Рациональные размеры несущих баллонов трубопроводных вентиляционных систем (предварительная оценка)

Параметры	Диаметр проходного отверстия D, м
	2,0	2,5	3,0
Внешний диаметр DН, м	3,236	4,045	4,854
Длина Lб, м	16,449	20,562	24,674
Газовмещающий объем Vб, м3	83,608	163,303	282,182

При этом полную подъемную силу баллонов необходимо определять по уравнению (4.2) при f = 1 кгс/м³ (для того чтобы иметь дополни­тельный резерв плавучести трубопровода) с некоторым превыше­нием расчетных значений F_А над G. Если весовые характеристики материалов, принятых для изготовления составных элементов тру­бопровода, не позволяют обеспечить условие F_А > G при заданных размерах баллонов, увеличивают их проектную длину L₆ или (в край­нем случае) внешний диаметр D_н.

Конструкция плавучего вентиляционного трубопровода может быть существенно облегчена при использовании качественных газодержащих тканей с низкой удельной массой. В настоящее время можно рассчитывать на аэростатные ткани с удельной массой 0,07÷0,42 кг/м², сроком службы от 3 до 10 лет при эксплуатации в температурных режимах от -60 до +60° С и газопроницаемостью по гелию не более 0,0001÷0,003 м³/(м²∙сут). Рассмотрим подроб­нее структуру и физико-механические свойства некоторых из них.

В России производятся относительно дешевые и прочные двух­слойные диагональнодублированные аэростатные ткани на лавса­новой основе с алюминированным покрытием, удельной массой 0,38÷0,42 кг/м², разрушающей нагрузкой 3000÷3300 кг/м и газо­проницаемостью до 0,003 м³/(м²∙сут), а также пропитанные полиуретаном нейлоновые оболочки с удельной массой 0,18÷0,24 кг/м², разрушающей нагрузкой 1800÷2000 кг/м и газопроницаемостью до 0,0015м³/(м²∙сут).

Британские гелиевые дирижабли Skychip-500 имеют оболочку с газопроницаемостью не более 0,001 м³/(м²∙сут). Структура ис­пользуемой ткани многослойная: один слой, силовой, выполнен из полиэфира, другой, внешний, — из полиуретана с покрытием из диоксида титана, третий, газодержащий, — из полиэтиленовой пленки. Срок службы оболочки — от 5 до 10 лет в зависимости от интенсивности ультрафиолетового облучения.

Аэростатная ткань «триплекс», используемая на французских воздухоплавательных аппаратах, имеет похожую трехслойную структуру: силовой слой толщиной 0,023 мм выполнен из полиэфи­ра, внешний слой — из алюминиевой фольги толщиной 0,00002 мм на подложке из полиэтилена толщиной 0,02 мм, газодержащий слой толщиной 0,02 мм — из полиэтиленовой пленки. Общая толщина материала оболочки 0,063 мм при удельной массе 0,07 кг/м². Диффузия гелия через пленочную ткань «триплекс» не превышает 0,0001 м³/(м²∙сут). Срок службы — 3 года.

Долговечными и недорогими являются аэростатные ткани аме­риканской фирмы Raven Industries, поставляемые во многие стра­ны мира. Они выполняются из нейлона, покрытого полиуретаном. При удельной массе 0,166 кг/м² прочность материала со­ставляет 1800 кг/м, а газопроницаемость по гелию — не более 0,0015м³/(м²∙сут)[149].

При предварительной оценке безвозвратных потерь гелия че­рез оболочку несущих баллонов вентиляционного трубопровода следует пользоваться формулой

, м³/сут, (4.7)

где b — проектная газопроницаемость оболочки аэростатного бал­ лона, м³/(м²∙сут); n_б — количество надувных звеньев в вентиляци­онном трубопроводе.

Для поддерживания избыточного давления в газодержащих оболочках не ниже 150÷200 Па их подключают к источнику сжатого аэростатного газа, обеспечивая возможность поступления гелия в несущие баллоны при срабатывании обратных клапанов (см. рис. 4.2). В том случае, если фактический расход аэростатного газа зна­чительно превысит расчетное значение Q_г необходимо обследовать несущие баллоны на утечку гелия. К наполненным оболочкам пос­ледовательно прикладывается большая воронка, соединенная с масс-спектрометром, и передвигается по их поверхностям. При наличии утечки прибор фиксирует повышенную концентрацию ге­лия внутри воронки, о чем оператору подается сигнал. В дальней­шем на обнаруженное отверстие ставят заплату.

При уменьшении атмосферного давления или разогреве зве­ньев трубопровода солнечными лучами избыточное давление в га­зодержащих оболочках может вырасти до максимальных значений 450÷600 Па, ограничиваемых соответствующей настройкой предох­ранительных клапанов, которые выпускают из несущих баллонов излишек аэростатного газа. Из-за высокой стоимости гелия, выб­рос его в атмосферу нецелесообразен. Оптимальным является перемещение стравливаемого из несущих баллонов гелия по труб­чатым рукавам к газгольдерам с последующей его очисткой и по­вторным использованием.

Выполним примерную оценку основных рабочих параметров карьерной вентиляционной системы, состоящей из вентиляторной установки ВОД-21 и магистрального трубопровода с диаметром проходного отверстия D = 2,5 м и общей протяженностью L = 1000 м. Всасывающий участок воздуховодной сети длиной 600 м располо­жен в выработанном пространстве карьера и состоит из гибкого плавучего трубопровода длиной 445 м, один из концов которого сочленен через переходной жесткий воздуховод протяженностью 150 м с вентиляторной установкой, а другой конец прикреплен к поворотному кольцу самоходного всасывающего патрубка, внут­ренний канал которого имеет длину 5 м. Нагнетательный участок магистрального трубопровода длиной 400 м выполнен жестким и предназначен для отвода откачиваемого воздуха в сторону от ка­рьера. Гидростатическая составляющая давления, развиваемо­го вентилятором на данную вентиляционную сеть, изменяется в пределах 0÷200 Па.

Аэродинамическую характеристику магистрального трубопро­вода определяем по известному уравнению [143, 152-155]

, Па (4.8)

где Q_i — произвольные значения расхода воздуха в вентиляцион­ной сети, м³/с; R_с — обобщенный коэффициент аэродинамическо­го сопротивления трубопроводной сети:

, кг/м⁷. (4.9.)

Коэффициент сопротивления трению X с достаточной точнос­тью принимаем равным 0,02 [143, 154], а плотность перемещае­мого воздуха ρ =1,2 кг/м³. Эквивалентную длину L_э трубопровода, с учетом небольшого количества местных сопротивлений в нем, мож­но принять на 5% больше общей длины L трубопровода [153]. Ис­ходя из этого:

, кг/м⁷.

Результаты расчетов по уравнению (4.8) при граничных зна­чениях гидростатической составляющей давления p_г сводим в табл. 4.9.

Таблица 4.9