Аэродинамические схемы энергосберегающих вентиляторных установок

УДК 622.4.6 + 621.63 Д.Н. Алыменко

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК

Рассмотрены аэродинамические схемы энергосберегающих вентиляторных установок эжекторного типа, определены их конструктивные элементы и условия когда камеру смешения необходимо размещать в перемычке, полностью перекрывающей все поперечное сечение горной выработки, а так же необходимую величину аэродинамического сопротивления этой перемычки.

Ключевые слова: вентиляторные установки, калийные рудники, аэрология, аэродинамические схемы.

~П ентиляторные установки - это неотъемлемая и обяза-

М.М тельная часть технологического оборудования подземной добычи полезных ископаемых. Нормальные условия труда, здоровье, а зачастую и жизнь рабочих зависят от надежного и устойчивого проветривания гонных выработок. Вентиляция, как один из основных элементов обеспечения безопасности ведения горных работ, является вспомогательным технологическим процессом. Зачастую энергозатраты на проветривание подземных горных работ достигают половины от общих по руднику, а удельный вес в себестоимости руды достигает 20 %.

Вентиляционные сети калийных рудников Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС) имеют трудно-проветриваемые зоны (ТПЗ). Именно в участках вентиляционной сети с такими признаками в период с 1969 г. по 1992 г. произошло 14 несчастных случаев (8 групповые), косвенная причина которых - не удовлетворительная вентиляция.

Проветривание горных выработок и участков шахтных полей с малыми аэродинамическими сопротивлениями с помощью вентиляторов-эжекторов позволяет обеспечить комфортные и безопасные условия труда. Однако, до сих пор не решен вопрос с эффективной вентиляцией ТПЗ. Так, к примеру, только на рудниках ОАО «Уралкалий» в период с 1992 г. по 1999 г. работниками Верхнекамской Региональной Горнотехнической инспекции было выявлено 741 нарушение проектов вентиляции и 1354

- газового режима. А общее количество нарушений, связанных с

проветриванием горных выработок, на ВКМКС с 1996 г. по 2005 г. составило 5183. Поэтому разработка методов и средств надежного и устойчивого проветривания ТПЗ актуальна.

В последние годы появилась положительная тенденция к восстановлению и увеличению производственной мощности нагорных рудников Дальнего Востока и Севера. Г орные работы на этих предприятиях сосредоточены в районе рудных тел, а топология вентиляционной сети имеет множество параллельных и диагональных соединений. Вентиляционные сети нагорных рудников так же имеют признаки ТПЗ. Кроме этого на распределение воздуха существенное влияние оказывает естественная тяга. В результате обеспечить устойчивое и надежное проветривание сложно. Темпы отработки рудных тел часто составляют от 2 до 5 лет, а амортизация ВУГП, выпускаемых сегодня, 15-20 лет. Кроме этого их строительство и монтаж по срокам соизмеримы со временем отработки запасов рудного тела.

На основании изложенного выше видно, что совершенствование конструкции существующих и разработка новых вентиляторных установок, в том числе и ВУГП, позволяющих при сохранении требуемого уровня безопасности ведения горных работ, обеспечить энергосберегающее проветривание, способных передвигаться вслед за ведением горных работ (мобильных), имеющих незначительную стоимость, является актуальной задачей. Решить поставленную задачу позволит создание аэродинамических схем энергосберегающих вентиляторных установок (ЭВУ).

Анализ литературных источников и многолетняя научная и практическая работа автора в данном направлении показали, что на сегодняшний день сформировалось несколько научных направлений. Одно - вентиляторстроение, другое - аэрология.

У истоков отечественного вентиляторостроения стояли проф. К. А. Ушаков, Г. М. Еланчик, акад. АН УССР В. С. Пак и др. Значительный вклад в развитие этой отрасли внесли акад. А. А. Дзид-зигури, проф. Г. М. Водяник, Б. А. Носырев, Е. Я. Юдин, И. В. Брусиловский, И. Л. Локшин, В. И. Ковалевская, Н.Н. Петров и др. Основными направлениями их работы было создание высокоэффективных машин, позволяющих проветривать шахты, метрополитены, в которые требовалось подавать значительные объемы свежего воздуха при относительно высоких статических давлениях, а так

же разработка методов и средств регулирования, позволяющих расширить зону экономичного использования вентиляторов.

В результате вентиляционные сети с малыми аэродинамическими сопротивлениями остались без источников тяги, которые были бы спроектированы под их специфические условия. Итогом такой ситуации стали:

- низкая эффективность работы ВУГП со средне статистическим к.п.д на калийных и нагорных рудниках менее 45 %, а у вспомогательных вентиляторов частичного проветривания этот показатель еще ниже;

- применение не экономичных способов регулирования - за счет местных сопротивлений (направляющий аппарат, диафрагма и т. п.);

- превышение до 2,5 раз энергозатарат на проветривание над затратами энергии на отбойку руды;

- удельный вес «вентиляции» в себестоимости руды достигает 20 %.

Исследование внутрирудничной атмосферы проводились акад. А. А. Скачинским, Ф. С. Клебановым, член.-корр. А. Е. Красно-штейном, проф. Б. В. Коморовым, Ф. А. Абрамовым, К. З. Ушаковым, В. Н. Мустелем, А. Ф. Милетечем, Л. А. Пучковым, А. Е. Воробьевым, А. И. Ксенофонтовой, М. А. Патрушевым, И. И. Медведевым, Ю. В. Шуваловым, Н. О. Калединой, М. М. Сметаниным, Н. Г. Матвиенко, С. Г. Гендлером и др. Однако, их исследования проводились в области физических процессов горного производства, аэрогазодинамики и охраны труда при ведении горных работ. В результате была научно доказана необходимость специального подхода к разработке методов и средств управления воздушными потоками в вентиляционных сетях с малыми аэродинамическими сопротивлениями.

Одним из перспективных направлений создания и/или повышения эффективности и надежности вентиляции горных работ для условий, оговоренных выше, стало применение вентиляторов-эжекторов. Использование в производстве исследований работы вентиляторов-эжекторов, выполненных проф. Т.Е. Гуменюк, И.И. Медведевым, Н.Н. Мохиревым и др. исследователями, позволили улучшить проветривание шахт и рудников. Результаты их работы заключались в создании аэродинамических схем, математи-

ческого описания режимов работы и способов регулирования вентиляторов-эжекторов.

Выражения для расчета вентиляторов-эжекторов, полученные ранее, не учитывают влияния разности температур и направления движения эжектирующего и эжектируемого потоков воздуха, а так же влияния других источников тяги. Кроме этого аэродинамические параметры работы вентилятора-эжектора зависят от способа, места его расположения и параметров горной выработки. Зависимость развиваемого статического давления от производительности имеет мягкий вид по подаче. То есть при небольшом изменение развиваемого давления, на проценты, производительность меняется в разы.

Открытым оставался вопрос о конструкции ВУГП для нагорных рудников с периодом отработки рудного тела, соизмеримым по срокам со строительством главной вентиляторной установки. Кроме этого вентиляционные сети нагорных рудников имеют ряд специфических особенностей, которые приводят к образованию ТПЗ и, как следствие, к тем же недостаткам в работе вентиляторов и эффективности проветривания, которые были перечислены выше.

В последние годы новый положительный импульс в развитии получило направление энергосберегающего проветривания, суть которого заключается в частичном повторном использовании воздуха. Работы в этом направлении для калийных рудников проводятся под руководством член.-корр. А.Е. Красноштейна.

Таким образом, комплексное рассмотрение проблемы энергосберегающего проветривания калийных и нагорных рудников при обеспечении требуемых условий безопасности ведения горных работ позволило выявить перспективные направления научного решения проблемы. Одним из таких направлений является разработка и обоснование аэродинамических схем ЭВУ.

Энергосберегающий режим работы вентиляторных установок будет обеспечен при условии максимально эффективного использовании энергии воздушных потоков. Для решения этой задачи было выполнено математическое моделирование вентилятора-эжектора. Результатом стало определение условие максимизации эжекционного эффекта. Доказано, что максимальный эжекцион-ный эффект достигается при проведении эжектирования в оптимальном сечении. Кроме этого определено, что для стабилиза-

ции этого процесса его следует проводить в специально профилированной камере смешения, имеющей минимальные аэродинамические сопротивления [1 ^ 3].

Обеспечить мобильность ЭВУ позволит размещение оборудования на подвижных платформах: остов вагонетки или рама на пневмоходу. Принципиальные схемы показаны на рисунке (см. рис. 1, 2).

На рис. 1, 2 обозначено: вентиляторы: рабочий 1, резервный 2; камеры смешения 3; остовы (рамы) вагонеток 4; парусная перемычка 5, имеющую место для прохода людей и проезда транспорта.

До сих пор оставался не решенным вопрос: когда камеру смешения ЭВУ следует распологать в перемычке (см. рис. 1), а когда без перемычки (см. рис. 2)? С одной стороны, при отсутствии перемычки 5 (см. рис. 1) появляется возможность использовать энергию воздушных потоков для вторичной эжекции и перемычка не увеличивает общее аэродинамическое сопротивление участка вентиляционной сети. С другой стороны отсутствие перемычки может привести к частичной рециркляции воздушных потоков в горной выработке вокруг камеры смешения, а это потери энергии. Таким образом, требуется выполнить оптимизацию и определить условия, когда камеру смешения необходимо размещать в горной выработке в перемычке.

Условие, позволяющее определить когда следует монтировать перемычку, получено при оптимизации коэффициентов прогнозируемости Кпр и технической эффективности Ктэ:

Квтэ = ± Qy/Qэвy ,

где Квтэ - коэффициент вторичной эжекции; QУ; QЭВУ - расходы вторичной эжекции и ЭВУ, соответственно.

Рис. 1. Принципиальная схема ЭВУ с перемычкой

2 1 З

Рис. 3. Условие размещения камеры смешения в перемычке

Г орная выработка т II

^ Q2 ^у > 2у ^

• 0в.

2с Вентилятор с соплом й2 бзВУ

Д , Qy ^

т II

„-Камера смешения

Рис. 4. Принципиальная схема движения воздуха при рабочем режиме ЭВУ

ЙК = (1+ КВТЗ )К при - 1< К <0

пРп У ВТЗ' пРп+1 * пР

пК =1 при К =0

іі прп * пр

К = (1+ КВТ.)К при К і 0.

прп ^ ВІЗ / прп. і ± пр

К = Кпр - 1 пРи - 1< КВТЗ < 0

н

ПКТЗ = 1+ КВТЗ - Кпр при КВТЗ 1 0-

Графические зависимости оптимизируемых критериев показаны на рисунке (см. рис. 3). Наглядно видно, что при QВТЭ < 0,25QЭВУ камеру смешения следует размещать в перемычке, которая полностью перекрывает все поперечное сечение горной выработки. В этом случае исключаются потери на рециркуляцию возду-

ха в горной выработке вокруг камеры смешения (интервал - 1 < Квтэ < 0). При 0 < Квтэ < 0,25 - преимущества от вторичной эжекции меньше чем проигрыш от снижения уровня прогнозируемости проветривания. В интервале, когда Квтэ > 0,25 эффективность использования энергии эжектируемого потока воздуха намного превышает уровень прогнозируемости и камера смешения должна монтироваться в горной выработке без перемычки.

На рис. 4 показано: QC , Q2 , QВ , - расход воздуха по сети, эжектируемого и производительность вентилятора, соответственно; 1-1 , 11-11 - сечения камеры смешения на входе и на выходе потока воздуха, соответственно.

Выражение (1), в представленном виде, не позволяет выявить условия при которых возможна вторичная эжекция. Поэтому нами была исследована аэродинамика потоков воздуха ЭВУ и в горной выработке, где размещена установка. Были рассмотрены все возможные режимы движения воздуха по горной выработке в районе размещения ЭВУ. Из 20 вариантов были выбраны три, которые являются рабочими, а направление движения воздуха в этих режимах показаны на рисунке (см. рис. 4).

Режим движения воздуха, при котором QУ соноправлен с QЭВУ, позволяет обеспечить расход воздуха по выработке Qс > QЭВУ, а если QУ направлен встречно QЭВУ, то Qс < QЭВУ. С помощью сетевых методов расчета были получены выражения:

+ НС -

±Оу=±Ов:-----------------------------,

где Я с - депрессия от других источников тяги, которая приходится на участок вентиляционной сети, в котором располагается ЭВУ; Нвх , Нн - разряжение и напор на входе в камеру смешения и на ее выходе, соответственно; Лтр+вых , Квх , Куд , КУ - аэродинамическое сопротивление камеры смешения трения и выхода, на входе, на удар при выходе потока воздуха из вентилятора и горной выработки между сечениями 1-1 и 11-11, соответственно.

В случае равенства правой и левой частей выражения

будет больше правой, то возникнет вторичная эжекция и выражении (3) нужно брать знак «+». В противном случае возникнет циркуляция и в выражении (3) будет знак «-».

С учетом вражений (1, 3), результатов математического моделирования и промышленных испытаний, было получено выражение для определения критического сопротивления (ЛкрУ) участка горной выработки, в котором размещена ЭВУ (условие, когда необходимо монтировать перемычку):

Опираясь на результаты промышленных испытаний, были подставлены возможные интервалы числовых значений сопротивлений и коэффициентов эжекции. В результате выявлено числовое значение аэродинамического сопротивления участка горной выработки, в котором может размещаться ЭВУ без перемычки при отсутствии влияния на этом участке других источников тяги. Таким образом, аэродинамическое сопротивление участка горной выработки (Ку), между сечениями 1-1 и 11-11 (см. рис. 4), должно быть не менее 5,6 нс2/м8. Подобное значение обеспечит парусная перемычка, полностью перекрывающая все поперечное сечение горной выработки, в которой размещается камера смешения, и в случае необходимости предусматривается место для прохода людей и проезда техники через откидывающуюся часть, закрепленную в кровле выработки.

В результате исследований выполнена оптимизация ЭВУ по эффективности ее работы и надежности проветривания горных выработок, определены в аэродинамической схеме необходимый конструктивный элемент (перемычка), ее требуемые параметры и условие, при котором требуется вводить этот элемент в ЭВУ (аэродинамическое сопротивление).

1. Алыменко Д.Н. Эжекторная установка с жесткими аэродинамическими характеристиками // Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений по-

0,0625(п + 1У1

5= (5,6 ч- 4,4), не2/та* .

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

лезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций. // Материалы международного симпозиума: SRM - 95, Екатеринбург, 1997. - с. 234 - 237.

2. Алыменко Д.Н. Расчет вентиляторной эжекторной установки // Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых. Международный научно-технический сборник. Новокузнецк, 1998. - № 4. - с. 154 - 159.

3. Вентиляторные установки и их применение // Алыменко Н. И., Минин В. В., Алыменко Д. Н., Герцен Н. И., Бруев А. Н., Чистяков А. Н., Южанин А. С. -Екатеринбург: НИСО УрО РАН, 1999. - с. 244.

D.N. Alymenko

AERODYNAMIC CIRCUITS OF THE ENERGY SAVING VENTILATION UNITS ARRANGEMENT

Aerodynamic circuits of the energy saving ejection type ventilation units arrangement are presented. The unit structural elements and considerations in locating the mixing chamber within the air bulkhead spanning the roadway cross-section, as well as essential aerodynamic resistance of the bulkhead are specified.

Key words: fan-driven installations, potash mines, aerology, aerodynamic schemes.

— Коротко об авторе -------------------------------------------------

Алыменко Д.Н. - кандидат технических наук, доцент, директор научной части ОАО «Г алургия»,

е-таіі: mail@gallurgy.ru Alymenko@gallurgy.ru