книги / Рудничная вентиляция
..pdf8.6. Электрическое моделирование вентиляционных сетей
Электрическое моделирование основано на формальной ана логии между законами распределения расхода и депрессий воз духа в вентиляционной сети и законами распределения тока и напряжения в электрической сети.
Вентиляционная сеть |
Электрическая сеть |
|
S Q i |
= 0 |
= о |
Ц /t£ = 0 |
|
|
hi = |
RiQj |
U, = r,J) |
h'i = |
R'IQI |
m=rr,j, |
hi — Fj (Qj) |
Vj = fj (Jj) |
|
Здесь Qc, hi, h), R /, |
R), F/ (Q/) — соответственно расход воз |
|
духа в выработках узла, депрессия, квадратичное и линейное аэродинамические сопротивления, напорная характеристика вен
тилятора и расход воздуха для выработок контура; /*, |
Uj, U), |
г/, г), fi (I/) — соответственно сила тока в ветвях узла, |
падение |
напряжения, квадратичное и линейное электрическое сопротив ления, вольтамперная характеристика источников тока, модели рующего вентилятор, сила тока д ", i ветвей контура электрической сети.
Необходимые условия подобия при электрическом моделиро вании: топологическое — одинаковый порядок соединения вет вей в вентиляционной и электрической сетях; подобие между законами сопротивления элементов вентиляционной сети и вольтамперными характеристиками элементов, моделирующих пути воздуха; подобие между характеристиками вентиляторов, есте ственной тяги и вольтамперными характеристиками соответ ствующих источников тока; подобие аэродинамических и элек трических сопротивлений сходственных элементов вентиляцион ной и электрической сетей:
Ri/г/ = idem; R'i/rj = idem.
Распределение расхода и депрессии в вентиляционной сети определяется с помощью масштабов:
квадратичных |
|
„ |
Н • с2/м® |
сопротивлении, |
- Вуд2~ » |
||
|
mR = |
R/r; |
|
„ |
„ |
Н • с/м6 |
|
линейных сопротивлении, |
■— |
— , |
|
|
m'R = R’/г'; |
||
расходов, |
, |
|
|
i l l
депрессий при квадратичном законе сопротивления, |
» |
mh = h/U; |
|
депрессий при линейном законе сопротивления, |
|
т'ь = h'/U'. |
|
Соотношения между масштабами: тц = /n*/n<j; ть = |
тктЬ> |
nth — m'pmq.
Известно несколько типов электрических моделей для расчета и анализа вентиляционных сетей. В нашей стране наибольшее распространение получила модель ЭМВС-6, разработанная ИГД им. А. А. Скочинского.
8.7. Определение аэродинамической эффективности реконструкции шахтной вентиляционной сети
Изменение общего аэродинамического сопротивления шахтной вентиляционной сети, вызванное изменением сопротивлений от дельных ее ветвей, определяется по формуле
АЯ = 2 Аа д , |
(8.29) |
где AR — приращение (положительное или отрицательное) об щего сопротивления сети; AR t — приращение сопротивления t-й ветви; at — относительный расход воздуха в i-й ветви, измерен ный до изменения ее сопротивления [см. формулу (8.10)].
Расчет по формуле (8.29) является достаточно точным при относительном приращений общего сопротивления
àR = -4^- л; 0,3 — 0,4, АН
где Ra — начальное общее сопротивление сети.
Относительное приращение общешахтной депрессии после
реконструкции вентиляционной сети |
|
бЛш = АЛш/Лш. н = kàR/(k + 2г), |
(8.30) |
где ДАщ — изменение депрессии шахты; Лщ. „ — начальная депрес сия шахты (до реконструкции вентиляционной сети); k — коэф фициент, используемый в формуле (8.24); г — hm. H/QB— «загру
женность» |
шахты воздухом; |
QH— начальный расход |
воздуха |
в сети до |
реконструкции. |
|
|
Относительное приращение расхода воздуха в сети |
|
||
|
6Q = AQ/QH= |
—z6R/(k + 2г). |
(8.31) |
Рабочие ветви вентиляторов приближенно описываются зави симостью (8.24).
112
9.1. Факторы, влияющие на величину депрессии естественной тяги
Естественной тягой называется движение воздуха под дей ствием естественных причин: различной плотности воздуха, ско ростного давления ветра, движения воды. Разность давлений, обусловленная этими причинами, называется депрессией естест венной тяги hü. Естественная тяга в шахтах и рудниках возни кает, как правило, при наличии нескольких выходов на поверх ность, особенно если эти выходы находятся на различных высот ных отметках [40, 51; она может проявляться и в отдельных вы работках при различной плотности воздуха по сечению выработки. Естественная тяга возникает также между отдельными горизон тами, если воздухолодающих или воздуховыдающих стволов несколько [22]. Она в значительной степени зависит от суточных и годовых (рис. 9.1) колебаний температуры воздуха.
9.2. Расчет депрессии естественной тяги
Расчет депрессии естественной тяги по существу сводится к оп ределению состава или состояния воздуха в воздухоподающем и воздуховыдающем стволах, между стволами или горизонтами. В связи с этим для расчета депрессии естественной тяги могут применяться гидростатические и термодинамические методы.
Для расчета he гидростатическим методом определяется раз ность аэростатических давлений воздуха в двух стволах, между стволами или горизонтами. Согласно формуле М. М. Протодьяко-
нова, |
|
Ь = Н ( ъ - ъ ) > |
(9.1) |
где Н — глубина шахты, м; yt и yj — удельный вес воздуха со ответственно в поступающей и исходящей струе, Н/м3.
Среднее значение у определяется из выражения
у = 0,0171 ( 273Р+ ti + 273Р+ » (9-2)
где Pi и р2 — давление в начале и конце поступающей и исходя щей струи, Па; tx и t2 — температура воздуха в тех же точках, °С. ti следует определять в стволе на глубине 20—30 м. Значе ния p u t можно рассчитать по формулам, приведенным в разд. 8
и 15.
По формуле В. Б. Комарова
L __ Р * н |
Г |
100 |
100 |
|
_ р0Н / |
% |
/л |
л . |
100 |
L Я (273-и » ) |
Я (273 + |
<*) |
100 11 |
2>’ |
К |
> |
|
113
|
где |
р0 — барометрическое |
||||||
|
давление на уровне нулевой |
|||||||
|
площадки, Па; Я — глубина |
|||||||
|
шахты, |
м; |
R — газовая |
по |
||||
|
стоянная, |
Дж/(мольхК); |
t3 |
|||||
|
и /4 — средняя |
температура |
||||||
|
воздуха |
|
соответственно |
в |
||||
|
воздухоподающем |
и возду |
||||||
|
ховыдающем |
|
стволах, |
°С; |
||||
|
аг |
и |
а2 — коэффициенты, |
|||||
Рис. 9.1. График сезонного изменения де |
величина |
которых |
для раз |
|||||
прессии естественной тяги в глубоких |
личных |
средних |
значений |
|||||
шахтах (1) и шахтах небольшой глубины |
температуры |
|
определяется |
|||||
соответственно при отсутствии (2) и нали |
по |
графику |
(рис. |
9.2). |
|
|||
чии (3) калорифера |
|
При |
|
глубине |
стволов |
|||
|
более |
100 |
м |
значение |
Ле, |
|||
полученное |
по формуле (9.3), следует умножить на коэффициент |
|
|
k = 1 + Я /10000. |
|
Формулы (9.1) и (9.3) дают близкое значение he, однако |
при |
|
расчете по первой из них требуется больше замеров p u t |
для |
|
определения |
удельного веса воздуха. |
|
Термодинамические методы расчета he основаны на учете изменения состояния воздуха при движении его по выработкам. Диаграмму изменения состояния воздуха можно построить в ко ординатах: температура (Т) — глубина (Я) соответствующей точки, температура — давление, давление — плотность, темпера тура — энтропия. Температура во всех случаях берется по Кель вину.
При построении диаграммы |
изменения состояния |
воздуха |
|
в координатах Я — Т (рис. |
9.3) |
имеем |
|
he = |
VcpS/T, |
(9.4) |
|
Рис. 9.2. График зависимости коэффи |
Рис. 9.3. Диаграмма к определению ес |
циента а от температуоы |
тественной тяги термодинамическим |
|
методом |
гДе Yep — удельннй вес воздуха, принимаемый равным 11,8 Н/м3; S — площадь многоугольника abedea-, Т = 273 + tn; tц — тем пература центра тяжести площади, °С. Для нахождения t4 мо гут применяться все известные способы определения среднего
значения любых параметров. Самый |
простой из них: tn = (/х + |
|||
+ t2)/2, где ti и |
— минимальная и максимальная температуры |
|||
на контуре многоугольника (см. рис. 9.3). |
||||
|
В случае построения диаграммы изменения воздуха в коорди |
|||
натах давление — плотность или удельный объем |
||||
|
|
— TcpSi, |
(9.5) |
|
где |
Sx — площадь |
многоугольника, |
подобного изображенному |
|
на |
рис. 9.3, в координатах |
р — v. |
|
|
|
Для рудников |
и шахт |
с различными высотными отметками |
|
устьев воздухоподающей и воздуховыдающей выработок хорошие результаты дает формула
(9.6)
где уСр — среднеконтурный удельный вес воздуха, Н/м3; Нг — разность отметок воздухоподающей и воздуховыдающей вырабо ток, м; tB — температура наружного воздуха на отметке устья воз духоподающей выработки, °С; (ср — средняя температура руднич ного воздуха °С.
9.3.Измерение депрессии естественной тяги
9.3.1.Измерение с помощью микроманометра или депрессиометра
Для измерения fte микроманометрами или депрессиометрами необходимо обеспечить соединение одного колена прибора с по ступающей струей, а другого — с исходящей. Наиболее точные результаты получаются при измерении he через перемычку. Для этого в выработке, по которой проходит весь воздух, поступаю щий в шахту, сооружается перемычка, с обеих сторон измеряется аэростатическое давление и определяется разность этих давлений, равная he. Замер должен производиться как можно быстрее, чтобы состояние воздуха по обе стороны перемычки осталось преж ним.
Положение перемычки в системе выработок не имеет значения, будет ли она расположена в стволах или выработках, соединяю щих их. Если воздух проходит по нескольким выработкам, рас положенным на одной высотной отметке, то перемычками перекры вают все выработки, а измерение можно производить через лю бую перемычку. Когда воздухоподающие и воздуховыдающие вы работки соединяются на различных горизонтах, то способ изме рения остается прежним, а депрессию естественной тяги шахты
W |
в целом |
можно определить, рас |
||||||||
сматривая Ле |
отдельных |
горизон |
||||||||
|
||||||||||
|
тов как |
депрессии, |
создаваемые |
|||||||
|
параллельно работающими |
венти |
||||||||
|
ляторами. |
|
|
|
|
|
|
|||
|
Для |
измерения ht микромано |
||||||||
|
метрами |
|
или |
депрессиометрами |
||||||
|
без |
перемычки |
соединительные |
|||||||
|
трубки |
прокладывают |
по |
всей |
||||||
|
длине выработок от устья возду |
|||||||||
|
хоподающего |
до |
устья |
воздухо |
||||||
|
выдающего ствола (рис. 9.4). При |
|||||||||
|
бор |
может быть установлен как |
||||||||
Рис. 9.4. Схема измерения депрес- |
® шахте, |
так |
и |
на |
поверхности, |
|||||
сии естественной тяги с помощью |
Температура |
и |
состав |
воздуха |
||||||
резиновых трубок |
в трубках |
и |
выработках должны |
|||||||
|
быть |
одинаковыми. |
Для |
изме |
||||||
рения А* этим способом можно использовать водоотливные, де газационные и другие трубы, проложенные по выработкам, при соблюдении герметичности трубопровода и равенства параме тров воздуха в трубах и выработках.
Если трубы проложены лишь на части выработок, то |
|
Пе = Л,ам + (tfi + Rt) Q*. |
(9.7) |
W ^зам — депрессия, замеренная микроманометром; Ri и Rt — аэродинамическое сопротивление участков, не охваченных тру бами; Q — количество воздуха, проходящего по этим участкам за счет естественной тяги.
9.3.2. Измерение барометрами-анероидами
При измерении через перемычку
|
К “ Pi — Ра, |
|
|
(9.8) |
где Pi и |
— показания барометра по обе стороны перемычки. |
|||
При измерении давления барометрами в нижних частях воз |
||||
духоподающего и воздуховыдающего |
стволов |
|
|
|
|
Л* = Pi — Ра + (Ri + |
Rt) Q*, |
|
(9.9) |
где Рх vi |
Рг — барометрическое давление в нижних |
частях соот |
||
ветственно воздухоподающего и воздуховыдающего |
стволов; Rx |
|||
и Rz — аэродинамическое сопротивление этих |
стволов. |
|||
Если околоствольные дворы находятся на |
разных уровнях, |
|||
то |
|
|
|
|
|
A. = P l - P a + ( * i + /? a) Q 2 ± A f f |
|
(9 .1 0 ) |
|
где ДН — разность высотных отметок точек замеров, м; Yi и удельный вес воздуха в околоствольных дворах соответственно воздухоподающего и воздуховыдающего стволов.
|
Знак t+» в формуле (9.10) |
|
||
берется, если |
точка измерения |
|
||
давления рх расположена выше |
|
|||
точки измерения давления р2, |
|
|||
в |
противном |
случае |
берется |
|
знак «—». |
|
|
|
|
9.3.3. Шахты с искусственной |
|
|||
вентиляцией |
|
|
|
|
|
Для измерения Ае |
необходи |
Рис, 9.5. Схема измерения депрессии |
|
мо остановить вентилятор, после |
естественной тяги через шибер канала |
|||
чего может быть применен любой |
вентилятора |
|||
из |
способов, |
описанных выше. |
|
|
В качестве перемычки может быть использован шибер, которым перекрывается канал вентилятора. Депрессия естественной тяги может измеряться микроманометром (рис. 9.5) или определяться по формуле (9.8) после измерения барометром давления по обе стороны шибера.
При наличии нескольких вентиляторов необходимо их остано вить одновременно и проводить измерения у каждого вентиля тора.
Существует косвенный метод измерения депрессии естествен ной тяги, когда при работающем вентиляторе определяют коли чество воздуха Qo, поступающего в шахту при совместном дейст вии вентилятора и естественной тяги, и депрессию вентилятора hB\ затем вентилятор останавливают и измеряют количество воз духа Qe, поступающее в шахту только под действием естественной тяги. Депрессия естественной тяги определяется из системы
уравнений |
|
|
|
|
h ,± h e = RQÎ ) |
(9.11) |
|||
he = RQl |
J ’ |
|||
|
||||
где R — аэродинамическое |
сопротивление |
всей шахты. |
||
Перед he принимается |
знак «+» |
при |
движении воздуха по |
|
каналу вентилятора в том же направлении, что и при работающем
вентиляторе, |
и знак |
с—» — при изменении направления движе |
||
ния воздуха после остановки вентилятора. |
||||
Если вентилятор не останавливают, а лишь изменяют режим |
||||
его работы, то система (9.11) |
примет вид |
|||
|
|
Лв, ± |
ht = |
RQl |
|
|
h * ,± h t = |
(9.12) |
|
|
|
RQ\ |
||
где ЛВ1. hBa, |
Qi и |
Qt — соответственно депрессии вентилятора |
||
и количество воздуха, проходящее по каналу вентилятора при первом и втором режимах работы вентилятора.
Рис. 9.6. График влияния h e на работу вентиляторов главного проветривания:
1 — характеристика вентилятора; 2 и 3 —• суммарная характеристика вентилятора положительной и отрицательной естествен ной тяги соответственно; 4 — характери стика вентиляционной сети; QB — коли
чество воздуха, поступающего в шахту при отсутствии естественной тяги; Qi и Q, — расход воздуха соответственно при поло жительной н отрицательной тяге; h — де прессия
9.4. Влияние естественной тяги на работу вентилятора
При графической оценке совместного действия вентилятора и естественной тяги алгебраически суммируются по ординатам характеристики вентилятора и естественной тяги (рис. 9.6) (в со ответствии с разд. 10.3 настоящего справочника в рабочей части характеристики вентилятора he не зависит от Q и ее можно при нимать прямой, параллельной оси абсцисс).
Положительная естественная тяга увеличивает, отрицатель ная уменьшает количество воздуха, поступающее в шахту (Qx >
^ QB» Q2 ^ QB)*
Количество воздуха, поступающего в шахту при совместном действии вентилятора и естественной тяги, аналитически опреде
ляется |
из соотношений: |
|
|
|
а — bQ ± Ле — RQo\ |
|
(9.13) |
где а, |
ai - friQ2±/te = tfQo, |
(9.14) |
|
b — эмпирические коэффициенты |
линейного уравнения, |
||
описывающего рабочую часть характеристики |
вентилятора; аь |
||
Ьг — то |
же, квадратичного уравнения, |
R — аэродинамическое |
|
сопротивление сети, на которую работает вентилятор. Количество воздуха, поступающее в шахту, увеличивается илц
уменьшается за счет действия естественной тяги на величину Qx — Q„ или QB— Q2 (с м . рис. 9.6), где QB— дебит вентилятора при индивидуальной работе на ту же сеть.
10.РАБОТА ВЕНТИЛЯТОРА НА ШАХТНУЮ СЕТЬ
10.1.Характеристики источников тяги
Характеристика вентилятора представляет собой график за висимости расхода вентилятора Q от создаваемого им перепада давления ft. Характеристика строится путем аэродинамических испытаний вентилятора. Вид и форма ее зависят от конструктиь-
118
Рис. 10.1. Общий вид характеристик источников тяги
ных особенностей вентилятора, его размеров, скорости вращения и т. д.
На рис. 10.1, а приведена типичная характеристика вентиля тора. Сплошной линией показан рабочий участок, в пределах которого вентилятор имеет достаточно высокий КПД. Пунктиром показаны те части характеристики, работа на которых по разным причинам нецелесообразна (низкий КПД, неустойчивость и др.). В справочниках по вентиляторам обычно приводится только ра бочий участок характеристики.
На рис. 10.1, б и в приведены характеристики эжектора и воздушной завесы соответственно. Развиваемые ими депрессии и расходы воздуха при этом обычно намного меньше, чем у шахт ных вентиляторов.
На рис. 10.1, г и д показаны характеристики естественной тяги
взимнее и летнее время соответственно. Кривые 1 соответствуют шахте с одинаковыми отметками выходов на поверхность. Де прессия естественной тяги при значительных дебитах почти по стоянна. При прекращении циркуляции воздуха его температура
ввоздухоподающем и воздуховыдающем стволах становится оди наковой и тяга снижается до нуля. При изменении направления движения воздуха меняется направление естественной тяги.
Кривые 3 соответствуют случаю, когда воздух движется по штольне
истволу, кривые 2 — случаю, когда при различных высотных отметках выходов на поверхность имеются как нисходящие, так
ивосходящие потоки воздуха в подземных выработках.
10.2.Работа одиночного вентилятора
При работе одного вентилятора и отсутствии каких-либо дру гих источников тяги возможны режимы с положительными де прессией и дебитом.
Для определения режима работы вентилятора на конкретную вентиляционную сеть необходимо совместить на одном графике характеристики вентилятора и сети. Точка их пересечения будет соответствовать режиму работы вентилятора.
Вентилятор пригоден для работы только в том случае, если характеристика сети пересекает характеристику вентилятора на рабочем участке (рис. 10.2, характеристика сети В). Характери стика сети А пересекает характеристику вентилятора в зоне не устойчивой работы, а характеристика сети С — в зоне низкого КПД.
10.3. Последовательная работа вентиляторов
Последовательной называют такую работу вентиляторов, при которой воздушная струя поочередно и полностью проходит через все вентиляторы (рис. 10.3). При этом расходы вентилятора равны:
Qr — QI I — Quit |
(ЮЛ) |
а общая депрессия складывается из депрессий всех вентиляторов:
Л0ощ = Л/ + hu + h ju , |
( 10.2) |
Чтобы установить расход и общую депрессию последовательно работающих вентиляторов, необходимо по их индивидуальным характеристикам построить суммарную (общую) характеристику, которая будет отражать свойства последовательно соединенных вентиляторов. Для этого на график наносятся характеристики / и II вентиляторов и при каждой величине дебита складываются развиваемые вентиляторами депрессии (рис. 10.4). Например, при дебите Q! вентилятор I развивает депрессию Лх. При том же дебите вентилятор II развивает депрессию h2. Для нахождения коорди нат соответствующей точки общей характеристики [/ + //] (h) находим общую депрессию:
(Ю .З )
Координаты найденной точки общей характеристики Qx и /10бщ.