6. Рудничные пневматические

установки

Применение сжатого воздуха в горном деле обусловлено его безопасностью для рабочих, лучшими условиями вентиляции забойного участка, малым весом и простотой конструкции ручного пневматического инструмента, надежностью в работе и простотой обслуживания.

Основным недостатком пневматики является то, что на подведение 1 кВт пневмоэнергии к забою необходима затраченная мощность на поверхности в 6 кВт. Однако ликвидация ручного труда стоит таких затрат.

6.1. Классификация компрессоров

Машина, служащая для преобразования механической энергии привода в полезную потенциальную и кинетическую энергию сжатого газа, называется компрессором. По способу сжатия газа компрессоры делятся на две группы: объемного сжатия – давление газа повышается за счет уменьшения рабочего пространства (поршневые, винтовые, ротационные); кинетического сжатия – газ сжимается в процессе принудительного движения газа при силовом взаимодействии с лопатками вращающихся колес (турбокомпрессоры – центробежные и осевые или лопастные).

По величине создаваемого давления: вакуум-насосы – отсасывающие газ из пространства с вакуумом и сжимающие его до атмосферного или чуть большего давления; воздуходувки (газодувки) – давление до 0,3 МПа; компрессоры низкого давления – 0,3-1,0 МПа; среднего давления – 1,0-10 МПа; высокого давления – 10-250 МПа.

В горном деле наиболее широко применяются компрессоры низкого давления, а также вакуум-насосы для отсасывания метана из угольных пластов.

По числу ступеней сжатия компрессоры подразделяются на одно-, двух- и многоступенчатые.

6.2. Принципиальная схема и принцип действия

поршневого компрессора

Основные узлы поршневого одноступенчатого компрессора – рабочий цилиндр 1 (рис.45), поршень 2, приемный (всасывающий) клапан 3, нагнетательный клапан 4. Кривошипно-шатунный механизм, состоящий из штока 5, крейцкопфа 6, шатуна 7 и кривошипа 8 служит для преобразования вращательного движения привода в возвратно-поступательное движение поршня.

Расстояние между двумя крайними положениями поршня (А-А и В-В) называется ходом поршня: S = 2r, где r – радиус кривошипа.

Рис.45. Схема поршневого одноступенчатого компрессора простого действия

При движении поршня 2 вправо увеличивающийся объем рабочего цилиндра заполняется воздухом через открытый клапан 3 из всасывающего трубопровода (процесс всасывания). По достижении поршнем положения В-В клапан 3 закрывается и поршень начинает двигаться влево, начинается процесс сжатия, который заканчивается при достижении поршнем положения С-С. В этом положении открывается нагнетательный клапан 4 и происходит процесс нагнетания, т.е. вытеснение воздуха поршнем в напорный трубопровод. С началом движения вправо клапан 4 закрывается и начинается процесс всасывания. Все это составляет цикл работы поршневого компрессора.

6.3. Теоретический и рабочий процесс одноступенчатого поршневого компрессора

Идеальным будет называться компрессор, отвечающий следующим требованиям:

температура и давление воздуха в процессе всасывания в цилиндре компрессора неизменны и равны параметрам всасываемого воздуха;

в процессе выталкивания температура и давление воздуха неизменны и равны параметрам сжатого воздуха за компрессором;

после окончания процесса выталкивания в цилиндре не остается воздуха, т.е. поршень вплотную прилегает к крышке цилиндра;

утечки и перетечки воздуха в цилиндре отсутствуют;

затраты мощности на механическое трение отсутствуют.

Рис.46. Индикаторная диаграмма

идеального компрессора

Точка 1 на индикаторной диаграмме идеального компрессора (рис.46) соответствует тому, что весь объем цилиндра заполнен воздухом низкого давления (поршень в положении В-В, см. рис.45) и объем воздуха равен V₁. Кривая 1-2 – процесс сжатия воздуха в компрессоре от давления P₁ до P₂ при закрытых клапанах. В точке 2 процесс сжатия заканчивается, объем воздуха достигает величины V₂ и открывается нагнетательный клапан.

Линия 2-3 – процесс выталкивания воздуха из цилиндра в резервуар высокого давления, при котором происходит уменьшение количества воздуха в цилиндре. Точка 4 – открывание всасывающего клапана. Линия 4-1 – процесс всасывания в цилиндр воздуха из резервуара низкого давления Р₄ , а объем воздуха в цилиндре при этом увеличивается.

Площадь диаграммы, ограниченная ломаной 1-2-3-4-1, есть полная работа за цикл L_1п и будет полезной, так как совершается без потерь.

Работа на сжатие воздуха в процессе 1-2

(95)

Так как V₂  V₁, то работа L_1-2 всегда отрицательна и на диаграмме изображена площадью под кривой 1-2 (косая штриховка).

Работа по выталкиванию воздуха в нагнетательную сеть

или (96)

При выталкивании P₂ = const, а для идеального компрессора объем воздуха в цилиндре в конце процесса равен нулю (V₃ = 0). На диаграмме работа L_2-3 соответствует площади прямоугольника под прямой 2-3 (горизонтальная штриховка).

Точка 4 на диаграмме выражает начало процесса всасывания и поскольку изменение давления от Р₂ до Р₁ происходит без изменения объема V₃ = V₄ = 0, то работа на этом участке равна нулю.

Работа в процессе 4-1 всасывания воздуха

(97)

так как V₄ = 0, а P₁ = const.

Суммируя значения работ цикла 1-2-3-4-1, получим

L = P₁V₁ – P₂V₂ +  (98)

Применяя для PdV преобразование вида

PdV = d(pV) – Vdp (99)

и взяв интеграл, получим

(100)

Подставив (100) в уравнение (98), получим работу поршневого компрессора

(101)

Работа L изображена площадью 1-2-3-4-1 и будет отрицательна, так как для сжатия воздуха необходимо затратить внешнюю работу. Величина L есть техническая работа компрессора и она существенно отличается от работы сжатия в компрессоре

Для решения интеграла необходимо знать зависимость давления от объема в процессе сжатия. Эти законы известны из термодинамики.

Адиабатный процесс сжатия. Условием процесса является постоянство теплосодержания воздуха. Отвод тепла отсутствует и система теплоизолирована, т.е. все тепло, образовавшееся при сжатии, не отводится, а идет на повышение температуры сжимаемого воздуха.

Основное уравнение адиабаты:

отсюда

V =  (102)

где k – показатель адиабаты, k = 1,4.

Изотермический процесс сжатия протекает при постоянной температуре с отводом тепла, т.е. показатель k = 1:

Рис.47. График процессов сжатия в зависимости

от показателя процесса

P₁V₁ = P₂V₂ = PV = const.

Политропный процесс сжатия протекает с отводом некоторого количества теплоты. Этот процесс является общим по отношению к первым двум, т.е. 1  k  1,4.

На рис.47 представлен график сравнения процессов сжатия воздуха в зависимости от показателя процесса. Начальные параметры воздуха и конечные давления для всех трех процессов приняты одинаковыми, поэтому изотермический процесс изображен линией 1-2, политропный – 1-2', адиабатный –1-2".

Из рис.47 следует, что с увеличением показателя процесса увеличиваются работа компрессора, температура и объем сжатого воздуха. Следовательно, с целью уменьшения работы необходимо уменьшать показатель процесса за счет интенсивного охлаждения воздуха в компрессоре.

Для адиабатного процесса работа теоретического цикла сжатия с учетом (102) составит

P₁V₁^k = P₂V₂^k,

следовательно, удельная объемная работа при адиабатном сжатии

(103)

Для изотермического процесса получим

(104)

Для политропного процесса:

(105)

где n – показатель политропы, 1  n  1.4; R – газовая постоянная; Т_н, Т_к – начальная и конечная температура сжимаемого газа.