Міністерство освіти і науки України

Криворізький технічний університет

Кафедра рудникової аерології та охорони праці

Методичні вказівки

до виконання лабораторної роботи №28

«Дослідження аеродинамічних параметрів жорстких трубопроводів для місцевого провітрювання виробок,

камер і виробничих приміщень»

з дисциплін «Аерологія гірничих підприємств», «Шахтна атмосфера і аеромеханіка», «Проектування вентиляції», для студентів усіх форм навчання за напрямом підготовки 0903 «Гірництво»

Кривий Ріг

2010

Укладач:І.Б. Ошмянський, к.т.н., доц.

Відповідальний за випуск: А.О. Гурін, професор, д-р техн. наук

Рецензент: Лапшин О.Є., професор, д-р техн. наук

У методичних вказівках наведені теоретичні основи розрахунків аеродинамічних параметрів трубопроводів при проектуванні місцевого провітрювання та методика експериментальних досліджень на лабораторному стенді з визначення впливу різних чинників на аеродинамічний опір тертя і депресію повітропроводів при нагнітальному і всмоктуючому режимах вентиляції. Наведено список рекомендованої літератури.

­­­­­­­­­

Розглянуто Схвалено

на засіданні кафедри на вченій раді

рудникової аерології та гірничого факультету

охорони праці

Протокол № 6 Протокол № 7

від 17.02.2010 р. від 26.02.2010 р.

1. Основні положення

   1. Мета роботи.

Метою роботи є вивчення впливу різних чинників і аеродинамічних параметрів на значення коефіцієнтів аеродинамічного опору тертя жорстких трубопроводів, їх аеродинамічних опорів і витрат тисків на подолання опорів при нагнітальному і всмоктуючому способах провітрювання.

Дослідження основних вентиляційних параметрів трубопроводів виконується із застосуванням аналітичного і експериментального методів.

1.2.Вказівки з підготовки та виконання лабораторної роботи

Виконання студентами роботи ведеться у наступній послідовності:

- усвідомлюють мету і задачі досліджень по роботі;

- закріплюють наведений в методичних вказівках теоретичний матеріал з питань методики визначення аеродинамічного опору і депресії трубопроводів при проектуванні вентиляції гірничих виробок, камер і виробничих приміщень;

- ознайомлення з аеродинамічною схемою лабораторного стенда з трубопроводами;

- вивчення методів вимірювання і визначення за допомогою лабораторних приладів значень статичного, динамічного, повного тисків повітря, яке за допомогою вентиляторної установки рухається в трубопроводах;

- виконання аналізів результатів вимірів і визначення основних вентиляційних параметрів трубопроводів, що досліджуються.

1.3.Теоретичні основи визначення аеродинамічних параметрів трубопроводів при проектуванні вентиляції

При русі повітря по шорстких гірничих виробках і трубопроводах енергія струменю витрачається на подолання аеродинамічного опору, який складається із аеродинамічного опору тертя і сили тиску повітря на виступи шорсткості. Шорсткість поверхонь повітропроводів розподілена по їх довжині і периметру у поперечних перерізах, внаслідок чого сили тертя і тиску розподіляються по їх поверхні і всюди проявляються сукупно.

Втрати статичного тиску h_ст при русі повітря на довільній ділянці горизонтального прямолінійного трубопроводу (гірничої виробки) з постійною площею поперечного перерізу на подолання опору тертя визначаються за формулою[1,2]

h_ст = P₁-P₂= αΠLQ²/S³= RQ² Па , (1.1)

де P₁,P₂ – відповідно статичний тиск повітря у поперечних перерізах I і ІІ, Па; α – коефіцієнт аеродинамічного опору тертя повітропроводу, Н.с²/м⁴; П – периметр трубопроводу чи гірничої виробки, м; L - відстань між перерізами, м; S – площа поперечного перерізу, м²; Q - об′ємні витрати повітря, м³/с; R – аеродинамічний опір тертя повітропроводу, R = αΠL/S³, Н.с²/м⁸.

Для повітропроводів круглої форми при визначенні периметра і площі поперечного перерізу через діаметр (Π=πd_тр і S=πd²_тр/4) формула (1.1) має вигляд

h_ст= 6,48αLQ²/d⁵_тр = RQ² Па , (1.2)

де d_тр- діаметр повітропроводу, м; R = 6,48 αL/d⁵_тр – аеродинамічний опір тертя круглого трубопроводу , Н с²/м⁸.

Експериментальне визначення аеродинамічного опору тертя повітропроводів довільної форми на виробництвах або при лабораторному моделюванні згідно з формулами (1.1 і 1.2) визначається за формулою:

R = h_ст/Q² Нс²/м⁸, (1.3)

де Q = υ_серS – об'ємні витрати повітря, м³/с; υ_сер– середня швидкість струменю повітря, м/с.

Розрахунки депресії повітропроводів за формулами (1.1)-(1.3) справедливі для прямолінійних трубопроводів (виробок) постійного поперечного перерізу з постійною шорсткістю їх поверхонь, густиною повітря, середньою швидкістю його руху і розвиненому турбулентному режимі.

Режим руху повітря в повітропроводах можливо визначити за числом Рейнольдса [1,2]

Rе= υ_серd/γ , (1.4)

де d – гідравлічний діаметр повітропроводу, м; γ – кінематичний коефіцієнт в’язкості повітря, значення якого при температурі 15⁰С і тиску 101,325 кПа складає 1,441·10⁵ м²/с.

За результатами досліджень прийнято вважати режим руху повітря ламінарним при числі Rе < 2000, стійким турбулентним при числі Rе> 4000, а у межах 2000 < Rе > 4000 – перехідним від ламінарного до турбулентного.

Значення гідравлічного діаметра для повітропроводів довільної форми поперечного перерізу можливо визначити за формулою:

d=4S/Π. (1.5)

У шорстких трубопроводах і гірничих виробках при середніх швидкостях руху повітря більших 0,15-0,25м/с має місце розвинений стійкий турбулентний режим руху повітря.

У тих випадках, коли на окремих дільницях вентиляційних мереж густина повітря ρ не залишається постійною, розрахунки депресії необхідно виконувати за масовими витратами повітря [1,2]

h=βΠLM²/2ρ_сер·S³ Па, (1.6)

де β=2α₀ /ρ₀ – безрозмірний коефіцієнт тертя при ρ₀ = 1,2 кг/м³ і нормативних значеннях коефіцієнта аеродинамічного опору тертя α₀ Нс²/м⁴;

ρ_сер – середня густина повітря на дільниці розрахунку депресії, кг/м³; M - масові витрати повітря, кг/с.

Формулою (1.6) необхідно користуватися при розрахунках депресії вертикальних і похилих стволів глибоких шахт, при проектуванні вентиляційних мереж з калориферами і кондиціонерами.

Значення коефіцієнтів аеродинамічного опору тертя (α, β) визначаються за аналітичними залежностями, отриманими експериментально у виробничих і лабораторних умовах їх вимірів. Значення коефіцієнтів α круглих трубопроводів при виконанні лабораторної роботи на аеродинамічному стенді визначаються із застосуванням формул (1.2)

α = h_ст . (1.7)

Дослідженнями встановлено, що значення різних типів повітропроводів і гірничих виробок залежить від числа Rе , шорхності їх поверхонь, густини повітря і площі їх поперечних перетинів. При підвищенні швидкості руху повітря і досягненні значень числа

Rе >(0,5-1)·10⁵ величина α для повітропроводів з різною шорсткістю і площею поперечного перерізу залишається практично постійною, що має назву автомодельності коефіцієнтів α відносно числа Rе.

При експериментальному визначенні значень коефіцієнтів α металевих герметичних трубопроводів на лабораторній установці за допомогою приладів вимірюють депресію між двома поперечними перерізами h_ст , об'ємні витрати повітря Q, довжину дільниці трубопроводу L , його діаметр d_тр і за формулою (1.7) розраховують значення коефіцієнтів α гладкого і шорсткого трубопроводів.

Фактичні значення коефіцієнтів α нових гладких металевих трубопроводів діаметром 0,4-1,0 м знаходяться у межах (3,7÷2,5)·10^-3 Нс²/м⁴, значення коефіцієнтів α для гірничих виробок з різними видами кріплення і площами поперечних перетинів можуть складати (5,3÷20)·10^-3 Нс²/м⁴ [2].

При застосуванні на підприємствах і в лабораторних стендах негерметичних трубопроводів значення непродуктивних витрат повітря через нещільності стиків труб оцінюються величинами коефіцієнтів доставки η

η = Q_к /Q_в , (1.8)

де Q_к – витрати повітря, які надходять до кінця трубопроводу, м³/с;

Q_в – продуктивність вентиляторної установки на початку трубопроводу, м³/с.