Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопросам задачи исследования 12
1.1. Анализ существующих методов изменения воздухораспределения в вентиляционной сети 13
1.2. Организация проветривания удалённых участков с помощью эжекторных установок 17
1.3. Математические модели эжекции, основанные на законе сохранения количества движения 20
1.4. Математические модели эжекции, основанные на законе сохранения энергии
1.5. Сравнительный анализ моделей, их недостатки и преимущества 24
1.6. Цели и задачи исследования 34
2. Разработка теоретической модели работы вентиляторной эжекторнои установки 36
2.1. Специфика предлагаемой модели эжекции 37
2.2. Уравнения сохранения импульса 39
2.3. Потери напора при сужении и расширении потока воздуха 45
2.4. Наличие конфузора у вентилятора 50
2.5. Проницаемость перемычки, в которой установлена камера смешения з
2.6. Вторичная эжекция 56
2.7. Отнесение вентилятора от камеры смешения 60
3. Исследование различных характеристик, определяющих эффективность работы эжекторной установки 68
3.1. Использование конфузора для сужения струи в целях увеличения эжекционного напора 69
3.2. Влияние сечения камеры смешения эжекторной установки на величину эжекционного напора 71
3.3. Исследование эжекционного напора в зависимости от сопротивления перемычки, в которой установлена камера смешения 74
3.4. Вторичная эжекция и её влияние на проветривание 77
3.5. Исследование эжекционного эффекта в различных режимах работы эжекторной установки 80
3.6. Выводы по главе 90
4. Исследование работы вентиляторов-эжекторов в сети 94
4.1. Методика расчёта совместной работы вентиляторов-эжекторов в сети 94
4.1.1. Предварительная оценка целесообразности установки вентилятора-эжектора 96
4.1.2. Выделение зоны влияния эжекторной установки 98
4.1.3. Упрощение сети вне зоны влияния 100
4.2. Работа нескольких эжекторных установок в одной сети 102
4.3. Расчёт воздухораспределение в сети с эжекторными установками в случае, когда упрощение невозможно 104
4.4. Расчёт ожидаемого эффекта от использования эжекторной установки на примере реальной вентиляционной сети 110
4.5. Выводы по главе 118
5. Экспериментальное исследование процесса эжекции 121
5.1. Разработка модели 121
5.1.1. Описание модельной установки 122
5.1.2. Результаты эксперимента, их статистическая обработка и анализ.
5.2. Исследование работы эжекторной установки в условиях рудника 127
5.3. Выводы по главе 130
Заключение 132
Список использованной литературы 1
- Математические модели эжекции, основанные на законе сохранения количества движения
- Потери напора при сужении и расширении потока воздуха
- Влияние сечения камеры смешения эжекторной установки на величину эжекционного напора
- Выделение зоны влияния эжекторной установки
Математические модели эжекции, основанные на законе сохранения количества движения
Необходимость в увеличении подачи объёма воздуха в рудник возникает в случае неудовлетворительного состояния его вентиляции в целом. Подобная ситуация возникает при увеличении суммарного аэродинамического сопротивления горных выработок в результате удаления добычных участков к границам шахтного поля и увеличения глубины отработки месторождения, что приводит к падению производительности вентиляторов главного проветривания. При увеличении длины и разветвлённости горных выработок растут утечки воздуха, для компенсации которых также требуется подача дополнительных объёмов воздуха. Наряду с увеличением мощности вентилятора, к способам увеличения подачи воздуха в рудник следует отнести мероприятия по герметизации поверхностных комплексов вентиляционных стволов, утечка воздуха в которых достигает на некоторых рудниках до 70% от производительности ГВУ [ 5,33,59]. В некоторых случаях достаточно мощным источником движения воздуха по выработкам может служить естественная тяга, возникающая вследствие разности плотностей воздуха в вертикальных и наклонных выработках. До появления вентиляторов рудники и шахты проветривались исключительно естественной тягой. В настоящее время роль естественной тяги в проветривании рудников стала значительно меньше ввиду существенного увеличения их размеров и появления гораздо более мощных механических источников тяги.
Необходимость в перераспределении подающегося в рудник воздуха возникает в случаях, когда поступающие к потребителям объёмы воздуха не соответствуют расчётным величинам, при изменении объёмов добычи на отдельных участках, крыльях и горизонтах, при изменении технологии добычи на отдельных участках, при вскрытии новых горизонтов или участков шахтного поля, а также в случаях, когда меняется схема вентиляции. Существуют два способа регулирования расходов воздуха: отрицательный и положительный. Оба способа регулирования предназначены для организации локального перераспределения расходов в выработках вблизи места их применения и практически не влияют на общее поступление воздуха в рудник.
Отрицательный способ регулирования заключается в искусственном увеличении аэродинамического сопротивления горных выработок установкой в них перемычек с окнами, воздушных завес или специальных регуляторов. Смысл такого мероприятия, - заставить воздух двигаться в нужном направлении, где его не хватает, перекрывая альтернативное направление, где его достаточно. Отрицательный способ регулирования установкой перемычек нашёл широкое применение ввиду простоты его реализации и предсказуемости ожидаемого эффекта. Недостатком способа является перегораживание выработки, что мешает проходу людей и транспорта. Замена перемычки воздушной завесой [36,44,51,56] устраняет этот недостаток, но появляются другие, - сложность реализации и меньшая эффективность воздушной завесы по сравнению с перемычкой. Отрицательный способ регулирования не всегда позволяет добиться нужных результатов, поскольку основывается на увеличении сопротивления выработок и уменьшении, соответственно, расхода воздуха в целом.
В основе положительного способа регулирования лежит уменьшение аэродинамического сопротивления выработок и использование дополнительных источников тяги - вентиляторов местного проветривания. Вентиляторы могут работать как с перемычкой, так и без неё. Использование вспомогательных вентиляторных установок имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами перераспределения расходов воздуха: 1) они позволяют в ряде случаев быстрее и экономичнее перераспределить воздух и обеспечить им плохо проветриваемые участки и блоки; 2) при их установке происходит ослабление воздушной струи в параллельных выработках, однако это ослабление гораздо меньше, чем при отрицательном регулировании; 3) установка вспомогательных вентиляторов приводит к увеличению общего поступления воздуха в рудник или шахту. Вентиляторы местного проветривания с перемычкой применяются обычно для проветривания участков с большим сопротивлением, что, как правило, имеет место на угольных шахтах [8,29]. В рудниках и шахтах с небольшим аэродинамическим сопротивлением выработок (калийные, апатитовые, гипсовые рудники) нашли применение вентиляторы, работающие без перемычки - так называемые эжекторные установки, исследованию работы которых и посвящена данная работа.
Особое место в рудничной вентиляции занимают методы проветривания тупиковых выработок, которое в некоторых случаях также может осуществляться с помощью эжекторных установок. Наряду с традиционными способами при проветривании тупиковых выработок (забоев) могут быть использованы эжекторы сжатого воздуха, струя от которых подаётся в вентиляционный трубопровод, проложенный в забой [46,50]. Тупиковые выработки небольшой длины могут проветриваться обычными эжекторами, которые устанавливаются у груди забоя или в устье выработки [31,40, 61-63].
Потери напора при сужении и расширении потока воздуха
Поскольку струя должна быть направлена в камеру смешения, то считается, что при q 0 вентилятор-эжектор находится слева от камеры смешения, а при q 0- справа. Термины «эжектирующий» и «эжектируемый» в данном случае носят формальный характер, поскольку вентилятор может работать на фоне движущегося потока воздуха, вызванного другим источником тяги, которая может иметь произвольный знак. Основной характеристикой такой вентиляционной установки, подлежащей определению, является создаваемый ею напор АР. Действительно, если эта характеристика известна как функция расходов, сечений и других параметров, то влияние вентиляционной установки на конкретную сеть может быть определено, если включить в сетевые уравнения эквивалентный вентилятор с таким напором АР. Знак АР может быть любым и, вообще говоря, может не совпадать со знаком q. Так, например, может быть в случае, когда вентилятор-эжектор с камерой смешения работает на фоне спутного потока воздуха. Может оказаться так, что потеря напора спутного потока на камере смешения окажется больше, чем создаваемый эжекционный напор. В этом случае эжекционная установка будет являться просто сопротивлением на пути движения воздуха.
Исторически сложилось так, что первые шаги в моделировании процесса эжекции были основаны на предположении сохранения количества движения. Потери импульса и энергии в процессе эжекции не были известны. Затем, по мере развития теоретических и экспериментальных исследований в теории турбулентных струй, появилась возможность определять потери энергии при смешивании потоков, т.е. переход кинетической энергии поступательного движения в энергию турбулентных пульсаций и дальнейшую её диссипацию. Что касается потерь импульса, то они так и остались неизвестными, поскольку имеют совершенно другую природу, в отличие от потерь энергии. А раз потери энергии теперь считать стало можно, а потери импульса остались неопределёнными, то методы расчёта эжекции, основанные на законе сохранения импульса, были подвергнуты критике и дальнейшего распространения не получили. Развитие получили методы описания процесса эжекции, основанные на законе сохранения энергии, пополнившись формулами расчёта потерь энергии из теории турбулентных струй. Следует заметить, что полуэмпирические, полуэкспериментальные зависимости для потерь энергии пригодны в конкретных ситуациях в некотором диапазоне параметров. Сфера применимости какой-нибудь конкретной формулы невелика. Например, для свободной струи зависимость одна, для стеснённой - другая, для начального участка струи - работает одна формула, для основного - другая и т.д. Например, по данным автора [17] струю можно считать свободной в камерообразной выработке, а в штреко-квершлагообразной выработке струя является стеснённой. Кроме того, в формулы входят неопределённые параметры, значение которых также зависит от ситуации, которая, может быть, и не определена. Фактически оказалось, что использование зависимостей для определения потерь энергии из теории турбулентных струй для описания процесса эжекции скорее придаёт методам описания эжекции солидность, нежели полезность. Использовать их для численного расчёта, практически, невозможно, разве, что только в очень специальных ситуациях. На основании вышеизложенного предлагается развитие метода математического моделирования эжекции, основанного на законе сохранения импульса. Специфика данного метода моделирования заключается в том, что потери энергии при смешивании эжектирующего и эжектируемого потоков воздуха определяются условием сохранения общего количества движения при этом смешивании и не требуют привлечения никаких экспериментальных зависимостей.
Эжекционный напор АР является напором эквивалентного вентилятора, если он целиком падает на сопротивление сети. По рисунку ЛР=Р5-Рі, где Рг давление до всаса вентилятора, где воздух ещё не «почувствовал», что он разделяется на два потока, а Р5-давление после камеры смешения, где скорость потока уже выровнялась по сечению после расширения. Аналогичное определение АР можно дать и для расходов с противоположными знаками.
Влияние сечения камеры смешения эжекторной установки на величину эжекционного напора
Ошибочно было бы считать, что оптимальное значение сечения конфузора то, при котором скорость струи максимальна. Из анализа графиков видно, что при определённом значении fK напорная характеристика достигает максимального значения и при дальнейшем уменьшении fK величина АР уменьшается, несмотря на увеличение скорости струи v=q/fK.
В отличие от сечения конфузора fK оптимизация сечения камеры смешения S не столь очевидна. Оптимальное значение S, соответствующее максимальному напору АР, зависит не только от параметров самого вентилятора (в частности от fK), но и от того, какой общий расход Q реализуется, а, значит, SonT зависит от участка сети, который предполагается проветривать эжекторной установкой.
На рисунках 3.2а и 3.26 изображены напорные характеристики эжекторных установок AP(Q) с вентиляторами ВМ-6М и ВМ-12А в зависимости от сечений камеры смешения S. Сечения конфузоров при расчёте брались оптимальные. Дебиты вентиляторов q рассчитывались по заданным fK с
Напорные характеристики эжекторной установки с вентилятором ВМ-12А в зависимости от сечения камеры смешения. помощью формулы (2.10). Из сравнения графиков видно, что, чем меньше Q, тем меньше оптимальное значение камеры смешения, соответствующее максимальному напору АР. Таким образом, можно сделать вывод, что чем больше сопротивление проветриваемого участка, тем уже требуется камера смешения для обеспечения максимального напора.
Закономерным является тот факт, что с уменьшением сечения камеры смешения увеличивается «крутизна» напорной характеристики. Действительно, если уменьшить S до сечения конфузора вентилятора, то АР должна выродиться в прямую вертикальную линию, соответствующую единственно возможному расходу Q, равному дебиту вентилятора q. В этом случае камера смешения будет являться просто продолжением конфузора. Из анализа графиков можно сделать вывод, что при заданном сопротивлении проветриваемого участка существует оптимальное значение сечения камеры смешения, соответствующее максимальному расходу. Согласно исследованиям [12-14,19,20] оптимизировать имеет смысл не только сечение камеры смешения, но и её форму. Исследуя процесс эжекции от пневматического эжектора в камере смешения в виде сужающегося конического смесителя, авторы пришли к выводу, S - S что оптимальная форма смесителя такова, что — - = 0.5- 0.6, где S2 Sr большее, a S2- меньшее сечения.
Исследование эжекционного напора в зависимости от сопротивления перемычки, в которой установлена камера смешения. В случае непроницаемых перемычек эжекционный напор ДР зависит от сопротивления проветриваемого участка R только неявно, через общий расход воздуха Q по выработке, - AP=AP(Q), Q=Q(R). Проницаемая перемычка рассматривается как сопротивление г, параллельное сопротивлению проветриваемого участка R. В этом случае неявная зависимость АР от суммарного сопротивления тоже должна иметь место, но через расход воздуха г + 2VrR + R Q-Q , проходящего по камере смешения (Q - расход воздуха через перемычку). Однако основной характеристикой эжекторной установки должна считаться функция AP(Q), а не AP(Q-Q ), поскольку основным показателем эффективной работы эжекторной установки является общий расход воздуха по выработкам проветриваемого участка, а не расход воздуха через камеру смешения. И действительно, Q-Q может быть достаточно велик (Q 0 - утечка), a Q будет незначительно отличаться от нуля, что соответствует ситуации, когда эжекторная установка работает «сама на себя». Поэтому по-прежнему считается, что напорная характеристика эжекторной установки - это функция AP(Q), которая явно зависит от сопротивления перемычки камеры смешения.
Выделение зоны влияния эжекторной установки
Разработка и проверка математической модели эжекции, проведённые в предыдущих главах, завершается описанием методики и рекомендациями по её применению для расчётов воздухораспределения в вентиляционных сетях. Описанная методика расчёта вентиляционных сетей с «внедрёнными» в неё эжекторными установками позволяет сделать следующие выводы:
Прежде чем приступать к точному расчёту влияния эжекторной установки на распределение расходов воздуха в сети, необходимо оценить целесообразность её использования. В результате оценочного расчёта может оказаться так, что эффект от использования эжекторнои установки в данном месте крайне незначителен или даже отрицателен.
В случае, когда топология вентиляционной сети или сопротивления её участков неизвестны, сеть может быть упрощена до « некоторой зоны вблизи эжекторнои установки по указанной методике выделения зоны влияния эжекторнои установки и упрощения сети вне этой зоны. Сведение сети к простому контуру - это наиболее простой способ такого упрощения. Разработанная модель эжекции позволяет производить расчёт вентиляционных сетей с несколькими эжекторными установками в различных участках сети, находящихся в зоне взаимного влияния.
В сложных случаях, когда выделить зону влияния одной или нескольких эжекторных установок не представляется возможным, вентиляционная сеть должна рассчитываться полностью. Для этого могут быть использованы стандартные программы по расчёту воздухораспределния в вентиляционных сетях в комплексе с формулой (2.9) и процедурой «ручных итераций», описанной в данной главе.
В целях соблюдения подобия модели эжекторной установки её оригиналу уравнения (2.9) и (3.1), описывающие эжекционный эффект в простейшей сети-контуре, были приведены к безразмерному виду. В качестве единиц измерения выбирались: для расхода воздуха - дебит вентилятора q, для сечения - сечение конфузора вентилятора fK, для давления - комбинация —Ц- (удвоенное динамическое давление в
В результате перехода к безразмерным переменным уравнение (2.9) безразмерных комплексов не даёт, а уравнение (3.1) AP(Q) = KRQQ (АРО полагается равным нулю) даёт комплекс К R = pfK R, который играет роль критерия подобия модели реальной ситуации. Аналогичный результат был получен в работах [3,39], где критерием подобия выступает число Эйлера Eu = pF R /g, где g=9.8, а F- сечение выработки. Если учесть, что подобие ситуаций означает не только равенство критериев подобия, но и соблюдение геометрического подобия F/fK=idem, то можно сделать вывод, что Ей и KR- ЭТО ОДНО И то же.
Схема экспериментальной установки. формуле (2.9), которая получена без каких-либо предположений о геометрических размерах установки и скоростях эжектирующего потока. Теоретическая модель эжекции не была «привязана» к условиям вентиляции рудника с характерными геометрическими размерами и скоростями движения воздуха. В связи с этим, экспериментальная проверка полученной теоретической зависимости возможна на модели без соблюдения подобия её реальной эжекторной установке в реальных условиях рудника. Соблюдение критериев моделирования обязательно, если предполагается на основе модельного эксперимента прогнозировать результаты натурных исследований. В данном случае предполагалась проверка теоретической зависимости, поэтому критерии подобия модели реальной ситуации не соблюдались.
Роль выработки в модели играла прозрачная пластиковая труба сечением F=0.0227 квадратных метра и длиной L=1.5 метра (рисунок 5.1). В качестве эжектора использовался пылесос, работающий на нагнетание. В трубе на расстоянии 1 метр друг от друга были сделаны
два отверстия для подключения трубок микроманометра. Первое отверстие находилось на уровне среза сопла пылесоса. Для определения длины раскрытия струи использовались длинные тонкие полоски фольги, прикреплявшиеся к соплу пылесоса. Ввиду прозрачности трубы можно было визуально наблюдать процесс раскрытия струи, которая была значительно меньше, чем расстояние между отверстиями. Роль сопротивления выработки играли сопротивления входа воздушного потока в трубу и выхода из неё. Для большего увеличения и регулирования сопротивления выработки в трубе ближе к выходу была сделана тонкая прорезь, через которую могла задвигаться заслонка, преграждая путь воздуху. Таким образом регулировалось сопротивление. Расход измерялся прибором АГТР-2 на выходе из трубы с усреднением по времени и сечению. Измерения были осложнены тем, что пылесос давал нагретую струю, температура которой составляла 50, а температура наружного воздуха была Это неизбежно привело к возникновению конвективной тяги, что сказалось на неравномерности профиля скорости по высоте трубы, вверху скорость движения воздуха была значительно меньше, чем внизу. Впрочем, эта проблема решалась усреднением расхода воздуха по сечению трубы, что прибор АПР-2 выполняет автоматически.
Изменяемыми параметрами были: сопротивление выработки, которое изменялось положением заслонки, и сечение конфузора вентилятора, которое изменялось с помощью различных насадок на сопло пылесоса. В изменении сечения выработки (трубы) необходимости не было, поскольку разными (геометрически не подобными) являются ситуации с разными F/fK, а не по отдельности F и fK. Что касается расхода пылесоса, то он брался по максимуму (хотя его и можно было регулировать), поскольку перепады давления, которые создавал вентилятор-эжектор в трубе были порядка 10 Па и меньше, а точность измерения перепадов давления микроманометром - ±2 Па.
