CC BY
46
УДК 621.51
Ю. Н. Минясв
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ПНЕВМОСЕТЯХ РУДНИЧНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК
Транспортирование сжатого воздуха от компрессорной станции шахты или рудника до пнсвмоприемников осуществляется по воздухопроводным сетям или пневмосстям.
В настоящее время именно пневматические сети являются обычно местом наибольших потерь энергии при эксплуатации компрессорных установок [1], поэтому правильное проектирование и особенно грамотная эксплуатация пневмосетей - непременное условие эффективности работы всего пнсвмохозяйства горного предприятия.
При проведении обследования пневмосетей нужно знать, как меняется температура, давление и расход воздуха в трубопроводе при наличии охлаждения, сопротивления и утечек, которые приводят к потере энергии. Различают три вида потерь энергии в пневмосстях:
- тепловые, связанные с охлаждением воздуха, протекающего по пнсвмоссти;
- гидравлические, связанные с преодолением различного рода сопротивлений при движении сжатого воздуха по пнсвмоссти;
- объемные, связанные с утечками, обусловленными негсрметичностью пневмосетей.
На пути от компрессорной станции к потребителям сжатый воздух неизбежно теряет часть тепловой энергии, приобретенную им при сжатии его в компрессоре. Анализируя течение сжагого воздуха в пнсвмоссти, надо учитывать изменение влажности газа и возможную конденсацию водяного пара, находящегося в нем.
В начале пневмосети относительная влажность сжатого воздуха меньше единицы. В результате снижения давления, вызванного сопротивлением трубопровода, и охлаждения газа относительная влажность изменяется. Причем, поскольку снижение давления происходит менее интенсивно, чем охлаждение воздуха в трубопроводе, относительная влажность газа растет. На некотором расстоянии от компрессорной станции, величина которого зависит от влажности и темпе ратуры атмосферного воздуха и от градиентов температуры и давления сжатого воздуха в трубопроводе, относительная влажность транспортируемого воздуха достигает единицы и в трубопроводе начинается конденсация влаги. Поскольку парциальное давление водяного пара в сжатом воздухе обычно на два^гри порядка меньше абсолютного давления смеси, то конденсация части пара не вызывает ощутимого изменения давления воздуха. Однако, если не принимать меры к удалению из трубопровода сконденсировавшейся влаги, возможно скопление конденсата в трубах и образование водяных пробок, которые могут вызвать значительные потери давления воздуха. Поскольку при конденсации водяного пара выделяется тепло фазового перехода, на участке трубопровода, где происходит влаговыпадснис в потоке воздуха, температура остается примерно постоянной и по мере снижения давления относительная влажность уменьшается - конденсация пара прекращается. Если температура среды, окружающей трубопровод сжатого воздуха, достаточно низкая, то при дальнейшем охлаждении воздуха может появиться еще одна зона влаговыпадсния в трубопроводе.
Вследствие изменения атмосферных условий зона влаговыпадсния перемещается вдоль трубопровода, поэтому необходимо при проектировании пневмосетей предусматривать такое расположение влагоотдслитслсй в сети, которое обеспечивало бы удаление накапливающегося конденсата из трубопровода при любых возможных положениях зоны влаговыпадсния в сети. При правильной организации сбора и удаления конденсата из пнсвмоссти влаговыпадение при транспортировании сжатого воздуха не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на работу пнев-моустановки. Если же удаление конденсата из трубопровода периодически или непрерывно не производится, влага скапливается в самых низких точках пневмосети, образуя водяные пробки, наличие которых может привести к существенным потерям давления и снижению эффективности работы пнсвмоприемников. Кроме того, содержание капельной влаги в сжатом воздухе, поступающем к потребителям пневмоэнергии, ухудшает условия их работы и увеличивает вероятность обмерзания выхлопных окон.
Особенно тщательно должен исследоваться процесс вла> овыпадения в пнсвмосегях в jh.ni-рсс время, когда возможно замерзание влаги, накапливающейся в трубопроводе.
Гидравлические потери энергии от компрессорной станции до потребителей определяются уммированием потерь давления в отдельных элементах пневмосети. последовательно соединениях между собой. Эти потери давления затрачиваются на преодоление сопротивления движению ого воздуха по длине трубопровода с учетом местных сопротивлений и на создание кинетичс-й энергии, т. е. зависят от длины и диаметра трубопровода и наличия в нем всевозможных до-лнительных сопротивлений в виде колен, ответвлений, задвижек, вентилей, клапанов и т.п. и утбыть определены по формуле. Па:
1дл = 1М/,-у,2/адр, си
/-1
где X - коэффициент гидравлических сопротивлений; I, - приведенная длина / -го участка, м; */ - диаметр / -го участка, м; V, - скорость движения сжатого воздуха на / -м участке; р -плотность сжатою воздуха, кг/м\
Коэффициент гидравлических сопротивлений зависит от числа Рейнояьдса (Ке). характеризующего вид движения потока текучего (ламинарный или турбулентный). *>гому вопросу посвящено мною теоретических и экспериментальных исследований, на основе которых выведен ряд расчетных формул. Для инженерных расчетов пневчосетсй можно использовать полуэмпирическую формулу Ф. Д. Шевелева [2] . выведенную для стальных труб с естественной шероховатостью:
>.«■0,021/¿Л3 . (2)
Утечки сжатого воздуха из пневмосети являются обычно причиной наибольших потерь знергии в компрессорных установках. Проведенные кафедрой горной механики У1 ГТА (СГИ) исследования показали, что иногда утечки составляют 5Э % и более от производительности компрессорной станции. Поэтому достаточно точное представление о факторах, определяющих величину утечки сжатого воздуха в пневмосети, важно знать при обследовании пневмохозяйства промышленного предприятия.
При движении сжатого воздуха от компрессорной станции до пневмоприемников неизбежные утечки представляют собой не просто потери количества, которые лимитируются нормативами в процентах от полезною расхода воздуха потребителями, а влекут за собой дополнительные потери давления.
Большое значение имеет установление мест утечки, формы и размеров неплотностей, а также режима движения потока при истечении через неплотности. В общем зависимое! ь > течки 01 различных факторов можно выразить в следующем виде (2):
б^ЛЛЛ«;/;^,^ *ш), (3)
где (/ - диаметр воздухопровода; Р - давление сжатого воздуха; п - число фланцев (или сварных стыков) на единицу длины трубопровода; / - длина трубопровода: лпр - характеристика прокладки (материал, толщина, площадь и др.); - сила натяжения соединительных болтов фланцев; кш - характеристика неплотности (форма щели, отношение площади канала к длине, шероховатость стенок щели и др.).
Кроме перечисленных факторов остаются еще неучтенными степень не герметичности сварного шва, наличие перекосов в стыках трубопроводов, неравномерность толщины прокладок, качество соединяемых поверхностей прокладки и фланца.
Отсюда можно сделать вывод, что расчет утечек сжатого воздуха может быть построен только на базе эксперимента с помощью эмпирических формул.
Учитывая изменения температуры и влажное!и фи движении сжаюю ьоы>ха но пневмосети, можно рекомендовать проводить эксплуатацию следующим образом
При бестраншейной прокладке трубопровода необходимо теплоизолировать участки возможного влаповыпадения и устанавливать на них влагоотделитсли. При прокладке трубопровода в траншее необходимо обеспечить достаточную теплоизоляцию его, чтобы предотвратить возможность замерзания в трубопроводе конденсата, а также установить влагоотделите;:ь с автоматическим выпуском накапливающейся в нем влаги.
Для уменьшения гидрзвличсских потерь энергии должны быт» выбраны правильные диаметры трубопроводов.
Чтобы определить диаметр трубопровода, необходимо знать потери давления на данном участке АР,, связь которых с диаметром записывается уравнением (1).
Выражая скорость движения воздуха через расход и площадь поперечного сечения 1рубо-провода и подставляя данные значения в (I), получим выражение для определения диаметра трубопровода, м
5 _
-V ХМК-РоУ1 '450я^р-Л/>; , (4)
где У; • объемный расход воздуха при нормальных условиях (н.у.). м /мин; р., - плои юс 1ь воздуха при н.у. (р0 = 1,293 кг/ м' ).
Исходя из предварительно заданных максимальной потери давления до самого удаленного участка ЛРпих и длины воздухопровода до самого удаленного воздухоприемника /т1Ч , диаметры всех участков определяются, м
5--
4 »V Х- их {V, -Ро)2 /450 л2 р-ЛРП1вч . (5)
Значение АРпхлх принимается в пределах 0,15 ... 0.20 МПа.
Затем для каждого участка пневмосети выбираюгея грубы с диамегром. равным ближайшему большему стандартному значению.
Не меньшее значение, чем диаметр, имеет и длина трубопровода, поэтому по возможности надо сокращать протяженность пневмосети от компрессорной станции до потребителей, а в отдельных случаях вообще для исключения этих потерь использовать передвижную компрессорную станцию, устанавливаемую непосредственно у потребителей сжатого воздуха.
Для уменьшения потерь давления на местные сопротивления необходимо провести их обследования и устранить имеющиеся неисправности, а в отдельных случаях заменить на более совершенные или по возможности исключить их.
Для уменьшения утечек необходимо прежде всегс определить их величину.
Наиболее простым и точным методом, позволяющим определить величину непроизводительных потерь сжатого воздуха в воздухопроводах, является метод, применяемый при определении производительности компрессора по перепаду давления в дроссельном приборе [3).
Получив величину утечек > 30 % от полезного расхода, необходимо провесги ревизию всех воздухопроводов и их арматуры с целью выявления негерметичных участков и неплотностей соединений с последующим устранением утечек через эти элементы пневмосети.
Таким образом, уменьшая тепловые, гидравлические и объемные потери в пневмосепях, сокращают общие потери при транспортировании сжатого воздуха, что даже при существующем оборудовании повысит общий к. п. д. компрессорной установки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ммннеи IO. Н. Энергосбережение при производстве и распределении сжатого воздуха на промышленных предприятиях. Екатеринбург: УГГГА, 2002. 131 с.
2. Смородин С. С. Проектирование рудничных воздухопроводных сетей. JI.I Изд-во ЛГИ. 1980. 97 с.
3. Надеренко У. П., Межерицкнй Н. А. Эксплуатация и повышение экономичности воздушных компрессорных установок. М.: Энергия, 1987. 150 с.
