книги / Рудничная аэрология.-1
.pdf->• Лр3 -> Др4; Др6 |
Др6. При расчете Дрх по |
уравнению (IX ,6) |
|
р 0 равно атмосферному давлению на уровне 1—7, |
при расчете Др 2 |
||
вместо р о в уравнение (IX ,6) надо подставить р 0 + |
Арг, при расчете |
||
Д/?3 — ро + |
Др1 + |
Др2 и т- Д* При расчете Дръ вместо р 0 надо по |
|
ставить р 0 ± |
hB(знак плюс берется при работе вентилятора на нагне |
тание, знак минус — при работе на всасывание).
Следует учитывать, что для получения he в кГ1м- р 0 в вышепри веденных формулах должно быть выражено также в кГ/м2; при его переводе из размерности мм pm. cm. в кГ1м2 надо иметь в виду, что 1 мм pm. cm. = 13,6 кГ/м2.
Приведенные формулы могут быть упрощены, если использовать разложение
Н
Ш ср )
Ограничиваясь двумя первыми членами
Значения а в зависимости от темпе |
Рис. |
81. К расчету he гидро |
|||
ратуры: |
|
статическим |
методом |
|
|
/ср°С — 30 — 25 — 20 - 1 5 — 10 — 5 |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
а0,191 0,187 0.184 0,180 0,177 0,174 0,170 0,107 0,164 0,161 0,159
Полученные по выражению (IX,9) значения he при Н > 100 м следует умножать на поправочный множитель (\ I + 10 000 /V
Для расчета естественной тяги необходимо знание средних тем ператур поступающего и исходящего воздуха, которые можно при ближенно определить как среднеарифметические значения температур в верхней и нижней частях этих столбов воздуха.
Температура воздуха в верхней части воздухоподающего ствола равна либо температуре воздуха на поверхности, либо температуре, создаваемой работой калорифера (в последнем случае она не должна быть ниже 2° С).
lül
Среднемесячная температура в околоствольном дворе воздухо подающего ствола может быть определена по приближенной формуле
А. Н. Щербаня |
— 19,6 + YА + |
|
t = |
, град, |
|
где А — коэффициент, |
зависящий от времени года; |
|
Н — глубина ствола, м. |
|
|
Значения А для условий Донбасса: |
|
|
Январь . . . . |
432 |
|
Февраль, декабрь |
486 |
|
Март, ноябрь |
|
648 |
Апрель, октябрь |
907 |
|
Май, сентябрь |
1187 |
|
Июпь, август |
|
1392 |
Июль |
|
1470 |
Кроме того, можно принимать, что при опускании воздуха по стволам в условиях Донбасса его температура увеличивается на каж дые 100 м летом на 0,4—0,5, зимой — до 1° С. Эту же температуру можно определить по формуле А. Ржимана
* = *i + 0,6 (*2— *з)> град,
где tx = t3 -\- гН — среднегодовая |
температура воздуха в около |
ствольном дворе воздухоподающего ствола; |
|
t2 и t3 — среднемесячная |
и среднегодовая температура |
воздуха на земной поверхности; |
г — среднегодовой конвективный градиент (прираще ние температуры воздуха при опускании на 1 м за счет адиабатического сжатия и испарения), равный для сухих стволов 0,01, для влажных 0,004—0,006, град/м.
Температура воздуха в нижней части лавы меньше первоначаль ной температуры горных пород на этой глубине летом на 2—3, зи мой на 4—5° С.
В околоствольном дворе вентиляционного ствола температура может приниматься на 1—2° С меньше (при больших подсосах холод ного воздуха из околоствольного двора воздухоподающего ствола — на 2—5 летом и 5—10° С зимой) первоначальной температуры гор ных пород на горизонте околоствольного двора.
Температура воздуха в верхней части вентиляционного ствола может быть определена, если учесть, что при поднятии воздуха его температура понижается за счет расширения в среднем на 0,4—0°,5 на каждые 100 м.
При расчете депрессии естественной тяги гидростатическим мето дом возможны определенные погрешности, однако во многих случаях погрешностями этими можно пренебречь.
Термодинамический метод. Термодинамический метод определе ния депрессии естественной тяги учитывает изменения состояния
1Н2
воздуха, связанные с его движением и теплообменом. Метод основан на представлении депрессии естественной тяги как работы, произво димой единицей объема воздуха при его движении от входа в шахту до выхода из нее под действием гравитационных сил, вызываемых теплообменом в выработках. Гравитационные силы численно равны разности фактического удельного веса воздуха и его удельного веса
в состоянии |
равновесия. |
|
|
||
Известно, |
что работа ft, совершаемая единицей веса воздуха, |
||||
|
|
Рг |
|
|
|
|
|
/ V dp, |
|
(IX ,10) |
|
|
|
Pi |
|
|
|
где Pi и р 2 — давления воздуха в |
|
||||
|
|
начале |
и |
конце |
|
|
|
пути; |
|
|
|
|
V — удельный объем воз |
|
|||
Из |
|
духа. |
|
|
|
уравнения (IX, 10) следует, |
|
||||
что А |
может |
быть представлена |
|
||
графически в виде площади, огра |
|
||||
ниченной кривой V (р) и отрезком |
Рис. 82. К расчету he термодинами |
||||
оси давлений р 2—р v |
Если вели |
||||
чины р и F на данном графике из |
ческим методом (стрелками указано |
||||
мерены при остановленном |
венти |
направление движения воздуха) |
|||
|
ляторе, когда единственным источ ником движения является депрессия естественной тяги, то площадь,
ограниченная кривой V (р) и осью Ор, будет характеризовать работу естественной тяги, или ее депрессию.
Построим индикаторную диаграмму р — V для схемы рис. 76, б при движении воздуха только за счет естественной тяги по замкну тому пути 1—2—3—4—5—1 *. Перемещение воздуха из положения 1 в положение 2 изобразится на графике рис. 82 некоторой кривой 1—2. При дальнейшем его перемещении по стволу 2—3 (см. рис. 76, б) удельный объем будет продолжать уменьшаться; процесс будет опи сываться кривой 2—3 (см. рис. 82), несколько более крутой, чем 1—2, вследствие влияния трения. В точке 3 давление достигнет максимума. На участке 3—4 оно будет уменьшаться вследствие расхода энергии на трение, что описывается участком графика 3—4. Подъем по стволу вызывает быстрое уменьшение давления до атмосферного на уровне I —I (участок 4—5). При перемещении воздуха из точки 5 в точку 1 давление не меняется, однако уменьшается V вследствие охлаждения воздуха. Очевидно, что если применить формулу (IX, 10) для всего
* Путь 5—1—2 является условным, однако он необходим, чтобы замкнуть цикл, т. е. чтобы параметры выходящего воздуха рв» Уъ привести к параметрам поступающего в шахту воздуха р 2, F a.
контура 1—2—3—4—5—1, то величина интеграла будет равна пло щади S, ограниченной этим контуром. Поскольку в рассматрива емом случае депрессия естественной тяги является единственным источником движения, а также учитывая, что уравнение (IX ,10) определяет работу единицы веса воздуха, имеем
K = ycpS , (IX,И)
где Тср — средний удельный вес воздуха в шахте.
Диаграммой р — V можно наглядно представить влияние пожара на естественную тягу. Например, если пожар возник на участке 3—4 (см. рис. 76, б), это вызовет увеличение V до некоторой величины, соответствующей точке 4' (см. рис. 82), вследствие нагревания воздуха.
Воздух в стволе будет также более теплый, чем до пожара, по этому новое значение V в устье ствола 4—5 будет соответствовать точке 5' В результате площадь S увеличится, что будет означать увеличение йе. Площадь 4—4'—5,—5—4 будет равна депрессии по жара, отнесенной к единице веса воздуха.
Диаграмму изменения состояния воздуха в шахте можно по строить и в других координатах (давление — абсолютная темпера тура, абсолютная температура — энтропия, абсолютная темпера тура — глубина). Метод расчета he во всех случаях будет аналоги чен, изменится лишь окончательная формула. Так, для координат глубина Я — абсолютная температура Т имеем
|
|
|
|
h - |
Vcp |
с |
|
|
(IX ,12) |
||
|
|
|
|
|
|
rp |
à , |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
1 ср |
|
|
|
|
|
гДе |
Тср — средняя |
абсолютная |
температура |
центра |
тяжести пло |
||||||
|
щади S (м-град) в координатах Я, |
Т |
|
|
|||||||
Определять he по диаграмме состояния воздуха в координатах |
|||||||||||
Я, |
Т проще, |
так как построение диаграммы производится по дан |
|||||||||
ным замеров температуры в шахте. Использование координат р, |
V |
||||||||||
требует определения удельного веса |
воздуха |
у = |
-у |
по одной |
из |
||||||
формул: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
для |
сухого воздуха |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Y = |
1 |
3 |
, 6 |
кг/м3, |
|
|
(IX ,13) |
|
|
|
|
у = |
0,455 Y -, кг/м3, |
|
|
(IX ,14) |
||||
|
|
Y = |
0,465-|-, |
кг/м3 (для * < |
—7 °С); |
(IX ,15) |
|||||
для влажного |
воздуха |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Y = |
0,465 -£_( 1—0 , 3 7 8 - ^ ) , |
кг/м3, |
(IX ,16) |
где р — давление воздуха;
п— относительная влажность воздуха в долях единицы;
р,,ас — давление водяных паров, насыщающих воздух при темпе ратуре Т.
Влияние работы вентилятора. В аспекте гидрос! этического ме тода расчета he влияние работы вентилятора на естественную тягу состоит в изменении атмосферного давления в шахте и, следова тельно, в изменении удельного веса воздуха.
Исследования |
депрессии естественной |
тяги, |
выполненные |
А. Ф. Воропаевым, показывают, что обычно |
влияние |
вентилятора |
|
на величину Ле |
невелико. |
|
|
Естественная тяга в целом. Если на шахте имеется несколько рабочих горизонтов, естественная тяга может действовать на каж дом из них (см. рис. 77). В этом случае общешахтная депрессия тяги может быть определена через суммарную мощность частных
депрессий |
естественных тяг |
|
|
|
|
||
|
|
h |
общ |
— i=1 |
|
|
|
|
|
|
|
Qo6ni > |
|
||
где п — число струй с естественной тягой; |
|
||||||
Kt и Qi — соответственно |
депрессия |
естественной тяги и |
расход |
||||
|
воздуха в i-й ветви; |
|
|
|
|||
(?общ ““ общее количество воздуха, |
поступающего в шахту. |
||||||
§ 60. Факторы, определяющие естественную тягу |
|
||||||
Т е м п е р а т у р а |
в о з д у х а в |
горных выработках является |
|||||
одним из |
основных |
факторов, |
определяющих его удельный вес |
||||
[см. формулы (IX ,13)—(IX ,16)]. |
При |
этом, основную роль |
играют |
процессы теплообмена воздуха с горными породами. Меньшее влия ние оказывают тепловыделение при окислительных процессах, изме нение температуры за счет сжатия воздуха (при опускании в шахту), расширения (при выходе из шахты), испарения воды и др.
Существенное влияние на естественную тягу оказывает темпе ратура воздуха на поверхности, поскольку от нее в значительной: степени зависит температура воздуха в воздухоподающем стволе и прилегающих выработках (при отсутствии калорифера), в те время как в исходящих струях она в течение года сравнительно постоянна. На рис. 83 изображен график изменения he в течение года. Летом с повышением температуры воздуха на поверхности и, следовательно, в воздухоподающем стволе его удельный вес уменьшается; поскольку в шахтах удельный вес воздуха в исходя щих струях обычно меньше, чем в поступающих, это снижение в зависимости от его величины приводит к уменьшению Ае только по величине (кривая 1) или по величине и направлению (кривая 2}. В холодное время года наблюдается обратное явление.
Аналогичные изменения могут происходить и в течение суток в районах с континентальным климатом, а также при гористом рельефе. В районах с гористым рельефом (или при связи подземных выработок с карьерами) естественная тяга колеблется вследствие изменения температуры (удельных весов) столбов воздуха, находя щихся над разными входами в шахту, или сообщающихся столбов воздуха в подземных выработках и на поверхности, над входом в шахту.
При пожарах в подземных выработках, когда температура воз духа может достигать сотен градусов, появляется весьма мощная депрессия, которая в случае действия ее против вентилятора может значительно уменьшить количество проходящего по выработке
воздуха или даже опрокинуть вентиляционную струю. |
|
|
|||
|
Д а в л е н и е в о з д у х а |
||||
|
оказывает существенное вли |
||||
|
яние на величину |
естествен |
|||
|
ной тяги |
вследствие зависи |
|||
|
мости |
от него удельного веса |
|||
|
воздуха. |
Атмосферное |
дав |
||
|
ление в шахте и депрессия |
||||
|
естественной тяги |
определя |
|||
|
ются |
давлением |
воздуха на |
||
Рис. 83. Сезонное изменение депрессии |
поверхности и глубиной |
вы |
|||
естественной тяги в шахте |
работок |
[см. формулы (IX ,5), |
|||
|
(IX ,7), |
(IX ,9)]. |
Влияние |
давления воздуха на поверхности, как следует из этих формул, линейное, однако вследствие небольших относительных колебаний
его (в среднем около 3%) оно не приводит |
к существенным измене |
||
ниям |
депрессии естественной тяги. |
депрессия естественной |
|
О т |
г л у б и н ы г о р н ы х |
р а б о т |
|
тяги зависит экспоненциально |
[см. уравнения (IX ,6) и (IX ,7)]. |
В глубоких шахтах вследствие высокой температуры воздуха в исхо дящих струях депрессия естественной тяги обычно совпадает с на
правлением |
работы вентилятора (положительна). |
С о с т а в |
ш а х т н о г о в о з д у х а в некоторой степени |
определяет его удельный вес. В частности, увеличение содержания легких газов (метан и др.) и паров воды уменьшает удельный вес воздуха. Однако количественное влияние этих факторов в шахтных условиях невелико.
Р а б о т а в е н т и л я т о р а , как было отмечено выше, оказы вает незначительное влияние на депрессию естественной тяги (в пре делах нескольких процентов).
§ 61. Влияние естественной тяги на работу вентилятора
Характеристика естественной тяги. Характеристикой естествен ной тяги называется зависимость ее депрессии от количества пода ваемого в шахту воздуха. Поскольку зимой с увеличением подачи
воздуха в шахту температура в воздухоподающем стволе будет понижаться, а удельный вес воздуха увеличиваться, то ввиду отно сительного постоянства удельного веса воздуха в исходящих струях депрессия естественной тяги будет также несколько увеличиваться. Летом будет происходить обратное явление. Поэтому, строго говоря,
характеристика естественной тяги |
будет менять |
свое положение |
в координатах Ае, Q для каждого |
времени года |
(рис. 84). Однако |
поскольку в большинстве случаев различие в положении характе ристик 1 (зима) и 2 (лето) невелико, а также учитывая противо
положный характер |
изменения |
||
Ке |
при ЭТОМ, принимают, ЧТО /</еЛр |
||
не |
зависит от |
подаваемого в |
|
шахту количества |
воздуха. |
||
В |
этом случае |
характеристика |
естественной тяги будет изобра жаться прямой, параллельной оси Q (кривая 3).
Рис. |
84. Характеристика естествен |
Рис. 85. |
Совместная работа вентилятора |
||||||||
|
|
ной |
тяги |
|
|
|
и естественной |
тяги: |
|||
Совместпая работа вентиля- |
1 — характеристика вентилятора; 2 — харак- |
||||||||||
теристика |
естественной тяги; |
з — /»в -f Ле; |
|||||||||
тора |
И |
естественной |
ТЯГИ. |
4 - лв “ |
V ’ |
' - |
характеристика шахты |
||||
Естественная тяга является ис |
|
|
|
|
|
|
|||||
точником |
энергии для вентиляционной струи воздуха в шахте. Если |
||||||||||
она |
действует |
в той |
же |
вентиляционной |
сети, |
на |
которую |
||||
работает |
и |
вентилятор, |
то |
удельные |
энергии |
(депрессии), |
отдаваемые каждым из этих источников воздуху, будут алгебраи чески суммироваться. Будем называть депрессию естественной тяги п о л о ж и т е л ь н о й , если она действует в том же направле нии, что и вентилятор, и о т р и ц а т е л ь н о й , если их действие противоположно. Совокупное воздействие вентилятора и естествен ной тяги будет определяться некоторой обобщенной характеристикой, получаемой из характеристик вентилятора и естественной тяги пу тем алгебраического суммирования их депрессий при постоянном расходе воздуха (рис. 85, кривые 3 и 4). Количество воздуха, посту пающего в шахту, определится абсциссой точки пересечения суммар ной характеристики вентилятора и естественной тяги и характери стики шахты. Как видим, в зависимости от знака he, т. е. от напра вления действ ия естественной тяги, последняя может помогать
работе вентилятора (Çx > Q0) или затруднять ее (Q2 << Ç0). Поэтому
♦ естественная тяга должна учитываться |
при выборе вентилятора. |
||
В общем случае депрессия вентилятора |
|
|
|
^в — ^сопр |
^ei |
|
(IX ,17) |
где ^сопр — депрессия, затрачиваемая |
на |
преодоление |
всех сопро |
тивлений движению воздуха по сети выработок. |
|||
Из уравнения (IX ,17) следует, что при отрицательной естествен |
|||
ной тяге (Ле< 0 ) депрессия вентилятора должна быть |
больше де |
прессии сопротивлений на величину Ае, а при положительной есте ственной тяге (he > 0) опа может быть уменьшена на Ае. Поскольку Ле изменяется в течение года, в уравнение (IX ,17) следует подстав лять ее минимальную величину, т. е. наименьшее положительное значение йе или наибольшее отрицательное.
Г л а в а X
РАБОТА ВЕНТИЛЯТОРОВ НА ШАХТНУЮ СЕТЬ
§ 62. Работа одного вентилятора
Зависимость развиваемого вентилятором напора от его дебита, выраженная в виде графика, называется х а р а к т е р и с т и к о й в е н т и л я т о р а . Каждый тип вентилятора имеет свою характе ристику (рис. 86). Выпускаемые в СССР вентиляторы обычно имеют
о |
fi |
R |
Рис. 86. Характеристики вентиляторов:
■а — центробежного с загнутыми назад лопатками и осевого при небольшом \тлс поворота
лопаток; б — центробежного с радиальными или загнутыми вперед лопатка и; в, г — осе вого при большом угле поворота лопаток
характеристики с «горбом» или седлообразные, однако осевые вен тиляторы типов ВОК и ВОКД и серии В при больших углах поворота лопаток рабочего колеса имеют характеристики с разрывом. Поло жение характеристики изменяется при изменении скорости вращения рабочего колеса вентилятора или угла установки лопаток.
Изображенные на рис. 86 характеристики соответствуют работе одного вентилятора на сеть без каких-либо других источников
1г»з
тяги. В |
этом случае |
характеристика |
вентилятора располагается |
в первом |
квадранте. |
Положительные |
значения Q соответствуют |
движению воздуха от всаса к диффузору, положительные значения h соответствуют разрежению во всасе по отношению к диффузору ~
Вентилятор может развивать лишь такие режимы, которые соответствуют его характеристике. В то же время Q и h сети свя заны между собой соотношением, описываемым характеристикой сети (см. рис. 57). Очевидно, что при работе вентилятора на сеть его Q и h должны удовлетворять как собственной характеристике вентилятора, так и характери стике сети, т. е. графически должны определяться точкой пересечения характеристик вентилятора и сети (рис. 87). Иными словами, режим работы вентилятора определяется
совместным решением уравнений характеристик вентилятора и сети. Для определения режима работы вентилятора на сеть, состо ящую из нескольких параллельных ветвей 7—2, 3—2 (рис. 88, а)г необходимо построить общую характеристику параллельного соединеиия (кривая 3 на рис. 88, б), точка пересечения которой с характе
S
п
г
1
Рис. 88. Работа вентилятора на сеть из параллельных ветвей
ристикой вентилятора 4 и определит искомый режим. Расходы воз духа в параллельных ветвях определятся пересечением линии йв~ = const, где Лв — депрессия вентилятора при работе на данное параллельное соединение, с характеристиками 1, 2 параллельных ветвей.
На рис. 88, б кривая 2 — характеристика шахты, 1 — характе ристика путей подсоса воздуха с поверхности, 3 — их суммарная
характеристика. Как следует из рисунка, наличие подсосов снижает поступление воздуха в шахту с Q'2 (при отсутствии подсосов) до Ç2, в то время как дебит вентилятора возрастает с Q'2 до ÇB. В резуль тате, помимо того, что уменьшается поступление воздуха в шахту, увеличивается расход электроэнергии вентилятором, поскольку мощность вентилятора определяется выражением
дг |
W _ |
Д<?3 |
(Х,1) |
|
102л |
102л ’ |
|
|
|
||
где А и Q — депрессия и дебит вентилятора; |
|
||
Л — к. п. д. вентиляторной |
установки; |
|
R — сопротивление шахты.
Суммарную характеристику нескольких параллельно соединен ных выработок можно построить двояко. Если известно общее сопротивление соединения Д0, то суммарная характеристика будет
Рис. 89. Построение сум марной характеристики двух параллельно соеди ненных выработок:
1 и 2 — характеристики па раллельно соединенных пыработок; 1 -f 2 — их сум марная характеристика
о |
t, tfçïti" Q! |
Qï |
Q |
графиком |
уравнения |
A = |
R 0Q2 (при квадратичном режиме движе |
ния воздуха в системе). Суммарную характеристику можно построить и графически, если учесть, что депрессия всех параллельно соеди ненных выработок одинакова, а общий расход воздуха в соединении
при любой депрессии равен сумме |
расходов |
в ветвях, |
т. е. |
Ах = |
|
= h2 = |
= K l Qo = Qi + <?2 + |
+ Qrr |
Поэтому |
для |
полу |
чения суммарной характеристики надо задаться несколькими про извольными значениями депрессии А7, А", А"7 и т. д. и сложить соответствующие им индивидуальные расходы воздуха в выработках
Q[, Qv ч Qn\ Q”n Qv ч Qn и т. Д. Иными словами, характери стики выработок следует суммировать по расходам (рис. 89).
§ 63. Совместная работа вентиляторов
Виды совместной работы. Вентиляторы, работающие одновре менно на одну сеть, могут быть соединены последовательно, парал лельно и комбинированным способом. Соответственно различают последовательную, параллельную и комбинированную работу вен