Технические характеристики и принципы работы ПКН

СИСТЕМА PNEUMA
Отличительные особенности насосов ПКН
Основной отличительной особенностью установок системы PNEUMA, работающей на сжатом воздухе, является отсутствие вращающихся частей или каких-либо механизмов, контактирующих с откачиваемой смесью.

Насос ПКН состоит из:

a) Корпуса насоса (погружные камеры), состоящего из 3 цилиндрических камер без внутренних вращающихся механизмов, оснащенных двумя резиновыми (впускной и нагнетательный) клапанами. Корпус насоса снабжен съемным грунтозаборным устройством (ГЗУ) различного типа (всасывающие патрубками, как на рис. 1, или ковш, как на. рис. 2).

b) Распределителя воздуха, который регулирует подачу сжатого воздуха к каждой камере и его выпуск, а также обеспечивает равномерную работу насоса и непрерывость подачи сжатого воздуха.

c) Источника сжатого воздуха, обеспечивающего подачу воздуха, который обычно образуется с помощью компрессора, приводимого в действие с помощью двигателя любого типа.

Блок, состоящий из компрессора и распределителя, размещается на поверхности, на значительном расстоянии от корпуса насоса, к которому они подсоединены с помощью шлангов для подачи сжатого воздуха. В случае производства работ под водой, на глубине, распределитель помещается на верхней части корпуса насоса (над погружными камерами).

Нагнетательные шланги для подачи воздуха полностью отделимы от остальной части установки.

Сам процесс работы пневматического камерного насоса, как было сказано выше, в основном состоит из двух рабочих циклов: заполнения камеры грунтом и его вытеснения сжатым воздухом. Это обстоятельство делало процесс  разработки грунта цикличным (прерывистым), снижало производительность
добычи, давало низкие экономические показатели, сводя на нет другие его достоинства.
Со временем данный недостаток был устранен путем объединения работы нескольких камер в едином блоке (модуле) через пневматический дистрибьютор (распределитель), который позволил перевести работу модуля (трех камер) в непрерывный процесс в автоматическом режиме. Это новшество дало новый толчок к использованию пневматических насосов.
По патенту Японии (№ 4- 27336 класса E02F 3/88 с приоритетом от 07.09.1990 г.) устройство включает две камеры,  камеры оборудованы встроенными датчиками уровня и давления, которые по мере вытеснения и заполнения камер передают сигнал автоматической системе управления воздушными клапанами, которые производят переключение подачи-сброса воздуха для камер [7]. Этим обеспечивается  постоянная беспрерывная подача грунта в напорный пульпопровод. При работе на глубинах менее 4 м для обеспечения всасывающей способности насоса применяется вакуумное устройство, расположенное на палубе земснаряда вместе с распределителем воздуха. Для разработки связных грунтов насос оборудован вертикальной фрезой барабанного типа. При разработке зараженных грунтов и активных илов в случае выделения газов из разрабатываемого слоя предусмотрено газоулавливающее устройство для организационного отвода газов.
Итальянской фирмой «PNEUMA» разработан пневматический насос, нашедший широкое применение в отличие от японского (присутствует пульсация и очень высокая стоимость). Насос включает три рабочих камеры, объединенные в единый блок, и подключенные к общему распределителю воздуха, работающего в автоматическом режиме.  Забор грунта  может осуществляться  сменными ГЗУ в зависимости от вида грунта и способа разработки. Основные данные этих устройств приведены в таблице 1.
В настоящее время выпускается серия ПКН с подачей высоко концентрированной пульпы от 40 м3/час до 1800 м3/час (рисунок 3).

Рисунок 3. Вид пневматического камерного насоса выпускаемого итальянской фирмой  «PNEUMA»: 1- камера; 2- ГЗУ для вертикальной разработки породы; 3- ГЗУ раздельного типа для горизонтальной
разработки связных пород; 4- ГЗУ сплошного типа для горизонтальной разработки несвязных пород; 5- напорный патрубок для подач гидросмеси; 6 – смотровой люк; 7- патрубок для подачи и сброса воздуха.

Таблица 1

Пневматические насосы могут комплектоваться  любыми передвижными строительными или стационарными компрессорами,   способными создавать давление до 13 бар с расчетной подачей. В настоящее время за рубежом получили распространение винтовые компрессоры, которые отличаются компактностью, простотой  обслуживания и высоким КПД. Построенные земснаряды с пневмонасосами комплектуются винтовыми компрессорами. Характеристики некоторых типов выпускаемых винтовых компрессоров приведены в таблице 2.

Таблица 2.

ПРИНЦИП РАБОТЫ НАСОСА PNEUMA

Принцип работы  ПКН  итальянской фирмы PNEUMA показан на  Рисунке 4.

Рисунок 4. Принцип работы погружного пневматического грунтового насоса ПКН: 1-цилиндрическая камера, 2-всасывающий патрубок, 3-входной клапан, 4-труба подачи и сброса воздуха, 5-трубопровод подачи пульпы (напорный).

Рабочий цикл такого насоса  может быть разделен на три фазы:
Первая фаза – наполнение камеры ПКН пульпой.
Каждая камера быстро заполняется пульпой под действием внешнего гидростатического давления жидкости на глубине. Как только  камера заполнится, входной клапан её автоматически закрывается под действием собственной силы тяжести.
Вторая фаза- опустошение камеры и перекачка.
Когда камера наполнена гидросмесью, сжатый воздух, подающийся от компрессора через распределитель воздуха (дистрибьютор) и шланги высокого давления в верхнюю часть камеры, начинает действовать как поршень и силой сжатого воздуха  выдавливает пульпу  через выгружной клапан (на данном рисунке не показан) в вертикальный пульпопровод.
Третья фаза – сброс сжатого воздуха из пустой камеры и подготовка к первой фазе.
Когда камера освобождена от пульпы, дистрибьютор сбрасывает воздух в атмосферу. Когда сжатый воздух полностью выйдет из цилиндра, в нем  восстановится прежнее низкое давление. После  этого  открывается входной клапан и пульпа начинает опять поступать в камеру, как описано в первой фазе.
Для обеспечения непрерывности процесса всасывания и подачи пульпы на поверхность, дистрибьютор воздуха  работает поочередно с тремя цилиндрами, производя от 1 до 3 циклов в каждую минуту.
При этом пневматический насос работает как цилиндрический насос с той лишь разницей, что поршнем в нем является сжатый воздух, что обеспечивает плавность передачи и устраняет все другие рабочие органы, присущие другим типам насосов (отсутствуют быстро изнашивающиеся трущиеся части).
Скорость на всасывающем патрубке цилиндров зависит от величины давления жидкости на глубине, и эта зависимость показана в таблице 3.
Скорость  всасывания жидкости определяется по известной формуле
 . 

Таблица 3.

Результаты таблицы показывают за счет чего пневматический насос способен производить всасывание грунта с 60/70 процентным объемным содержанием твердого. Эти скоростные показатели у пневматического насоса намного выше, чем у  грунтовых центробежных насосов. В таблице даны скорости по воде без учета плотности  и реологических характеристик разрабатываемой породы.
Расход  сжатого воздуха, который наполняет воздушные шланги, соединяющие дистрибьютор с цилиндрами насоса и расходуется при каждой рабочей фазе, заставляет приблизить дистрибьютор воздуха как можно ближе к телу насоса. Это легко выполнимо при стационарной установке на берегу, в то время как  при дноуглублении на  глубине до  20м проблема решается путем размещения дистрибьютора над водой (обычно на понтоне земснаряда).
При работе на  глубинах более 20м дистрибьютор погружается и располагается рядом с насосом, хотя можно использовать и палубный, но при этом расход воздуха будет выше.
С учетом того, что первая фаза наполнения камеры гидросмесью осуществляется под действием внешнего давления воды, а вторая фаза выдавливания гидросмеси из камеры осуществляется под действием сжатого воздуха, эти фазы  могут быть выполнены с различными скоростями, одна скорость для наполнения и другая скорость разгрузки. Эта техническая особенность позволяет  выбирать диаметр всасывающего патрубка  исходя из экономической целесообразности в противоположность технической необходимости расчета критических скоростей и подбора оптимального сечения всасывающего трубопровода в случае применения центробежного грунтового насоса. Это преимущество перед центробежным насосом особенно значительно, когда размер перекачиваемых частиц твердого в гидросмеси составляет менее 100 микрон (0,1мм). В этом случае скорость транспортирования гидросмеси может быть значительно ниже, чем в случае транспортирования частиц песка или гравия, хотя скорость всасывания при этом не понижается и остается на прежнем высоком уровне.
Ниже приведен  график (Рисунки 5 ) расхода энергии на разработку 1м3 грунта в теле  стандартным наосом ПКН типа 450/80  фирмы PNEUMA                производительностью 600м3/час по пульпе для различных условий добычи при разработке песчаных и гравийных пород .
Расход энергии показан в л.с.  для разработки:
- одного м3 грунта в залегании (в теле),
- плотность грунта в естественном залегании  принята γ=2 тн/ м3,
- размер частиц разрабатываемого грунта от 0,1 до 30 мм,
- глубина разработки до -50м,
- высота подъема над уровнем воды 5м,
- давление потока смеси в трубопроводе не превышает 11 атмосфер (157 psi).

Рис.5. График расхода энергии на разработку 1м3 песчано-гравийного грунта в теле  для насоса ПКН типа 450/80 фирмы PNEUMA производительностью 600м3/час по пульпе.

Из графика видно, что при работе на глубинах до 30м эффективность насосов ПКН довольно высока, т.к. расход энергии при этом на подъем 1м3 грунта на поверхность составляет чуть более 1,1л.с. или около 0,82кВт. При подъеме песчаной смеси на поверхность объемная концентрация может составлять 60%.
При разработке илистых и глинистых грунтов расход энергии зависит от реологических характеристик гидросмеси, т.к. потери  на трение для ньютоновской и неньютоновской жидкостей могут значительно отличаться.
Ниже приведены графики (Рисунки 6-7) потребления энергии на разработку 1м3 грунта в теле  стандартными наосами ПКН типа 450/80 фирмы PNEUMA производительностью 450м3/час по пульпе  для различных условий добычи при разработке илистых и глинистых пород .
Расход энергии показан в л.с.  для разработки:
- одного м3 грунта в залегании (в теле),
- плотность грунта в естественном залегании  приведена ниже,
- размер частиц разрабатываемого грунта менее 0,1 мм,
- глубина разработки до -25 м,
- высота подъема над уровнем воды 5м,
- давление потока смеси в трубопроводе не превышает 11 атмосфер (157 psi).
При расчете графиков вводится величина плотности разрабатываемого грунта в теле γ , т.е. в естественном сложении, до начала разработки, которая зависит от естественной (фактической) влажности разрабатываемого грунта, или отношения веса воды в порах к весу сухого материала. Таблицы разработаны для трех случаев влажности и плотности грунта в теле:
- при 75% влажности γ=1,55тн/м3,
- при 100% влажности γ=1,45тн/м3,
- при 125% влажности γ=1,38тн/м3.
Графики составлены при концентрации пульпы 60% и 85% взятых от указанных выше значений плотностей  γ. На Рисунке 1.7 показаны графики зависимостей при транспортировке пульпы соответствующей ньютоновскому типу жидкости, а на Рисунке 1.8 -  для неньютоновских жидкостей.

Рис.6. График расхода энергии на разработку 1м3 илистого грунта с естественной влажностью 75% и плотностью γ= 1,55 тн/м3 при подаче пульпы 85% весовой концентрации (γп= 1,468 тн/м3,
ньютоновская жидкость) для насоса  ПКН типа 450/80 фирмы PNEUMA  производительностью 450м3/час по пульпе.

Рис.7. График расхода энергии на разработку 1м3 глинистого  грунта с естественной влажностью 75% и плотностью γ= 1,55 тн/м3 при подаче пульпы 60% весовой концентрации (γп= 1,33 тн/м3,  не-
ньютоновская жидкость) для насоса  ПКН типа 450/80 фирмы PNEUMA  производительностью 450м3/час по пульпе.

С ростом глубины разработки растет внешний подпор воды на входе в ГЗУ. Это обстоятельство позволяет при работе с ПКН решать следующие задачи.
Во-первых, заглубить  оголовок  ГЗУ  в слой грунта   и  производить забор грунта, не боясь присоса и срыва вакуума, возможных при работе грунтового центробежного насоса. В отличие от работы с центробежным грунтовым насосом, всасывающий оголовок ГЗУ  для обеспечения устойчивой производительности насоса ПКН должен  быть постоянно заглублен в слой разрабатываемого грунта.
Во-вторых, большая всасывающая способность ПКН позволяет загружать в камеры насоса водонасыщенный грунт практически с естественной концентрацией твердого, т.е. 50% и выше.
В-третьих, большая всасывающая способность ПКН позволяет при грунтозаборе обходиться без какого-либо дополнительного механического или гидравлического рыхления, обеспечивая насосу ПКН самые высокие экологические показатели, сведя до минимума возможность взвешивания частиц грунта в забое и их распространение по акватории. Это свойство является главным качественным показателем работы ПКН.

Корпус насоса в сборе. Каждая камера оснащена ГЗУ в виде вертикальных всасывающих патрубков с конусными решетками на входе.

Корпус насоса в сборе. Всасывающие патрубки камер оснащены ГЗУ в виде раздельных ковшей со стационарными ножами-решетками на входе.

Корпус насоса в сборе. Фронтальная сборка камер в одну линию.