Арлифт: устройство и применение¶

Арлифт (от англ. air lift — воздушный подъём) — гидравлическое или пневматическое устройство для подъёма и транспортировки жидкостей, пульп и сыпучих материалов по вертикальной или наклонной трубе за счёт энергии сжатого воздуха или газа, подаваемого в нижнюю часть трубы. Относится к классу эрлифтных (газлифтных) установок и работает без механических движущихся частей в контакте с перекачиваемой средой.

¶Принцип действия

Работа арлифта основана на разнице плотностей столбов жидкости в подающей трубе и в окружающей среде (или в смежной трубе). Сжатый воздух через форсунку (сопло) вводится в нижнюю часть вертикальной трубы, погружённой в жидкость. Образуется воздушно-жидкостная смесь (эмульсия) с плотностью значительно ниже, чем у чистой жидкости. Вследствие этого давление столба смеси внутри трубы становится меньше гидростатического давления окружающей жидкости, которая выталкивает смесь вверх по трубе к сливному патрубку.

Ключевые параметры, определяющие эффективность арлифта:

глубина погружения форсунки под уровень жидкости (относительное погружение);
расход и давление подаваемого воздуха;
диаметр и длина подъёмной трубы;
конструкция смесительной камеры.

Оптимальное относительное погружение (отношение глубины погружения к общей высоте подъёма) обычно составляет 0,5–0,7. При меньших значениях КПД резко падает, при больших — возрастает, но снижается производительность.

¶История

Идея использования сжатого воздуха для подъёма воды известна с конца XVIII века. Первые работоспособные конструкции арлифтов появились в середине XIX века. В 1846 году австрийский горный инженер Карл фон Рейхенбах предложил устройство для подъёма воды из шахт, запатентованное в 1857 году. В 1880-х годах американский изобретатель Джон Доланс усовершенствовал конструкцию, применив арлифт для подъёма воды из буровых скважин. Широкое распространение арлифты получили в начале XX века при разработке месторождений полезных ископаемых и в системах водоснабжения.

¶Виды и конструкции

По способу подачи воздуха различают:

Прямоточные арлифты — воздух подаётся непосредственно в подъёмную трубу через одиночное сопло или распределительную гребёнку.
Эжекторные арлифты — воздух предварительно смешивается с жидкостью в специальной камере-смесителе.
Кольцевые (периферийные) — воздух вводится через кольцевой зазор вокруг трубы.

По расположению различают вертикальные, наклонные и горизонтальные (воздушно-гидравлические транспортеры) установки. В зависимости от среды перемещения выделяют арлифты для воды, нефти (газлифты), пульп, кислот и сыпучих материалов.

¶Применение

Арлифты широко используются в отраслях, где требуется надёжный и безопасный подъём агрессивных, абразивных или загрязнённых сред:

Горнодобывающая промышленность: подъём пульпы из буровых скважин, очистка шахтных вод, добыча сапропеля и торфа.
Нефтедобыча: газлифтный способ добычи нефти, при котором в скважину закачивается сжатый газ для снижения плотности столба жидкости и вытеснения её на поверхность.
Водоснабжение и мелиорация: подъём воды из скважин и колодцев, перекачка сточных вод, аэрация водоёмов.
Химическая промышленность: транспортировка агрессивных жидкостей и кислот, где использование насосов с механическими уплотнениями затруднено.
Гидрометаллургия и обогащение: перемещение рудных пульп и шламов.
Очистка водоёмов и дноуглубительные работы: удаление донных отложений и ила.
Аквариумистика и рыбоводство: подъём воды в системах фильтрации и аэрации.

¶Преимущества и недостатки

К преимуществам арлифтов относятся:

отсутствие движущихся частей в зоне контакта со средой, что обеспечивает высокую надёжность и долговечность;
возможность работы с агрессивными, абразивными и вязкими жидкостями, а также с пульпами высокой плотности;
простота конструкции и низкая стоимость изготовления;
безопасность при работе во взрывоопасных средах (при использовании инертного газа);
возможность подъёма жидкости с больших глубин;
способность работать с загрязнёнными и газосодержащими средами без кавитации.

Недостатки:

сравнительно низкий КПД (обычно 20–45 %), обусловленный потерями энергии при смешивании воздуха с жидкостью;
необходимость источника сжатого воздуха (компрессора) с достаточной производительностью;
ограниченная высота подъёма при одном погружении;
пульсации потока и неустойчивость работы при переменных расходах;
необходимость точной настройки глубины погружения и расхода воздуха.

¶Сравнение с насосами

В отличие от центробежных и поршневых насосов, арлифты не требуют электродвигателя в скважине или вблизи перекачиваемой среды. Это делает их незаменимыми при работе с химически активными жидкостями и в условиях, где исключено применение электрооборудования. Однако по энергоэффективности арлифты уступают современным погружным насосам, поэтому их выбор оправдан прежде всего спецификой среды или требованиями безопасности.

¶Интересные факты

Газлифтный метод добычи нефти применяется на многих месторождениях Западной Сибири и Прикаспия; он позволяет эксплуатировать скважины с высоким газовым фактором без дополнительных механизмов.
В аквариумистике простейшие арлифты используются для подъёма воды в биологических фильтрах — они одновременно обеспечивают аэрацию.
Арлифты применяются при подъёме глубоководных проб грунта и в океанологических исследованиях.