Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование влияния эжекторных установок на воздухораспределение в рудничных вентиляционных сетях произвольной топологии

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Шалимов, Андрей Владимирович

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Анализ существующих методов изменения воздухораспределения в вентиляционной сети.

1.2. Организация проветривания удалённых участков с помощью эжекторных установок.

1.3. Математические модели эжекции, основанные на законе сохранения количества движения.

1.4. Математические модели эжекции, основанные на законе сохранения энергии.

1.5. Сравнительный анализ моделей, их недостатки и преимущества.

1.6. Цели и задачи исследования.

2. Разработка теоретической модели работы вентиляторной эжекторной установки.

2.1. Специфика предлагаемой модели эжекции.

2.2. Уравнения сохранения импульса.

2.3. Потери напора при сужении и расширении потока воздуха.

2.4. Наличие конфузора у вентилятора.

2.5. Проницаемость перемычки, в которой установлена камера смешения.

2.6. Вторичная эжекция.

2.7. Отнесение вентилятора от камеры смешения.

3. Исследование различных характеристик, определяющих эффективность работы эжекторной установки.

3.1. Использование конфузора для сужения струи в целях увеличения эжекционного напора.

3.2. Влияние сечения камеры смешения эжекторной установки на величину эжекционного напора.

3.3. Исследование эжекционного напора в зависимости от сопротивления перемычки, в которой установлена камера смешения.

3.4. Вторичная эжекция и её влияние на проветривание.

3.5. Исследование эжекционного эффекта в различных режимах работы эжекторной установки.

3.6. Выводы по главе.

4. Исследование работы вентиляторов-эжекторов в сети.

4.1. Методика расчёта совместной работы вентиляторов-эжекторов в сети.

4.1.1. Предварительная оценка целесообразности установки вентилятора-эжектора.

4.1.2. Выделение зоны влияния эжекторной установки.

4.1.3. Упрощение сети вне зоны влияния.

4.2. Работа нескольких эжекторных установок в одной сети.

ПJTIW мого эффекта от использования эжекторно* е реальной вентиляционной сети.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование влияния эжекторных установок на воздухораспределение в рудничных вентиляционных сетях произвольной топологии"

Актуальность проблемы. Рудничная вентиляция является составной частью горного производства, ответственной за создание и поддерживание необходимого микроклимата и обеспечивающей безопасность проводимых на руднике работ. Улучшение качества проветривания, повышение его эффективности, уменьшение энергозатрат на вентиляцию являются основными задачами исследований в рудничной аэрологии. Ввиду сложности и разветвлённости современных шахтных полей представляет трудность не столько проветривание рудника в целом, сколько перераспределение расходов воздуха между различными участками сети. Актуальность решения проблемы перераспределения расходов возрастает по мере увеличения и усложнения шахтного поля, добавления новых добычных участков, освоения новых горизонтов. Одним из способов экономичной реализации такого перераспределения является использование маломощных вентиляторов, работающих без перемычки с целью использования кинетической энергии струи для эжекции воздуха. Эффективность такого способа проветривания тем выше, чем меньше аэродинамические сопротивления проветриваемых участков, что соответствует условиям калийных рудников, отличающихся малыми сопротивлениями выработок в отличие, например, от угольных шахт. В результате процесса эжекции изменение общего расхода воздуха по выработке может в несколько раз превышать дебит самого вентилятора.

Методы расчёта эжекции применительно к условиям рудничной вентиляции, разработанные на сегодняшний день, имеют каждый свою достаточно узкую область применимости и основываются на упрощении сети до простого контура, что является тем более грубым приближением, чем сложнее топология сети. Постоянное увеличение сложности и разветвлённости шахтных полей делает использование этих методов для расчёта воздухораспределения всё более проблематичным и, практически, невозможным для анализа работы нескольких эжекторных установок, находящихся в зоне взаимного влияния.

Целью работы является построение математической модели эжекции с широкой областью применимости к условиям рудничной вентиляции и возможностью её использования при расчёте воздухораспределения в сложных вентиляционных сетях с произвольным расположением эжекторных установок.

Основная идея работы заключается в интеграции методов расчёта работы эжекторных установок и проветривания сетей в единую методику расчёта воздухораспределения в вентиляционных сетях при наличии в них эжекторных установок с учётом их взаимного влияния.

Основные задачи исследования:

• анализ математических моделей эжекции на предмет выявления областей применимости, преимуществ и недостатков путём сравнения их между собой и с экспериментальными данными с целью выявления наиболее подходящей для расчёта и дальнейшего развития модели;

• построение математической модели эжекции с возможностью интеграции её с численными методами расчёта воздухораспределения в вентиляционных сетях с целью получения наиболее точной и полной картины влияния эжекторных установок на распределение расхода воздуха по выработкам;

• исследование напорных характеристик эжекторных установок в зависимости от их конфигурации: параметров конфузора, сечения камеры смешения, проницаемости перемычки камеры смешения;

• разработка способов оптимизации параметров эжекторной установки с целью достижения максимального эжекционного эффекта;

• разработка методики расчёта воздухораспределения в сложной вентиляционной сети при наличии в ней эжекторных установок с учётом их взаимного влияния и взаимодействия с другими источниками тяги.

Научная новизна работы:

• На основании сравнительного анализа различных математических моделей эжекции на предмет выявления совпадений, противоречий, областей применимости, преимуществ и недостатков предложено дальнейшее развитие модели эжекции, основанной на законе сохранения количества движения, что позволило использовать полученные зависимости для эжекционного напора в стандартных методах расчёта воздухораспределения в вентиляционных сетях с эжекторными установками.

• Смоделировано влияние спутного и встречного потоков воздуха на работу эжекторной установки, что позволило представить его как обычный источник тяги в вентиляционной сети, задаваемый напорной характеристикой с широкой областью применимости по расходам воздуха и параметрам эжекторной установки.

• При построении математической модели эжекторной установки изучено влияние воздухопроницаемости перемычки в выработке, в которой размещается камера смешения. Доказано, что в большинстве случаев влияние это заключается в возникновении утечек и уменьшении эжекционного напора.

• Разработана математическая модель вторичной эжекции, позволяющая рассчитать эффективность работы эжекторной установки с камерой смешения без перемычки в выработках большого сечения.

• Разработана методика определения зон влияния эжекторных установок в вентиляционной сети, по которой можно определить область существенного изменения расходов воздуха при включении эжекторной установки, за пределами которой влияние эжекторной установки уже незначительно.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Модель эжекции, основанная на законе сохранения количества движения, в отличие от аналогичных моделей, построенных на базе закона сохранения энергии, даёт возможность использовать её при расчёте влияния эжекторных установок на воздухораспределение в сложных вентиляционных сетях без их существенного упрощения.

• Эжекторная установка в вентиляционной сети может быть представлена как обычный вентилятор, работающий через перемычку, напорная характеристика которого является функцией общего расхода воздуха по выработке и параметров эжекторной установки.

• Эжекторные установки имеют ограниченную область влияния на выработки сети, зависящую от их мощности, что позволяет использовать предложенную упрощённую методику расчёта воздухораспределения, заключающуюся в представлении сети в виде зон влияния эжекторных установок и оставшихся участков сети.

Методы исследования предусматривали комплексный подход к описанию поставленной задачи и включали анализ, сравнение и

• обобщение работ других авторов по этой тематике, физико-математическое моделирование, лабораторные и натурные эксперименты.

Реализация результатов работы.

Разработанная методика расчёта эжекторных установок и рекомендации по их установке и использованию нашли применение на калийных рудниках ОАО "Уралкалий", ОАО "Сильвинит" и ПО «Беларуськалий».

Практическое значение работы состоит в интеграции методов

• расчёта эжекторных установок и методов расчёта воздухораспределения в вентиляционных сетях в единый метод и в

• создании соответствующего программного обеспечения по определению целесообразности применения, эффективности работы, необходимого местоположения и оптимальных параметров эжекторных установок в вентиляционных сетях.

Апробация работы. Научные положения и основные результаты исследований докладывались и обсуждались: на международном симпозиуме SRM-95 РАН, Екатеринбург, 1997; на международной конференции «Горные науки на рубеже XXI века», Екатеринбург, 1997; на конференции «научно-педагогическое наследие профессора И.И.Медведева, Санкт-Петербург, 1999; на 7-ом вентиляционном конгрессе, Польша, 2001; на научных сессиях Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2000, 2001 и 2002 годах, Пермь; на международной конференции «Моделирование стратегии и процессов освоения георесурсов», Пермь, 2003.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами натурных и модельных экспериментов, а также сравнением с результатами исследований, проведённых другими авторами.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 статьях.

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов и заключения, изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы и 39 рисунков, библиографический список из 63 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Шалимов, Андрей Владимирович

5.3. Выводы по главе.

По результатам экспериментальных исследований процесса эжекции на модели и в реальных условиях сделаны следующие выводы:

1. Переход к безразмерным переменным в полученных уравнениях даёт один безразмерный комплекс - число Эйлера, который является критерием динамического подобия при моделировании процесса эжекции.

2. Результаты измерений эжекционного напора на модели вентилятора-эжектора без камеры смешения неплохо согласуются с соответствующими расчётными величинами эжекционного напора по формулам (1.3) и (2.9).

3. Испытания эжекторной установки с маленькой камерой смешения в условиях рудника дали результаты, хорошо согласующиеся с их теоретическими прогнозами, полученными по формулам (1.1) и (2.9). Согласно (1.2) предполагаемый расход воздуха должен был быть значительно меньше наблюдаемого. Зависимость (1.3) в данной ситуации не работала в виду малости сечения камеры смешения.

4. Полученная зависимость (2.9) для расчёта эжекционного напора согласуется с результатами экспериментальных исследований, не противоречит аналогичным формулам (1.1), (1.2) и (1.3) в тех областях параметров, для которых они выведены, и, таким образом, является расширением их области применимости. С помощью данной зависимости можно рассчитывать эжекционный эффект для любых сечений камеры смешения эжекторной установки, при любом сопротивлении участка проветривания на фоне произвольного расхода спутного или встречного потока воздуха.

Заключение.

Одна из наиболее важных и сложных задач рудничной вентиляции заключается в обеспечении всех рабочих зон и отдельных их участков нормативным расходом воздуха. В достаточно сложных и разветвлённых вентиляционных сетях, каковыми, как правило, являются калийные рудники, депрессии одной только главной вентиляционной установки недостаточно для поддержания всех требуемых расходов. Решение эта проблема получила в применении маломощных вентиляторов-эжекторов, устанавливаемых в местах желаемого увеличения расхода воздуха и создающих частичную рециркуляцию отработанного воздуха. Данный способ перераспределения расходов удобен, эффективен и достаточно прост в реализации, что является стимулом для проведения теоретических и экспериментальных исследований в области применения эжекторных установок в рудничной вентиляции.

По результатам проведённых в работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Большинство существующих методов математического моделирования эжекции строятся на представлении вентиляционной сети в виде простого контура с известным аэродинамическим сопротивлением и заданным дополнительным источником тяги в контуре и не предназначены для расчёта эффективности применения эжекторных установок в сложных вентиляционных сетях. В предлагаемой математической модели эжекции моделируемой величиной является не общий расход воздуха по выработке, в которой расположена эжекторная установка, а её напорная характеристика,

• которую можно использовать при расчёте сетей любой сложности без их предварительного упрощения.

2. Физика процесса эжекции лучше описывается законом сохранения количества движения, а не энергии в виду сложности определения её потерь при диссипации. Исследования показали, что модель эжекции, построенная на базе закона сохранения импульса, внося незначительную погрешность, позволяет получить зависимости для расчёта эжекции с широкой областью применимости. Энергетические модели эжекции дают точные результаты только в весьма узкой области параметров.

3. Все проведённые теоретические исследования и расчёты основывались на предположении одномерности процесса эжекции. Каковы условия применимости такого приближения и его погрешность - материал для дальнейших исследований.

4. Максимальная эффективность работы эжекторной установки может быть достигнута в результате проведения оптимизации её параметров (сечения конфузора вентилятора и сечения камеры смешения), при которых эжекционный напор достигает максимального значения.

5. Проницаемость перемычки камеры смешения в большинстве случаев приводит к утечке воздуха через перемычку в обратном

• направлении, возникновению частичной рециркуляции воздуха вокруг эжекторной установки и, как следствие, уменьшению эжекционного напора. Возникновение вторичной эжекции в условиях калийных рудников маловероятно.

6. Разработанная на основе предложенной в данной работе математической модели эжекции методика расчёта влияния эжекторных установок на распределение расходов воздуха в вентиляционной сети позволяет производить как приближённый, так и точный расчёт воздухораспределения в сети произвольной

• конфигурации с произвольным расположением эжекторных установок в ней. Частью предлагаемой методики является компьютерная программа, позволяющая производить все необходимые расчёты, строить графики, проводить оптимизацию, выделять зоны влияния эжекторных установок, анализировать изменения расходов во всех выработках сети и делать многое другое с минимальными затратами труда и времени.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шалимов, Андрей Владимирович, Пермь

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Часть 1. М.: Наука, 1991.-С. 600.

2. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960. -С. 715.

3. Аксёнов К.Ф. О моделировании процессов эжекции // Учёные записки Всесоюзного заочного института инженеров ж.-д. транспорта. 1961.-Вып.7.-С. 293-308.

4. Алыменко Д.Н. Работа вентиляционной установки комбинированного типа в рудничной вентиляционной сети // Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук, 1999. С. 159.

5. Алыменко Н.И., Минин В.В. Вентиляторные установки и их применение. Екатеринбург, 1999. - С. 224.

6. Андреев В.Г., Дьяконов Л.Д., Коломиец Р.А. Эжектор большой производительности для подземных рудников // Совершенствование горной техники и технологии для открытых и подземных работ. Д.: 1983. - С. 137-140.

7. Андрияшев М.М. Техника расчёта водопроводных сетей. М.: Сов. закон, 1932.-С. 63.

8. Аэрология горных предприятий. М.: Недра, 1987. - С. 424.

9. Баулин К.К. Исследование работы эжектора // Отопление и вентиляция. №2. - 1933.

10. Бондаренко В.В., Лисиенко В.Г. О полях скоростей и давлений в простейших эжекторах // Вопросы совершенствования санитарной техники и санитарной охраны водоёмов. Пермь, 1975.

11. Бондаренко В.В., Лисиенко В.Г., Китаев Б.И. Исследование эжектирующей способности эжектора с короткой камерой смешения // Вопросы совершенствования строительства // Труды 1111И, 1971. №91. -С. 207-212.

12. Бондаренко В.В., Лисиенко В.Г., Китаев Б.И. Исследование поля скорости в смесителе, ограничивающем струю // Проектирование, строительство и эксплуатация зданий и сооружений. Пермь, 1972.

13. Бондаренко В.В., Лисиенко В.Г., Китаев Б.И. Исследование и расчёт смесителей, частично ограничивающих струю // Известия ВУЗов. Чёрная металлургия, 1972. №12.

14. Бондаренко В.В., Лисиенко В.Г., Китаев Б.И., Гервасьева М.М. Расчёт конических эжекционных смесителей, частично ограничивающих струи // Вопросы санитарной охраны водоёмов и санитарной техники. 1973. - №141. - С. 156-161.

15. Бутиков С.Е. Воздухопроводы и вентиляторы. М.- Свердловск, Машгиз, 1958.

16. Воднев В.Т., Наумович А.Ф., Наумович Н.Ф. Основные математические формулы. Минск, 1988. - С. 269.

17. Воронин В.Н. Основы рудничной аэрогазодинамики. M.-J1.: Углетехиздат, 1951. - С. 492.

18. Гагауз Ф.Г., Дребеница А.В., Переверзев В.В. Пневматический эжектор для проветривания горных выработок // Безопасность труда в промышленности. 1971. - №5. - С. 49-50.

19. Гервасьева М.М. К расчёту эжекторов низкого давления // Вопросы санитарной техники. Труды УПИ. №85. -Свердловск, 1960.

20. Гервасьева М.М. Расчёт воздушного эжектора на оптимальный режим // Водоснабжение и санитарная техника. -№11.- 1968.

21. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М.: Наука, 1988. - С. 448.

22. Гуменюк Т.Е. Исследование проветривания подземными участковыми вентиляторами без пермычки // Труды Карагандинского горного института. №3. - 1958.

23. Дейли Дж., Харлеман Д. Механика жидкости. М.: Энергия, 1971. -С. 480.

24. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. М.: Мир, 1981. - С. 516.

25. Дьяконов Л.Д., Степин В.В. и др. Проветривание выработок с помощью эжекторов // Исследование, разработка и эксплуатация нового горного оборудования. 1982. - С. 139-142.

26. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М.: Машиностроение, 1992. С. 672.

27. Идельчик И.Е. Потери в потоке с неравномерным распределением скоростей // Труды института им. Н.Е.Жуковского. №62. - 1948.

28. Казаков Б.П., Шалимов А.В. Оптимизация подготовительных работ при проведении воздушно-депрессионной съёмки рудника // Горное эхо. Вестник горного института. Пермь, 2002. - №3. - С. 35-37.

29. Карпов A.M., Фролов М.А., Чухонцев Н.Ф. Анализ случая работы «вентиляторов-толкачей» в шахтной вентиляционной сети // Уголь. -1955. -№11.

30. Конев Д.П. Вентиляционные эжекторы для лабораторных зданий // Водоснабжение и санитарная техника. 1988. - №2. - С. 10-13.

31. Красноштейн А.Е., Алыменко Н.И., Минин В.В. Энергосберегающее проветривание рудников с малым аэродинамическим сопротивлением (на примере калийных рудников) // Горный вестник. 1995. - №4. - С. 55-59.

32. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. М.: Наука, 1988. - С. 216.

33. Медведев Б.И., Кременчуцкий Н.Ф., Скрипник А.Н. Исследование воздушной завесы как средства борьбы с утечками воздуха черезнадшахтные здания стволов // Горный журнал. Известия ВУЗов. 1965. - №6. - С. 84-86.

34. Медведев И.И. О влиянии конфузоров на работу вентиляторов // ЦБТИ. №2. - 1966.

35. Медведев И.И. Проветривание калийных рудников. М.: Недра, 1970.-С. 208.

36. Медведев И.И., Казаков Б.П. Расчёт воздушной завесы для горных выработок по траектории её оси // Горный журнал. Известия ВУЗов. -1975. -№3. С. 72-75.

37. Медведев И.И., Красноштейн А.Е., Сафронов А.В. Исследование работы вспомогательных вентиляторов с конфузорами // Технология и механизация горных работ. Пермь, 1963. - С. 73-79.

38. Медведев И.И., Красноштейн А.Е. Аэрология калийных рудников. -Свердловск, УрО АН СССР, 1990. С. 252.

39. Медведев И.И., Мохирев Н.Н. Некоторые вопросы моделирования вентилятора-эжектора // Горный журнал. Известия ВУЗов. 1971. -№6. - С. 70-74.

40. Медведев И.И., Мохирев Н.Н. Метод расчёта эжекторов при проветривании тупиковых выработок небольшой длины // Горный журнал. 1972. - №8. - С. 66-67.

41. Медведев И.И., Синопальникова Л.П. К расчёту вспомогательных вентиляторов, установленных в междукамерных сбойках // Технология и механизация горных работ. Пермь, 1963.

42. Мохирев Н.Н. Исследование работы эжектирующих установок в рудничных вентиляционных сетях // Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. 1974. - С. 217.

43. Мохирев Н.Н. Проветривание подземных горнодобывающих предприятий. Пермь, 2001. - С. 280.

44. Мохирев Н.Н. Проветривание рудников и шахт. Курс лекций для студентов горных специальностей. Пермь, 1998. - С. 234.

45. Мохирев Н.Н. Определение режимов работы и мест установки вентиляторов-эжекторов // Вентиляция шахт и рудников. 1980. - №7. - 1980.-С. 50-55.

46. Печук И.М. Типовые эжекторы сжатого воздуха. М.: Стройтопливоиздат, 1948. - С. 20.

47. Прохоров Ю.В., Розанов Ю.А. Теория вероятностей. М.: Наука, 1987.-С. 398.

48. Россочинский В.И. Расчёт вентиляции для гидроучастков // Рудничная аэрогазодинамика и безопасность горных работ. -1964. С. 78-82.

49. Самлан Ю.К. Проветривание группы очистных камер рециркуляцией с применением вентилятора местного проветривания с конфузором // Труды н.-и. института сланцев. 1966. - №15. - С. 45-56.

50. Скочинский А.А., Комаров В.Б. Рудничная вентиляция. 1951. - С. 632.

51. Справочник по рудничной вентиляции. М.: Недра, 1977. - С. 328.

52. Топерверх Н.И. Исследование работы эжектора низкого давления // Научные труды Днепропетровского металлургического института. -вып.IV. Металлургиздат, 1940.

53. Тян Р.Б. Исследование вопросов распределения и регулирования расходов воздуха в сложных вентиляционных сетях с применением ЭВМ // Автореферат канд.диссертации. Днепропетровск, 1965. - С. 34.

54. Харев А.А. Местные сопротивления шахтных вентиляционных сетей. 1954.-С. 248.

55. Христианович С.А. О расчёте эжектора // Сборник ЦАГИ. Промышленная аэродинамика. 1944.

56. Цой С. Регулирование воздухораспределения в выработках воздушными завесами при встречном взаимодействии струй // Вест. АН КазССР. 1958. - №8. - С. 68-74.

57. Цой С., Цхай С. Электронно-вычислительная техника в вентиляционной службе шахт. Алма-Ата: Наука, 1966. - С. 214.

58. Шалимов А.В. Теоретическое моделирование эжекторных установок при проветривании подземных выработок // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2001 году. Пермь, 2002.

59. Южанин А.С. Использование специальных аэродинамических систем борьбы с внешними утечками воздуха (на примере калийных рудников). // Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук, 1999. С. 199.

60. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1985.-С. 512.

61. Lawton B.R. Local cooling underground by recirculation // Transaction of the Inst. Of Mining Engineers. 1933. - Vol. 90, May. - P. 63-68.

62. McPherson M.J., Robinson G. Barometric survey of shafts at Baulby Mine, Cleveland Potash // Journal of Mine Ventilation Society of South Africa. 1980,-V. 33, №9.-P. 145-164.

63. Morris I.N., Walker G. Changes in the approach to ventilation in recent years // The Mining Eng. 1982. - Vol. 141. №244. - P. 401-413.