Пример расчёта вентиляторной установки Задание

Рассчитать главную вентиляционную установку шахты с годовой производительностью 1200000 тонн угля в год, если количество воздуха необходимое для проветривания шахты составляет 132 м³/с, минимальная депрессия 1220 Па, максимальная депрессия 2220 Па. Шахта 3 категории по газу. Вентилятор установлен на скиповом стволе.

Решение

1. Определение производительности вентилятора

Q_в = К_{ут. вн.}  Q_ш , м³/с;

где К_{ут. вн.} - коэффициент утечек воздуха через надшахтные сооружение и каналы вентилятора;

К_{ут. вн} = 1,25 при установке вентилятора на скиповом стволе;

Q_в = 1,25  132 = 165 м³/с.

2. Выбор вентилятора

По сводному графику областей промышленного использования вентилятора [1], с. 85, [2], с. 84 выбираем вентилятор типа ВОД-30М в количестве двух штук (один - рабочий, другой - резервный) [3], п. 3.3.2., с. 308.

Техническая характеристика вентилятора ВОД-30М [1], с. 391

Диаметр рабочего колеса, мм 3000

Частота вращения, мин^-1 500

Номинальная подача, м³/с 120

Номинальное давление, Па 2400

К.п.д. номинальное 0,76

Масса вентилятора, кг 32300

3. Регулирования режима будет осуществляться поворотом лопаток рабочего колеса от 15⁰ до 45⁰ и поворотом лопаток направляющего аппарата. [4]

4. Определение граничных режимов работы вентиляторной установки

Для определения граничных режимов работы вентиляторов из справочника [2], с. 84, рис. 38а – перечеркиванием характеристику вентилятора.

На том же графике, в том же масштабе строим характеристики вентиляционной сети в начале и в конце эксплуатации. Составляем уравнения эксплуатационных характеристик.

В начале эксплуатации Н_min = R_min  Q²,

где R_min – постоянная характеристики вентиляционной сети в начале эксплуатации.

Определяем из исходных данных

R_min = = = 0,0448;

Н_min = 0,0448  Q².

В конце эксплуатации Н_max = R_max Q²

Определяем из исходных данных

R_max = = 0,0815;

Н_max = 0,0815 Q².

По уравнениям

Н_min = 0,0448 Q² и Н_max = 0,0815 Q² определяем несколько значений Н_max и Н_min для различных Q и результаты записываем в таблицу.

Q	0	50	100	150	200
Нmin = 0,0448Q2	0	112	448	1008	1792
Нmax = 0,0815Q2	0	204	815	1834	3260

По данным таблицы строим характеристики вентиляционной сети в начале и в конце эксплуатации (рис.1).

Н_max

Рисунок 1 - Аэродинамическая характеристика вентиляторной установки ВОД-30М.

На оси подачи Q откладываем заданную подачу вентилятора 165 м³/с и проводим вертикальную линию до пересечения с характеристикой вентиляционной сети в конце эксплуатации – это и есть режимы работы вентиляторной установки.

После обработки графиков записываем параметры рабочих режимов:

В начале эксплуатации:

при нормальной работе при реверсивной работе

Q = 165 м³/с  = 35⁰

Н = 1220 Па Qp = 115 м³/с

_нач = 35⁰ Нр = 760 Па

 = 0,64

В конце эксплуатации:

при нормальной работе при реверсивной работе

Q = 165 м³/с  = 40⁰

Н = 2220 Па Qр^ = 110 м³/с

_кон = 40⁰ Нр^ = 1000 Па

 = 0,73

Так как аэродинамическая характеристика вентилятора проходит выше точки с координатами расчетного режима Q_в и Н_в, то для определения подачи Q_в.р. и Н_в.р. строится аэродинамическая характеристика сети на графике аэродинамической характеристики вентилятора, приведенной на рисунке 1. Из графика получаем Q_в.р. = 170 м³/с, Н_в.р. = 2330 Па.

Максимально возможная подача вентилятора в начале эксплуатации Q_max = 215 м³/с; в конце эксплуатации Q_max = 185 м³/с.

5. Проверяем выполнение требований ПБ при реверсировании [3], п. 3.3.3 с. 309

Q_р  0,6 Q_в

Q_р = 110 м³/с

0,6Q_в = 0,6  165 = 99 м³/с

Так как 110  99, то требования [3], п. 3.3.3 выполнены.

6. Определяем резерв производительности вентилятора

В начале эксплуатации Q =  100% =  100 = 30,3 .

В конце эксплуатации Q =  100% =  100 = 12,1 .

В среднем резерв производительности составит = 21,2 %,

что больше 20% требуемых по нормам [4].

7. Выбор двигателя

N = k = 1,1  = 597 кВт;

где К- коэффициент запаса мощности; принимаем К = 1,1.

Выбираем двигатель в соответствии с рекомендациями [2], с. 286 типа СДВ 15-49-12

Мощность 800 кВт;

Напряжение 6000 В;

Частота вращения 500 мин^-1;

К.п.д. 0,943.

8. Определяем расход электроэнергии за год

W_г =  n_дн  n_ч , ;

_ср = = = 0,68

где _п – к.п.д. передачи; _п = 1;

_рег – к.п.д. регулирования; _рег = 0,8;

_эл.с. - к.п.д. электрической сети; _эл.с. = 0,97;

_дв - к.п.д. двигателя; _дв = 0,943;

n_дн – число дней работы вентиляторной установки в году; n_дн = 365 дней;

n_ч – число часов работы вентиляторной установки в сутки; n_ч = 24 часа.

W_г =  365 24 = 5312134 .

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А. Горная механика. – М.: Недра, 1982. (стр. 88-91).

2. Бабак Г.А. Шахтные вентиляторные установки главного проветривания. Справочник. – М.: Недра, 1988 .

3. ДНАОП 10.0-1.01-05. Правила безопасности в угольных шахтах. – К.: Основа, 2005.

4. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. (Государственный нормативный акт по охране труда). – К.: 1988 .

5. Каталог-справочник. Шахтные вентиляторы главного и местного проветривания.

Лекция №13

Раздел №3 «Шахтные водоотливные установки»

Тема: «Центробежные насосы»

Назначение и разновидности шахтных водоотливных установок

Шахтные водоотливные установки предназначены для откачки воды из горных выработок шахты на поверхность.

По назначению они делятся на следующие основные разновидности: главные, вспомогательные и участковые.

Главная водоотливная установка предназначена для выдачи на поверхность притока воды одной шахты.

Вспомогательная водоотливная установка предназначена для откачки воды с нижнего горизонта шахты на верхний.

Участковая водоотливная установка служит для перекачки воды с отдельных участков шахты в водосборник главной водоотливной установки.

Общее устройство водоотливной установки

Водоотливная установка с центробежным насосом состоит из следующих основных элементов: насоса, двигателя, пускателя, подводящего и напорного трубопроводов.

Насос и электродвигатель устанавливаются на общей раме. Их валы соединяются пальцевой эластичной муфтой. На всасывающем трубопроводе установлен прибор вакуумметр, а на конце закреплено приёмное устройство (сетка с клапаном). На напорном трубопроводе установлена задвижка, обратный клапан, сливная труба и манометр.

Задвижка предназначена для нормального пуска и остановки водоотливной установки.

Заливная трубка – для заливки насоса водой.

Сливная труба - для слива воды из нагнетательного трубопровода при ремонте. Обратный клапан служит для защиты насоса от гидравлического удара.

Элементы конструкции центробежного секционного насоса:

1) корпус, состоящий из всасывающей и нагнетательной крышек с патрубками;

2) рабочие колёса с направляющими аппаратами (НА);

3) ротор (вал с рабочими колесами);

4) роликоподшипники;

5) кронштейны;

6) дистанционная втулка;

7) регулировочные кольца, стянутые на валу гайкой 16 ротора; 2, служащие опорами ротора; уплотнительные кольца 22 и 23; обводная трубка;

8) сальники из пеньковой набивки;

9) гидравлическое разгрузочное устройство (гидропята, трубка);

10) пальцевая муфта для соединения с электродвигателем.

Рабочие колеса крепятся на валу шпонкой их количество от 2 до 10. Рабочие колеса бывают односторонние и двухсторонние, т. е. с односторонним и двухсторонним подводом к ним жидкости.

Односторонние рабочие колеса применяют в односекционных, так и многосекционных насосах, а двухсторонние – в некоторых односекционных насосах.

Различают рабочие колеса насосов открытые и закрытые. В закрытых односторонних колёсах имеются ведущий и ведомый диски, между которыми расположены лопасти.

В закрытых двухсторонних колёсах ведомые диски связаны втулкой и отливаются заодно.

В открытых колёсах имеется ведущий диск с втулкой и лопастями.

К.п.д. насоса зависит от чистоты обработки поверхностей каналов колеса, числа и длины лопастей, закономерности изменения площади поперечного сечения межлопастного канала.

В шахтных насосах чаще применяют закрытые колеса, так как они допускают разбег вала, необходимый при наиболее распространенном способе уравновешивания осевой силы и при них меньше утечки через зазоры.

Открытые рабочие колеса применяются для транспортирования загрязненных жидкостей.

Гидравлический удар

Гидравлический удар - это комплекс явлений, возникающих в жидкости напорного трубопровода при быстром изменении скорости потока и приводящих к резкому изменению давления. При этом в жидкости возникает колебательный процесс чередования резкого повышения и понижения давления. Такое изменение давления в трубопроводе иногда превышает в десятки, и даже сотни раз обычное давление в нём, что оказывается опасным для прочности труб и даже может вызывать их разрыв.

Гидравлический удар возникает при внезапном закрытии задвижки на напорном трубопроводе и сопровождается резким увеличением давления, а также при резком открытии задвижки, когда давление падает в результате возрастания скорости движения жидкости.

Таким образом, если на трубопроводе, скорость течения в котором составляет 1 м/с, внезапно закрыть задвижку, то возникает мгновения повышение напора на 100 м, что соответствует 981 кН/ м.

Для ослабления гидравлического удара на трубопроводах устанавливают медленно закрывающиеся задвижки, предохранительные клапаны (гасители гидравлических ударов), автоматически открывающиеся при повышении давления сверх нормального, воздушные колпаки, обратные клапаны и др.

Коэффициент быстроходности центробежных насосов

По коэффициенту быстроходности рабочие колеса центробежных насосов делятся на:

1) тихоходные (п_s = 40-80);

2) нормальные (п_s = 80-150);

3) быстроходные (п_s = 150-300).

При увеличении быстроходности колёс возрастает к.п.д.

Тихоходные колёса обеспечивают высокие напоры и сравнительно небольшие подачи, быстроходные наоборот. Шахтные насосы имеют в основном тихоходные и нормальные колёса.

Для неагрессивной воды рабочие колёса изготавливаются литыми из чугуна или стали, дл кислотной – из легированной хромом и никелем сталей, хромистого или кремнистого чугуна, кислотоупорных бронз и пластмасс.

В многосекционных насосах рабочие колеса находятся внутри направляющего аппарата, изготовленного обычно из материала колеса.

Направление вращения рабочих колёс правое – по часовой стрелке, если смотреть со стороны муфты.

Разгрузочное устройство предназначено для уравновешивания осевого усилия возникающего при работе насоса.

Литература:

1. Хаджиков Р.Н., С.А. Бутаков. Горная механика. – М.: Недра, 1982, (стр. 92-112) рис. 52-54.

2. Попов В.М. Водоотливные установки. – М.: Недра, 1990.

3. ДНАОП 10.0-1.01-05. Правила безопасности в угольных шахтах. – К.: Основа, 2005.

Лекция №14

Гидравлическое разгрузочное устройство

Наибольшее применение в шахтных насосах имеет гидравлическое разгрузочное устройство. Гидропята закреплена на валу гайкой. Часть воды выходит из последней ступени насоса по радиальному зазору в камеру разгрузки, действует на гидропяту и затем выходит через трубку. Расход воды через разгрузочное устройство составляет 1,5-3% от подачи насоса.

Недостатки

1) расход воды через разгрузочное устройство;

2) трение гидропяты о воду;

3) быстрый износ колец гидропяты и разгрузки при перекачке загрязнённой воды;

4) насосы не могут работать при напорах значительно меньших нормальных;

5) необходимость установки насоса строго горизонтально.

Места выхода вала насоса через крышки всасывания и нагнетания имеют уплотнительные устройства – механические уплотнения контактного трения (сальники). Уплотнение на стороне всасывания препятствует подсасыванию воздуха в насос, а уплотнение в крышке нагнетания предотвращает выброс жидкости из насоса. Механические уплотнения выполняются кольцами шнура из мягкого, пропитанного антифрикционным составом материала (хлопчатника, пеньки, асбеста). При вращении вала вследствие трения его о набивку уплотнения выделяется тепло, для отвода которого необходимо, чтобы сальник пропускал некоторое количество жидкости.

Кроме механического уплотнения на стороне всасывания имеется гидравлическое уплотнение – гидрозатвор.

Эксплуатационные характеристики секционных насосов

Всасывание жидкости насосами происходит под давлением атмосферного воздуха при определённом (меньшем атмосферного) давлении на входе в насос.

_о _н

Н_в =  -  - Н_ск – h_п,

g g

где _о и _н – давление, соответственно окружающей среды и на входе в насос, Па;

 - плотность воды, кг/м³;  = 1020-1050 кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²; g = 9,81 м/с²;

Н_ск – скоростной напор, м вод. ст.; Н_ск = U²/2g;

h_п – потери напора в подводящем трубопроводе, м.

Допустимая вакуумметрическая высота всасывания

Н_в^доп  (0,8-0,75) Н_в^кр.

На шахтах допустимая вакуумметрическая высота всасывания не превышает 6 м.

Рисунок 1 – Характеристики насосов: а – ЦНС 180 - 85…425; б - ЦНС 300 - 120…600

Кавитация

Кавитация – явление парообразования воды на входе в первое колесо, с последующей концентрацией пара в первом колесе, сопровождающееся систематическими гидравлическими ударами.

Кавитацию допускать нельзя, так как она уменьшает производительность насоса, приводит к сбрасыванию воды насосом, а также изнашивает детали насоса. Во избежание кавитации необходимо:

1. Применять трубы для всасывающего трубопровода, диаметром не менее диаметра выходного патрубка насоса.

d_вс = d_нап + (25-50 мм).

2. Работать с минимально возможной высотой всасывания и длиной всасывающих труб.

3. Не применять насосы, не соответствующие расчётным параметрам.

4. Не работать на горячей воде.

Типы насосов

Центробежный насос со спиральным отводом.

Насос цельнокорпусной, с разъёмом в горизонтальной плоскости. Вода из одного колеса в другое передаётся по спиральным каналам. Уравновешивание осевого усилия осуществляется за счёт симметричного попарного расположения рабочих колёс. У них более высокий к.п.д. Имеют большие размеры и массу. Применяются в горнорудной промышленности.

В настоящее время выпускаются следующие типы насосов:

ЦНС 105 98-490 Q = 105 м³/ч, Н = 98490.

ЦНС 200 170-425; НЦВ 500/60

ЦН 300 120-360; НЦС 300 120-600

Для участкового водоотлива (одноколёсные)

4К-8 – 4 – диаметр выходного патрубка, уменьшенный в 25 раз; консольный; 8 – коэф-фициент быстроходности, уменьшенный в 10 раз; Q = 90 м³/ч, Н = 55 м, к.п.д. = 0,79.

АНС 160/40 – свободновихревой, Q = 160 м³/ч, Н = 40 м, к.п.д. = 0,65, Ν = 55 кВт.

6Ш8-2 – агрегат электронасосный центробежный односекционный, Q = 150 м³/ч, Н = 33 м, к.п.д. = 0,67, Ν = 30 кВт.

Турбонасос Н-1М – используется для откачки шахтной воды при проходке уклонов и других горных выработок, имеет преимущества: малые габариты, простоту устройства и транспортирования; Q = 25 м³/ч, Н = 40 м, к.п.д. = 0,53.

Шламовые насосы НСВА60-40 и ШН250-34 – консольные, одноступенчатые, шламовые насосы; Q = 60 и 200 м³/ч, Н = 40 и 34 м, Ν = 15 и 55 кВт.

Вертикальный насос ВП-3 (ствол); Q = 50 м³/ч, Н = 360 м, Ν= 100 кВт.

Литература:

1. Хаджиков Р.Н., Бутаков С.А.. Горная механика. – М.: Недра, 1982, (стр. 94-112) рис. 59-61.

2. Попов В.М. Водоотливные установки. – М.: Недра, 1990.

3. ДНАОП 10.0-1.01-05. Правила безопасности в угольных шахтах. – К.: Основа, 2005.

Типо- размер насоса	Номиналь-ный напор на одну ступень, м	Номинальная подача, м3/ч	Количество ступеней	К.п.д. в номиналь-ном режиме, %	Допускае- мый кавитацион ный запас, м	Интервал рабочей зоны, м3/ч
НСШ 80-65…325 и модификации	32,5	80	2-10	68	5	70-140
НСШ 60-60…300 и модификации	30,0	60	2-10	67	5	50-70
НСШ 200-90…450 и модификации	45,0	200	2-10	73	6	140-240
НСШ 180-85…425 и модификации	42,5	180	2-10	73	6	130-220
НСШ 320-144…720 и модификации	72,0	320	2-10	72	5	240-360
НСШ 300-120…600 и модификации	60,0	300	2-10	72	5	220-360
НСШ 250-130…780 и модификации	65,0	250	2-12	70	5	190-300
НСШ 410-91…1000 и модификации	91,0	410	2-11	71	5	340-500
НСШ 500-160…880 и модификации	80,0	500	2-11	73	5	380-640
НСШ 550-182…1000 и модификации	91,0	550	2-11	73	5	440-700
НСШ 900-250…1000 и модификации	125	900	2-8	72	5	690-1100
НСШ 750-250…1000 и его модификации	125	750	2-8	72	5	580-820