kriteriální rovnice

Nu  0,023. Re0,8 . Pr 0,4

.

Tato rovnice platí pro Re  5.103 následovně

Nu 

při turbulentním proudění potrubím je možné vypočítat

(5.13)

a

Pr  0,6 , podobnostní čísla jsou definována

 .L v.L   . ; Re  ; Pr  ; a    a  .c

Výpočet součinitele přestupu tepla na vnější straně trubky je možné převést na obtékání rovinných stěn, pro turbulentní proudění platí kriteriální rovnice

Nu  0,035. Re0,8 . Pr0,33 .

(5.14)

95



6. Transformace tlaku a průtoku mezi dvěma kapalinami Transformace tlaku mezi dvěma kapalinami. V celé řadě technických aplikací může vzniknout problém, že je k dispozici tlaková energie jedné kapaliny, ale z různých důvodů se nedá použít a bylo by pro řešení problému zapotřebí tlakové energie jiné kapaliny. V takovém případě by se uplatnilo zařízení, které umí transformovat tlakovou energii, tímto zařízením by mohl být tříkomorový dávkovač, který dokáže transformovat tlakovou energii jedné kapaliny na tlakovou energii jiné kapaliny. Jsou možné následující varianty transformace kapalin: voda – olej a naopak emulze – olej a naopak voda - voda dvě stejné nebo rozdílné kapaliny Jedna z možných variant dávkovače je na obr.6.1, dávkovač má tři komory v protiproudém provedení, v komoře je oddělovací píst, tento s dostatečnou účinností zabrání míšení obou kapalin. Stejný dávkovač v souproudém provedení s oddělovacím pístem se nedá realizovat.

Obr. 6.1 Schéma dávkovače pro transformaci tlakové energie kapaliny v protiproudém provedení s pístem Dávkovač podle obr. 6.1 např. pro parametry: p = 32 MPa - tlak kapaliny na primární straně Q = 15 dm3/min - průtok kapaliny na primární i sekundární straně Pt = 8 kW - teoretický hydraulický výkon bude mít následující parametry, tyto uvádí Tabulka 6.1. Protože se jedná o objemový stroj, lze předpokládat jeho vysokou účinnost η = 0,9.

96



Tabulka 6.1 Parametry dávkovače Čís. 1 2 3 4 5

Komora Průměr komory - mm Výška komory - mm Pístová rychlost - m/s Doba jednoho cyklu – s Frekvence pohybu pístu – min-1

A 50 500 0,13 3,85 15,6

B 63 500 0,08 6,25 9,6

C 80 500 0,05 10 6

Oddělení obou kapalin bude ve všech případech žádoucí, proto provedení dávkovače musí být protiproudé. Vzhledem k požadovanému průtoku Q = 15 dm3/min bude možné volit průměr potrubí 8 až15 mm, světlost armatur může být volena menší a sice 6 až 10 mm. Obtokové armatury vzhledem k malé světlosti hlavních armatur nebudou potřebné, tímto se velmi zjednoduší časový diagram dávkovače , tento může být volen např. podle obr. 3.22, ovšem bez obtoků – obr. 6.2. Hlavní armatury lze použít u každé komory dvě řízené a dva zpětné ventily. Řízení armatur bude možné odvodit od koncových poloh oddělovacích pístů, na sekundární straně bude nutné použít akumulátor, řízení průtoku kapaliny na sekundární straně bude v nejjednodušším případě možné provést škrcením ručně ovládaným ventilem.

Obr. 6.2 Časový diagram dávkovače podle obr. 6.1 bez obtokových armatur 97



Obr. 6.3 Provedení komory dávkovače pro transformaci tlakové energie A – volný píst; B – píst s pístnicí, mezikruží na straně emulze; C – píst s pístnicí, mezikruží na straně oleje; D – dva písty stejného průměru v tandemu; E – dva písty různého průměru v tandemu, menší píst na straně emulze; F – dva písty různého průměru v tandemu, menší píst na straně oleje; G - menbrána Vedle provedení dávkovače s plovoucím pístem např. podle obr. 6.3A, kdy tlak kapaliny na vstupní i výstupní straně je stejný, je možné i provedení oddělovacího pístu s pístnicí – obr. 6.3B nebo obr. 6.3C. V tomto případě bude na vstupní a výstupní straně dávkovače rozdílný tlak, takový dávkovač se proto chová jako multiplikátor. Dávkovač může být navržen tak, že tlak na výstupu se může zvětšoval, ale i zmenšovat. Je technicky možné i provedení dávkovače se dvěma válci stejného průměru zapojenými v tandemu – obr. 6.3D, takové provedení zajišťuje absolutní oddělení obou kapalin, délka komory je však dvojnásobná. Pokud průměry pístů budou rozdílné, potom takové provedení dávkovače umožní multiplikaci tlaku – obr. 6.3E nebo obr. 6.3F. Podle obr. 6.3G lze píst nahradit membránou, tato spolehlivě obě kapaliny prakticky absolutně oddělí.

Obr. 6.4 Schéma dávkovače pro transformaci tlakové energie kapaliny v protiproudém provedení s menbránou Provedení dávkovače podle obr.6.1, lze realizovat i pomocí membrány - obr. 6.4. Dávkovač má tři komory v protiproudém provedení, membrána odděluje prakticky absolutně obě použité kapaliny. 98



Transformace tlakové energie při odsolování vody. Pro odsolování vody včetně vody mořské se často používá reversní osmóza, jejíž princip je zřejmý z obr. 6.5. Když čistou vodu oddělíme od koncentrovaného roztoku, tzv. koncentrátu nebo též solanky vhodnou polopropustnou membránou, potom začne čistá voda prostupovat přes membránu do koncentrátu. Tento jev se nazývá osmóza. Na straně koncentrátu se zvyšuje tlak a naopak, za rovnovážného stavu se rozdíl tlaků nazývá osmotický tlak.

Obr. 6.5 Schéma osmózy a reversní osmózy U reversní osmózy se tlak v roztoku koncentrátu zvýší nad hodnotu osmotického tlaku (pro mořskou vodu má tento tlak velikost 3MPa i více), čistá vody z koncentrátu – solanky začne přes membránu prostupovat opačným směrem do prostoru s čistou vodou – permeátu, čímž dochází k odsolování vody. V prostoru koncentrátu se zvětšuje koncentrace soli, proto se část tohoto koncentrátu vypouští do odpadu. Poměr mezi objemem získané čisté vody – permeátu a objemem koncentrátu se označuje jako výtěžnost, tato se pohybuje v intervalu 20 až 70% (ze 100% koncentrátu se získá 20 až 70% permeátu). Pro reversní osmózu při odsolování vody je optimální teplota vstupujícího koncentrátu cca 25oC, max. teplota je 30oC, při teplotě 5oC se výkon zařízení snižuje na polovinu. Reversní osmózou se dají odstranit z vody prakticky všechny minerální soli, těžké kovy, organické sloučeniny, některé bakterie i víry.

Obr. 6.6 Rekuperace tlakové energiemi při odsolování vody pomocí reversní osmózy s využitím dávkovače Odsolování vody je proces energeticky velmi náročný, pro odsolování mořské vody spotřeba energie činí cca 22 kWh/m3 permeátu a to za předpokladu, že je využita rekuperace tlaku. Jak bylo uvedeno výše, při použití reversní osmózy se koncentrát čerpá 99



pod tlakem 3 MPa i více do odsolovacího zařízení a prakticky se stejným tlakem se zahuštěný koncentrát se zařízení vypouští do odpadu. U větších odsolovacích zařízení tlaková energie vypouštěného koncentrátu není zanedbatelná, je proto velmi výhodné tuto energii využít.

Obr. 6.7 Rotační dávkovač pro transformaci tlaku při odsolování vody pomocí reversní osmózy - [17]. Pro tranformaci tlaku se v současné době využívají dva způsoby a to odstředivé čerpadlo poháněné vodní turbínou, která využívá tlakové energie vypouštěného koncentrátu, účinnost této rekuperace je cca 80%. Druhý způsob využívá pro transformaci tlaku zařízení tzv. dávkovač, který je vřazen do odpadu zahuštěného koncentrátu, účinnost tohoto systému je cca 97%. Zjednodušené schéma odsolovacího zařízení s dávkovačem uvádí obr. 6.6. V současné době jsou pro rekuperaci tlaku u odsolovacích zařízení používány rotační dávkovače- obr. 6.7, jsou jednoduché konstrukce, nevyžadují přívod energie, z hlediska průtoku koncentrátu jsou schopné zpracovat pouze velmi malé průtoky, proto u odsolovacího zařízení musí pracovat i několik desítek rotačních dávkovačů zapojených vedle sebe – paralelně.

Obr. 6.8 Zjednodušené schéma komorového dávkovače pro transformaci tlaku při odsolování vody pomocí reversní osmózy

100



V dalším textu je uvedena rekuperace tlaku u větších odsolovacích zařízení s využitím komorového dávkovače – obr. 6.8. Dávkovač se třemi vodorovnými nebo svislými komorami vzhledem k tomu, že čerpá vodu má na každé komoře dvě hlavní armatury (ventil nebo šoupátko) řízené hydraulickým válcem a dva zpětné ventily. Pro snadnější otevírání nebo uzavírání jsou hlavní armatury překlenuty pomocnou armaturou menší světlosti rovněž ovládanou hydraulickým válcem. Pro menší světlosti hlavních armatur lze obtokové armatury vynechat, hydraulický obvod otevírání armatur zvládne, budou však větší průměry hydraulických válců. Dávkovač je navržen v protiproudém provedení bez oddělovacího elementu v komoře, který pro rekuperaci tlaku u odsolovacího zařízení není potřebný. Komora u dávkovače je plněna vysokým tlakem, proplachována je tlakem nízkým. Plnění komory je zajištěno nízkotlakým plnícím odstředivým čerpadlem, toto čerpadlo překonává pouze hydraulické odpory v komoře dávkovače a následného potrubí. Z hlediska celkové účinnosti rekuperace tlaku toto plnící čerpadlo snižuje celkovou účinnost o cca 2 až 3%. Jeden z možných časových diagramů – obr. 69, je navržen tak, že hlavní armatury se otevírají nebo uzavírají za 1 sec. pomocné pak za 0.5 sec. Čerpaný objemový průtok dávkovačem pro průměr potrubí D=150 mm je Q=200 m3/hod, pro D=200mm je Q=350 m3/hod a pro D=250mm je Q=530 m3/hod, s rostoucím průměrem roste i objemový průtok. O tom, zda bude výhodné použití komorového dávkovače pro odsolování mořské vody bude rozhodovat podrobné ekonomické porovnání obou použitých dávkovačů. Pro odsolovací zařízení je možné použít komorový dávkovač se dvěma komorami, uzavírací armatury mohou být ventil, šoupátko nebo kulový kohout, je možné použít i vícecestné armatury podle obr. 3.7.

Obr. 6.9 Schéma komorového dávkovače pro transformaci tlaku při odsolování vody pomocí reversní osmózy a jeho časový diagram.

101



LITERATURA [1] Kupka, F., Hrbek, J., Janalík, J.:Hydraulická doprava v potrubí, SNTL Praha 1970,307 s [2] Janalík, J.: Trubkové komorové podavače pro hydraulickou dopravu. Sborník vědeckých prací, VŠB Ostrava, rok 1990, č. 1, s. 99-120 [3] Janalík, J.: Doprava studené vody pro centrální klimatizaci dolů. Sborník vědeckých prací, VŠB Ostrava, rok 1991, č. 1, s. 137-159 [4] Janalík, J.: Řešení nestacionárních stavů u trubkového dávkovače pro hydraulickou dopravu, Sborník vědeckých prací VŠB, Ostrava 1976, č.1, s. 147-159 [5] Janalík J; Kolarčík,W Pospíšil, Z.:Hydraulická doprava s potrubním komorovým dávkovačem, Strojírenství, 1990, č. 3, s.166-170 [6] Berg,G., Cooke,R.: Hydraulic hoisting technology for platinum mines, The Journal of The South African Institute of Mining and Metalurgy, Volume 105, 2005, s. 323-332 [7] Weinberg, S. : Hydraulic Transport of Coal, Colliery Guardian 1962, No5299, s. 594608 [8] Hydraulic Transpotration of Solids, Colliery Engng. 1963, No 12 [9] Cihelka, J. : Vytápění, větrání a klimatizace, SNTL Praha 1985 [10] Krč, P. : Návrh zařízení pro dopravu studené vody pro centrální klimatizaci dolu, Diplomová práce VŠB-TU Ostrava, fakulta strojní, 2011 [11] Janalík J.: Potrubní hydraulická a pneumatická doprava, Skripta VŠB-TU Ostrava 2010, str. 263 [12] Janalík J.: Kalová čerpadla, Skripta VŠB-TU Ostrava 2011, str. 100, ISBN 978-80- 248-2717-9 [13] Bláha,J,Brada,K.: Hydraulické stroje, SNTL Praha 1992, 752 s. [14] www.ibcpraha.cz [15] www.hydrosystem.eu [16] www siemag-tecberg.com [17] www energyrecovery.com

PROGRAMY „Dávkovac.xls“ „Hydraulicka doprava.xls“ „Klimatizace čerpadlo.xls“

POUŽITÁ OZNAČENÍ A cv c cFe d h hz i k k km l m n p

- rychlost zvuku - objemová koncentrace - měrná tepelná kapacita vody - měrná tepelná kapacita oceli - průměr částice, průměr kontejneru - zdvih armatury - ztrátová výška - sklon tlakové čáry - absolutní drsnost stěny potrubí - součinitel prostupu tepla - hmotnostní konzistence - hmotnostní poměr - měrné skupenské teplo vody - hmotnost - otáčky - tlak 102

m.s-1 1 J.kg-1.K-1 J.kg-1.K-1 m m m 1 m W.m-2.K-1 1 J.kg-1 kg s-1 Pa



v vkr z ∆y

- tlaková ztráta - dopravní tlak čerpadla - atmosférický tlak - bezrozměrný průtok - síla stěny potrubí - teplota - teplotní rozdíl - čas - účinný střední teplotní rozdíl - průřezová (střední) rychlost v potrubí - kritická rychlost proudění suspenze - zdvih armatury – relativní - měrná kavitační energie

Pa Pa Pa 1 m K K s deg m.s-1 m.s-1 1 J.kg-1

D D1 E E F Hd K L P R S V Q Q Qm Q T Y

- vnitřní průměr potrubí - vnější průměr potrubí - energie - modul pružnosti - síla - dopravní výška čerpadla - objemový modul stlačitelnosti kapaliny - délka, délka komory TKD - výkon - hydraulický odpor - plocha - objem - množství tepla - objemový průtok - hmotnostní průtok - tepelný tok - doba jednoho cyklu TKD - měrná energie čerpadla

m m J Pa N m Pa m W Pa.s2.m-6 m2 m3 J m3.s-1 kg.s-1 W s J.kg-1

1 2

- součinitel přestupu tepla na vnitřní stěně trubky - součinitel přestupu tepla na vnější stěně trubky - ztrátový součinitel - účinnost - součinitel tření - tepelná vodivost - kinematická viskozita - hustota, měrná hmotnost

W.m-2.K-1 W.m-2.K-1 1 1 1 W.m-1.K-1 m2.s-1 kg.m-1

pz pd pb q s t t t

t

     

INDEXY kr max min stř p s k v

- kritický - maximální - minimální - střední - pevná částice - suspenze - kontejner - voda

103



Autor:

Jaroslav Janalík,Prof.Ing.CSc.

Katedra, institut:

Katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení 338

Název:

Čerpací systémy s dávkovačem

Místo, rok, vydání

Ostrava, 2014, 1. vydání

Počet stran:

104

Vydala:

Vysoká škola báňská – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA,fakulta strojní, kat. hydromechaniky a hydraulických zařízení 17.listopadu 15/2172 708 33 Ostrava - Poruba

Výroba:

Katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení

Náklad:

10 CD

Neprodejné ISBN 978-80-248-3456-6

104

Čerpací systémy s dávkovačem

Recommend Documents