1. Общие вопросы теории вентиляторных, водоотливных и пневматических установок

1.1. Основные элементы шахтных стационарных установок

Рис.4. Схема центробежной машины

В

Рис.1. Схема шахтной вентиляторной установки

ентиляторная установка (рис.1) состоит из вентилятора 5, воздухопровода (комплекс подземных выработок 1, шахтные стволы 2 и 6, вентиляционный канал 3) и двигателя 4. Воздух перемещается под действием разности давлений – атмосферного и в канале 3 перед вентилятором. Ввиду малого перепада давлений воздух в теории вентиляторных установок рассматривается как несжимаемое текучее.

Рис.2. Схема шахтной водоотливной установки

Шахтная водоотливная установка (рис.2) состоит из насоса 3 с электродвигателем 4, всасывающего 1 и напорного 2 трубопроводов. Принцип работы аналогичен вентиляторной установке, так как в ней также происходит истечение несжимаемой жидкости в атмосферу.

Пневматическая установка (рис.3) состоит из компрессора 2 с двигателем 3, воздухопроводов 5, потребителей сжатого воздуха 6 (перфораторы, пневмодвигатели и др.) и вспомогательного оборудования: воздушного фильтра 1, воздухосборника 4, охладителей воздуха 7, воды и др.

Отличительной особенностью компрессорных установок является наличие потребителей пневмоэнергии и сжимаемость транспортируемого текучего.

1.2. Классификация машин

для транспортирования текучего

Рис.3. Схема рудничной компрессорной установки

Для того, чтобы любое текучее могло перемещаться с преодолением высоты, противодавления и сопротивлений движению, оно должно обладать запасом энергии, равной сумме работ на подъем, преодоление противодавления, сопротивление движению и на создание кинетической энергии.

Генератором для создания запаса энергии являются специальные машины, которые разделяются по давлению и принципу работы [3].

1. По степени повышения давления   _к /_а (где _к и _а – конечное и атмосферное давления):

 при   1,1 – вентиляторы; вентилятор, работающий с превышением давления над атмосферным, называется нагнетательным, а с давлением меньше атмосферного – всасывающим;

 при 1,1    3 – воздуходувки;

 при   3 – компресоры; обычно для шахтных компрессоров  = 9-12;

 при   80 – насосы.

2. По принципу транспортирования текучего:

 лопастные – центробежные и осевые турбомашины, вихревые насосы;

 объемные – поршневые и ротационные машины (с пластинчатым или винтовым ротором);

 струйные – гидроэлеваторы, эжекторы и инжекторы, в которых запас энергии в транспортируемом текучем создается смешением его с другим, рабочим текучим, обладающим значительно большей энергией.

3. Особый класс устройств представляют собой эрлифты, в которых текучее перемещается с одного уровня на другой за счет работы расширения сжатого воздуха.

1.3. Конструктивные схемы машин

для транспортирования текучего

Лопастные машины представлены тремя основными группами – центробежными, осевыми и вихревыми.

Широкое применение в горной промышленности лопастные машины получили за счет простоты конструкции, компактности, высокого КПД и удобства комбинирования с приводом от электродвигателя.

Рис.4. Схема центробежной машины

Схема центробежной машины представлена на рис.4. Она состоит из рабочего колеса 3 с лопатками 1, закрепленного на валу 5, подводящего устройства 2, спирального улиткообразного отводящего устройства 4 и диффузора 6.

При вращении рабочего колеса текучее, находящееся в межлопастном пространстве, под действием лопастей приходит во вращательное движение. Перемещаясь под действием центробежной силы, текучее получает приращение полной энергии (суммы потенциальной и кинетической энергии) и поступает в спиралевидный отвод, в котором кинетическая энергия потока частично преобразуется в потенциальную (статический напор, давление), а в диффузоре статический напор еще более возрастает. За счет резкого перепада давлений на выходе и входе с колеса в его центре создается разряжение и поток текучего непрерывного подается к колесу.

Рис.5. Схема осевой турбомашины

В осевой машине (рис.5) поток текучего параллелен оси вращения рабочего колеса, насаженного на вал 5 и вращаемого в цилиндрическом кожухе 6. Рабочее колесо осевой турбомашины состоит из втулки 1 с закрепленными на ней под углом лопатками 2 . Плавный подвод потока текучего к рабочему колесу обеспечивается с помощью коллектора 3 и переднего обтекателя 4. Для раскручивания потока за рабочим колесом устанавливается спрямляющий аппарат 8. Выход из осевой машины заканчивается кольцевым диффузором 7.

Назначение отводящего устройства 7 и 8 – собрать поток, выходящий с большой скоростью из рабочего колеса, преобразовать его кинетическую энергию в потенциальную энергию давления и отвести текучее к нагнетательному патрубку.

Рис.6. Схема вихревой машины

В горной промышленности осевые турбомашины применяются в основном в качестве вентиляторов. Для получения больших конечных напоров используют многоступенчатые и осевые турбомашины.

Схема и способ действия вихревой машины поясняются на рис.6. Текучее поступает через патрубок 1 на периферию рабочего колеса с лопатками 2 и, получая от них энергию при движении по концентрическому каналу 3, отводится в напорный патрубок 4. Характерной особенностью вихревого колеса является подвод и отвод текучего на периферии рабочего колеса.

Рис.7. Схема поршневой машины

Рис.8. Схема роторной

машины

Работа объемных машин основана на всасывании и вытеснении жидкости твердыми телами (поршнями, пластинами, зубцами и др), движущимися в рабочих полостях.

На рис.7 показана схема поршневой машины. Цилиндр 4 сопряжен с клапанной коробкой 1, в гнездах которой расположены нагнетательные клапаны 3 и 6. Поршень 5, движущийся в цилиндре возвратно-поступательно, производит попеременно всасывание из трубы 7 и нагнетание в трубу 2. Привод поршня осуществляется от кривошипно-шатунного механизма. Скорость поршня ограничена действием инерционных сил, поэтому соединение с высокооборотными двигателями затруднено. Такие машины обладают пульсирующей подачей, обусловленной периодичностью движения поршня.

Эти обстоятельства привели к появлению машин вытеснения вращательного типа, называемых роторными. Типичным представителем этой группы является пластинчатая машина (рис.8).

Рис.9. Схема струйной машины

Массивный цилиндр 1 (ротор) с радиальными прорезями помещается эксцентрично в корпусе 2 (статор). В прорези ротора вставляются пластины 3, отжимаемые от центра к периферии действием центробежных сил. При быстром вращении цилиндра 1 пластины 3 производят всасывание через приемный патрубок 4 и нагнетание через напорный патрубок 5.

Струйные машины нашли широкое применение в промышленности. Принцип их действия рассмотрим на примере струйного насоса (рис.9) – гидроэлеватора. Поток рабочей жидкости проходит через сопло 1, где происходит большое приращение кинетической энергии, и попадает в камеру 2. В камере происходит понижение давления и под влиянием разности атмосферного давления и давления в камере 2 жидкость поднимается от уровня 4 в камеру 2, где она захватывается струей рабочей жидкости. Смесь рабочей и перемещаемой жидкости поступает в расширяющийся патрубок 3 и далее по трубопроводу в бак на высоту Н_г.

Благодаря простоте конструкции, отсутствию движущихся деталей гидроэлеваторы успешно используют в проходческом водоотливе, при чистке водосборных емкостей от твердого, а эжекторы – для проветривания глухих выработок сжатым воздухом.

Рис.11. Определение работы, затраченной на перемещение жидкости

Рис.10. Схема

эрлифта

Эрлифты. Сжатый воздух (газ) нагнетателем (компрессором, воздуходувкой) 1 (рис.10) подается по воздухопроводу 2 в смеситель 3, погруженный в воду на глубину h. Поток сжатого воздуха под давлением, определяемым глубиной погружения, поступает из смесителя в подъемную трубку 5. При скоростях выше критических он увлекает воду и твердое, поднимет их на высоту Н. Смесь поступает в отвод 6. Здесь из потока отделяется воздух, поступающий в атмосферу, а вода и твердое отводятся в приемное устройство. Подвод 4 выполнен так, что дозирование твердого осуществляется автоматически, чем обеспечивается оптимальная концентрация его в потоке.

Задачей машины (генератора энергии в потоке) является перемещение текучего по всей внешней сети, которое выражается в повышении энергии расходуемой на увеличение скорости потока, преодоление противодавления и аэрогидравлических сопротивлений.

Пусть по трубопроводу необходимо перемещать жидкость с уровня Z_А на уровень Z_Б (рис.11). Жидкость под действием внешних сил движется в верхний бассейн, имеющий давление выше атмосферного, с увеличением кинетической энергии, преодолевая сопротивление движению.

Возьмем слой потока бесконечно малой величины dS с площадью сечения F, находящийся с двух сторон под разными давлениями.

Элементарная работа при перемещении жидкости на бесконечно малом пути dS [6]:

dL = FdSdP + FdSgdH_г + FdSgd(c²/2g) + dH_тр, (1)

где  – плотность жидкости; dP – приращение давления; H_тр – работа сил сопротивления на участке пути движения жидкости; с – скорость потока.

Разделив выражение (1) на вес элемента, получим элементарную удельную работу

. (2)

Взяв интеграл выражения (2), в границах рассматриваемого участка движения потока получим удельную весовую работу по перемещению единицы веса текучего, измеряемую в метрах и называемую напором,

(3)

Для установившегося движения при транспортировании несжимаемых текучих получим

(4)

где P_к и P_н – конечное и начальное давление; Н_г – геометрическая высота подачи; с_к и с_н – скорость в конце и в начале трубопровода; Н_тр – потери напора на трение.

Если работу отнести к единице объема, умножив все члены уравнения (3) на g, получим затраченную удельную объемную работу, называемую давлением (Н/м²).

Для внесения в поток текучего энергии в трубопровод следует включить машину между сечениями В и Д, тогда трубопровод делится на всасывающий и нагнетательный.

Уравнение удельной весовой работы для всасывающего трубопровода, где работа от машины еще не вносится, будет иметь вид:

(5)

где с_в и Р_в – скорость и давление перед входом в машину.

Для идеальной жидкости (Н_тр)_вс = 0 и Н_вс = Z_Б – Z_A , тогда из выражения (5) получим известное уравнение Д.Бернулли:

. (6)

Отсюда видно, что подъем жидкости во всасывающем трубопроводе возможен только при отрицательной разности давлений Р_в – Р_н  0, т.е. при вакууме перед машиной.

Работа L₁ положительна, когда в поток текучего вносится энергия с помощью машин (вентиляторы, насосы, компрессоры) и работа L₁ будет отрицательной, когда машина получает энергию от потока (пневмо- и гидродвигатели, перфораторы и др).