CC BY
54
С.В. Шатиров
канд. техн. наук, член Совета Федерации Федерального собрания РФ,
первый заместитель председателя Комитета Совета Федерации по экономической политике
А.А. Христофоров
инженер ООО «Горный ЦОТ»
П.Ю. Филатов
заместитель директора ООО «ВостЭКО»
УДК 622.807.2^62-397
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕХНОЛОГИИ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ ВОЗДУХА ИЛИ ГАЗА
На основании анализа существующих исследований была разработана конструкция устройства для эффективного пылеподавления с использованием энергии воздуха или газа. Изготовлен стенд для испытаний и экспериментальные образцы будущих форсунок. Произведены испытания, где были определены оптимальные конструктивные размеры, параметры работы и эффективность пылеподавления системы аэрогидродинамического обеспыливания. По результатам проведенной работы были разработаны рекомендации по конструкции пневмогидроорошения для комбайна КП 21 (Копейский машиностроительный завод).
Ключевые слова: РАЗРАБОТКА, АНАЛИЗ, ПАРАМЕТРЫ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ, СИСТЕМА АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ОБЕСПЫЛИВАНИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, ОРОШЕНИЕ, ФОРСУНКА, ЭНЕРГИЯ ВОЗДУХА ИЛИ ГАЗА, ВОДОВОЗДУШНЫЙ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ПОВЫШЕНИЕ, ДИСПЕРГИРОВАНИЕ, МЕЛКОДИСПЕРСНЫЙ, ТУМАН, СТРУКТУРА, ФАКЕЛ, ДЛИНА, АКТИВНАЯ ЧАСТЬ, ФРИКЦИОННОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ, ОХЛАЖДЕНИЕ РЕЗЦОВ, ПРОВЕТРИВАНИЕ, РАЗМЕР ПЫЛИНОК
Связанный с развитием угольных шахт переход добычных участков на более глубокие горизонты в значительной мере усложняет горнотехнические условия разработки угольных пластов, а широкое внедрение высокопроизводительных выемочных и проходческих машин увеличивает метанообильность и запыленность горных выработок, вследствие чего повышается вероятность воспламенения и взрыва метановоздушной смеси и угольной пыли. Совершенствование проходческих комбайнов проводится главным образом в направлении увеличения их энерговооруженности и автоматизации с целью повышения производительности, возможности проведения выработок большего сечения и по породам повышенной крепости. Основным способом борьбы с пылью продолжает оставаться орошение, эффективность которого в
пределах 70-93 %. При этом остаточная запыленность воздуха составляет 150-300 мг/м3. Поэтому задача совершенствования этого способа борьбы с пылью и повышение его эффективности при снижении расхода воды является актуальной. Расширение области применения комбайнов привело к необходимости решения вопроса предотвращения воспламенения метановоздушных смесей от фрикционного искрения в зоне резания пород с коэффициентом крепости 6 и более по шкале проф. М.М. Протодьяконова. С целью предотвращения фрикционного воспламенения метана необходимо охлаждать как резец, так и оставляемый им след. Анализ эксплуатируемых проходческих комбайнов показал, что применяемое взрывозащитное орошение имеет достаточно высокую эффективность, однако надежность данного способа низка вследствие плохого качества применяемой воды и
ненадлежащего контроля за работой систем орошения комбайнов. Также одним из недостатков данных систем орошения является повышенный расход воды. К примеру, современные проходческие комбайны оснащены различными модификациями типовых оросительных систем с постоянным расходом воды не менее 100 л/мин при давлении 1,0 МПа, что приводит к обводнению выработок. Находящиеся в эксплуатации типы водяных форсунок параметрического ряда при давлении 1,0 МПа диспергируют воду так, что средние размеры капель в 1,5-2 раза и более превышают оптимальные размеры. Если же учесть, что капли более 100 мкм практически не улавливают пыль размером менее 3 мкм, то можно констатировать, что вода для пылеподавления расходуется нерационально уже на стадии диспергирования ее форсунками.
Таким образом, разработка системы пылеподав-ления с использованием энергии воздуха или газа является актуальной. Вместе с тем, для правильного выбора режима работы системы необходимо определить ее оптимальные параметры, оценить работу оросителей и их пространственное расположение, а также иметь возможность заранее прогнозировать эффективность ее применения путем аналитического расчета.
Целью работы является повышение эффективности пылеподавления и предотвращения фрикционного воспламенения метана при работе проходческих комбайнов.
Идея работы состоит в создании направленного водовоздушного потока, огибающего резцовую коронку и проникающего в зону резания благодаря эффекту Коанда, повышающего эффективность пылеподавления и охлаждения резцов и их следа, а также улучшения параметров проветривания зоны резания горного массива [1].
В процессе выполнения работы, учитывая опыт немецких специалистов, нами было разработано устройство для орошения очагов пылеобразования, полностью отвечающее предъявляемым к таким устройствам требованиям: небольшие габариты, большая площадь и низкая дисперсность факела орошения, минимально допустимый расход воды. На конструкцию данного устройства подана заявка на изобретение.
Предлагаемое устройство для орошения очагов пылеобразования (многоканальная форсунка) представлена на рисунке 1.
/
V
2
1-жиклер; 2-сердечник; 3-камера смешения; 4-канал для подачи воды; 5-сопло; 6-зазор для подачи газа; 7-внешняя часть сердечника
Рисунок 1 - Конструкция оросительного устройства
Форсунка состоит из жиклера 1 и удлиненного сердечника 2 для подключения к системе водоснабжения, плотно соединенных между собой. Вода в камеру смешения З подается под давлением через продольный канал в сердечнике 4. Взаимное расположение жиклера относительно сердечника образует зазор 6, через который подается воздушная смесь под давлением. При этом концевая внешняя часть сердечника 7, которая располагается в жиклере и таким образом образует зазор, может иметь форму спирали или прямого паза, или любого другого отверстия в сечении (как параллельно оси устройства, так и под наклоном) для подачи прямолинейного или закрученного потока воздушной смеси в камеру смешения.
Для любой системы орошения существенное значение имеет степень диспергирования воды. С увеличением радиуса капли эффективность соприкосновения с пылью снижается и существует предельный размер пылинок, которые не могут быть захвачены каплей. Так, каплей радиусом 100 мкм при скорости ее движения 5; 10; 20 и 50 м/с не могут быть захвачены пылинки радиусом соответственно 3; 2; 1,5 и 1 мкм, в то время как капля радиусом 10 мкм захватывает их полностью. Относительно оптимального размера капель нет единого мнения, и называются разные диапазоны - от
10-75 до 100-150 мкм. Анализируя эти результаты, можно считать, что близко к оптимальной была бы дисперсность капель факела, перекрывающая все оптимальные размеры, т. е. 10-200 мкм [1]. Существует единое мнение исследователей, что скорость движения капель жидкости в факеле определяет эффективность соприкосновения их с пылинками и для осаждения взвешенной пыли в воздухе имеет решающее значение, а с ее возрастанием увеличивается и длина активной зоны факела диспергированной жидкости. Относительно оптимальной скорости движения капель также нет единого мнения: по данным одних авторов она должна быть не менее 15-20 м/с, других - 20-30 м/с [1].
Результаты проведенных ранее исследований и анализ существующих разработок [2, 3] позволили сконструировать и изготовить целый ряд опытных образцов форсунок системы внешнего пневмоги-дроорошения. Все образцы были последовательно установлены в блок с раздельной подачей сжатого воздуха и воды.
Для определения оптимальных конструктивных параметров требуемый корпус форсунок был изготовлен разборным и состоял из двух частей. Сердечник жестко закреплен в корпусе блока, а жиклер
имеет резьбу и подвижен. Таким образом, имелась возможность регулировать размеры камеры смешения путем смещения жиклера вдоль оси относительно сердечника. Изменяя геометрические размеры камеры, давление воды и воздуха, их расход, мы тем самым добивались оптимальной дисперсности факела орошения.
Принцип действия форсунки пневмогидроороше-ния следующий (рисунок 2). Вода и воздух под давлением поступают в блок форсунок, который состоит из двух отдельных камер, не сообщающихся между собой. Далее вода через сердечник, а воздух - по каналам, образованным между жиклером и сердечником, поступают в камеру смешения, где происходит процесс диспергирования водяного потока воздушной струей. Мелкодисперсная водовоз-душная смесь проходит через сопло, приобретая максимальное ускорение, и на выходе формируется факел.
В течение всего времени испытаний производились измерения основных характеристик и определение оптимальных параметров с точки зрения пылевого фактора и искрогашения. Результаты испытаний представлены в таблицах 1-4.
Рисунок 2 - Схема блока для испытания форсунок
Таблица 1
II. Пожарная и промышленная безопасность - Результаты измерений зависимости параметров факела орошения от изменения расхода воды
№ Давление Давление Расход Расход Угол Длина Длина Дис-
п/п воды, МПа воздуха, воды, воздуха, раствора активной факела, перс-
МПа л/мин м3/мин факела, части м ность
град факела, м
1 0,29 0,21 0,4 »0,7 17 «1 «4 Низкая 1 1 1 1 Высокая
2 0,3 0,24 0,6 1 I 4 I 1
3 0,3 0,24 0,75 23
4 0,29 0,225 1
5 0,3 0,225 1,375 1 4 1,15 5,2
6 0,3 0,225 1,875 I 1 1 1
7 0,3 0,23 2
8 0,3 0,225 2,5 17 1,8 4,5
Таблица 2 - Результаты измерений зависимости параметров факела орошения от изменения давления воздуха
№ п/п Давление воды, МПа Давление воздуха, МПа Расход воды, л/мин Расход воздуха, м3/мин Угол раствора факела, град Длина активной части факела, м Длина факела, м Дисперсность
1 0,5 - 1,2 - - - -
2 0,45 19 1,7 «6 Низкая
3 0,4 17 1,6 »5,5
4 0,35 I 14 1,4 =4,5
5 0,5 0,3 1-1,1 I 11 1,2 »3,5 I
6 0,25 10 1,05 »3,2 I 4
7 0,2 8 0,8 «3
8 0,15 0,5 6 0,6 »2,8 Высо-
9 0,12 5 0,5 »2,5 кая
Таблица 3 - Результаты измерений зависимости параметров факела орошения от ступенчатого изменения давления воды и воздуха
№ п/п Давление воды, МПа Давление воздуха, МПа Расход воды, л/мин Расход воздуха, м3/мин Угол раствора факела, град Длина активной части факела, м Длина факела, м
1 0,47 0,42 1,2 I 23 1,7 »6
2 0,40 0,35 21 1,4 »5,5
3 0,35 0,30 1-1,5 I 4 0,6 19,5 1,3 »4,5
4 0,30 0,28 18 1,15 »3,5
5 0,25 0,2 17 0,85 »3,0
Таблица 4 - Результаты измерений скорости воздуха в факеле орошения
Давление воздуха и воды, МПа Расстояние от форсунки, м Скорость водовоздушного потока, м/с
0,3 Более 20
0,5 17
0,17 0,75 12,1
1 9,3
1,5 6
2 3,7
0,5 18
0,2 1 10,3
1,5 6,4
2 3,2
0,75 19,2
0,3 1 13,8
1,5 9,1
2 6,4
1 18
0,4 1,5 12,7
2 8
1 Более 20
0,5 1,25 14,3
1,5 13,4
2 10,5
1,25 18,7
0,55 1,5 15,2
2 11,1
2,5 9,7
По итогам проведенной работы были выбраны конструкции, удовлетворяющие всем требованиям для эффективного пыле- и искрогашения (рисунок 3). Полученные результаты позволяют определить параметры работы и эффективность пылеподавления системы аэрогидродинамического обеспыливания. Использование расчетных параметров системы позволит повысить эффективность пылеподавления в 1,5-2 раза, надежность в 2-3 раза и снизить расход воды в 10-12 раз.
Анализируя данные приведенных выше таблиц, можно сделать вывод, что для достижения высокой эффективности обеспыливания воздуха необходимо соблюдать следующие рациональные параметры:
Давление воды, МПа 0,5-0,7
Давление воздуха, МПа 0,5-0,7
Расход воды, л/мин, на одну форсунку 1-1,5
Расход воздуха, м3/мин, на одну форсунку Не менее 0,6
На основании анализа результатов проведенных исследований различных модификаций оросителей системы пневмогидроорошения можно сделать следующие выводы:
1. Применение системы аэрогидродинамического обеспыливания позволяет снизить запыленность воздуха при работе комбайна, значительно уменьшить расход воды, улучшить параметры проветривания зоны резания горного массива.
2. Применение в системе аэрогидродинамического обеспыливания форсунок с увеличенным диаметром отверстий позволяет повысить ее надежность и сократить время на ликвидацию отказов (очистку форсунок, ремонт системы).
3. Использование энергии воздуха или газа в создании мелкодисперсного тумана значительно улучшает структуру факела орошения - увеличивается его длина и активная часть.
Рисунок 3 - Принципиальная конструкция оросителей и общий вид факела
Технические преимущества системы пневмогидро-орошения:
• упрощенная конструкция исполнительного органа и резцов за счет использования внешней системы орошения;
значительное снижение расхода воды; выдувание метана из режущей области; возможность проверки работоспособности системы способом визуального осмотра; простое обслуживание системы;
• удобное регулирование и контроль за давлением и расходом воды и воздуха;
• достаточное охлаждение резцов в зоне резания;
• уменьшение износа резцов;
• снижение затрат на обслуживание и ремонт.
По результатам проведенных исследований были разработаны рекомендации по конструкции и проведены стендовые испытания системы пневмоги-дроорошения для комбайна КП 21 (Копейский машиностроительный завод) (рисунок 4).
Рисунок 4 - Блок форсунок, установленный
на испытательном стенде Копейского машиностроительного завода
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Гринюк, А.А. Разработка способа пылеподавления и предотвращения воспламенения метана при работе проходческих комбайнов: дис. ... канд. техн. наук: 05.26.01; защищена 10.10.85 / Гринюк Алексей Алексеевич.
- Кемерово, 1985. - 142 с.
2 Создать и освоить аэрогидродинамическую систему обеспыливания при работе очистных комплексов для пластов мощностью до 4,5 м с углом падения до 35о [Текст]: отчет о НИР / ВостНИИ; исполн. Авраменко С.М., Трубицын А.В., Медведев В.Т., Бугримова Э.С., Большакова Т.В. - Кемерово, 1988. - 31 с.
3 Провести исследования по созданию принципиально новых сред, обеспечивающих значительное (до ПДК) снижение запыленности воздуха [Текст]: отчет о НИР / ВостНИИ; исполн. Авраменко С.М., Трубицын А.В., Удотов С.В., Пищалина Т.Н., Медведев В.Т., Донсков Ю.И., Чикунова Г.В., Большакова Т.В. - Кемерово, 1985.
- 60 с.
EFFICIENCY INCREASE AND DUST CONTROL TECHNOLOGY PERFORMANCE IMPROVEMENT DUST CONTROL SYSTEM USING GAS OR AIR ENERGY DEVELOPMENT S.V. Shatirov, A.A. Khristoforov, P.Yu. Filatov On the basis of the existing researches analyses the device design was developed foe efficient dust control using gas or air energy. Test bench and test samples of experimental nozzles. The tests were fulfilled which determined the optimal design dimensions, range of works and dust suppression by air hydrodynamic system dust control efficiency. On the results of the fulfilled work recommendations were developed for pneumatic hydrospraying design for combine machine KP 21 (Kopeisk machine building plant). Key words: DEVELOPMENT, ANALYSES, DUST SUPPRESSION PARAMETERS, SYSTEM OF AIR HYDRODYNAMIC DUST SUPPRESSION, SAFETY, PNEUMOHYDRAULICSPRAYINGSYSTEM,NOZZLE, AIR OR GAS ENERGY, WATER-AIR, EFFICIENCY, INCREASE, DISPERSION, FINE DISPERSION, FOG, STRUCTURE, TORCH, LENGTH, ACTIVE PART, FRICTION IGNITION, BLADES COOLING, VENTILATION, PARTICLE SIZE
Шатиров Сергей Владимирович Христофоров Александр Александрович e-mail: knaz1984@gmail.com Филатов Павел Юрьевич e-mail: fillini-f@mail.ru
