Насос Гейзера – это устройство, использующее принцип периодического выброса жидкости за счёт накопления давления и его резкого высвобождения. Такой насос работает циклически: сначала вода (или пульпа) заполняет камеру, затем под давлением сжатого воздуха происходит её резкий выброс через выпускной патрубок.
Применение насоса Гейзера для извлечения янтаря при скважинной гидродобыче
В скважинной гидродобыче янтаря насос Гейзера может быть полезен для транспортировки янтаря из добычной камеры на поверхность.
Как это может работать?
- Образование пульпы
o В добычной камере вода под высоким давлением размывает янтароносные породы, образуя смесь воды, песка и кусочков янтаря (пульпу).
o Насос Гейзера устанавливается в скважине или на поверхности.
- Цикл работы насоса
o Фаза накопления: пульпа поступает в камеру насоса.
o Фаза выброса: в камере создаётся избыточное давление (например, сжатым воздухом или паром), и пульпа резко выбрасывается вверх по трубе.
o Янтарь, как менее плотный, чем порода, легче поднимается с потоком.
- Сепарация на поверхности
o Выброшенная пульпа попадает в отстойники или виброгрохоты, где янтарь отделяется от воды и песка.
Преимущества такого метода
· Энергоэффективность: насос Гейзера не требует постоянной работы, только периодические импульсы.
· Уменьшение засоров: резкие выбросы могут помочь прокачивать крупные куски янтаря, которые обычные насосы заклинивают.
· Простота конструкции: меньше движущихся частей, чем в центробежных или шнековых насосах.
Проблемы и ограничения
· Нужен точный расчёт давления, иначе возможны повреждения скважины или разрушение янтаря.
· Требуется эффективная система сепарации на поверхности.
· Не подходит для очень глубоких скважин без дополнительных усилителей давления.
Вывод
Насос Гейзера может быть полезен в скважинной гидродобыче янтаря как альтернатива традиционным насосам, особенно если нужно периодически выводить на поверхность пульпу с крупными фракциями янтаря. Однако его применение требует экспериментальной проверки и адаптации под конкретные условия добычи.
Расчет насоса Гейзера для извлечения пульпы с янтарем
Исходные данные (для примера):
· Производительность: 150 м³/час (0,0417 м³/с)
· Внутренний диаметр верхнего купола (камеры): 400 мм (радиус *r* = 0,2 м)
· Глубина извлечения (высота подъема): 24,5 м
· Плотность пульпы: предположим 1100 кг/м³ (с учетом песка и частиц янтаря)
- Определение параметров камеры насоса Гейзера
Объем камеры должен обеспечивать запас жидкости для одного выброса.
а) Расчет объема одного выброса
Принимаем частоту выбросов 10 раз в минуту (каждые 6 секунд).
Тогда объем одного выброса:
б) Высота заполнения камеры
Объем цилиндрической камеры:
Отсюда высота заполнения:
(То есть камера должна заполняться на ~2 м перед каждым выбросом.)
- Расчет давления для выброса на высоту 24,5 м
Используем уравнение Бернулли для определения давления в камере перед выбросом.
Давление должно преодолеть:
· Гидростатическое давление столба пульпы
· Потери на трение в трубе (примем 10% от общего напора)
а) Гидростатическое давление
б) Учет потерь (+10%)
в) Давление сжатого воздуха/пара в камере
Так как камера заполнена на 2 м, дополнительное давление для вытеснения:
(~3,1 атм избыточного давления в камере перед выбросом.)
- Расчет энергии и мощности
а) Работа выброса
Энергия, затрачиваемая на подъем пульпы:
б) Мощность насоса
Если выброс происходит за 1 секунду, то мощность:
(Но так как выбросы происходят 10 раз в минуту, средняя мощность меньше.)
- Расчет диаметра выпускного патрубка
Чтобы пульпа успевала выходить за 1-2 секунды, нужна достаточная скорость потока.
а) Скорость истечения
Используем формулу Торричелли с поправкой на потери:
где φ ≈ 0,85 (коэффициент скорости).
б) Необходимая площадь отверстия сброса
Вывод: нужен патрубок диаметром ~50-60 мм.
- Итоговые параметры насоса Гейзера
Заключение
Предложенный насос Гейзера сможет поднимать 150 м³/час пульпы с глубины 24,5 м, если:
· Камера имеет диаметр 400 мм и заполняется на 2 м перед выбросом.
· Давление в камере перед выбросом ~3,1 атм.
· Выпускное отверстие 50-60 мм для обеспечения скорости истечения ~18,5 м/с.
Такой насос может быть эффективен для скважинной гидродобычи янтаря, но требует испытаний для оптимизации параметров.
Расчет диаметра пульпоподъемной трубы для насоса Гейзера
Для эффективного подъема пульпы с производительностью 150 м³/час (0,0417 м³/с) на высоту 24,5 м необходимо правильно подобрать диаметр трубы, чтобы:
· Обеспечить достаточную скорость потока для предотвращения засорения.
· Минимизировать гидравлические потери.
· Учесть размер частиц янтаря и песка.
- Рекомендуемая скорость потока в пульпопроводе
Для пульп с твердыми частицами (песок, янтарь) оптимальная скорость потока:
· Минимальная: 1,5–2 м/с (чтобы частицы не оседали).
· Рекомендуемая: 2–3 м/с (для надежного транспорта).
· Максимальная: 4–5 м/с (чтобы избежать износа трубы).
Выбираем среднюю скорость: 2,5 м/с.
- Расчет диаметра трубы
Используем уравнение неразрывности потока:
где:
· Q = 0,0417 м3/с (расход),
· v = 2,5 м/с (скорость).
Выразим диаметр d:
Округляем до стандартного размера:
· 150 мм (6 дюймов) – ближайший промышленный стандарт.
- Проверка на засорение и гидравлические потери
а) Максимальный размер частиц
Для трубы 150 мм допустимый размер частиц обычно не более 1/3 диаметра:
(Если в пульпе есть более крупные куски янтаря, может потребоваться труба большего диаметра или дробление.)
б) Гидравлические потери
Используем формулу Дарси-Вейсбаха для оценки потерь:
где:
· λ ≈ 0,02 (коэффициент трения для стальной трубы),
· L = 24,5 м (длина подъема),
· ρ = 1100 кг/м3 (плотность пульпы).
Подставляем:
(Это допустимо, так как насос создает давление ~300 кПа.)
- Итоговый выбор диаметра трубы
Рекомендации:
- Оптимальный диаметр пульпоподъемной трубы – 150 мм.
- Если в пульпе есть крупные куски (>50 мм), можно:
o Увеличить диаметр до 200 мм (тогда скорость упадет до ~1,3 м/с, что рискованно для песка).
- Для уменьшения износа использовать трубы с износостойким покрытием (резина, полиуретан).
Труба DN150 (6 дюймов) – лучший выбор для заданных условий.
Подбор российского компрессора для насоса Гейзера
Условия работы:
· Давление в камере перед выбросом: 3,1 атм (изб.) = 0,31 МПа
· Объем камеры: 0,25 м³
· Частота выбросов: 10 раз/мин
· Требуемый расход воздуха: ~0,25 м³ × 10 = 2,5 м³/мин (при 3,1 атм)
· Тип привода: электрический (для стабильной работы)
- Расчет параметров компрессора
а) Требуемая производительность
Компрессор должен обеспечивать 2,5 м³/мин (150 м³/час) сжатого воздуха при давлении 3,1 атм.
Пересчет на всасываемый объем (атмосферные условия):
*(Но на практике компрессоры маркируются по выходной производительности, поэтому ищем 2,5–3 м³/мин при 3,1 атм.)*
б) Мощность компрессора
Ориентировочная мощность для винтового компрессора:
(где η ≈ 0,7 – КПД компрессора.)
- Подходящие российские компрессоры
Вариант 1: Винтовой компрессор «Ремеза» (Серия ВК)
· Модель: ВК-30/0,8
o Производительность: 3,0 м³/мин
o Давление: 0,8 МПа (8 атм) (избыточное, подходит с запасом)
o Мощность: 22 кВт
o Производитель: «Ремеза» (Татарстан)
Вариант 2: Винтовой компрессор «Энергомаш» (Челябинск)
· Модель: КВЭ-3,0/8
o Производительность: 3,0 м³/мин
o Давление: 0,8 МПа
o Мощность: 22 кВт
o Производитель: «Энергомаш»
- Дополнительное оборудование
- Ресивер (воздухосборник)
o Объем: 0,5–1 м³ (для сглаживания пульсаций).
o Пример: Р-1,0 МПа (10 атм) от «Ремеза».
- Система управления
o Частотный преобразователь (для регулировки производительности).
o Пневмоклапаны (для синхронизации с выбросами насоса Гейзера).
- Итоговая рекомендация
Вывод: Лучший выбор – винтовой компрессор «Ремеза ВК-30/0,8» (22 кВт, 3 м³/мин). Он обеспечит стабильную работу насоса Гейзера с запасом по давлению и производительности.
Читайте и скачивайте статью в фомате PDF на нашем канале в ВК по настояшей ссылке
